ES2282840T3 - Un sistema de control de un compresor lineal, un metodo para controlar un compresor lineal, un compresor lineal y un sistema de refrigeracion. - Google Patents
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Abstract
Un sistema para controlar un compresor lineal (10), comprendiendo el compresor lineal (10): - un conjunto móvil (1); - un motor (1'') alimentado por una tensión de aplicación (VT), un dispositivo de conmutación electrónico (52); y - un circuito electrónico (51) que controla el dispositivo de conmutación electrónico (52) para controlar la tensión de aplicación (VT) aplicada al motor (1''), y accionando el motor (1'') el conjunto móvil (1); - el circuito electrónico (51) mide una fase de accionamiento (fC) de la corriente que circula en el motor (1'') y una fase dinámica (fP) del conjunto móvil (1) y establece la relación entre la fase de accionamiento (fC) y la fase dinámica (fP), determinado una fase medida (fPC) caracterizándose el sistema porque - el circuito electrónico (51) obtiene un valor de una tensión de corrección (VF) a partir del valor de la fase medida (fPC), - el circuito electrónico (51) obtiene un valor de una tensión definida (VP) a partir de una posición física (DP) del conjunto móvil (1), - el circuito electrónico (51) funciona en el valor de la tensión de aplicación (VT) a partir de la suma de la tensión de corrección (VF) y la tensión definida (VP).
Description
Un sistema de control de un compresor lineal, un
método para controlar un compresor lineal, un compresor lineal y un
sistema de refrigeración.
La presente invención se refiere a un sistema
para controlar un pistón de un compresor lineal, a un método de
controlar un pistón de un compresor lineal, así como también a un
compresor lineal, particularmente aplicables a sistemas de
refrigeración que pueden incluir, por ejemplo, frigoríficos,
sistemas de acondicionamiento de aire y similares.
Como se sabe de la técnica anterior, un
compresor lineal está usualmente insertado en un medio a baja
presión, en que un gas a baja presión es aspirado por el compresor
que lo comprime y libera dentro de un medio a alta presión asociado
con un circuito de refrigeración, estando herméticamente aislados
entre sí el medio a baja presión y el medio a alta presión.
El mecanismo de compresión de aire es hecho
funcionar por el movimiento axial de un pistón dentro de un
cilindro, estando instaladas una válvula de aspiración y una válvula
de descarga en un cabezal que regula la entrada de gas en el
cilindro y la salida del gas hacia afuera del cilindro. El pistón es
movido por un accionador que está formado por un soporte y un imán,
siendo accionado el último por un resorte helicoidal que forma un
conjunto resonante del compresor.
El conjunto resonante, accionado por el motor
lineal, tiene la función de desarrollar un movimiento alternativo
lineal, haciendo que el movimiento del pistón en el interior del
cilindro ejerza una acción de compresión del gas admitido desde la
válvula de aspiración hasta el punto en que pueda ser descargado en
el lado de alta presión a través de la válvula de descarga.
La amplitud del funcionamiento del compresor
lineal es regulada con el equilibrio de la corriente generada por el
motor y la corriente consumida por el mecanismo al comprimir el gas
más otras pérdidas. A fin de extraer la máxima capacidad de bombeo
del compresor, es necesario aproximar el pistón tanto como sea
posible al plato de válvula, pero impidiendo que bombee. Para hacer
esto posible, deberá conocerse con exactitud la amplitud del
funcionamiento, y cuanto mayor sea el error estimado tanto mayor
deberá ser la distancia de seguridad para impedir la colisión del
pistón con el plato de válvula. La colisión del pistón genera ruido
y puede dañar al compresor, dependiendo de las soluciones de
construcción del último.
Además de la precisión estimada de la posición
del pistón, la estabilidad de funcionamiento es igualmente
importante. Si la amplitud de funcionamiento varía con el tiempo, se
perjudicará también la proximidad del pistón al plato de válvula, o
el pistón puede colisionar.
Otra característica de dicho mecanismo lineal es
la posibilidad de variar su capacidad de bombeo. Reduciendo la
potencia del motor, se disminuye la amplitud de funcionamiento y, a
su vez, también la capacidad de bombeo.
En el documento WO 01/54253 se describe uno de
los sectores de la técnica anterior en que se ha previsto la
necesidad de impedir la colisión del pistón con el plato de válvula.
De acuerdo con las enseñanzas de este documento, se proporcionan un
sistema y un método aplicables a un compresor lineal, por medio de
los cuales se prevé la medición de una primera onda cuadrada
obtenida integrando la corriente aplicada al motor y una segunda
onda cuadrada obtenida de la tensión aplicada al motor. Sobre la
base de estas mediciones, el movimiento del pistón es efectuado por
medio de un TRIAC, que evalúa la diferencia entre las fases de la
primera onda cuadrada y de la segunda onda cuadrada. Por
consiguiente, el pistón funciona en una posición más próxima al
plato de válvula.
A pesar de reducir las probabilidades de que el
pistón colisione con el plato de válvula, el objeto del documento WO
01/54253 no aborda los problemas resultantes de posibles
desequilibrios relativos a la estabilidad del propio sistema en
conjunto y, por consiguiente, el sistema puede funcionar en
condiciones no ideales en cuanto a estabilidad.
Además, otro inconveniente resultante de la
construcción propuesta en el documento WO 01/54253 reside en el
hecho de que se vigila la fase por medio de ondas cuadradas. Dicho
enfoque tiene el resultado de que para obtener la diferencia entre
las fases será necesario ampliar los circuitos electrónicos o los
programas informáticos que efectúen la integración de la corriente,
que generan las ondas cuadradas primera y segunda descritas aquí y
que calculen la diferencia en fase entre la primera onda cuadrada y
la segunda onda cuadrada. Sin embargo, tal construcción y el proceso
resultante presentan un alto coste de fabricación, además de
disminuir la fiabilidad, ya que necesitan circuitos para realizar
estas conversiones, lo que, debido a la gran cantidad de componentes
implicados, reduce la fiabilidad del sistema, a causa de que cada
componente adicional presenta una mayor probabilidad de fallo. La
opción de implementar el dispositivo descrito en el documento por
medio de un programa informático da también por resultado un alto
coste, ya que, en este caso, con el enfoque usado, se requiere un
microcontrolador excesivamente sofisticado, y también hay un alto
coste.
En el documento US 5.342.176 se describe otra
rama de la técnica anterior relacionada con la presente invención.
De acuerdo con las enseñanzas de este documento, se proporciona un
método y un aparato para medir la posición de un pistón en un
compresor, a partir de la cual se mide la tensión y la corriente
aplicadas al motor del compresor para controlar el movimiento del
pistón. Una de las ventajas de la invención descrita en este
documento reside en el hecho de que el enfoque requiere un cálculo
específicamente asociado con el desarrollo del pistón, sin tener en
consideración, por ejemplo, los cambios de temperatura y en el
enfriador, que pudieran conducir a errores en la resolución del
sistema.
En el documento US 2002/093327, que se refiere a
un aparato y a un método para detectar sacudidas de la carrera de un
compresor lineal, se describe otra rama de la técnica anterior
relacionada con la presente invención. Un compresor lineal funciona
defectuosamente debido al cambio de una tensión o ruido externos a
causa de que la sacudida de la carrera es detectada por las
cantidades de cambio en el golpe o en la corriente. De acuerdo con
las enseñanzas de este documento, para resolver el anterior
problema, un aparato de control de un compresor incluye un
calculador de diferencia de fase de golpe/corriente para calcular
las diferencias de fase de la carrera y de la corriente usando el
golpe y la corriente, que son determinadas por el incremento y la
reducción de la carrera debido a la tensión generada por un
compresor lineal, un calculador de las cantidades de cambio de la
diferencia de fase para calcular las cantidades de cambio de
diferencia de fase usando las diferencias de fase calculadas de la
carrera y de la corriente, un detector de sacudidas para comparar
las cantidades de cambio de diferencia de fase calculadas con un
valor de referencia para determinar si se detecta la sacudida de la
carrera, para determinar así la sacudida de la carrera, y un
controlador de golpe para recibir una señal de detección de
sacudidas de golpe desde el detector de sacudidas de golpe y cambiar
la tensión de la carrera de acuerdo con la magnitud de la respuesta
de la capacidad de enfriamiento, que es determinada por el cambio en
la carga, para controlar así el accionamiento del compresor lineal,
durante el funcionamiento del compresor lineal.
Los objetos de la presente invención son
proporcionar un sistema para controlar el movimiento de un pistón de
un compresor lineal y un método de controlar un pistón, que impiden
que el pistón choque contra el plato de válvula, con la presión
necesaria para que el sistema sea eficaz.
Un parámetro variable para controlar la amplitud
del compresor puede ser la tensión de alimentación del motor
eléctrico. Desde la tensión de la alimentación hasta el logro de la
amplitud deseada hay diversas impedancias acopladas, tales como la
resistencia del motor eléctrico, la inductancia del motor, la
capacitancia si se usa un condensador, la fuerza de
contra-electro-excitación, las
impedancias del sistema resonante (masa/resorte) y el trabajo de
compresión con sus pérdidas inherentes. La impedancia de este
sistema depende de la respectiva frecuencia de excitación, es
decir, la frecuencia de la tensión aplicada al motor. A cierta
frecuencia, la salida de este sistema es óptima, y esto se produce
cuando el sistema mecánico pasa a resonancia. A esta frecuencia el
rendimiento del compresor lineal es máximo.
La frecuencia de resonancia del mecanismo no
está perfectamente fijada, ya que el gas que ha de ser comprimido
tiene un efecto mecánico similar al de un resorte, que puede
designarse como "resorte de gas". El "resorte de gas" es
afectado principalmente por dos factores:
- (i)
- la distancia de pistón/plato de válvula; e
- (ii)
- las presiones con que el compresor funciona o la presión de funcionamiento.
La distancia de pistón/plato o factor de
acercamiento se altera cuando se reduce la carrera del pistón,
generando un aumento en el resorte de gas y en la resonancia del
mecanismo (este efecto es más relevante para la estabilidad de
funcionamiento del mecanismo).
En un sistema de refrigeración estos dos
factores -el factor de acercamiento y la presión de funcionamiento-
cambian sustancialmente, la presión de funcionamiento varía desde el
momento en que el sistema se conecta hasta que se alcanza el valor
nominal de funcionamiento, mientras que el valor nominal de
funcionamiento es afectado por la temperatura ambiente y la
temperatura interna del enfriador, siendo alterada la distancia de
pistón/plato cuando el sistema necesita que tenga lugar más o menos
capacidad de refrigeración en un recorrido más largo o más corto y
que se aplique tensión al motor para que el último funcione
adecuadamente.
Así, la frecuencia de resonancia del sistema
mecánico varía debido a los diversos factores citados.
Para abordar los problemas de una manera eficaz,
sería recomendable tener un dispositivo electrónico que pudiera
variar la frecuencia de la tensión aplicada al motor, para mantener
siempre el mecanismo a la resonancia. Sin embargo, un dispositivo
electrónico de este tipo, en el actual estado de la técnica, no es
eficaz y su coste es considerablemente alto. Por esta razón, el
sistema para controlar el movimiento de un pistón en un compresor
lineal, así como también el respectivo método de controlar el propio
compresor, que son objetos de la presente invención, pretenden
controlar la tensión, impidiendo así altos costes para controlar la
frecuencia de oscilación de la tensión.
Uno de los problemas que resulta de este enfoque
reside en el hecho de que hay diversas impedancias conectadas entre
la tensión aplicada al motor hasta el mecanismo del compresor
lineal. Un ejemplo del efecto de estas impedancias da por resultado
las siguientes situaciones.
Para casos en que la frecuencia de resonancia
varíe para factores mayores, es decir, en los casos en que la
frecuencia de resonancia sea más alta que la frecuencia de
alimentación del motor (la última es siempre constante), será
necesario que la frecuencia de alimentación del motor sea
incrementada para mantener el pistón con la misma amplitud que la
disponible a la frecuencia de resonancia.
Partiendo de otro punto de vista, cuando la
frecuencia de resonancia disminuye, es decir, cuando la frecuencia
de resonancia es también más alta que la frecuencia de alimentación,
pero la amplitud de funcionamiento del pistón decrece, la frecuencia
de resonancia aumentará, y también se darán situaciones en que la
tensión aplicada al motor deba ser más alta para mantener el pistón
a una amplitud más baja. Este comportamiento genera inestabilidad en
el control y puede volver al mecanismo incontrolable.
Los objetos de la presente invención son un
sistema para controlar un compresor lineal, un método de controlar
un compresor lineal, un compresor lineal, y un sistema de
refrigeración. El pistón es controlado de manera que la tensión
aplicada al motor puede ser corregida constantemente en función de
las características de funcionamiento del compresor, por ejemplo,
debido al "resorte de gas" y para que la tensión alcance el
nivel requerido para mantener el pistón siempre en movimiento
estable independientemente de las condiciones del sistema.
Como resultado del anterior objeto, un objeto
adicional de la presente invención es proporcionar un sistema para
controlar un compresor lineal, un método de controlar un compresor
lineal, un compresor lineal y un sistema de refrigeración, en el que
el compresor funciona a cualquier amplitud de una manera estable
independientemente de estar o no sincronizado, con lo que se puede
corregir la tensión aplicada al motor independientemente de la fase,
e incluso mantener el sistema estable.
Al mismo tiempo, el sistema para controlar un
compresor lineal, un método de controlar el compresor lineal, un
compresor lineal y el sistema de refrigeración deberán proporcionar
una construcción que sea de ejecución sencilla, con un número de
reducido de componentes electrónicos y, además, que sea todavía una
construcción con un microprocesador o un microcontrolador de bajo
coste.
Los objetos de la presente invención se
consiguen por medio de un sistema para controlar un compresor
lineal, comprendiendo el compresor lineal: un conjunto móvil; un
motor alimentado por una tensión de aplicación, un dispositivo de
conmutación electrónico; y un circuito electrónico que controla el
dispositivo de conmutación electrónico para controlar la tensión de
aplicación aplicada al motor, y el motor que acciona el conjunto
móvil; el circuito electrónico mide una fase de accionamiento de la
corriente que circula en el motor y una fase dinámica del conjunto
móvil y establece una relación entre la fase de accionamiento y la
fase dinámica, determinando una fase medida, caracterizándose el
sistema porque el circuito electrónico obtiene un valor de una
tensión de corrección a partir del valor de la fase medida, el
circuito electrónico obtiene un valor de una tensión definida desde
una posición física del conjunto móvil, el circuito electrónico
actúa sobre el valor de la tensión de aplicación procedente de la
suma de la tensión de corrección y de la tensión definida. La fase
dinámica puede obtenerse de la velocidad de desplazamiento del
conjunto móvil, o de la comparación del valor de la medición de la
posición física del conjunto móvil con la posición física definida
previamente establecida.
Los objetos se consiguen además por medio de un
método de controlar un compresor lineal, comprendiendo el compresor
lineal un conjunto móvil; un motor alimentado por una tensión
alterna de aplicación, que genera una corriente circulante; medir
una fase de accionamiento de la corriente de circulación en el
motor; medir una fase dinámica del conjunto móvil, establecer una
relación entre la fase de accionamiento y la fase dinámica,
determinar una fase medida; caracterizándose el método por
comprender las etapas de establecer una relación entre la fase
medida y una posición física del conjunto móvil, determinar una
posición preferible del conjunto móvil; establecer una relación
entre la fase medida y la posición preferible; obtener una tensión
de aplicación que ha de ser aplicada al motor. El valor de la
tensión puede alterarse de manera proporcional al valor de la
tensión de aplicación
obtenida.
obtenida.
Los objetos de la presente invención se
consiguen además por medio de un compresor lineal que comprende: un
conjunto móvil situado dentro de una cámara de presurización y que
está asociado operativamente con un resorte, moviéndose el conjunto
móvil axialmente dentro de la cámara de presurización; un motor
alimentado por una tensión de aplicación, que genera una corriente
circulante en el motor; un dispositivo de conmutación electrónico; y
un circuito electrónico que controla el dispositivo de conmutación
electrónico, para controlar la tensión de aplicación aplicada al
motor, y el motor que acciona el conjunto móvil; en que el circuito
de control mide una fase de accionamiento de la corriente
circulante en el motor y una fase dinámica del conjunto móvil y
establece una relación entre la fase de accionamiento y la fase
dinámica, que determina una fase medida, caracterizándose el
compresor lineal porque el circuito de control altera el valor de la
tensión de aplicación aplicada al motor de manera proporcional al
valor de la fase medida.
Además, los objetos de la presente invención se
consiguen por medio de un sistema de refrigeración que incluye un
compresor lineal que comprende un conjunto móvil situado dentro de
una cámara de presurización y que está operativamente asociado con
un resorte, moviéndose el conjunto móvil axialmente dentro de la
cámara de presurización, un motor alimentado por una tensión de
aplicación, que genera una corriente circulante en el motor, un
dispositivo de conmutación electrónico, y un circuito electrónico
que controla el dispositivo de conmutación electrónico para
controlar la tensión aplicada al motor, y al motor que acciona el
conjunto móvil, midiendo el circuito de control una fase de la
corriente de accionamiento que circula en el motor y una fase
dinámica del conjunto móvil y estableciendo una relación entre la
fase de accionamiento y la fase dinámica, determinar una fase
medida, alterando el circuito de control el valor de la tensión
aplicada al motor de manera proporcional al valor de la fase
medida.
Se describirá ahora la presente invención con
mayor detalle haciendo referencia a una realización representada en
los dibujos, en que:
La figura 1 es una vista en sección transversal
esquemática de un compresor lineal, en el que pueden aplicarse las
enseñanzas de la presente invención;
La figura 2 muestra un gráfico que indica, sobre
el eje horizontal, la frecuencia relativa a la frecuencia de
resonancia (f/f_{0}), que representa la distancia en que el pistón
del compresor está funcionando desde la frecuencia de resonancia, y,
sobre el eje vertical, la tensión necesaria para que el mecanismo
funcione a una amplitud constante;
La figura 3 muestra un gráfico de la relación
entre las fases, como se ilustra en la figura 2, así como también la
relación con la tensión;
La figura 4a muestra un gráfico que ilustra la
relación entre las fases y la tensión para mantener el mecanismo a
la misma amplitud de funcionamiento en un ejemplo en que la fase
está adelantada 40 grados;
La figura 4b muestra un gráfico que ilustra la
relación entre las fases y la tensión para mantener el mecanismo a
la misma amplitud de funcionamiento en un ejemplo en que la fase
está retardada 40 grados;
La figura 5 muestra un gráfico que ilustra el
comportamiento entre la fase y la tensión para alterar la tensión de
aplicación y que ilustra el valor de la tensión definida;
La figura 6 muestra un gráfico que ilustra el
comportamiento entre la fase y la tensión de corrección;
La figura 7 muestra un ejemplo de medición hecha
sobre un compresor lineal;
La figura 8 muestra un diagrama de bloques de un
sistema de refrigeración de acuerdo con las enseñanzas de la
presente invención; y
La figura 9 muestra un diagrama de bloques de un
sistema de refrigeración de acuerdo con las enseñanzas de la
presente invención, que ilustra los efectos de controlar la tensión
en el motor;
Como puede verse en la figura 1, el compresor
lineal 10 está insertado en un entorno de baja presión 11, en que es
aspirado gas a baja presión por el compresor lineal 10 que lo
comprime y libera dentro de un entorno de alta presión 11'. Como ya
se ha descrito, un compresor lineal 10 comprende básicamente un
pistón 1 o un conjunto móvil 1 situado dentro de un cilindro o
cámara de presurización 2 y que se mueve axialmente dentro de la
última, moviéndose el conjunto móvil 1 hacia un cabezal 3.
En el cabezal 3 hay válvulas de aspiración 3a y
válvulas de descarga 3b que regulan la entrada y la salida de gas
hacia dentro y hacia fuera del cilindro 2, siendo accionado el
conjunto móvil 1 por un accionador o motor 1' que comprende un
soporte 4 y un imán 5. El conjunto móvil 1 está asociado además con
un resorte helicoidal 3 que forma un conjunto resonante del
compresor lineal 10.
El mecanismo de compresión de gas, como ya se ha
descrito en lo que antecede, tiene lugar por el movimiento axial del
conjunto móvil 1 dentro del cilindro 2 que se mueve en el sentido de
cabezal 3 o en el sentido opuesto, configurando así una amplitud de
desplazamiento.
Con miras a resolver los problemas de
estabilidad mencionados en lo que antecede, de acuerdo con las
enseñanzas de la presente invención, se prevé una solución que
aborda el problema vigilando la corriente aplicada al motor 1', a
fin de impedir la colisión del conjunto móvil 1 con el cabezal 3, en
que está situado el plato de válvula 3'.
Se sabe que la corriente aplicada al motor 1'
está en fase con la velocidad del conjunto móvil 1 cuando el
mecanismo está funcionando a la resonancia. Sin embargo, es
necesario considerar que la fase \varphi varía a medida que se
mueve hacia afuera de la resonancia (véase la figura 3).
Las figuras 2 y 3 ilustran el comportamiento de
un sistema de refrigeración, en el que la frecuencia varía. Por
tanto, debido a las impedancias conectadas entre la tensión aplicada
al motor 1' hasta el conjunto móvil 1 del compresor lineal 10, la
frecuencia de resonancia f_{0} tiene el comportamiento ilustrado
en la figura 2. Como puede verse, hay una variación en la frecuencia
de resonancia f_{0} para factores más altos, sabiendo que la
frecuencia f a que se alimenta el motor 1' permanece constante, la
región correspondiente en el gráfico se encuentra a la derecha de la
frecuencia de resonancia f_{0} (en el punto derecho f/f_{0}
igual a 1), lo que significa deberá aumentarse la tensión necesaria
para mantener el conjunto móvil 1 a la misma amplitud de
desplazamiento.
Además, como puede verse en la figura 2, cuando
la frecuencia de resonancia f_{0}, disminuye, la región
correspondiente está también situada a la derecha de la frecuencia
de resonancia f_{0} (a la derecha de f/f_{0} igual a 1). En este
caso, de manera análoga a como se recomendó en lo que antecede,
cuando disminuye la amplitud de funcionamiento del conjunto móvil 1,
aumenta la frecuencia de resonancia y de este modo se dan
situaciones en que, para mantener el conjunto móvil 1 a una amplitud
de desplazamiento menor, la tensión aplicada al motor 1' deberá ser
más alta, generando la inestabilidad en el control, que puede hacer
al mecanismo incontrolable, y pueden tener lugar impactos del
conjunto móvil 1 contra el cabezal 3.
Sobre la base de la información anterior, puede
establecerse una corrección de la tensión con la fase \varphi
(véase la figura 4), de manera que el algoritmo de control no
percibirá el comportamiento del gráfico ilustrado en la figura 2 o,
en otras palabras, aun cuando el compresor lineal 10 funcione fuera
de fase, la amplitud de movimiento del conjunto móvil 1 deberá
permanecer constante controlando el nivel de tensión aplicado al
motor 1'.
Además, haciendo referencia a las figuras 3, 4a
y 4b, puede hacerse notar que el gráfico ilustrado en la figura 3
muestra la fase y la tensión sobre el mismo gráfico, en que puede
verse que, cuando la fase \varphi es cero, el mecanismo está
sincronizado. Por otra parte, en el gráfico ilustrado en las figuras
4a y 4b, puede verse, sobre el eje horizontal, la fase en cuestión y
sobre el eje vertical la tensión para mantener el mecanismo a la
misma amplitud de funcionamiento, siendo usada esta información por
el algoritmo de control.
Matemáticamente, lo anterior es como sigue:
V' = V - C \
(\varphi)
en
que:
V es una tensión aplicada al motor;
V' es una tensión corregida usada por el
algoritmo de control;
C (\varphi) es la corrección de tensión en
función de la fase, por ejemplo, X \varphi, en que K es una
constante proporcional que multiplica la fase; y
\varphi es la fase entre la corriente y la
velocidad del conjunto móvil, que puede obtenerse también midiendo
la distancia entre el cero de la corriente y el instante de
desplazamiento máximo del conjunto móvil.
Como se sabe, el valor de la fuerza del motor es
proporcional a la corriente, de manera que para facilitar el sistema
es más recomendable medir la corriente directamente a fin de obtener
el valor de la fase de accionamiento \varphi_{c}.
Con respecto al valor de la fase dinámica
\varphi_{P}, puede obtenerse midiendo directamente un punto de
desplazamiento del conjunto móvil 1, pero puede obtenerse este valor
leyendo la velocidad del conjunto móvil 1, siendo suficiente para
integrar este valor para alcanzar la magnitud de posición otra vez,
ya que la velocidad y el desplazamiento del conjunto móvil 1 están a
90 grados entre sí.
Como puede verse en la figura 8, el objeto de la
presente invención puede ser realizado por medio de un sistema para
controlar un compresor lineal 10 que comprende los bloques
ilustrados, y dicho sistema de control puede aplicarse, por ejemplo,
a un sistema de refrigeración. Este diagrama está formado por tres
bloques que representan el bloque de control 50 del sistema para
controlar un compresor lineal 10, el bloque de compresor 54 y el
bloque de refrigeración 56.
El bloque de control 50 comprende:
- -
- un circuito electrónico 51 que puede incluir un microprocesador y sus periféricos (no mostrados), y
- -
- un TRIAC o dispositivo de conmutación electrónico 52.
Dichos dispositivos pueden ser sustituidos
evidentemente por otros equivalentes, siempre que satisfagan las
necesidades del objeto de la presente invención. Así, en lugar de un
microprocesador, puede usarse un microcontrolador o si no usarse
componentes discretos, mientras que el TRIAC puede ser sustituido
por otros dispositivos equivalentes.
El bloque de compresor 54, a su vez,
comprende:
- un compresor lineal 10 apropiado, y
\newpage
- un sensor de desplazamiento 55 de cualquier
tipo. Algunos tipos de sensores aplicables a este caso pueden
incluir sensores inductivos, sensores de contactos, un sensor de
acelerómetro o cualquiera otro tipo equivalente, y todos ellos
deberán tener la capacidad de vigilar la colocación del conjunto
móvil dentro del cilindro 2.
El bloque de refrigeración 56 comprende:
- el propio sistema de refrigeración 57, que
incluye todo el circuito de refrigeración (no mostrado);
- un sensor de temperatura 58 necesario para
controlar la temperatura del entorno o medio a refrigerar, por
ejemplo, dentro de un enfriador o dentro de un medio/recinto
expuesto a un sistema de refrigeración; y
- un termostato electrónico 59.
Específicamente, el diagrama de bloques muestra
que el bloque de control 50 recibe la señal desde la tensión de
alimentación, cuyo valor es controlado por el conjunto formado por
el circuito electrónico 51 asociado con el dispositivo de
conmutación electrónico 52. Desde la entrada del dispositivo de
conmutación electrónico 52, se mide una señal cero de la
sobretensión de tensión ZT, que es alimentada al circuito
electrónico 51, midiendo además la señal cero de la corriente que
atraviesa el circuito o corriente circulante ZC a la salida del
dispositivo de conmutación electrónico 52. El circuito electrónico
51 está también alimentado por la señal de desplazamiento del
conjunto móvil o posición física DP del conjunto móvil 1 y la señal
generada por el termostato electrónico 59.
Como puede verse en la figura 9, el algoritmo
aplicado al sistema de control, al método de control, así como
también al compresor lineal y al sistema de refrigeración de la
presente invención, es controlado por el circuito electrónico 51 que
recibe las señales indicadas en lo que antecede.
Por tanto, de acuerdo con esta realización
preferida las señales de nivel cero de tensión ZT de la tensión
aplicada al motor 1' y de nivel cero de corriente ZC de la corriente
que circula en el motor 1', así como también el desplazamiento del
conjunto móvil DP son interpretadas para obtener:
- la fase de corriente en función de una
referencia dada o, en otras palabras, la fase de accionamiento
\varphiC, y
- la fase de punto máximo o, en otras palabras,
la fase dinámica \varphip del desplazamiento del conjunto móvil 1,
o la distancia más corta entre el conjunto móvil 1 y el cabezal 3,
en función de la misma referencia de la fase de corriente en función
de una referencia dada. Sustrayendo estos valores por la
ecuación:
\varphi_{PC} =
\varphi_{P} -
\varphi_{C}
se obtiene el valor de la fase
medida \varphi_{PC} entre el cero de la corriente ZC y el punto
de movimiento máximo DPmax o posición preferible DPmax del conjunto
móvil 1 y, puesto que el valor del valor de la tensión de corrección
V_{F} generado desde la medición de la fase es función del valor
de la fase medida \varphi_{PC} entre el cero de la corriente y
el punto máximo de movimiento del conjunto móvil DPmax, se establece
entonces esta
relación.
Una de las maneras de obtener el valor de la
tensión de corrección de acuerdo con las anteriores enseñanzas puede
ser por medio de un algoritmo de control clásico en malla cerrada
tal como un PID, por ejemplo. La función puede obtenerse
directamente.
Además, con respecto a la medición del valor de
la fase medida \varphi_{PC}, una posible manera de obtener dicha
magnitud se realiza midiendo el instante de la extinción de la
corriente hasta la medición del instante de disparo del dispositivo
de conmutación electrónico 52; se calcula un primer instante medio
de estos puntos. Asimismo, se mide el instante en que el conjunto
móvil 1 ha pasado más allá del punto máximo de movimiento DPmax y el
instante en que el pistón ha vuelto a un punto más alejado del
cabezal 3 que el punto máximo del movimiento DPmax, calculando un
segundo instante medio de estos valores. Partiendo del valor del
primer instante medio y del segundo instante medio, se obtiene una
diferencia de tiempo \DeltaT que es proporcional a la fase entre
el cero de la corriente y el punto máximo del movimiento DPmax. Si
la diferencia en tiempo \DeltaT para el periodo de un ciclo de la
frecuencia de accionamiento del compresor lineal se multiplica por
360, se obtiene la fase en grados. Sin embargo, sabiendo que la
diferencia en tiempo \DeltaT es proporcional a la fase medida
\varphi_{PC}, puede prescindirse del cálculo a partir de la
frecuencia y, por consiguiente, reducirse las complicaciones del
sistema.
Como se ha descrito en lo que antecede, puede
obtenerse la fase de accionamiento \varphi_{P} directamente de
la corriente, pero puede obtenerse también a partir de otros
parámetros, tales como, por ejemplo, de la velocidad del
conjunto
móvil 1.
móvil 1.
Sobre la base del valor de la señal de la
posición física DP alimentada al circuito electrónico 51 y del valor
de la resistencia leído por el termostato electrónico 59, pueden
establecerse los valores de desplazamiento máximo del conjunto móvil
DPmax y del desplazamiento de referencia DP_{REF} (un
desplazamiento que se pretende que alcance una posición física
definida) y, sustrayendo tales valores mediante la ecuación:
E_{DP} =
DP_{REF} -
DP_{MAX}
se obtiene el valor del error
E_{DP} entre el desplazamiento de referencia DP_{REF} y el
desplazamiento máximo del conjunto móvil
DP_{MAX}.
De este resultado, es posible obtener el valor
de la tensión definida V_{P} establecida por el algoritmo de
control, ya que el valor del último es función del valor del error
E_{DP}.
Partiendo de los valores de la tensión de
corrección generada por la fase y el valor de la tensión definida
V_{P} por el algoritmo de control, se aplica la ecuación:
V_{T} = V_{P}
+
V_{F}
y se obtiene el valor de la tensión
aplicada al motor 1' o la tensión de aplicación V_{T}. Dicha
tensión de aplicación de valor V_{T} deberá ser regulada por el
ángulo de disparo del dispositivo de conmutación electrónico 52
controlado por el circuito electrónico
51.
El valor/señal DP_{REF} es una información
recibida desde un sistema externo tal como, por ejemplo, proveniente
de un sistema de refrigeración, cambiando el valor/señal tratados
por el sistema de la presente invención a un nivel DC.
La señal DP es generada por un transductor o
cualquier sensor de desplazamiento 55 aplicado para medir la señal
de recorrido del conjunto móvil 1, y el transductor puede ser, por
ejemplo, un sensor inductivo. Como se sabe, la señal generada por un
sensor de tipo inductivo es inversamente proporcional a la distancia
del conjunto móvil 1 desde el cabezal 3. El valor de pico máximo de
esta señal medido por el sensor inductivo será, en este ejemplo,
DP_{MAX}, siendo DEP_{REF}-DEP_{MAX} el error
del algoritmo de control.
La figura 7 ilustra un ejemplo de medición
realizada en un compresor lineal 10, en que puede verse la señal DP
generada por un inductor con su correspondiente coordinador de
señal. Con cada aproximación del conjunto móvil 1 al plato de
válvula 3', el sensor genera una tensión inversamente proporcional a
esta distancia. Los valores de aproximación máximos de 1,8V vistos
en el gráfico corresponden a la aproximación máxima del conjunto
móvil, que es el valor DP_{MAX}.
Además, con respecto a las figuras 4a y 4b,
puede observarse que, en una realización, el conjunto móvil 1 estará
funcionando sin retardación de movimiento cuando la tensión de
aplicación V_{T} sea igual a 110V. Considerando, como ejemplo, un
punto en que la fase \varphi de la corriente circulante en el
motor 1' es hecho avanzar 40 grados con respecto a la velocidad del
conjunto móvil 1 (véase la figura 4a), la tensión de aplicación
V_{T} será de aproximadamente 80V y deberá ser alta para que el
conjunto móvil 1 continúe funcionando de una manera estable, es
decir, independientemente de la fase, el conjunto móvil 1 funcionará
sin riesgo de chocar contra el cabezal 3. Además, como puede verse,
de este modo el sistema puede continuar funcionando fuera de fase
sin interferir con el buen funcionamiento del compresor y del
sistema de refrigeración cuando se use.
Puede observarse que el circuito electrónico 51,
por medio del dispositivo de conmutación electrónico 52, deberá
sustraer de la tensión definida V_{P} (en este caso igual a 110V)
el valor de la tensión de corrección V_{F} (en este caso igual a
30V), de manera que el motor 1' puede ser alimentado con la tensión
de aplicación V_{T} de 80V. Por consiguiente, el sistema para
controlar un compresor lineal mantendrá el sistema funcionando de
una manera equilibrada, impidiendo la colisión del conjunto móvil 1
con el cabezal 3, evitando así daños al compresor.
La figura 4b ilustra una situación en la que la
fase \varphi_{ }de la corriente que circula en el motor 1' es
retardada 40 grados con respecto con la velocidad del conjunto móvil
1. A fin de corregir este problema, la tensión definida V_{P} (que
tiene un valor de 110V en el ejemplo) deberá tener el valor del
valor de corrección V_{F} (en este caso los restantes 40V) añadido
a ella, de manera que la tensión de aplicación será de 150V, como se
ilustra en el gráfico. A partir de esta suma, el conjunto móvil 1
continuará funcionando de un modo equilibrado.
El valor de la tensión de corrección V_{F}
puede obtenerse directamente por medio de una tabla de valores
registrados en el circuito de control 51 o si no por medio de un
factor que multiplique los valores medidos por una constante K, como
en el ejemplo anteriormente citado. La figura 6 ilustra un gráfico
en que puede verse, por ejemplo, la tensión de corrección V_{F}
necesaria para cada fase, de manera que el sistema puede funcionar
con equilibrio. Puede verse que la línea de la tensión V_{T} varía
según la fase medida \varphi_{PC}, para mantener con ello el
conjunto móvil 1 dentro de las condiciones esperadas,
independientemente de la retardación entre la fase de accionamiento
\varphi_{C} y la fase dinámica \varphi_{P} del conjunto
móvil 1 y, por consiguiente, el efecto de "resorte de gas".
Las ventajas del objeto de la presente invención
resultan del hecho de que es posible hacer funcionar el compresor
lineal 10 con más estabilidad, permitiendo una aproximación mayor
del conjunto móvil al cabezal 3, y del hecho de que es posible
extraer una capacidad de bombeo mayor de un compresor dado y hacer
funcionar el compresor lineal 10 en situaciones en que un algoritmo
clásico no trabaja. Asimismo, el sistema de la presente invención
evita el uso de microprocesadores o microcontroladores costosos, ya
que el algoritmo empleado no entraña una pluralidad de rutinas en
comparación con los sistemas de la técnica anterior, dando por
resultado además la presente invención un número pequeño de
componentes, lo que aumenta la fiabilidad del sistema.
Además, de acuerdo con las enseñanzas de la
presente invención, como puede verse en la figura 9, para
implementar el uso del sistema para controlar un compresor lineal,
deberán establecerse las siguientes etapas que son resultantes del
uso del propio sistema y que son también aplicables al compresor y
al enfriador de la presente invención:
- obtener el nivel cero de corriente ZC de la
corriente que circula en el motor 1';
- medir la fase de accionamiento \varphi_{C}
de la corriente que circula en el motor 1';
- obtener la fase cero de la tensión ZT de la
tensión de aplicación VT aplicada al motor 1';
- medir la fase dinámica \varphi_{P} del
conjunto móvil 1';
- establecer la relación entre la fase de
accionamiento \varphi_{C} y la fase dinámica \varphi_{P},
determinando una fase medida \varphi_{PC}, siendo sustraída la
relación establecida del valor de la fase dinámica \varphi_{P}
del valor de la fase de accionamiento \varphi_{C};
- establecer una relación entre la fase medida
\varphi_{PC} y la posición física DP del conjunto móvil 1,
determinando la posición preferible DP_{MAX} del conjunto móvil
1;
- comparar el valor de la posición preferida
DP_{MAX} y la posición física definida DE_{PREF} previamente
establecida para obtener un valor de una tensión definida
V_{P};
- alterar el valor del valor de aplicación
V_{T} de manera proporcional al valor de la tensión de aplicación
V_{T} obtenida, por medio de la suma de los valores de la tensión
definida V_{P} y la tensión de corrección V_{F}.
Además, de acuerdo con las enseñanzas de la
presente invención, puede proporcionarse un compresor lineal que
tiene las características de construcción ya descritas y que está
provisto del circuito de control 51, midiendo la fase de
accionamiento \varphi_{C} de la corriente que circula en el
motor 1' y una fase dinámica \varphi_{P} del conjunto móvil 1
para establecer una relación entre la fase de accionamiento
\varphi_{C} y la fase dinámica \varphi_{P}, que determina la
fase medida \varphi_{PC}, alterando el circuito de control 51
el valor de la tensión de aplicación V_{T} aplicada al motor 1' de
manera proporcional al valor de la fase medida \varphi_{PC}, que
es también un sistema de refrigeración que tiene un compresor
lineal. En estos casos, es posible construir un sistema de
refrigeración que tiene mayor rendimiento y, al mismo tiempo, un
coste bajo cuando se compara con los sistemas de la técnica
anterior.
Habiéndose descrito realizaciones preferidas,
deberá entenderse que el alcance de la presente invención abarca
otras posibles variaciones, que están limitadas solamente por el
contenido de las reivindicaciones que se acompañan, que incluyen las
posibles equivalentes.
Claims (21)
1. Un sistema para controlar un compresor lineal
(10), comprendiendo el compresor lineal (10):
- un conjunto móvil (1);
- un motor (1') alimentado por una tensión de
aplicación (V_{T}), un dispositivo de conmutación electrónico
(52); y
- un circuito electrónico (51) que controla el
dispositivo de conmutación electrónico (52) para controlar la
tensión de aplicación (V_{T}) aplicada al motor (1'), y accionando
el motor (1') el conjunto móvil (1);
- el circuito electrónico (51) mide una fase de
accionamiento (\varphi_{C}) de la corriente que circula en el
motor (1') y una fase dinámica (\varphi_{P}) del conjunto móvil
(1) y establece la relación entre la fase de accionamiento
(\varphi_{C}) y la fase dinámica (\varphi_{P}), determinado
una fase medida (\varphi_{PC}) caracterizándose el
sistema porque
- el circuito electrónico (51) obtiene un valor
de una tensión de corrección (V_{F}) a partir del valor de la fase
medida (\varphi_{PC}),
- el circuito electrónico (51) obtiene un valor
de una tensión definida (V_{P}) a partir de una posición física
(DP) del conjunto móvil (1),
- el circuito electrónico (51) funciona en el
valor de la tensión de aplicación (VT) a partir de la suma de la
tensión de corrección (V_{F}) y la tensión definida (V_{P}).
2. Un sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque la fase dinámica (\varphi_{P}) se
obtiene de una velocidad de desplazamiento del conjunto móvil
(1).
3. Un sistema según la reivindicación 2,
caracterizado porque el sistema electrónico (51) determina el
valor de la tensión definida (V_{P}) a partir de la comparación
del valor de la medición de la posición física (DP) del conjunto
móvil (1) con una posición física definida previamente establecida
(DP_{REF}).
4. Un sistema según la reivindicación 3,
caracterizado porque el circuito electrónico (51) gobierna el
dispositivo de conmutación electrónico (52) para aplicar tensión de
aplicación (V_{T}) al motor (1').
5. Un sistema según la reivindicación 4,
caracterizado porque el circuito electrónico (51) obtiene el
valor de la fase de accionamiento (\varphi_{C}) a partir de la
comparación de mediciones de fases de un nivel cero de tensión (ZT)
de la tensión de aplicación (V_{T}) aplicada al motor (1') con un
nivel cero de corriente (CZ) de la corriente circulante en el motor
(1').
6. Un sistema según la reivindicación 5,
caracterizado porque el circuito electrónico (51) obtiene el
valor de la fase dinámica (\varphi_{P}) a partir de la
comparación de mediciones de la posición física (DP) del conjunto
móvil (1) con la medición del nivel cero de la tensión (ZT) aplicada
al motor (1').
7. Un sistema según la reivindicación 6,
caracterizado porque el valor de la tensión definida
(V_{P}) se obtiene a partir de una relación entre el valor de una
posición física máxima (DP_{MAX}) proporcional al valor de la
posición física (DP) y la posición física definida (DE_{REF}).
8. Un sistema según la reivindicación 7,
caracterizado por ser aplicable en un sistema de
refrigeración (57) que comprende un sensor de temperatura (58)
asociado con un termostato electrónico (59), suministrando el
termostato electrónico (59) el valor de la posición física definida
previamente establecida (DE_{REF}).
9. Un sistema según la reivindicación 8,
caracterizado por comprender un sensor de desplazamiento (55)
asociado con el circuito de control (51), recibiendo el circuito de
control (51) el valor de la posición física (DP) del conjunto móvil
(1).
10. Un sistema según la reivindicación 9,
caracterizado porque la señal de nivel cero de tensión (ZT)
de la tensión de aplicación (V_{T}) aplicada al motor (1') se mide
en la entrada del dispositivo de conmutación electrónico (52).
11. Un sistema según la reivindicación 10,
caracterizado porque la señal de nivel cero de corriente (ZC)
de la corriente circulante en el motor (1') se mide en la salida de
un dispositivo de conmutación electrónico (52).
12. Un sistema según la reivindicación 11,
caracterizado por funcionar de una manera estable,
independientemente de la diferencia entre la fase dinámica
(\varphi_{P}) y la fase de accionamiento (\varphi_{C}).
13. Un método de controlar un compresor lineal
(10), comprendiendo el compresor lineal (10):
- un conjunto móvil (1);
- un motor (1') alimentado por una tensión de
aplicación alterna (V_{T}), que genera una corriente
circulante;
- medir una fase de accionamiento
(\varphi_{C}) de la corriente circulante en el motor (1');
- medir una fase dinámica (\varphi_{P}) del
conjunto móvil (1);
- establecer una relación entre la fase de
accionamiento (\varphi_{C}) y la fase dinámica
(\varphi_{P}), determinando una fase medida
(\varphi_{PC});
caracterizándose el método por comprender
las etapas:
- establecer una relación entre la fase medida
(\varphi_{PC}) y una posición física DP del conjunto móvil (1),
determinando una posición preferible (DEP_{MAX}) del conjunto
móvil (1);
- establecer una relación entre la fase medida
(\varphi_{PC}) y la posición preferible (DP_{MAX}), obteniendo
una tensión de aplicación (V_{T}) para ser aplicada al motor
(1').
14. Un método según la reivindicación 13,
caracterizado porque, antes de la etapa para establecer la
relación entre la fase medida (\varphi_{PC}) y la posición
preferible (DP_{MAX}), el método comprende la etapa de comparar
entre el valor de la posición preferible (DP_{MAX}) y una posición
física definida previamente establecida (DP_{REF}) para obtener un
valor de una tensión definida (V_{P}).
15. Un método según la reivindicación 14,
caracterizado porque en la etapa para alterar el valor de la
tensión de aplicación (V_{T},) el valor de la tensión de
aplicación (V_{T}) se obtiene sumando los valores de la tensión
definida (V_{P}) y de la tensión de corrección (V_{F}).
16. Un método según la reivindicación 15,
caracterizado porque, antes de la etapa para medir la fase de
accionamiento (\varphi_{C}) de la corriente circulante en el
motor (1'), está prevista una etapa para obtener un nivel cero de
corriente (ZC) de una corriente circulante en el motor (1').
17. Un método según la reivindicación 16,
caracterizado porque, antes de la etapa para medir la fase
dinámica (\varphi_{P}) del conjunto móvil (1), está prevista la
etapa para obtener un nivel cero de tensión (ZT) de la tensión de
aplicación (V_{T}) aplicada al motor (1').
18. Un compresor lineal (10) que comprende:
- un conjunto móvil (1) situado dentro de una
cámara de presurización (2) y que está asociado operativamente con
un resorte (7), moviéndose el conjunto móvil (1) axialmente dentro
de la cámara de presurización (2);
- un motor (1') alimentado por una tensión de
aplicación (VT), que genera una corriente circulante en el motor
(1');
- un dispositivo de conmutación electrónico
(52); y
- un circuito electrónico (51) que controla el
dispositivo de conmutación electrónico (52), para controlar la
tensión de aplicación (VT) aplicada al motor (1'), y el motor (1')
que acciona el conjunto móvil (1);
en el que
- el circuito de control (51) mide una fase de
accionamiento (\varphi_{C}) de la corriente circulante en el
motor (1') y una fase dinámica (\varphi_{P}) del conjunto móvil
(1) y establece una relación entre la fase de accionamiento
(\varphi_{c}) y la fase dinámica (\varphi_{P}), determinando
una fase medida (\varphi_{PC}), caracterizándose el
compresor lineal (10) porque:
- el circuito de control (51) altera el valor de la tensión de aplicación (V_{T}) aplicada al motor (1') de manera proporcional al valor de la fase medida (\varphi_{PC}).
19. Un compresor según la reivindicación 18,
caracterizado porque la fase medida (\varphi_{PC}) se
corresponde con la retardación entre la fase de accionamiento
(\varphi_{T}) y la fase dinámica (\varphi_{P}) del conjunto
móvil (1).
20. Un compresor según la reivindicación 19,
caracterizado por funcionar de una manera estable,
independientemente de la diferencia entre la fase dinámica
(\varphi_{P}) y la fase de accionamiento (\varphi_{C}).
21. Un sistema de refrigeración
caracterizado por comprender un compresor según se define en
las reivindicaciones 18 a 20.
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