MXPA99001259A - Metodo y dispositivo de accionamiento y control particularmente para motores sincronicos de iman permanente - Google Patents

Abstract

El método y el dispositivo correspondiente permiten encender un motor sincrónico con la dirección de rotación elegida, con un par de torsión estático muy alto sin requerir cualquier modificación de la estructura de los motores sincrónicos que se usan actualmente, por medio de un circuito electrónico adaptado manejado por un microprocesador.

Description

MÉTODO Y DISPOSITIVO DE ACCIONAMIENTO Y CONTROL, PARTICULARMENTE PARA MOTORES SINCRÓNICOS DE IMÁN PERMANENTE CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere a un método de control y accionamiento y al dispositivo correspondiente, particularmente para motores sincrónicos de imán permanente.

TÉCNICA ANTECEDENTE Los motores sincrónicos son motores de CA que giran a una velocidad fija, conocida como velocidad sincrónica, que depende de la frecuencia del voltaje de suministro y del número de polos del motor. Por lo general, los motores sincrónicos están constituidos substancialmente por un rotor, que tiene un anillo de polos magnéticos excitado con corriente directa (inductor), y por un estator, constituido por medio de un núcleo magnético laminado; el devanado de armadura se localiza en la región periférica interna de dicho núcleo, dentro de ranuras formadas en la misma y se conecta a la línea de suministro CA por medio de terminales . En el caso particular de motores de imán permanente, el inductor está constituido por medio de un imán permanente, por lo general, hecho de álnico o ferrita magnetizada, y no por medio de polos excitados con una corriente CC. Actualmente, los pequeños motores sincrónicos de imanes permanentes se usan extensamente debido a su simplicidad y bajo costo y, por lo general, se utilizan para niveles de baja energía. Sin embargo, el motor sincrónico implica algunas desventajas. En primer lugar, no es posible predecir la dirección de rotación inicial; además, el par de torsión estático ofrecido es substancialmente débil, haciendo que el arranque algunas veces sea difícil, aun en la presencia de cargas relativamente pequeñas. Varios dispositivos se han diseñado para contrarrestar esta desventaja, pero son particularmente complicados y costosos y, por lo tanto, no pueden usarse en forma conveniente en motores que deben tener un costo bajo, como por ejemplo aquellos diseñados para bombas o dispositivos similares . En muchos casos, el uso de estos sistemas implica modificaciones estructurales al motor, haciendo que su uso sea imposible en producción en masa normal.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un objetivo principal de la presente invención es permitir el arranque de un motor sincrónico para seleccionar la dirección de rotación preferida y proveer un alto par de torsión estático. Estas características pueden lograrse por medio de un dispositivo electrónico, que es particularmente simple y económico y utiliza un microcontrolador programado apropiadamente. Esta solución permite reducir al mínimo el uso de componentes externos discretos, para la ventaja completa de simplicidad, confiabilidad y costos del circuito. Las características siguientes se encuentran entre las ventajas de la presente invención y se listan a manera de ejemplo no limitante. Con el método y el dispositivo correspondiente de conformidad con la presente invención, es posible variar la velocidad de rotación de un motor sincrónico a través de una variación de frecuencia, que gradualmente pasa de la velocidad de rotación del motor a una velocidad de rotación preestablecida. Esto se logra por medio de un tiempo de rampa, el cual es calibrado (de conformidad con las características del motor) para mantener la sincronía. Es posible corregir la inducción en el estator por medio de una curva que está preestablecida en EPROM del microcontrolador (de aquí en adelante, también se refiere como microcontrolador) . Es posible implementar varias curvas, que se seleccionan automáticamente por medio del microcontrolador por software aplicado, de conformidad con las condiciones de operación del motor, por ejemplo, como función de la carga, del tiempo requerido para alcanzar cierta velocidad de rotación, etc . En otras palabras, el microcontrolador tiene el software que contiene la información requerida para definir la curva que se adapta mejor a las condiciones de operación del motor . La corriente del estator se controla para corregir la curva de inducción y proteger el imán permanente. Se provee un procedimiento de lanzamiento y una operación preestablecida al utilizar corriente CC, que se modula para evitar la desmagnetización del imán del rotor. La dirección de la rotación y la posición del motor también son controlados por medio de sensores .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las características de la presente invención, de conformidad con los objetivos y objetos anteriores, pueden determinarse claramente del contenido de las reivindicaciones anexas, y sus ventajas serán evidentes de la siguiente descripción detallada, dada con referencia a los dibujos adjuntos, que ilustran una modalidad ilustrativa y no limitante del mismo, en los que: La figura 1 es una modalidad esquemática de un motor sincrónico de imán permanente; las figuras 2 y 3 son vistas de posibles diagramas de circuito con respecto a dispositivos para el accionamiento y control de motores sincrónicos de conformidad con la presente invención; las figuras 4 y 5 son vistas de posibles diagramas con respecto a métodos para el accionamiento y control de motores eléctricos de conformidad con la presente invención; las figuras 6 y 7 son respectivamente una vista de un diagrama de circuito mayor con respecto al dispositivo de conformidad con la presente invención y un diagrama con respecto a forma de ondas posibles que pueden usarse para controlar e impulsar el motor.

FORMAS DE LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN La figura 1 ilustra esquemáticamente un motor sincrónico generalmente designado por el número de referencia 1. El motor 1 incluye un rotor de imán permanente 4 dispuesto entre los polos 3 , donde actúan los devanados excitados correspondientes 2. Para llevar a cabo medidas en el rotor 4 al menos se provee un sensor de posición 5, por ejemplo del tipo de efecto Hall. Desde luego, es posible proveer una pluralidad de sensores (por ejemplo, aquéllos designados por SI y S2 en la figura 6) y dichos sensores pueden ser de otra clase, siempre que estén adaptados para detectar el movimiento de la posición del motor. Una de las posibles modalidades que provee la invención, como se muestra en la figura 2, para el uso de un circuito basado en un microprocesador 7 (también se refiere como microcontrolador o µcontrolador 7 en la presente descripción) , el cual se conecta eléctricamente al circuito de suministro de energía 8 del motor (designado por M en las figuras 2 y 3) en puntos de conexión correspondientes 9 y corriente a abajo de un suministro de energía 6. En el ejemplo ilustrado, el circuito de microprocesador 7 se conecta al sensor de posición con efecto Hall 5 y a un componente 10 TRIAC que está dispuesto, por ejemplo, en serie al devanado del estator. El microcontrolador 7 puede tener, o puede estar conectado a, un interruptor (no ilustrado en las figuras) para preestablecer la dirección de rotación determinada. En el ejemplo de la figura 3, se provee una pluralidad de componentes 11 del tipo MOSFET como una alternativa para el dispositivo TRIAC. El método para accionar y controlar el motor sincrónico puede dividirse esquemáticamente en un procedimiento de lanzamiento y en un procedimiento de control de par de torsión. El procedimiento de lanzamiento, descrito esquemáticamente por el diagrama de la figura 4, particularmente en la primera parte de dicho diagrama, también puede usarse como un procedimiento que es independiente de procedimientos subsecuentes, por ejemplo, sólo al arrancar el motor en la dirección de rotación escogida. En este procedimiento , el estator se energiza por medio de un voltaje de CA de 50 Hz caracterizado por un componente CC, el voltaje efectivo del mismo causa que el rotor se coloque en la dirección elegida. La polaridad del componente CC depende de la dirección de rotación elegida. El sensor de posición 5 puede reportar al microcontrolador 7 que el rotor 4 se ha alineado, para aplicar inmediatamente el voltaje de CA de 50 Hz en fase, y de esta forma iniciar la rotación en la dirección elegida. Una vez que el procedimiento de arranque ha terminado, es posible activar para mejorar el par de torsión intrisicamente débil del motor sincrónico. Las medidas del sensor de posición 5 descritas anteriormente, en cada 180° de rotación, el cambio de fase del rotor, el cual se acelera hacia la velocidad de rotación sincrónica con respecto a la frecuencia de línea principal. Proporcionalmente a dicho cambio de fase, el microcontrolador 7 envía al estator una pluralidad de ondas asimétricas que tienen un componente CC de polaridad apropiada (la referencia debe hacerse al diagrama de la figura 3) . De esta forma, un par de torsión estático muy alto se obtiene, el cual es 1.5-7-2 veces el par de torsión sincrónico nominal. Con referencia particular a la figura 4, el método por lo tanto puede incluir un primer paso, que se caracteriza porque el control de posición se lleva a cabo y se inyecta el componente asimétrico correspondiente a la dirección de rotación elegida. Posteriormente, en la base de un control de movimiento, como se ilustra por el símbolo de decisión de la figura 3 , la semionda correspondiente a la dirección de rotación se inyecta o, como . una alternativa, el componente asimétrico correspondiente a la dirección de rotación se inyecta en nueva cuenta. Para aplicaciones particulares que requieren pares de torsión de arranca aún más altos, es posible usar, en vez del TRIAC 11, un interruptor de estado sólido caracterizado por la posibilidad de definir perfectamente la polaridad del movimiento de ondas aplicadas, para alcanzar valores que son 10 veces el par de torsión sincrónico nominal. Por medio de esta última configuración, en vez de trabajar con el voltaje de CC de línea principal, pero al modular un voltaje de CC, (como se provee en el diagrama de la figura 5 ) , el microcontrolador 7 también es capaz de variar la velocidad sincrónica, dependiendo de la instrucción, generando un voltaje de CA de frecuencia apropiada. En esta manera, es posible ajustar los valores de velocidad de par de torsión y rotación de cualquier motor sincrónico al variarlos dentro de los límites mecánicos de dicho motor, aun en la presencia de una carga variable. Durante el procedimiento de lanzamiento y durante la rotación a velocidades no sincrónicas, la velocidad absorbida por el estator es 1.5 2 veces que la corriente nominal. De conformidad con lo anterior, en caso de atoramiento u operación prolongada a velocidades no sincrónicas, el motor se controla intermitentemente por medio del microcontrolador, con un ciclo de trabajo que tiene un valor preestablecido para evitar que sobrepase el devanado del estator más allá de su velocidad de temperatura . Con referencia particular al diagrama en la figura 5, existe un primer proceso que se refiere al control de posición, con velocidad de rotación y selección de dirección. Posteriormente, se inyecta una corriente CC, la polaridad de la misma se selecciona de conformidad con el valor medido. Posteriormente, dependiendo del resultado del control movimiento, una onda sinusoidal que tiene una frecuencia inferior que la seleccionada se inyecta o se repite la inyección de la corriente CC del paso anterior. El paso para la inyección de una onda sinusoidal a una frecuencia que es inferior a la seleccionada se sigue por medio de una acción de control de atoramiento del motor; en caso de atoramiento, el motor se apaga y un cronómetro se inicia, el cual mantiene el motor en esta configuración durante un tiempo preestablecido (por ejemplo, 10 segundos, como en el cuadro ilustrado) ; si no ha ocurrido el atoramiento, se lleva a cabo el control de posición. Si el control de posición produce un resultado negativo, la onda sinusoidal seleccionada se repite con una amplitud reducida; si el resultado del control es positivo, en cambio, una onda sinusoidal subsecuente es inyectada, su frecuencia aumenta hasta que se alcanza la frecuencia seleccionada. En otras palabras, un dispositivo provisto de conformidad con la presente invención usa un microcontrolador 7, que es programable (por ejemplo, caracterizado porque se provee un software residente aplicado) combinado con un sensor de posición de rotor 5. El microcontrolador 7 es capaz de modular el voltaje de la línea principal de CA al aplicar componentes de CC para corregir la alineación magnética del rotor 4, permitiéndole inciar en la dirección preferida. El devanado del estator se prende por medio de al menos un interruptor en estado sólido, el cual se conecta en serie al voltaje de la línea principal y está dirigido directamente por medio del microcontrolador 7. Como una alternativa, es posible proveer componentes del tipo TRIAC 10 o del tipo MOSFET 11 o de otros tipos (por ejemplo, del tipo IGBT o transistores bipolares) en el rotor 4. El presente dispositivo (y el método correspondiente) permite aumentar el par de torsión, aun cuando la velocidad de rotación sincrónica se haya alcanzado por medio de movimientos de ondas adaptadas de polaridad adecuada aplicada al devanado de estator y sobrepuesta en el voltaje de la línea principal de CA. El devanado del estator 2 puede suminstrarse con un voltaje de CC, el cual es modulado apropiadamente por medio de interruptores de estado sólido de polos únicos, que pueden regular la dirección de rotación incial, así como los valores de velocidad sincrónicos y de par de torsión del motor sincrónico.

Para detectar la posición de rotor 4, es posible usar, como se mencionó anteriormente, dos sensores de posición que están dispuestos para que puedan determinar precisamente la posición del rotor, aun en caso de un atoramiento momentáneo durante la rotación a velocidad sincrónica; esto es particularmente útil para que se reincie correctamente la rotación en la misma dirección por medio de componentes apropiados de CC sobrepuestos al voltaje de suministro CA. Asimismo, es posible limitar la corriente máxima absorbida por el estator 4 durante el procedimiento de arranque o durante la rotación a velocidades no sincrónicas por medio de una modulación apropiada del ciclo de trabajo de la onda aplicada, para proteger el devanado del estator 2 de sobrecargas . En referencia a las figuras 6 y 7, se proveen cuatro componentes del tipo MOSFET, designados por el número de referencia 11 en el dibujo principal, que son controlados por el microcontrolador 7 a través de una unidad lógica impulsora. De conformidad con lo anterior, se proveen cuatro impulsores designados por los signos de referencia A, B, C y D. La figura 6 demuestra, en los detalles circulados, alternativas posibles a los componentes del tipo MOSFET, como componentes del tipo transistor ll'y del tipo IGBT 11". Entre los impulsores A, B, C, y D y el microcontrolador 7, en la parte inferior del dibujo de la figura 6, se provee un bloque 7' que representa el componente que soporta la unidad lógica impulsora. El número de referencia 71 designa la conexión de retroalimentación de la corriente entre el circuito del motor y el microcontrolador 7 ' ; este control de la corriente el estator permite corregir la curva de inducción y proteger el imán del motor. Los interruptores del estator están dirigidos preferiblemente de conformidad con las formas de ondas ilustradas en el diagrama adjunto en la figura 7, que muestra las formas de ondas enviadas por varios impulsores, y por la unidad de lógica impulsora, como una función de las velocidades de rotación del motor. Los valores de la corriente no están unidos en una forma lineal a las velocidades de rotación, pero están vinculados por medio de una curva particular, que se almacena en el EPROM del µcontrolador 7; en la práctica, el software aplicado reside en el µcontrolador 7 e incluye una pluralidad de curvas relacionadas con diferentes condiciones de operación de posibles motores que han de ser controlados y accionados con el dispositivo de conformidad con la presente invención. En resumen, el dispositivo de conformidad con la presente invención permite un control total de motores sincrónicos con respecto a la dirección de rotación, el par de torsión, y la velocidad sincrónica; estos valores pueden ajustarse independiente y separadamente de conformidad con las aplicaciones, que permiten que el motor sincrónico tenga una escala amplia de aplicaciones que actualmente no son posibles, manteniendo las características de simplicidad, economía y confiabilidad, que son típicas de la tecnología de dichos motores . De esta forma, la invención diseñada es sensible de numerosas modificaciones y variaciones, con respecto tanto a sus características constructivas como sucesiones de pasos con respecto a los diagramas, todos ellos se encuentran dentro del alcance del mismo concepto inventivo. Todos los detalles pueden ser reemplazados con otros elementos técnicamente equivalentes .

Claims (16)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. - Un método para accionar y controlar motores eléctricos, particularmente para motores sincrónicos de imán permanente con energía por medio de -corriente alterna suministrada por un medio de suministro (8) e incluye un rotor de imán permanente (4) y un estator (3) , que está provisto de los devanados excitadores correspondientes (2) , caracterizado además porque provee, para el suministro de energía de dicho estator (3) , la modulación del voltaje de línea principal alterna al aplicarse a la misma, a través de interruptores en estado sólido de polos únicos dirigidos por medios de microprocesadores (7) , un componente CC para corregir la alineación magnética de dicho rotor (4) , dichos interruptores se han adaptado para ajustar, dependiendo de las instrucciones, la dirección de rotación inicial, así como los valores del par de torsión y de velocidad sincrónicos de dicho motor (1) . 2.- Un método para accionar y controlar motores eléctricos de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye los pasos de: detectar el cambio de fase de dicho rotor (4) con respecto a la frecuencia de la línea principal durante la aceleración del motor, por el que dicho motor alcanza la velocidad sincrónica; suministrar, como una función de cambio de fase detectada, una pluralidad de ondas asimétricos o movimientos de onda de la polaridad preestablecida a dichos devanados (2) de dicho estator (3) , utilizando medios de microprocesador (7) que están provistos de o conectados a medios de interruptores para preestablecer la dirección de rotación elegida antes de encenderlo. 3. - Un " método para accionar y controlar motores eléctricos de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye los siguientes pasos sucesivos: a) controlar, a través de medios de sensor (5) , que están dispuestos a dicho rotor (4) y actuar en la misma, la posición de dicho rotor(4); b) inyectar un componente asimétrico que corresponda a la dirección de rotación elegida; c) controlar el movimiento del rotor (4) , pasar al siguiente paso, en caso de un resultado positivo y regresar al paso b) en caso de un resultado negativo; d) inyectar una semionda sucesiva, que corresponda a la dirección de la rotación. 4. - Un método para accionar y controlar motores eléctricos de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye los siguientes pasos sucesivos: a) controlar la posición de dicho rotor (4) y seleccionar la velocidad de rotación y dirección; b) inyectar un componente CC, que tiene una polaridad que se selecciona de conformidad con el valor detectado durante el control del paso anterior; c) controlar el movimiento del rotor (4) , pasar al siguiente paso en caso de un resultado positivo y regresar al paso b) en caso de un resultado negativo; d) inyectar una onda sinusoidal a una frecuencia que es inferior que la seleccionada en el paso a) ; e) verificar la operación de dicho rotor (4), por ejemplo, controlar cualquier aforamiento de la misma, pasar al paso siguiente f) si ha ocurrido el atoramiento y pasar al paso g) si no ha ocurrido el atoramiento; f) llevar a cabo un cierre de dicho motor (1) para un periodo preestablecido, pasar subsecuentemente al paso a) ; g) controlar la posición del rotor (4) , por ejemplo, controlar que la posición pretendida se haya alcanzado, pasar al paso subsecuente si la posición es correcta y repetir la inyección de la onda sinusoidal seleccionada con amplitud reducida en caso de una posición incorrecta; h) inyectar una onda sinusoidal subsecuente de frecuencia aumentada hasta que se haya alcanzado la frecuencia seleccionada . 5. - Un ' método para accionar y controlar motores eléctricos de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque se aumenta el par de torsión, aún cuando la velocidad sincrónica se alcanza por medio de movimientos de onda apropiados de polaridad adecuada, que se aplican al devanado del estator (2) y están sobrepuestas al voltaje de la línea principal. 6. - Un método para accionar y controlar motores eléctricos de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque usa dos sensores para la posición del rotor (4) , que está dispuestas para permitir determinar la posición de dicho rotor, aún en caso de un atoramiento momentáneo durante la rotación a velocidad sincrónica, para permitir una rotación de inicio correcta en la misma dirección por medio de componentes CC apropiados sobrepuestos al voltaje de suministro CA. 7.- Un método para accionar y controlar motores eléctricos de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque provee para limitar la corriente máxima absorbida por el estator (3) durante el procedimiento de arranque y/o durante la rotación a velocidades no sincrónicas, por medio de una modulación apropiada del ciclo de trabajo de la onda aplicada y proteger el devanado de estator (2) contra sobre cargas . 8. - Un método para accionar y controlar motores eléctricos de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque dicho medio de microprocesador (7) contiene software aplicado adaptado para seleccionar automáticamente una curva que pueda usarse al suministrar energía a dicho estator (3) de conformidad con las condiciones de operación del motor. 9.- Un dispositivo para accionar y controlar motores eléctricos, particularmente para motores sincrónicos de imán permanente (1) suministrado por medio de un voltaje alternante y provisto por una línea principal de suministro de energía (8) e incluye un rotor de imán permanente (4) y un estator (3) provisto con devanados de excitador correspondiente (2) , incluye además un sensor de posición (5) , que actúa en dicho rotor (4) y un medio de control basado en un microprocesador (7) dispuesto entre dicha línea principal (8) y dicho estator (3) y conectado a dicho sensor de posición (5), dichos medios están adaptados para modular el voltaje de línea principal CA al aplicar componentes CC a dicho voltaje CA para inciar la rotación en una dirección preestablecida de conformidad con la polaridad de dicho componente CC, caracterizado además porque dicho medio de control basado en microprocesador (7) está provisto con una memoria, en la que una pluralidad de curvas están almacenadas para dirigir los interruptores en estado sólido (1) y que actúen en dicho motor (1) . 10.- Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque dicho sensor de posición (5) es del tipo de efecto Hall. 11.- Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque incluye al menos un componente del tipo TRIAC (10) dispuesto y que actúa entre dicho medio de control basado en microprocesador (7) y dicho motor (1) . 12.- Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque incluye al menos un componente del tipo MOSFET (11) dispuesto y que actúa entre dicho medio de control basado en microprocesador (7) y dicho motor (1) . 13. - Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque incluye al menos un componente del tipo IGBT dispuesto y que actúa entre dicho medio de control basado de microprocesador (7) y dicho motor (1) - 14.- Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque incluye al menos un componente del tipo de transistor bipolar dispuesto y que actúa entre dicho medio de control basado de microprocesador (7) y dicho motor (1) . 15.- Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque incluye cuatro componentes tipo MOSFET (11) que están dispuestos y actúan entre dicho medio de control basado en microprocesador (7) y dicho motor (1) y están conectados a, y/o controlados por, dicho medio de control basado de microprocesador (7) por medio de componente de soporte de lógica impulsora (7") . 16.- El dispositivo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque dicha memoria es una memoria de tipo EPROM.