WO2022053852A1

WO2022053852A1 - Dispositivo y proceso para aumentar la eficiencia de motores eléctricos, reduciendo el consumo energético de los mismos

Info

Publication number: WO2022053852A1
Application number: PCT/IB2020/058435
Authority: WO
Inventors: Tomas VELASQUEZ MEJÍA; Darío BURITICÁ MARÍN
Original assignee: Velasquez Mejia Tomas; Buritica Marin Dario
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-03-17

Abstract

La presente invención se relaciona con un dispositivo y proceso para aumentar la eficiencia de motores eléctricos, reduciendo las pérdidas por calor, pérdidas por histéresis, pérdidas por la creación de corrientes de Eddy, pérdidas por resistencias y stress, pérdidas por vibraciones y principalmente por la generación de BMF (Back Electromagnetic Fields) o campos electromagnéticos inversos, en donde el dispositivo está compuesto por un subsistema de influencia en el factor de potencia y las corrientes reactivas, un subsistema de eliminación de corrientes armónicas, un subsistema de conmutación electrónica, un subsistema de operación y disipación, y un subsistema de alimentación de corriente DC, los cuales se configuran para obtener el mayor beneficio energético de una fuente externa AC, reduciendo los consumos de los motores eléctricos que utilizan el dispositivo hasta en un 70%.

Description

DISPOSITIVO Y PROCESO PARA AUMENTAR LA EFICIENCIA DE

MOTORES ELÉCTRICOS, REDUCIENDO EL CONSUMO ENERGÉTICO DE LOS MISMOS

CAMPO TÉCNICO

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los motores eléctricos son los equipos de mayor consumo de energía en el planeta. Aproximadamente el 70% del consumo mundial corresponde a equipos electromotrices y auxiliares tales como ventiladores, bombas, compresores de aire, bandas transportadoras, entre otros. Dada su importancia y alta aplicación global, es evidente que los consumos energéticos en el mundo son proporcionales al uso de dichos dispositivos, de esta manera se identifica una necesidad por implementar mecanismos de ahorro de energía para dichos motores eléctricos.

El motor eléctrico es un dispositivo que transforma energía eléctrica en energía mecánica, por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas, por lo que pertenecen al campo de las maquinas rotatorias compuestas por un estator y un rotor, siendo en algunos casos reversible su función, es decir, transformación de energía mecánica en energía eléctrica (generadores). Los motores eléctricos constan básicamente de dos partes, el Estator que es la parte fija, que actúa magnéticamente operando como base y el Rotor, el cual es la parte móvil que permite la transferencia, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los motores asincronos o de inducción son los más utilizados y son motores en los que el rotor se mueve por la inducción electromagnética generada por el campo magnético del estator. Este proceso de transformación de energía eléctrica a mecánica en los motores eléctricos sufre pérdidas considerables de energía eléctrica tomada desde la red, proporcionando el consumo nominal del motor, dichas pérdidas que son tomadas por el fabricante de los motores como condiciones normales. Algunas de estas pérdidas son, pérdidas en forma de calor, pérdidas por histéresis, pérdidas por la creación de corrientes de Eddy, pérdidas por resistencias y stress, pérdidas por vibraciones y principalmente por la generación de BMF (Back Electromagnetic Fíeles) o campos electromagnéticos inversos. Dichas perdidas consisten en corrientes y armónicos tomadas como carga inductiva las cuales generan un consumo adicional en el motor, consumo que generalmente es mucho mayor al requerido para su operación.

Actualmente existen compañías que desarrollan tecnologías enfocadas en motores de alta eficiencia, equipos auxiliares como convertidores de frecuencia y controladores de operación, entre otros, que mejoran el rendimiento reduciendo el consumo hasta un 30% solo en motores y equipos totalmente nuevos.

De esta forma, en el estado del arte existe una pluralidad de divulgaciones relacionadas con sistemas, dispositivos o aparatos para incrementar la eficiencia en motores eléctricos, reduciendo los consumos energéticos, dentro de los que se encuentra el documento US7227288B2 que enseña un motor eléctrico de corriente alterna monofásico o multifásico o un generador síncrono que incluye bobinas principales y bobinas adicionales que realizan la desaturación del campo magnético de las bobinas principales. Cada bobinado adicional se alimenta a través de al menos un condensador en un ángulo de fase diferente y en direcciones de campo opuestas de los respectivos bobinados principales. Las secciones transversales totales del alambre utilizado en cada bobinado principal y adicional son de tamaños predeterminados y siguen preferentemente la proporción aproximada de aproximadamente dos tercios (%) para el bobinado principal y aproximadamente un tercio (%) para el bobinado adicional, y los respectivos valores del condensador están predeterminados. El número de vueltas de cada bobinado adicional es de cincuenta a cien por ciento (50%- 100%) del número de vueltas de su respectivo bobinado principal. Las dos bobinas se construyen simultáneamente en una sola operación.

Sin embargo, la invención definida en esta anterioridad presenta la desventaja que para aumentar la eficiencia del motor requiere modificar el bobinado de dicho motor, sin proporcionar una configuración electrónica para reducir las pérdidas por consumo eléctrico en motores de inducción que cuente con un circuito para eliminar corrientes armónicas, una señe de capacitores corta picos, Ya en los últimos diseños no utilizamos una señe de capacitores cortapicos, que sirven como|correctores y controladores de frecuencia, un transistor de “swicheo”, es controlado por un circuito integrado, haciendo el proceso de optimización mucho más complejo y costoso. De otra parte, se encuentra también el documento US9041464B2, el cual divulga un circuito para reducir el consumo de energía, el cual incluye un amplificador de potencia. El circuito también incluye un predistortor acoplado al amplificador de potencia. El circuito incluye además una fuente de alimentación acoplada al amplificador de potencia. El circuito incluye además un controlador acoplado al amplificador de potencia, al predistortor y a la fuente de alimentación. El controlador captura una señal de transmisión y una señal de retroalimentación simultáneamente y determina un voltaje de polarización mínimo a partir de un conjunto de voltajes y una predistorsión que permiten al amplificador de potencia producir una señal de transmisión amplificada de acuerdo con un requisito.

No obstante, esta invención de la anterioridad presenta el inconveniente que se enfoca en la reducción de consumo en dispositivos electrónicos, por lo que no menciona específicamente una configuración electrónica para reducir las pérdidas por consumo eléctrico en motores de inducción que cuenta con un circuito para eliminar corrientes armónicas, una señe de capacitores corta picos, correctores y controladores de frecuencia, un transistor de “swicheo” que es controlado por un circuito integrado con lo que se obtendría una mayor optimización en el consumo energético.

Ahora bien, en el estado del arte también se encuentra el documento

US9214876B2, el cual pertenece al campo de la electrónica de potencia y de control de convertidores de semiconductores, en donde además pertenece al método de generación por disparo para inversores de onda sinusoidal Z modificada, cuasi-Z y trans-Z. El inversor puede ser controlado utilizando el método de modulación de ancho de pulso de onda sinusoidal modificada o el método de modulación por desplazamiento de fase. Hay tres métodos para la generación de impulsos en el caso del control de onda sinusoidal modificada: mediante la superposición de los estados activos, durante el estado libre y durante el estado cero. Para igualar las pérdidas de conmutación en el caso de patrones de conmutación asimétricos, las señales de control de los elementos de conmutación superiores e inferiores se intercambian periódicamente.

Sin embargo, se puede ver claramente que la invención definida en dicho documento, presenta la desventaja de incluir una gran cantidad de componentes, que no incluyen una configuración electrónica para reducir las pérdidas por consumo eléctrico en motores de inducción que cuenta con un circuito para eliminar corrientes armónicas, una señe de capacitores corta picos, correctores y controladores de frecuencia, un transistor de “swicheo” que es controlado por un circuito integrado con lo que se obtendría una mayor optimización en el consumo energético.

Finalmente, se tiene el documento US20170244325 el cual presenta el aumento de la eficiencia de conversión de energía de CC a CA en una topología de conductor de inversor en cascada escaladle, flexible y resistente. Las celdas de potencia plurales, que incluyen un rectificador y un inversor, están dispuestas en una topología sehe/paralela. El uso de celdas de potencia plural aumenta la eficiencia reduciendo las pérdidas de transición de voltaje y aumentando el ciclo de trabajo. Además, las celdas de potencia dan salida a la CA a un motor eléctrico utilizando un controlador de futuro que responde a la demanda de potencia variable mientras mantiene la velocidad del motor a un nivel de eficiencia máximo. La salida de energía se varía variando el ancho de los pulsos de salida del rectificador a los inversores mientras se mantiene el voltaje de los pulsos. Las transiciones entre los niveles de potencia se suavizan mediante la modulación de la densidad de los impulsos. La densidad de los pulsos, determinada automáticamente en el inversor, comienza alta y gradualmente se hace menos densa, de modo que el voltaje cambia rápidamente y luego se reduce gradualmente. La topología y los componentes de la celda de potencia permiten aislar y desviar las celdas de potencia defectuosas 10.

No obstante, la invención descrita en esta anterioridad presenta la desventaja que permite mejorar la eficiencia en la conversión de energía de CC a CA, que no incluyen una configuración electrónica para reducir las pérdidas por consumo eléctrico en motores de inducción que cuenta con un circuito para eliminar corrientes armónicas, una serie de capacitores corta picos, correctores y controladores de frecuencia, un transistor de “swicheo” que es controlado por un circuito integrado con lo que se obtendría una mayor optimización en el consumo energético.

A partir de la información anterior, se puede establecer que los documentos existentes en el estado del arte corresponden a una serie de dispositivos o sistemas para la optimización de la energía eléctrica, reduciendo el consumo de los motores eléctricos, en donde en todos los casos se hace uso de elementos eléctricos y electrónicos comunes en el estado del arte como, circuitos integrados, transistores, diodos, bobinas, capacitores, entre otros.

Sin embargo, y de acuerdo con lo anterior, es claro y evidente que en el estado del arte existe una necesidad por diseñar e implementar un dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de inducción, monofásicos, bifásicos y trifásicos, reduciendo el consumo energético de los mismos, al reducir las pérdidas por calor, pérdidas por histéresis, pérdidas por la creación de corrientes de Eddy, pérdidas por resistencias y stress, pérdidas por vibraciones y principalmente por la generación de BMF (Back Electromagnetic Fields) o campos electromagnéticos inversos, en donde el dispositivo está configurado para obtener el mayor beneficio energético de una fuente externa AC, reduciendo los consumos de los motores eléctricos en una amplia proporción. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La presente invención se entiende de forma más clara a partir de las siguientes figuras donde se muestran los componentes y resultados asociados al presente dispositivo, así como los elementos novedosos con respecto al estado del arte, en donde, las figuras no pretenden limitar el alcance de la invención, el cual está únicamente dado por las reivindicaciones adjuntas, en donde:

La Figura 1 enseña una vista de cada uno de los componentes del dispositivo y su interacción.

La Figura 2 Enseña la forma en que interactúa el dispositivo con el mecanismo de disipación de calor.

La Figura 3 Enseña las corrientes BMF, generadas en todos los motores en operación, dichas corrientes tienden a envolver la onda sinodal de la corriente que realmente mueve al motor. Dichas corrientes comprenden armónicos y ruidos, en donde los ruidos corresponden a corrientes disruptivas que se toman como carga inductiva, generando un consumo mucho mayor al motor del que generalmente necesita para su operación (todo esto hace parte de la sumatoria de corriente que toma el fabricante de estos como consumo normal). La Figura 3a. es una gráfica real tomada del instrumento de medición, la figura 3b es un esquema representativo de la figura 3a.

La Figura 4 Enseña la onda sinusoidal que representa la corriente de operación del motor, al adaptar al dispositivo divulgado en la presente invención. La Figura 4a. es una gráfica real tomada del instrumento de medición, la figura 4b es un esquema representativo de la figura 4a.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención está dirigida a un dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de inducción, monofásicos, bifásicos y trifásicos, reduciendo el consumo energético de los mismos, en donde dicho dispositivo comprende:

• Un subsistema de influencia en el factor de potencia y las corrientes reactivas (1 ), conformado por un capacitor con resistencia de descarga interna (1 1 ) y un protector de voltaje (12);

• Un subsistema de eliminación de corrientes armónicas (2), compuesto por un circuito LRC (23), dos capacitores (21 ) y una resistencia (22). En donde además de bloquear las corrientes armónicas, bloquea las bajas frecuencias que podrían afectar la eficiencia del dispositivo. • Un subsistema de conmutación electrónica (3), conformado por un transistor

(31 ), en donde dicha conmutación se realiza por medio de un circuito integrado (32) y un DIAC de polarización (36), siendo dicha conmutación aislada, permitiendo controlar y estabilizar la polarización del transistor (31 ), obteniendo así una conmutación de corriente constante.

Dicho subsistema (3) además comprende un capacitor (33) que elimina los transientes que se puedan generar en el funcionamiento del circuito integrado

(32) y una resistencia (34) que limita la corriente AC, en donde dicho transistor (31 ) Es un elemento de swicheo. En donde dicho elemento de swicheo, interrumpe en intervalos muy cortos la onda sinusoidal de corriente en su pico más alto y bajo por cada fase que alimenta al motor, lo cual no solo nos permite obtener una ganancia de corriente importante, sino que además interrumpe los trascientes de corrientes ascendentes, descendentes y todos los armónicos, ruidos o campos inductivos generados en el motor.

Dicho subsistema (3) además comprende un circuito RC (35) que elimina la histéresis generada en la conmutación del transistor (31 ), conformado por un capacitor (351 ) y una resistencia (352).

• un subsistema de operación y disipación (4) conformado por un disipador de calor, y un elemento de operación táctil o análogo. Para la disipación de calor, se tiene que el transistor (31 ) opera en un rango de temperatura entre -40°C y 125°C. sin embargo, para el presente dispositivo opera con cargas de hasta 35 amperios, a una temperatura de 45°C a 60°C.

Dicho disipador de calor es de aletas de aluminio de 5 cm X 5 cm, por 10 cm para motores monofásicos, y de 5 cm X 5 cm, por 17 cm o más, para motores bifásicos y trifásicos.

El presente dispositivo además comprende un subsistema de alimentación (5), conformado por un circuito integrado rectificador de corriente (51 ), un condensador de filtrado DC (52), una resistencia variable (53) y un transistor de regulación de voltaje (54) los cuales alimentan el circuito integrado (32), y el circuito de alarma por corto circuito en el transistor (31 ).

En una modalidad deseada, el subsistema 1 presenta un desfase de la corriente capacitiva en el capacitor (1 1 ), cuyo efecto incrementa el factor de potencia, en donde al fluir la corriente del capacitor (11 ) al circuito de carga inductiva se compensa la corriente magnetizante del motor, disminuyendo así la energía reactiva. De esta forma, las altas frecuencias que generan stress en la red son absorbidas por el capacitor (1 1 ). En una modalidad deseada, el dispositivo presenta un circuito integrado rectificador (61 ), de onda y voltaje para mantener los valores constantes, en conjunto con las resistencias (62), (63) que permiten disminuir la base de tiempo de conducción del transistor (31 ), en cada período.

En una modalidad deseada, el dispositivo cuenta un software que se conecte a cada fase para medir en tiempo real el consumo, funcionamiento y operación del equipo, en donde adicionalmente, permite conocer el consumo de cada motor por medio de una APP para teléfonos móviles. Dicho monitoreo se realiza 24/7/365.

En una modalidad deseada el sistema se configura para un motor bifásico, replicando cada uno de los elementos anteriores para la segunda fase.

En una modalidad deseada el sistema se configura para un motor trifásico, replicando cada uno de los elementos anteriores para la segunda fase y la tercera fase.

En las mediciones experimentales que se tomaron con distintos motores de marcas variables, se obtuvo un ahorro total de entre 40% y 70% de la energía consumida, al utilizar el dispositivo de la presente invención. La presente invención además enseña un proceso para aumentar la eficiencia de motores eléctricos, reduciendo las pérdidas por calor, pérdidas por histéresis, pérdidas por la creación de corrientes de Eddy, pérdidas por resistencias y stress, pérdidas por vibraciones y principalmente por la generación de BMF (Back Electromagnetic Fields) o campos electromagnéticos inversos, en donde el dicho proceso comprende las siguientes etapas:

• Una etapa de entrada de señal. (Semejante a la entrada de señal al motor);

• Una etapa de separación e identificación del neutro y las fases;

• Una etapa de filtrado y eliminación de las corrientes inversas, reactivas y los armónicos;

• Una etapa de swicheo, para obtener la máxima ganancia de corriente;

• Finalmente, una etapa de recolección de datos y transmisión electrónica de los consumos de energía de cada fase del motor, vía APP u otro medio de transmisión de información por medios electrónicos.

Aunque la anterior descripción define las modalidades preferidas de la presente invención, dicha invención no se encuentra limitada a éstas, sino que, por el contrario, también se pretende incluir dentro del alcance de la presente solicitud todas las variaciones o modificaciones que sean evidentes para los expertos en la materia y que no afectan y cambian el espíritu de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de inducción, caracterizado porque comprende,

• Un subsistema de eliminación de corrientes armónicas (2), compuesto por un circuito LRC (23), dos capacitores (21 ) y una resistencia (22), en donde además de bloquear las corrientes armónicas, bloquea las bajas frecuencias que podrían afectar la eficiencia del dispositivo.

• Un subsistema de conmutación electrónica (3), conformado por un transistor (31 ), en donde dicha conmutación se realiza por medio de un circuito integrado (32) y un DIAC de polarización (36), siendo dicha conmutación aislada, permitiendo controlar y estabilizar la polarización del transistor (31 ), obteniendo así una conmutación de corriente constante.

• un subsistema de operación y disipación (4) conformado por un disipador de calor, y un elemento de operación del dispositivo táctil o análogo. El dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de la reivindicación 1 , caracterizado porque, además comprende un subsistema de alimentación (5), conformado por un circuito integrado rectificador de corriente (51 ), un condensador de filtrado DC (52), una resistencia variable (53) y un transistor de regulación de voltaje (54) los cuales alimentan el circuito integrado (32), y un circuito de alarma por corto circuito en el transistor (31 ). El dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque, dicho subsistema (3) además comprende un capacitor (33) que elimina los transientes que se generan en el circuito integrado (32) y una resistencia (34) que limita la corriente AC. El dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, dicho transistor (31 ) Es un elemento de swicheo. El dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, dicho subsistema (3) además comprende un circuito RC (35) que elimina la histéresis generada en la conmutación del transistor (31 ), conformado por un capacitor (351 ) y una resistencia (352). El dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, además comprede un circuito integrado rectificador (61 ) que permite disminuir la base de tiempo de conducción del transistor (31 ), en cada período. El dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, dicho subsistema (1 ) presenta un desfase de la corriente capacitiva en el capacitor (1 1 ), para absorber las altas frecuencias que generan stress en la red. El dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, incluye un sistema de medición de consumo energético, que reporta los datos a dispositivos electrónicos, como celulares, vía APP. El dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, cada uno de sus componentes se adapta a una red bifásica, para motores bifásicos.

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. El dispositivo para aumentar la eficiencia de motores eléctricos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, cada uno de sus componentes se adapta a una red trifásica, para motores trifásicos. 1 . Proceso para aumentar la eficiencia de motores eléctricos, reduciendo las pérdidas energéticas, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

• Una etapa de entrada de señal;

• Una etapa de separación e identificación del neutro y las fases;

• Una etapa de swicheo; 2. El proceso de la reivindicación 1 1 además comprende una etapa de recolección de datos y transmisión electrónica de los consumos de energía de cada fase del motor, vía APP.

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