MXPA03008749A - Control electronico de par-motor de motor para bombas de desplazamiento positivo. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema de precision para la distribucion de energia hidraulica que acopla directamente la bomba a un motor primario y a un control de motor relacionado. El sistema provee control de flujo de una maquina impulsada hidraulicamente sin el uso de dispositivos corriente abajo por el empleo de algoritmos de control de movimiento en el control del motor. Caracteristicas de control son integradas electronicamente en el sistema hidraulico por el uso de algoritmos de control y subrutinas especificamente desarrollados para el sistema de servo control del motor primario acoplado a la bomba.

Description

CONTROL ELECTRÓNICO DE PAR-MOTOR DE MOTOR PARA BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO. CAMPO TÉCNICO La presente invención se relaciona con un método de atenuación electrónicamente de una malla polar basada en el perfil de par-motor de una bomba de des lazamiento positivo para producir una presión de bomba constante sin importar la localización del cigüeñal/leva/manivela radial de la bomba ni la velocidad del fluido siendo bombeado. En el método, un procesador electrónico compara el ángulo de desplazamiento de flecha de la flecha de entrada de una bomba contra una malla polar de referencia de perfil de par-motor y varía la potencia eléctrica aplicada al motor de la bomba. El procesador también puede tomar en cuenta el tiempo de respuesta del impulsor de la bomba, la reactancia inductiva del motor, la inercia del sistema, características de aplicación de la bomba, y la energía regenerativa durante la desaceleración de la bomba.

ANTECEDENTES En el arte previo, es bien conocido que en situaciones donde se desean mayores presiones de movimiento de fluido, comúnmente se emplea una bomba de desplazamiento positivo. Una bomba de desplazamiento positivo usualmente es una variación de un pistón reciprocante y un cilindro, de los cuales el flujo se controla por algún tipo de sistema de válvulas. La maquinaria reciprocante, sin embargo, puede ser menos atractiva para usarse que la maquinaria rotativa debido a que la salida de una máquina reciprocante es cíclica, donde el cilindro bombea o se llena alternativamente, por tanto hay rompimientos en la salida. Esta desventaja puede ser resuelta en cierta medida por: el empleo de múltiples cilindros,- derivando la salida de la bomba a través de acumuladores, atenuadores, amortiguadores de flujo; o descargando el exceso de presión removiendo con ello la alta presión de salida del flujo.

En adición a la presión desigual y la salida del flujo, la bombas reciprocantes tienen la desventaja de una potencia de entrada desigual proporcional a su salida.

Esto causa un desgaste excesivo sobre el aparato, y es ineficiente debido a que el impulsor de la bomba debe ser dimensionado para el alto par-motor requerido cuando la posición de la flecha que conecta a la bomba está en un desplazamiento angular contra la dimensión del brazo del cigüeñal durante el golpe de compresión que podría resultar en el par-motor de la flecha de entrada más alto requerido .

Más aún, si la demanda de la aplicación varía, deben emplearse sistemas de derivación, recirculación o desagüe complejos para salvaguardar al sistema de una "cabeceo-muerto". Esto es, si el flujo de salida es bloqueado cuando la bomba está en operación, la bomba se colapsará por el incremento de presión o se atascará. Si el atasco ocurre, un motor de inducción eléctrica convencional se quemará en cuanto esto se parece a una condición de rotor bloqueado con una aplicación completa de voltaje y amperaje. Típicamente los sistemas con bombas de desplazamiento fijo usan una válvula de alivio para controlar la presión máxima del sistema cuando se encuentran bajo carga. Por tanto, la bomba entrega un flujo total a presión completa sin importar la aplicación, desperdiciando entonces una gran cantidad de potencia .

En este aspecto, debe señalarse cierto arte previo que intenta corregir los problemas asociados con el par-motor de salida de un motor de bomba.

En la patente US 5,971,721, una transmisión excéntrica transmite una demanda de par-motor desde una bomba reciprocante, que varía con el tiempo, al impulsor del motor de manera tal que la demanda de par-motor sobre el impulsor del motor es substancialmente constante. El resultado es la nivelación de la variación de par-motor requerida para impulsar a una bomba de desplazamiento positivo en el eje de transmisión de entrada con el efecto de una presión de salida constante. Esto se complementa por medio de conjuntos de ruedas dentadas excéntricas de paso circular con cinturones de engranes conjuntos o engranes excéntricos apareados de paso circular.

El uso de un conjunto de engranes excéntricos o ruedas dentadas, tiene un efecto significativo sobre el requerimiento global de par-motor y la magnitud del pulso de descarga de la bomba pero debido a que muchas de las bombas son del tipo de múltiples cilindros, o del tipo de paletas o de engranes, el requerimiento de par-motor en la flecha de entrada de la bomba podría no ser perfectamente contra-actuado (nivelado) por el uso de un patrón de reducción desarrollado por componentes de transmisión excéntricamente apareados.

En la patente US 5,947,693, un sensor de posición produce una señal al sensar la posición del pistón en un compresor lineal . Un controlador recibe la señal de posición y envía una señal de control para controlar el movimiento direccional de salida de un motor lineal.

En la patente US 4,726,738, se miden dieciocho o diecinueve par-motores de arranque a lo largo de una flecha principal a favor de mantener constante la velocidad de revolución de la flecha y son trasladados a un par-motor de motor requerido para ángulos particulares de la flecha principal La patente US 4,971,522 usa una entrada de transductor de arranque cíclico y una señal de entrada de un tacómetro a un controlador para señalizar controles de entrada de motor cíclico variadas a fin de proveer el par-motor de salida requerido del motor. Un volante se acopla al motor a favor de mantener la velocidad de la flecha. Sin embargo, la velocidad del motor es variada ampliamente y el par-motor es variado en una menor extensión. La patente US 5,141,402 describe una corriente y frecuencia eléctrica aplicadas al motor que son variadas de acuerdo a las señales de presión y flujo del fluido desde la bomba. La patente US 5,295,737 describe una salida de motor que es variada por un regulador de corriente de acuerdo a un requerimiento de presión de salida cíclico predeterminado. La velocidad del motor se establece que sea proporcional al volumen consumido e inversamente proporcional a la presión.

Puede apreciarse de lo anterior que existe una necesidad por la atenuación electrónica del perfil de. par-motor en una bomba. Cuando el perfil de par-motor se compara con el desplazamiento de la flecha de entrada y otros factores tales como la inercia del sistema y el tiempo de respuesta del impulsor de la bomba, etc. , una bomba puede producir una presión constante para el rango completo de volumen de diseño del sistema.

OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Es por tanto un objeto de la presente invención, proveer un método para la atenuación electrónica de los requerimientos de variación de par-motor de una bomba para producir una salida de par-motor apareada de un motor que resultará en una presión de salida constante desde una bomba.

Es por tanto aún un objeto adicional de la presente invención, proveer factores de control que varían la potencia y par-motor de salida de un motor de bomba basados en los requerimientos de variación de par-motor calculados .

Es por tanto aún otro objeto adicional de la presente invención, incrementar la eficiencia energética de una bomba, proveyendo una relación de fuerza balanceada entre la salida del motor y el requerimiento hidráulico de la aplicación.

Es por tanto aún otro objeto adicional de la presente invención, decrementar el desgaste de la bomba proveyendo una fuerza de salida substancialraente constante del motor de la bomba y reducir la cantidad de ciclos de la bomba para el requerimiento de la aplicación.

Es por tanto un objeto adicional de la presente invención, proveer un método para la atenuación electrónica de la variación del par-motor de una bomba por el suministro de la información para el diseño de un sistema de transmisión electrónico que pueda alcanzar una fuerza de salida constante desde el motor hacia la bomba.

Para lograr los objetos descritos se provee un método para obtener un mapa polar para el control del proceso dentro del impulsor electrónico de una bomba objetivo. Este mapa polar es calculado por un procesador o es calculado externamente y entonces introducido a un procesador. Una vez que el perfil de par-motor de la bomba es obtenido y traducido en un mapa polar, el procesador puede comparar el ángulo de desplazamiento de. flecha de la flecha de entrada a la bomba al mapa polar de referencia. El procesador también puede tomar en cuenta factores seleccionados tales como el tiempo de respuesta del impulsor de la bomba, la reactancia inductiva del motor, la inercia del sistema, características de la aplicación de la bomba, y energía regenerativa durante la desaceleración de la bomba. Usando los factores seleccionados y la comparación de los resultados, el procesador entonces envía señales al controlador del motor para variar el amperaje, voltaje y frecuencia aplicados al motor a favor de regular la salida de par-motor del motor de la bomba. Con una fuerza de salida del motor adecuadamente regulada, la presión de salida de la bomba permanecerá constante no obstante la localización de la leva de la bomba o de la velocidad de flujo del fluido.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS De esta forma, para que la presente invención, sus objetos y ventajas sean realizadas, la descripción de las mismas se hará con referencia a los dibujos acompañantes.

La figura 1 es un diagrama de bloques de las etapas requeridas para un método de atenuación electrónica de perfil de par-motor y el control resultante de la bomba.

La Figura 2 es un gráfico mostrando variaciones del par-motor de entrada para una bomba triplex basada en los grados rotacionales de la flecha de entrada a la bomba.

La Figura 3 es un gráfico mostrando una suma de percentiles de la variación de par-motor de entrada comparado al desplazamiento angular de la flecha de entrada de una bomba triplex.

La Figura 4 es un gráfico mostrando un trazado de los puntos de variación en distancia geométrica basado en la variación de par-motor total para una bomba triplex.

La Figura 5 es un mapa polar mostrando el perfil de par-motor versus el desplazamiento angular de una flecha de entrada de bomba .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Ahora, con referencia a los dibujos en detalle, en donde números similares se refieren a los mismos elementos a través de las varias vistas, donde los bloques 1-5 de la Figura 1 muestran el desarrollo de una línea base guía polar del perfil de par-motor para la bomba objetivo.

En el bloque 1 de la Figura 1 y mostrado gráficamente en la Figura 2, la salida característica del desplazamiento volumétrico podría relacionarse directamente a las variaciones del par-motor de entrada por encima 10 y por debajo 12 de la media comparativa 14. El procesador identifica las características de la salida de descarga, tales como el número de émbolos, pistones en una bomba de pistones o paletas/engranes en una bomba rotatoria. El procesador también utiliza una media comparativa donde, la media comparativa es representativa del requerimiento de par-motor básico de la flecha de entrada de la bomba en razón a una presión específica de salida de la bomba. Un patrón de pulsación 16 podría repetirse a la misma tasa por revolución como el número de cavidades de desplazamiento volumétrico de la bomba. Como se ilustra en la Figura 2, una bomba de desplazamiento positivo triplex podría repetir un patrón de pulsación 16 cada 120 grados de rotación de la flecha de entrada de la bomba. Estas variaciones del par-motor por encima 10 y debajo 12 de la media 14 son calculados y registrados por el Bloque 1 de la Figura 1.

Para otras bombas, tales como una bomba de émbolo quintaplex, que incorpora cinco émbolos, un patrón de pulsación podría ser producido cinco veces por revolución de la flecha de entrada de la bomba, repitiendo cada 72 grados si la presión de salida ha de permanecer constante; y para una bomba de paletas rotatorias seleccionada con nueve paletas, el patrón de pulsación podría repetirse cada 40 grados de rotación de la flecha de entrada de la bomba si la presión de salida ha de permanecer constante.

En el Bloque 2 de la Figura 1 y mostrado gráficamente en la Figura 3, el perfil de par-motor versus el ángulo de desplazamiento del sistema de bombeo objetivo es la suma de los requerimientos de par-motor para cada componente de desplazamiento volumétrico, mostrando un porcentaje sobre la media 18 y el porcentaje por debajo de la media 20.

En el Bloque 3 de la Figura 1, la magnitud de la variación de par-motor de entrada para la bomba de potencia se determina por el procesador, donde la magnitud de la variación de par-motor es el número de cavidades de desplazamiento volumétrico activadas en una revolución y la relación WQ" . El cálculo "Q" es la distancia lineal "L" entre el punto pivotal del émbolo/pistón y el punto de pivote de tiro multiplicado por el radio de tiro "R" ; "Q=LR" .

La tabla siguiente, muestra las variaciones del percentil del par-motor de entrada por encima y debajo de la media para bombas triplex con varios "Q" , en relación a la distancia lineal entre el punto de pivote émbolo/pistón y el punto pivote de tiro multiplicado por el radio de tiro. - . .

Tabla 1. Variaciones del percentil del par-motor de entrada por encima y debajo de la media para bombas triplex con varios "Q" La Figura 4 muestra gráficamente la variación de par-motor total para mostrar un perfil de par-motor para una bomba triplex (tres desplazamientos volumétricos por revolución) con una "Q" en 4:1 con variaciones mostradas arriba y abajo de la media. La media es representativa del requerimiento rcm (raíz cuadrática media) básico de par-motor de la flecha de entrada a la bomba tasada a una presión de salida específica de la bomba versus el ángulo de desplazamiento angular del cigüeñal de la bomba. La relación de "Q" y el efecto que tiene sobre la variación del par-motor podría también aplicar a bombas rotatorias . Una variación de distancia geométrica trazada usando tl-tl5 como puntos de trazado es impuesta entonces sobre el perfil de par-motor.

En el Bloque 4 de la Figura 1 y mostrado gráficamente en la Figura 5, un mapa polar para una bomba se determina con base en el perfil de par-motor y el desplazamiento angular de la flecha de entrada de la bomba. El centro 34 del mapa polar es para representar un par-motor de cero. Las líneas increméntales 36 mostradas orbitalmente son el desplazamiento angular de la flecha de entrada de la bomba objetivo. La curva de variación del par-motor de la bomba trazada 38 que ocurre encima y abajo de la media 40 va a ser considerada un porcentaje geométrico de la suma del requerimiento de par-motor de cada uno de los componentes de desplazamiento volumétrico de la bomba objetivo .

La distancia de cada punto trazado sobre el centro del mapa polar desde el centro del diámetro base será localizada en la variación de distancia geométrica (sobre o debajo) de la base de radios percentiles establecidos desde el par-motor versus el ángulo de desplazamiento de la flecha de entrada de la bomba (ti a tl5) . Las variaciones de distancia geométrica son los puntos trazados determinados en la Figura 4. El par-motor versus el perfil de desplazamiento angular del sistema de bombeo seleccionado se hará la guía polar de referencia para el algoritmo comparador en el procesador en el Bloque 5 de la Figura 1. La guía de referencia polar determinada por el procesador en los Bloques 1-5 también puede ser determinada externamente del procesador y entonces introducida al procesador.

Los Bloques 6-10 de la Figura 1 son las etapas operativas desde la atenuación electrónica del perfil de par-motor para proveer una presión de salida constante en la bomba en donde el Bloque 6 indica la transmisión del desplazamiento angular de la flecha de entrada de una bomba en operación. Un transmisor de pulso montado sobre la flecha de entrada releva a un contador, que es parte del procesador, la posición angular del impulsor de la bomba.

En el Bloque 7 de la Figura. -1, un- procesador electrónico recoge esta información de retroalimentación sobre la orientación de la flecha de salida, y procesa los datos de desplazamiento angular. El procesador entonces atenúa desde el requerimiento pico de la bomba, el par-motor de salida del impulsor comparado al mapa polar de referencia predeterminado del Bloque 5. Un valor de comando de par-motor correspondiente es seleccionado entonces .

En el Bloque 8 de la Figura 1, otras entradas de lecturas del sistema tales como la inercia del sistema, cargas parasitarias, fricción de obturación, tiempo de respuesta de la bomba, reactancia inductiva del motor, características de aplicación de la bomba, energía recuperativa durante la desaceleración de la bomba, y velocidad de translación pueden ser tomados como factor selectivamente en el algoritmo del procesador por cambios en el control del proceso.

En el Bloque 9 de la Figura 1, basado en las entradas de los Bloques 7 y 8, el procesador del impulsor electrónico envía una señal al controlador del motor para aplicar el amperaje, voltaje y frecuencia correctos al motor que entonces proveé el par-motor correcto de acuerdo al desplazamiento angular de la flecha de entrada de la bomba .

En el Bloque 10 de la Figura 1, la señal resultante hacia el controlador del motor y el motor impulsarán al sistema de bombeo para producir una presión constante en el rango completo del volumen de flujo de diseño del sistema sin importar la localización del cigüeñal radial de la bomba y la velocidad del fluido bombeado.

El Bloque 11 de la Figura 1, muestra el uso de este método en sistemas futuros donde la información recopilada de la operación de la bomba por este método puede usarse para diseñar componentes más responsivos tales como transmisiones e impulsores electrónicos. Componentes más responsivos podrían decrementar los incrementos de tiempo entre los Bloques 6-10. Conforme los tiempos de respuesta decrecen, el par-motor de salida producido por los desplazamientos angulares indicados incrementará en eficiencia.

Por tanto, los objetos y ventajas antes mencionados son alcanzados más efectivamente. Aún -cuando han sido develadas y descritas las modalidades preferidas de la presente invención en detalle, debe entenderse que esta invención no está limitada en ningún sentido por ellas y su alcance está determinado por aquél de las

Claims (1)

REIVINDICACIONES Una vez descrita la invención lo que se reivindica como propiedad es :

1. Un método para atenuar electrónicamente un mapa polar de perfil de par-motor a favor de controlar la salida de una bomba de desplazamiento positivo, el método comprendiendo las etapas de: proveer un procesador de impulsor electrónico; determinar una guía de referencia polar del perfil de par-motor comparada al desplazamiento angular de la flecha de entrada de dicha bomba en donde dicha determinación es almacenada en dicho procesador; medir una posición angular de una flecha de impulsor de bomba en operación; introducir dicha posición angular en dicho procesador; coraparar dicha entrada de posición angular con dicha guía polar de referencia; seleccionar un valor de comando de par-motor correspondiente de la comparación de la entrada de posición angular con la guía polar; enviar una señal a un controlador de motor en donde dicho controlador de motor regula el amperaje a un motor; habilitar al motor para aplicar una cantidad de par-motor a la flecha de entrada de la bomba; y potenciar la bomba para proveer una presión de salida constante . El método de la reivindicación 1, en donde la determinación de dicha guía polar es por el procesador . El método de la reivindicación 1 incluyendo además las etapas de transmitir dicha posición angular de la flecha impulsora de la bomba desde un transmisor de pulso hacia dicho procesador. El método de la reivindicación 1, en donde dicho controlador de motor regula el voltaje suministrado al motor. El método de la reivindicación 1, en donde dicho controlador de motor regula la frecuencia suministrada al motor.