MXPA03011893A - Control de velocidad rotacional para un motor universal con fluctuaciones de corriente reducidas. - Google Patents

Abstract

La invencion se refiere a un motor (11) universal monofasico del tipo probado particularmente como un impulsor facil de manejar para lavadoras, que permite una reduccion esencial de las perdidas debidas a la inversion magnetica, la dependencia del grado de efectividad de las revoluciones por minuto y de la corriente (Im(t)) del motor que fluctua por el doble de la frecuencia de la red, junto con las perdidas y la generacion de ruido resultantes, particularmente debido a las fluctuaciones dinamometricas y las vibraciones de incitacion electromagnetica en el ensamble de laminas del estator, siendo que el motor (11) ya no es impulsado mediante la regulacion de angulo de fase de un tiristor bidireccional de corriente alterna controlado por impulsos y que se extingue solo con el paso de corriente cero, y tampoco por el factor de pulso- rendimiento de un contactor vibratorio de oscilacion libre de alta frecuencia, sino por un interruptor (18) de potencia que puede conectarse y desconectarse electronicamente, que pasa por un ciclo de conmutaciones durante intervalos (t1-t0) variables con referencia a la corriente de la red, iniciando antes del termino de un semiperiodo (p) de la red hasta despues del inicio del siguiente, siendo que la corriente (Im) se mantiene casi sin fluctuacion durante los intervalos de conmutacion a traves de un diodo (20) de recuperacion.

Description

CONTROL DE VELOCIDAD ROTACIONAL PARA UN MOTOR UNIVERSAL CON FLUCTUACIONES DE CORRIENTE REDUCIDAS DESCRIPCION Remisión a solicitudes relacionadas: Esta solicitud es una continuación de la solicitud internacional No. PCT/EP02/07476 también pendiente, presentada el 5 de julio de 2002, misma que estaba destinada a los Estados Unidos y que no se publicó en inglés . Fondo de la invención: Campo de la invención: La invención se refiere a un control de velocidad rotacional de un motor universal. El motor es impulsado por pulsos con corriente alterna de la red mediante un rectificador de onda completa mediante un conmutador electrónico que debe ser activado periódicamente. Las propiedades generales mencionadas en el párrafo precedente son conocidas de DE 28 41 690 ?1. De conformidad con esa, el motor monofásico universal, es decir, un motor de conmutador embobinado en serie, ya no se opera directamente con la corriente de la red en serie con un tiristor bidireccional de corriente alterna (triac) accionado periódicamente con la fase de la corriente de red en un modo de control de ángulo de fase, sino a través de 2 la diagonal de un circuito de un rectificador conectado en puente (rectificador de Graetz), es decir, con una tensión de corriente directa que no tiene intervalos, sino está pulsando al doble de la periodicidad de la frecuencia de la corriente de red. Se espera que esto ofrezca una reducción en las pérdidas de conmutación que se presentan particularmente a bajas velocidades de rotación como resultado del cortocircuito del ensamble flotante de bobina. Debido al hecho que el triac se apaga solamente durante el paso cero de su corriente de carga, el control de la tensión para ajusfar la velocidad rotacional del motor embobinado en serie se realiza en cada caso por activar el triac en un momento variable justo antes del término del semiperiodo de la corriente de red presente. De esta manera la tensión de motor efectivo se determina mediante la variación del área de tensión-tiempo que siempre termina con la mínima tensión al paso cero del seno al terminar el semiperíodo, siendo que con la siguiente activación del triac este vuelve repentinamente al valor de tiempo del seno en el patrón de tensión de corriente directa actualmente presente. Para apagar el triac de modo confiable, en la práctica debe conectarse una válvula de conmutación en serie con el motor, siendo este un componente costoso que causa pérdidas adicionales. Por lo tanto, durante cada período de la 3 corriente de red, un asi llamado arreglo de control de ángulo de fase suministra una tensión que fluctúa en el tiempo y que tiene intervalos severos . De modo correspondiente, no obstante la acción suavizante de inducción del motor, de conformidad con la velocidad rotacional del motor, misma que depende de la tensión del motor, la corriente de motor muestra ondulaciones pronunciadas a la periodicidad doble de la frecuencia de la corriente de red. Esta ondulación de alta frecuencia de la corriente significa que el nivel de eficiencia del motor disminuye notablemente en comparación con la operación con una corriente de motor constante, porque las pérdidas de inducción son proporcionales a la frecuencia. Como además el motor se opera usualmente con magnetización completa y por lo tanto en el rango de transición a la saturación magnética, el par ya no incrementa la corriente de motor (en todo caso ya no al cuadrado) , porque en el rango de saturación de la curva de inversión magnética, un incremento en la fuerza del movimiento magnético no resulta en un incremento adicional de magnetización. Por lo contrario, las pérdidas de cobre incrementan proporcionalmente con el cuadrado de la corriente efectiva. Como el par tampoco es constante con la ondulación de corriente, el modo operativo del motor resulta en oscilaciones indeseables, acústicamente perceptibles en 4 adición a la excitación alternante electromagnética del ensamble de chapa del estator en el rango del espectro audible . En lugar de un control del ángulo de fase mediante un triac que es activado y apagado periódicamente como consecuencia de un paso de corriente cero, para cada semiperiodo de la corriente de red, el control de la velocidad rotacional puede realizarse también a través de la tensión de motor del motor universal, mediante el factor de pulso-rendimiento de un contactor vibratorio de oscilación libre de alta frecuencia (denominado también cortador periódico) . Como en esta situación es solamente una secuencia de áreas cortas de tensión-tiempo que es conmutada a la configuración de corriente directa pulsante para la operación del motor, la corriente de motor misma fluctúa también severamente en la operación con un contactor vibratorio de fase sincronizada, con las desventajas descritas precedentemente de eficiencia disminuida e irradiación de sonido generada de manera electromagnética. ün problema completamente distinto referente el control de ángulo de fase en un motor de corriente directa con un rectificador de corriente de red es la retroalimentación al circuito de la red de un contenido armónico muy alto en una gama de frecuencia baja. Esto es 5 indeseable desde el punto de vista del proveedor de la corriente debido a sus efectos molestos. De conformidad con la solicitud de patente alemana DE 43 01 203 Al publicada es posible reducir la amplitud del contenido armónico que se retroalimentan a la red de corriente alterna a valores aceptables bloqueando el voltaje de alimentación del motor cerca de la tensión máxima de la tensión de red. El periodo de bloqueo depende de la velocidad rotacional que se ha fijado . Una buena clasificación de aparatos electrodomésticos y en particular de lavadoras domésticas que será en el futuro un argumento de venta de importancia creciente, requiere por razones energéticas un nivel de eficiencia que es tan constante como sea posible y alta en todas las cuestiones operativas y, por razones fisiológicas, silenciosa, de funcionamiento suave y que tampoco cause molestias acústicas del impulso por el motor eléctrico .

Correspondientemente, el objeto de la presente invención es ofrecer un control de velocidad para un motor universal que supera las desventajas descritas precedentemente de los dispositivos y procedimientos conocidos hasta la fecha de este tipo general y que permite la operación con velocidad rotacional controlable de un 6 motor universal embobinado en serie, mismo que tiene aplicación amplia particularmente en la impulsión de lavadoras y que tomado por si solo es óptimo en cuanto a su comportamiento operacional, de manera tal que las pérdidas eléctricas que ocurren en el motor, las molestias acústicas, asi como la pérdida de eficiencia, se reduzcan notablemente aún a velocidades rotacionales altas, con un nivel bajo de costo incremental en los circuitos. De conformidad con lo precedente y con otros objetivos en mente, se ofrece inventivamente un dispositivo de control de velocidad rotacional para un motor universal alimentado de una red de corriente alterna, en particular un motor de una lavadora. El control comprende: un rectificador de onda completa conectado entre la red de corriente alterna y el motor; un conmutador electrónico conectado en serie con el motor y el rectificador. El conmutador electrónico es impulsado periódicamente en función del semiperiodo de la red, como sigue: el conmutador se activa antes de que la corriente de red alcance el valor mínimo de tensión en un primer instante temporal que se fija de modo variable de conformidad con la velocidad rotacional deseada del motor; y el conmutador se apaga en un segundo instante 7 temporal brevemente después de que la corriente de red haya pasado por el valor mínimo de tensión; un diodo de marcha libre conectado en paralelo con el motor y que es no conductivo para una polaridad en la salida del rectificador. El diodo asegura que una corriente esencialmente libre de intervalos fluya a través del motor. De conformidad con una característica adicional de la invención, el momento de activación del conmutador se controla y el momento de desactivación es predeterminada. De conformidad con una característica adicional, el conmutador se desactiva si una tensión de auto-inducción del motor es mayor que la tensión de la corriente directa en ese instante. De conformidad con otra característica de la invención, el momento de desactivación del conmutador está predeterminado fijamente. Como alternativa, el momento de conmutación del conmutador fluctúa. De conformidad con una ejecución preferida de la invención, se ofrece un regulador que suministra un período de activación para activar el conmutador de conformidad con una desviación reguladora entre una tensión dependiente de la velocidad rotacional y una velocidad rotacional de referencia predeterminada en forma de una tensión de referencia. La tensión de corriente directa dependiente de 8 de la velocidad rotacional puede suministrarse por un generador tacométrico asociado con el motor. De conformidad con una característica adicional de la invención, un filtro de bloqueo para un cortacircuito capacitivo está conectado con la salida del rectificador. En otras palabras, los objetivos de la invención se obtienen, siendo que el motor se alimenta con áreas de tensión-tiempo más favorables (en comparación con el control de ángulo de fase convencional al final de cada media onda de la corriente de red) , más específicamente, ahora con una secuencia de dos áreas de tensión-tiempo en sucesión inmediata de valor máximo menor que se ubican en ambos lados de un mínimo de tensión. La integración también de un área de tensión-tiempo al inicio de una media onda de la corriente de red ofrece, gracias a menores fluctuaciones de tensión y de corriente, teniendo un integral de tensión-tiempo idéntico global a lo largo de un periodo de tiempo prolongado con una corriente de motor efectiva más baja, el mismo promedio de par con un mejor nivel de eficiencia, solo gracias a las pérdidas de inversión magnética más bajas. Lo anterior gracias a que para la misma suma de áreas, los valores máximos están ahora más bajos que en el caso del control de ángulo de fase solamente previamente al término de un período respectivo de la corriente de red; con la consecuencia que la corriente fluctúa 9 considerablemente menos debido a los intervalos más cortos y los valores máximos más bajos, y porque las inducciones en el circuito del motor son prácticamente constantes con la excepción de cierta ondulación residual. Esto causa la desaparición de las pérdidas por la inversión magnética en la transición a la saturación magnética y también de las excitaciones alternantes electromagnéticas, acústicamente molestas del ensamble de chapa del estator. Otras características que se consideran son características inventivas se explican en las reivindicaciones anexas. Aún cuando la invención se explica y describe en esta solicitud como realizado en un control de velocidad rotacional para un motor universal, en particular para impulsar una lavadora, no se tiene la intención, sin embargo, de limitarla a los detalles mostrados, ya que se pueden realizar varias modificaciones y cambios estructurales sin desviarse de la idea inventiva y del alcance y la gama de equivalentes de las reivindicaciones. La construcción y los procedimientos operativos de la invención, sin embargo, juntos con objetivos y ventajas adicionales de esta se entenderán mejor en base a la descripción siguiente de ejecuciones específicas cuando se lean junto con los dibujos anexos. Breve descripción de los dibujos: 10 Fig. · 1 es un diagrama de un circuito de control inventivo que es ampliado para la regulación de la velocidad rotacional para un motor universal muy versátil; Fig. 2 es una gráfica mostrando la configuración de tensión en la salida del rectificador de onda completa especificando las áreas de tiempo-tensión que se suministran al motor universal; y Fig. 3 es una gráfica de tiempo a escala muy exagerada de una configuración de corriente ejemplar para la superposición de tensión mostrada en la figura 2. Descripción del ejemplo de ejecución preferida: Haciendo ahora referencia a las figuras de dibujos en detalle y primeramente, en particular, a Fig. 1 de estas, se muestra un motor 11 universal monofásico comprendiendo un motor convencional de conmutador embobinado en serie que puede operar tanto con corriente directa como con corriente alterna. Debido a su capacidad de velocidad rotacional controlable mediante la tensión (saltos grandes en la velocidad rotacional de operación) , es particularmente conveniente para lavadoras domésticas con modo de secado por centrifugado. La tensión de motor Um(t) que se suministra a través de los terminales 12-12 de motor produce una corriente de motor Im(t) mediante el circuito en serie consistiendo de las bobinas 13 de inductor y de las bobinas de inducido. Las bobinas de 11 inducido que están distanciadas una de la otra en el rotor, están conectadas con esta finalidad a secciones mutuamente opuestas de forma diametral de un conmutador 14 y de esta forma se incorporan sucesivamente al circuito en serie del motor a lo largo de un movimiento rotatorio del rotor mediante unas escobillas 15 o receptores de corriente similares (colectores) . En la ejecución del presente ejemplo que es típico para la invención, la energía operativa del motor 11 se suministra de la corriente 16 doméstica de red alterna monofásica a través de un rectificador 17 en forma de un circuito conectado en puente o Graetz de onda completa, de forma que el patrón ondulado de tensión de corriente directa U(t) se presenta a la frecuencia doble de la corriente de red en una configuración sin intervalos en la salida del rectificador 17. Estas relaciones se muestran a modo de diagrama en Fig. 2 con referencia a la tensión U(t) de la corriente alterna de red - mostrado como línea interrumpida. Mediante un conmutador 18 que puede activarse electrónicamente, en un momento ti hacia el final de cada semiperíodo p, el motor 11 se conecta a la salida del rectificador 17 de modo que a partir de ese instante e inicialmente durante el resto de ese semiperíodo p, la tensión U(t) de corriente directa que fluctúa respecto al tiempo del área de tensión-tiempo sombreado en Fig. 2, está 12 disponible como tensión Um(t) de motor. Con la caída en el patrón de tensión U(t) de corriente directa al valor 19 mínimo que corresponde al paso cero de la tensión u(t) de corriente alterna de red del lado anterior del rectificador 17, el paso del conmutador 18, sin embargo, aún no se bloquea de nuevo. Más bien, el conmutador 18 se desactiva de nuevo solamente en el momento tO después del inicio del siquiente semiperíodo p, siendo que en este respecto los momentos de activación y desactivación tl-tO, tal como se muestra en Fig. 2, generalmente no son simétricos respecto al valor 19 de tensión mínima. Este se encuentra más bien entre los dos momentos ti y tO sucesivos al inicio de un área üm(t) de tensión-tiempo más largo y al final de uno más corto, que se presentan sucesivamente en relación inversa en el patrón del tiempo (t) . Durante el período de tiempo tl-tO la corriente Im(t) de motor (Fig.3) fluye del rectificador 17 a través del circuito de bobinas en serie al motor 11 y el conmutador 18 y de vuelta al rectificador 17. La corriente Im(t) de motor disminuye solamente en forma mínima durante la transición entre semiperíodos p-p sucesivos, ya que el conmutador 18 está desactivado mientras la tensión de autoinducción en el motor 11 es mayor que el valor momentáneo en este instante de tensión U(t) disponible del rectificador 17, ya que entonces la inducción de motor 13 determina el flujo de corriente. De conformidad con la regla de Lenz referente a la conservación de energía, la corriente Im(t) de motor aún intenta continuar de fluir en la dirección previa cuando el conmutador 18 se abre en el circuito de alimentación flujo arriba del motor 11. Por lo tanto, desde que se abre el conmutador 18 en el momento tO, un circuito se cierra mediante el motor 11 a través de un diodo 20 de marcha libre que está conectado en paralelo con este y que no es conductivo respecto a la polaridad en la salida del rectificador 18. Preferentemente, el momento tO se da brevemente después del valor 19 mínimo del patrón U(t) de tensión para que no se permita que la alimentación de la corriente I (t) sinusoidal del rectificador 17 suba de forma excesiva antes de la desactivación. Por lo tanto, en consideración de las exigencias de una situación práctica, es suficiente predeterminar de manera rígida el momento tO de desactivación periódica y variar solamente el momento ti de activación para controlar la velocidad rotacional. De cualquier manera, la corriente Im(t) continúa de fluir prácticamente de forma constante en la dirección previa aún después del momento de abertura tO, en el intervalo entre las dos áreas Um(t) de tensión-tiempo que ocurren en secuencia al inicio y al final de un semiperíodo p. Cuando el conmutador 18 cierra entonces de nuevo hacia 14 el final del semiperiodo p, trascurriendo en ese instante, en el momento ti, la corriente Im(t) de motor suministrado por el rectificador 11 se imprime de nuevo a la corriente Im(t) de autoinducción. Como por lo tanto el flujo de la corriente Im(t) a través del motor 11 no se interrumpe realmente, contrariamente a la geometría de las áreas Um(t) de tensión-tiempo (Fig. 2) , una corriente Im de motor (Fig. 3) casi constante fluye que fluctúa solamente de forma ligera de conformidad con los valores momentáneos del incremento de tensión U(tl) y al desaparecer la tensión U(t0), de conformidad con el procedimiento de control del conmutador, tal como se muestra a modo de diagrama en términos cualitativos en forma exagerada en Fig. 3. La magnitud de esta corriente promedio de motor Im se determina en primer lugar por la magnitud del integral de las áreas de tensión-tiempo entre los puntos de conmutación tl-tO. Como la corriente Im(t) de motor ahora ya no muestra grandes fluctuaciones y en particular no cae periódicamente hacia el valor cero, prácticamente ya no se presenta una inversión magnética durante el semiperíodo p, de modo que la operación del motor permanece en el mismo rango de saturación de la curva de magnetización, con una fuerza magneto-cinética constante De esta forma, las pérdidas de inversión magnética debido a las fluctuaciones 15 de corriente, al igual que las pérdidas de potencia como se ha explicado precedentemente, pueden prácticamente evitarse. La exposición a ruido se reduce notablemente y puede disminuirse aún más, si los puntos ti y tO de cambio de fase se varían un poco en ambos lados del valor 19 mínimo de tensión de un semiperíodo p-p al siguiente, ya que el espectro armónico que fluctúa de esta manera se acerca a la percepción de ruido del oído humano. El conmutador 18 que está dispuesto en serie en el circuito de corriente directa con el motor 11 puede ser un transistor de conmutación de potencia que, tal como se muestra en Fig. 1, se activa mediante un emisor 21 ajustable por lo menos durante el período del tiempo ti previo al valor mínimo 19 de tensión entre dos semiperíodos sucesivos p-p del patrón de tensión U(t) de corriente directa sin suavizar. El tiempo de desactivación tO directamente después del valor mínimo 19 puede determinarse fijamente o puede fluctuar ligeramente de modo estadístico alrededor de un valor previamente fijado. De manera que el procedimiento de conmutación con las ondas armónicas acompañantes no se propaguen en forma de interferencia electromagnética mediante la corriente 16 de red, la salida del rectificador 17 se conecta a un filtro 24 de bloqueo que implementa un cortocircuito de alta frecuencia a través de las terminales de conexión del rectificador 17. 16 Con el fin de com lementar este circuito de control tal como se muestra en Fig. 1 para obtener un circuito de regulación de velocidad rotacional, el motor 11 se equipara con un generador 22 tacométrico que suministra una tensión U(n) de corriente directa proporcional a la velocidad relacional como valor real, a un regulador 23. El valor ü(n) real se compara con un valor U(s) variable de referencia que puede predeterminarse y la desviación dn regulativa se convierte mediante el emisor 21 en el periodo de conmutación tl-tO, de cualquier forma en el momento ti de conmutación. De esta manera, el regulador 23 controla el componente de regulación de la sección de regulación, por ejemplo, en forma de un transistor 18 de conmutación IGBT en el circuito Im(t) de motor. Esta manera de operación representa inicialmente una regulación de velocidad rotacional controlada mediante la tensión en el motor 11, porque la corriente de motor Im se ajusta de conformidad con la velocidad n rotacional respectiva del motor y la tensión de contra-inducción dependiente de esta, en relación con la tensión Um(t) de motor; y esto finalmente corresponde a una regulación de momento si la desviación dn regulativa que se encuentra en el regulador 23 se vuelve cero . En todo caso, para un motor 11 universal monofásico que ha probado su utilidad particularmente como 17 un impulsor de lavadoras de fácil manejo, la invención puede ofrecer una reducción importante de las pérdidas de inversión magnética, dependencia de velocidad rotacional, nivel de eficiencia y fluctuaciones en la corriente Im(t) de motor pulsando a la frecuencia doble de la corriente de red, junto con la producción resultante de ruido, debido a las fluctuaciones de momento y las oscilaciones de incitación electromagnética del ensamble de chapa del estator, en la medida en que el motor 11 ya no se opera solamente mediante un control de ángulo de fase sincronizado con la frecuencia de la corriente de red, de un triac controlado por pulso que se apaga solo con el paso de corriente cero, y tampoco ya se controla mediante el factor de pulso-rendimiento de un contactor vibratorio de oscilación libre de alta frecuencia, sino mediante un conmutador 18 de potencia que puede conectarse y desconectarse electrónicamente y que conduce en relación con la corriente de red durante periodos de tiempo variables tl-tO desde antes del término de un semiperiodo p de la corriente de red hasta después del inicio del siguiente semiperiodo, siendo que la corriente de motor Im permanece virtualmente sin cambio durante los intervalos de conmutación mediante el diodo 20 de marcha libre.

Claims (10)

18 REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para controlar la velocidad rotacional de un motor universal alimentado de manera pulsante de una corriente alterna de red teniendo un semiperiodo y una tensión, caracterizado porque el dispositivo comprende: un rectificador de onda completa conectado entre la red de corriente alterna y el motor; un conmutador electrónico conectado en serie con el motor y el rectificador, siendo que el conmutador electrónico es impulsado periódicamente en función del semiperiodo de la red por: la activación del conmutador previo al valor mínimo de tensión en un primer instante temporal que se fija de modo variable de conformidad con una velocidad rotacional que debe fijarse; y la desactivación del conmutador en un segundo instante temporal brevemente después del valor mínimo de tensión; y un diodo de marcha libre conectado en paralelo con el motor y que es no conductivo para una polaridad en la salida del rectificador mencionado para asegurar que una corriente esencialmente libre de intervalos fluya a través del motor.

2. Dispositivo de control de velocidad de 19 conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque está configurado para impulsar el motor de un impulso de máquina doméstica.

3. Dispositivo de control de velocidad de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la máquina doméstica es una lavadora.

4. Dispositivo de control de velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la sincronización del primer instante temporal se controla con la velocidad del motor y la sincronización del segundo instante temporal se ajusta de manera fija.

5. Dispositivo de control de velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en un rango de velocidad típica para el motor, el segundo instante temporal es más cerca al valor de tensión mínima que el primer instante temporal.

6. Dispositivo de control de velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un generador tacométrico asociado con el motor para suministrar la tensión de corriente directa dependiente de la velocidad rotacional.

7. Dispositivo de control de velocidad de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque comprende un regulador que suministra el momento de activación para activar el conmutador mencionado de 20 conformidad con una desviación reguladora entre una tensión dependiente de la velocidad rotacional y una velocidad rotacional de referencia en forma de una tensión de referencia .

8. Dispositivo de control de velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los periodos de conmutación del conmutador mencionado, tal como define entre los instantes temporales primero y segundo, está fluctuando.

9. Dispositivo de control de velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conmutador mencionado se cierra si una tensión autoinducida del motor es mayor que una tensión de corriente directa en ese momento.

10. Dispositivo de control de velocidad de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un filtro de bloqueo para un cortocircuito capacitivo a través de la salida mencionada del rectificador mencionado.