MXPA03009302A

MXPA03009302A - Controlador de carga de motor para motores de induccion de ca.

Info

Publication number: MXPA03009302A
Application number: MXPA03009302A
Authority: MX
Inventors: D Cashatt Jerry
Original assignee: Enviro World Systems Inc
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2004-11-12
Also published as: WO2003019765A1; US6954046B2; US20020145400A1; US20040174134A1; US6737827B2; CN1269300C; BR0208840A; KR20040018349A; AU2002256074B2; HK1067915A1; KR20090127441A; US20020190686A1; CN1507688A

Abstract

Esta invencion es un metodo de ahorro de energia mejorado y aparato para obtener y mantener eficiencia operacional optima en motores de induccion de corriente alterna (CA) de monofasicos o trifasicos que estan operando bajo diversas cargas.

Description

CONTROLADOR DK CARGA DE MOTOR PARA MOTORES DE INDUCCIÓN DE CA CAMPO DE LA INVENCIÓN El campo al cual esta invención pertenece es un método de ahorro de energía eléctrica y aparato para controlar la entrada de potencia en un motor de inducción trifásico de corriente alterna (CA) bajo varias cargas, de manera que la potencia suministrada al motor se mantenga óptimamente como una función de la carga que se impone concurrentemente en el motor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Algunas de las patentes de la técnica anterior aplicables son ola: US 4,439,718; OLA: US 4,052,648; y Sugimoto: US 4,379,258. Es bien conocido que los motores de inducción de corriente alterna (CA) normalmente operan bajo voltaje de suministro constante independientemente de si ese motor está o no actualmente operando en su carga proporcionada. Por consiguiente, cuando el motor es operado a una carga baja, por ejemplo, la potencia considerable se desperdicia, de este modo resultando innecesariamente en costos de operación más altos. La técnica anterior ha intentado corregir este problema al utilizar varios métodos y dispositivos cuyo objeto es intentar controlar la entrada de potencia en el motor de manera que es una función de, y proporcional a, la carga actual que está siendo impuesta sobre el motor. Las patentes de ola describen métodos que utilizan un factor de potencia como una referencia o indicador de la eficiencia del motor para controlar el flujo de potencia en el motor bajo varias cargas. El problema con el procedimiento de ola es que su factor de potencia se basa en una evaluación de un ángulo de fase de desplazamiento (teta) que puede existir entre el voltaje y las formas de onda de corriente ya que alcanza respectivamente el valor cero mientras que cruzan el eje X (abscisa) . El procedimiento de ola es verdaderamente efectivo sólo si las formas de onda respectivas son puramente sinusoidales. Actualmente, las formas de onda son puramente sinusoidales en forma frecuente. La patente de Sugimoto describe un circuito alternativo para intentar controlar el flujo de voltaje de suministro en un motor de inducción de CA que está operando bajo condiciones de varias cargas, como una función de carga, en lugar de como una función de capacidad de carga proporcionada máxima. Sugimoto enseña un circuito de control de potencia en donde periódicamente muestrea y detecta la potencia de suministro y la potencia de retroalimentación. Establece entonces una relación fija, predeterminada entre la potencia de suministro y la potencia de retroalimentación en relación a los intentos por obtener la eficiencia operacional del motor. Sugimoto contiende que esta relación de referencia se utiliza en el control de suministro de voltaje a través de los devanados del motor de manera que el voltaje de suministro entonces es una función de una carga que entonces se ve por el motor. Sugimoto también contiende que el aparato de Ñola está incompleto y es desventajoso. La técnica anterior esencialmente utiliza ya sea un ángulo de desplazamiento de fase (teta) , un factor de potencia óptima pre-establecida o relación, o una tabla de voltajes preestablecidos, para una tabla correspondiente de valores de carga que se impone sobre el motor.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Es bien conocido que en motores de inducción de corriente alterna, monofásicos o trifásicos, que cuando el voltaje y los valores de corriente en el motor, son esquematizados en una base de punto a punto, con el eje vertical, (Y, también conocido como la ordinaria) representa la magnitud, y el eje horizontal (X, también conocida como la abscisa) representan el tiempo, que las formas de onda separadas existen para el voltaje así como para la corriente. Estas formas de onda pueden manifestar ya sea una apariencia sinusoidal o no sinusoidal, debido en parte a las características de conmutación inherentes en el componente eléctrico con relación al control de voltaje, por ejemplo. Cuando el voltaje y los valores de corriente se toman de sus trayectorias de forma de onda respectivas y después se multiplican en una base de punto a punto a lo largo del eje X para conseguir el valor verdadero, una forma de voltamperio (VA) se genera. Esta forma de onda también es conocida como una forma de onda de potencia verdadera que representa la potencia que existe en el sistema eléctrico. La apariencia oscilante de la forma de onda de potencia cuando se esquematiza a lo largo de los ejes X y Y generalmente tendrán valores positivos y negativos con referencia al eje X. La porción de la forma de onda arriba del e e X entonces se toma como siendo positivo en valor, mientras que la porción por debajo del eje X se toma como teniendo un valor negativo. Durante la operación de estos motores de inducción, la acción del movimiento de los rotores con relación a los devanados del motor, afecta el valor de la potencia reactiva también conocido como (los VAR) o "voltamperios verdaderos reactivos" que se toma como teniendo un valor negativo. Los VAR pueden representarse visualmente como esa porción de la forma de onda de voltamperio (VA) que está por debajo del eje X. Si una carga se impone sobre el motor que tiene un valor el cual es equivalente a la capacidad de carga proporcionada del motor, el motor entonces supuestamente está operando a máxima eficiencia. Sin embargo, aún entonces, el motor aún produce los VAR debido a las características físicas inherentes del motor y el movimiento relativo de los rotores (no mostrado) del motor a los devanados del motor. Estos VAR siempre están presentes independientemente de si el motor está siendo o no operado a su carga proporcionada. Estos VAR se referirán como "los VAR inherentes" Siempre que un motor de inducción está siendo operado con una carga que es menor que su capacidad proporcionada, los VAR adicionales o "voltamperios verdaderos reactivos" no existen en la forma de onda de VA. Estos VAR se referirán como "los VAR en exceso". Existe una proporcionalidad directa entre los (VAR) y las cargas que pueden imponerse sobre el motor.

Es un objeto de la presente invención mantener los VAR inherentes y en exceso a un valor mínimo para poder obtener deficiencia de operación óptima del motor. Visualmente, los VAR o la porción negativa de la forma de onda (VA) , puede mantenerse tan cerca al lado negativo del eje X como sea posible. La esencia de la invención es hacer que un programa computarizado instruya un microprocesador a buscar continuamente los VAR en exceso e inherentes o valores negativos de la forma de onda de potencia verdadera (VA) . Con el descubrimiento del mismo, el microprocesador puede instruirse a enviar uno o más número digitales de corrección hacia un relé de estado sólido (SSR) , el último del cual toma el control actual del voltaje de entrada o cambios de valor de voltaje a los devanados del motor, de manera que el voltaje de entrada es una función de, y proporcionará, las diversas cargas que se ponen sobre el motor.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS: La hoja l/l es un diagrama de bloque que ilustra los componentes eléctricos convencionales, el flujo de señales y el flujo de números digitales de corrección de una modalidad preferida de la invención con relación a un motor de inducción trifásico.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN: El mejor modo de la invención contemplado es como sigue: componentes eléctricos de la invención son fácilmente accesibles y están en almacén. Por ejemplo, un microprocesador 1 puede ser cualquier número de microprocesadores convencionales . Como se muestra en la hoja 1/1, un motor 2 se localiza dentro de un circuito 3 de ahorro de energía. Durante la operación del motor 2 a menos de su carga máxima, los VAR importantes están presentes en la forma de onda de VA. El voltaje asociado con cualquiera de las dos o tres lineas de fase del motor (4, 5 ó 6) , al motor 2 que se muestrea continuamente por un detector 7 de voltaje convencional, este último del cual también se conforma estructuralmente de manera que los voltajes que pasan a través de este se mantienen o se ajustan a una magnitud que es compatible con un escalador 11 de entrada de voltaje. Un divisor de voltaje convencional (no mostrado) dentro del detector 7 de voltaje, puede satisfacer esta función protectora. La corriente asociada con cualquiera de una de dos líneas de fase de motor que se ¡maestrean para su voltaje, también está siendo muestreado continuamente por un detector 9 de corriente convencional, como se muestra en la Hoja l/l. El detector 9 de corriente también es configurado de manera que la corriente que pasa a través de éste se transforme en una señal de voltaje que es representativa de la corriente de entrada así como se hace compatible en magnitud con un escalador 10 de entrada de corriente. Un transformador convencional y resistencia de carga (ambas de las cuales no se muestran) , las cuales están dentro del detector 9 de corriente, pueden satisfacer esta función protectora. La señal de voltaje, la cual es representativa de la corriente, que viene desde el detector 9 de corriente, se aplica a un escalador 10 de entrada de corriente convencional que mantiene la magnitud de señal de voltaje a un nivel apropiado para la recepción por un convertidor 8 de análogo a digital, de acuerdo con la capacidad proporcionada del convertidor 8 de análogo a digital . El detector 7 de voltaje muestrea continuamente el voltaje de línea en, por ejemplo, la línea 5 de la fase del motor y la línea 4 de la fase del motor, y dirige estos voltajes al escalador 11 de entrada de voltaje que ajusta estos voltajes a un valor que también es compatible con la capacidad de entrada proporcionada del convertidor 8 de análogo a digital, como se muestra en la Hoj l/l.

Alternativamente, el detector 7 de voltaje puede muestrear el voltaje a través de cualquiera de dos de las líneas 4, 5 ó 6 de fase del motor. El escalador 11 de entrada de voltaje toma la diferencia entre los dos voltajes muestreados y dirige esta diferencia al convertidor 8 de análogo a digital. Hasta este punto, las señales eléctricas que representan corriente y voltaje han sido análogas en naturaleza . Las señales análogas eléctricas respectivamente vienen desde el escalador 10 de entrada de corriente y el escalador 11 de entrada de voltaje, están entonces tanto dirigidas al convertidor 8 de análogo a digital que convierte aquellas señales en un número binario digital (referido de aquí en adelante como un número digital) . Aquellos números digitales son entonces dirigidos a un microprocesador 1. Sobre la recepción del voltaje asociado y señales de corriente en su forma digital, el microprocesador 1 multiplica aquellos números digitales para obtener un valor de voltamperio (VA) . El microprocesador 1 entonces toma el producto de esta multiplicación y, por consiguiente a las instrucciones de una memoria 12 de programa, determina si ese producto tiene un valor negativo o no. El producto de esta multiplicación generalmente tendrá también un valor variable, si la carga en el motor 2 está variando. Si el producto tiene un valor negativo, esto indica que los VAR están presentes . Por consiguiente a las instrucciones adicionales de la memoria 12 de programa, el microprocesador 1 entonces puede emitir uno o más números digitales. El número o números digitales expedidos por el microprocesador 1 indica si el voltaje de entrada al motor 2 necesita cambiarse de maneras que el voltaje de entrada entonces será proporcional a la carga que se impone sobre el motor. Siempre y cuando el valor de voltamperio (VA) tenga un componente negativo (los VAR) en éste, en el cual el microprocesador 1 puede reducir óptimamente de acuerdo con las instrucciones de la memoria 12 de programa, el microprocesador 1 buscará continuamente y descubrirá ambos VAR en exceso e inherentes . Con el descubrimiento de estos VAR, la memoria 12 instruye al microprocesador 1 expedir y dirigir los números digitales antes mencionados continuamente a un convertidor 13 de digital a análogo, en donde el número o números digitales se convertirán en una señal análoga, entonces se dirige por el convertidor 13 de digital a análogo a un amplificador 14 operacional donde la señal de voltaje análoga es escalada de manera que pueda no ser menor que 0 voltios y no mayor que 5 voltios. Esta proporción de voltaje de 0 a 5 es el margen de volta e-entrada adecuado que un relé de estado sólido (SSR 15) está configurado concurrentemente para aceptarlo. En el caso de que este margen sea cambiado a un valor más óptimo, el amplificador 14 operacional de igual manera se configurará para refle ar ese cambio, en los valores de margen de voltaj e-entrada que es capaz de proporcionar. Como se establece previamente cuando el motor 12 es superado a menos de su carga proporcionada máxima, los valores de potencia reactivos importantes (VAR) o los VAR en exceso, están presentes en la forma de onda (VA) . La esencia de la invención es mantener siempre que pueda existir (los VAR), a un mínimo. Establecida de otra forma, la invención toma cualquiera de los valores negativos del producto de la multiplicación que puedan existir, y de acuerdo con las instrucciones de la memoria 12 de programa programable dirigida al microprocesador 1, mantiene estos valores negativos a un mínimo óptimo consistente con la capacidad inherente del microprocesador 1 para hacerlo así . La invención de este modo se enfoca siempre que la porción negativa de la forma de onda de potencia (VA) pueda existir, y para poder hacer que el motor 2 opere a condiciones de eficiencia óptima, mantiene esa porción negativa en el mínimo óptimo . De manera que el mínimo óptimo es el valor más pequeño posible que el microprocesador 1 es físicamente capaz de obtener, de acuerdo con las instrucciones programables de la memoria 12 de programa. Visualmente , si la forma de onda de potencia (VA) se esquematizará, se vería ya sea la amplitud negativa de la forma de onda (VA) mantenida tan cercana al lado negativo del eje X (abscisa) como fuera posible, o el área negativa que se une por el ej e Y y la trayectoria negativa de la forma (VA) de la forma de onda (VA) de potencia mantenida a un mínimo. El microprocesador 1 entonces es programado por la memoria 12 para no buscar sólo continuamente y detectar los VAR en exceso y los VAR inherentes, sino también cuando el microprocesador 1 detecte cualquiera de los VAR, para expedir uno o más números digitales increméntales en el convertidor 13 de digital a análogo, hasta un punto donde el procesador 1 ya no detecta ningún valor de VAR, independientemente de si ese valor de VAR representa los VAR en exceso o los VAR inherentes . Cuando el microprocesador 1 ya no detecta ninguno de los VAR, el microprocesador 1 se instruye por la memoria 12 para dejar de expedir los números digitales increméntales, y más bien, instruir para iniciar inmediatamente la expedición de los números digitales decrementales hasta un punto donde la detención del motor se evita. En respuesta a las señales de voltaje que vienen del amplificador 14 operacxonal, el SSR 15 hace el trabajo actual al ajustar y controlar la cantidad de voltaje de suministro a los devanados del motor (no mostrados) asociados con las líneas 4, 5 y 6 de fase del motor que están en serie con el SSR 15. De esta forma, el voltaje de entrada al motor 2 continuamente es ajustado y controlado de manera que el voltaje de entrada es una función de, y proporcionada a, las diversas cargas que se imponen sobre el motor 2, de este modo resultando en ahorros de energía importantes y reducción de los gastos de operación. Las líneas 4, 5 y 6 de fase del motor están cada una viniendo de un suministro 16 de potencia trifásico convencional . El circuito 3 de ahorro de energía y el motor 2 están a tierra convencionalmente . En el interés de simplicidad, la tierra no se muestra en los dibujos ya que tales provisiones pueden ser obvias para aquellos con experiencia ordinaria en la técnica. La programación del microprocesador 1 para realizar las etapas descritas en la presente, también es obvia para aquellos que tienen experiencia ordinaria en la técnica de la programación por computadora, microprocesadores, así como la tecnología asociada con los motores de CA de inducción eléctricos . Por consiguiente, la lista de programas y el código no se establecerán; sin embargo, de acuerdo con el Manual de los Procedimientos de Examen de Patente, Sección 2106.01, así como el caso Fonar Corp. v. General Electric Co . , 107 F3d 1543, 1549 (Fed. Cir. 1997), las funciones específicas del software asociado con la memoria 12 de programa y el microprocesador 1, junto con el motor 2 trifásico, son como sigue: Como se establece en lo anterior, las funciones específicas del software proporcionado por la memoria 12 de programa son para (1) instruir al microprocesador 1 para recibir y multiplicar los números digitales respectivos asociados entre sí, que vienen del convertidor 8 de análogo a digital. (2) instruir el microprocesador 1 para que busque continuamente y detecte los valores negativos en el producto de la multiplicación descrita en (1) . (3) instruir al microprocesador 1 que si los valores negativos (los VA ) se observan, que es para expedir uno o más números digitales al convertidor 13 de digital a análogo, tales números digitales se han emitidos continuamente siempre y cuando el valor del voltamperio (VA) tenga cualquier componente negativo (los VAR) en el cual el microprocesador 1 pueda reducir óptimamente. (4) instruir al microprocesador 1 a reconocer si la carga en el motor 2 está incrementando o disminuyendo (5) instruir al microprocesador 1 a expedir los números digitales continuamente en forma incremental o decremental al SS 15, hasta que la condición óptima del valor negativo mínimo en la forma de onda de voltamperio (VA) se logre. El valor de los diversos números digitales es proporcional al margen de 0 a 5 voltios asociado con el amplificador 14 operacional . Esencialmente, siempre que el microprocesador 1 detecta (los VAR) , continuará expidiendo los números digitales correctores al convertidor 13 de digital a análogo, para la última transferencia de una señal análoga que entonces viene del convertidor 13 de digital a análogo al SSR 15 trifásico, donde el voltaje de entrada del motor 2 se ajusta automáticamente, proporcional a y de acuerdo con el valor de la señal análoga entre 0 y 5 voltios que se recibe del amplificador 14 operacional. La invención en la modalidad preferida descrita en la presente, la cual se posiciona entre la fuente 16 de potencia trifásica convencional y el motor 2 trifásico, también puede aplicarse a un motor monofásico (no mostrado) al utilizar los SSR de fase sencilla siempre y cuando los SSR de fase sencilla cada uno se configurará con controladores proporcionales lineales convencionales (no mostrado) . Aunque la invención en la presente se ha descrito en detalle con respecto a solamente una modalidad ejemplar mostrada en la presente, aquellos que tienen experiencia ordinaria en la técnica de los microprocesadores, programación por computadora y motores eléctricos reconocerán que variaciones y modificaciones de la invención pueden hacerse fácilmente.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo descrito en las siguientes reivindicaciones . REIVINDICACIONES

1. Una mejora en un método de ahorro de energía para optimizar la eficiencia operacional de motores de inducción de corriente alterna de una sola fase y trifásicos donde los motores están operando bajo diversas cargas, tal mejora en combinación está caracterizada porque comprende las etapas de: monitorear continuamente y detectar la potencia reactiva del voltamperio verdadera; y emitir continuamente las señales para poder ajustar y controlar el voltaje de línea de entrada siempre y cuando la potencia reactiva del voltamperio verdadera se detecte de manera que el voltaje de línea de entrada ahora sea óptimamente una función en la carga.

2. Una mejora en un método de ahorro de energía para optimizar la eficiencia operacional de motores de inducción de corriente alterna de una sola fase y trifásicos donde los motores están operando bajo diversas cargas, la mejora en combinación está caracterizada porque comprende: medios para monitorear y detectar la potencia reactiva del voltamperio verdadera; y medios para emitir continuamente las señales para poder ajustar y controlar el voltaje de línea de entrada siempre y cuando la potencia reactiva del voltamperio verdadera se detecte de manera que el voltaje de línea de entrada ahora sea óptimamente una función de una carg .