ES2343408T3 - Procedimiento para controlar el angulo de carga de un motor electrico sincrono, en particular para ventiladores. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de control para controlar un motor eléctrico síncrono (12) de imán permanente de un ventilador (8), comprendiendo dicho procedimiento las siguientes etapas: - medir un ángulo de carga real (θcar) mediante una señal que proviene de un sensor Hall (20) asociado con el rotor del motor, y - medir el valor de tensión de alimentación de las bobinas del motor eléctrico, caracterizado porque dicho procedimiento comprende las siguientes etapas: - proporcionar un flujo de masa de referencia (Pobjetivo) de un fluido que circula a través del ventilador y un ángulo de carga óptimo (θopt) correspondiente del rotor del motor, siendo dicho ángulo de carga óptimo el ángulo de carga mediante el cual el motor absorbe la corriente más baja según la potencia de carga, - comparar el ángulo de carga real (θcar) con el ángulo de carga óptimo (θopt), - aplicar, en respuesta a la comparación del ángulo de carga real con el ángulo de carga óptimo, una modificación en un valor de tensión de alimentación aplicado a las bobinas del motor (Vbobinas) para modificar el ángulo de carga real de manera que se aproxime al ángulo de carga óptimo, - determinar un flujo de masa en función de la tensión de alimentación modificada aplicada a las bobinas el motor, - modificar una frecuencia de funcionamiento (f) del motor en función de la comparación del flujo de masa determinado con el flujo de masa de referencia.
Description
Procedimiento para controlar el ángulo de carga
de un motor eléctrico síncrono, en particular para ventiladores.
La presente invención se refiere, en su aspecto
más general, a un motor eléctrico síncrono utilizado en particular
en ventiladores de aspiración de humo montados en calderas
murales.
En particular, la invención se refiere a un
procedimiento de accionamiento de un motor eléctrico síncrono que
comprende un rotor equipado con un imán permanente, el cual gira por
el campo electromagnético creado por un estátor que está equipado
con piezas polares y bobinas pertinentes.
Tal y como saben ampliamente los expertos en la
técnica de este campo específico, las calderas murales están
equipadas con ventiladores de extracción de humo, denominados
comúnmente como extractores, los cuales funcionan generalmente
mediante motores eléctricos asíncronos.
Los modelos de ventilador que funcionan mediante
motores eléctricos síncronos se han introducido recientemente.
Las calderas murales comprenden generalmente,
además de un quemador, una caja electrónica de accionamiento que
permite encender y apagar el quemador, en última instancia mediante
un temporizador, así como aumentar o disminuir la temperatura del
agua de circulación de planta para su regulación.
El humo producido por el quemador presenta
diferentes características físicas según la velocidad de
funcionamiento de la caldera y, por lo tanto, con el fin de
optimizar el funcionamiento de la caldera, el ventilador debe
ajustar la aspiración del humo a esta velocidad de
funcionamiento.
En particular, durante el encendido, se produce
una etapa transitoria térmica inicial después de la cual comienza
una etapa de estado estable que puede definirse como un estado de
desplazamiento fijo. Durante la etapa inicial, el humo generado
tiene una mayor densidad y, por lo tanto, el ventilador debe
modificar las condiciones de funcionamiento del motor aumentando la
aspiración con el fin de extraer humo y permitir que la caldera
funcione de manera óptima.
Obviamente, se produce el mismo fenómeno
transitorio térmico si cambia la temperatura de planta.
Es por tanto necesario colocar en la planta,
aguas abajo del ventilador, una compuerta de regulación de flujo de
humo que, según la posición de la caldera y, más en particular, la
colocación del conducto de humos y el nivel de resistencia al
flujo, permita mantener un flujo de masa de humo constante en el
tiempo.
Esta compuerta se somete, para un buen
funcionamiento, a un mantenimiento constante y preciso sin el cual
podría apagarse el quemador y/o producirse una saturación de humos
tóxicos extremadamente peligrosos en la sala de la caldera y, en
última instancia, en salas adyacentes.
Cambios muy bruscos del flujo de carga también
pueden provocar que se pare el motor temporalmente, lo que
requeriría una rápida intervención manual o automática para un nuevo
arranque.
También es conveniente que el motor eléctrico
funcione siempre a una velocidad que se aproxime a la velocidad de
mayor eficacia, definida por un punto de funcionamiento
correspondiente a la potencia más baja absorbida por la línea,
dando también como resultado que el usuario ahorre energía.
Con el fin de obtener una velocidad que se
aproxime a la velocidad de mayor eficacia, resulta muy útil tener
una medida de la carga, es decir, del flujo de humo, disponible en
cualquier momento.
En la técnica anterior se conocen diferentes
dispositivos para medir el flujo, incluso a través de una
supervisión continua.
Generalmente, estos medidores de flujo son
dispositivos que se colocan en correspondencia con la zona de
suministro de aire de un ventilador y, utilizando diferentes
principios, determinan el volumen de gas que fluye a través de una
sección dada en un tiempo predeterminado; en particular puede
proporcionarse, por ejemplo, un regulador de presión diferencial
colocado entre la zona de aspiración y la zona de suministro de aire
de un ventilador.
Todos estos medidores, aunque satisfacen el
objetivo de proporcionar una medida del flujo, presentan algunas
desventajas.
En primer lugar, deben alojarse en un área
determinada prevista en la zona de descarga.
\newpage
Además, debe indicarse que con el fin de
comprobar el funcionamiento de los mismos, estos dispositivos deben
someterse a tareas de mantenimiento preventivas periódicas.
Otras soluciones pueden proporcionar la
utilización de sensores de corriente con el fin de determinar
indirectamente el flujo del ventilador detectando una mayor o menor
absorción de corriente por parte de las bobinas del estátor.
Sin embargo, esta solución no proporciona
medidas precisas y fiables.
Una solución adicional de la técnica anterior se
describe en la solicitud de patente europea número 0 403 806
referente a un ventilador o bomba centrífugos para permitir un flujo
de fluido de temperatura controlada, particularmente en sistemas de
calefacción. Se proporcionan sensores para determinar el flujo del
fluido y sensores de temperatura para determinar la temperatura del
fluido. Un dispositivo de control asociado al motor eléctrico
procesa los valores recibidos por los sensores para el accionamiento
del motor con el fin de obtener una temperatura de fluido casi
cons-
tante.
tante.
Además, esta solución requiere controlar
sensores caros, complicando la estructura del ventilador y del
dispositivo que acciona el motor eléctrico pertinente.
Otra técnica anterior se desvela en el documento
US 4.740.738. Desvela un procedimiento de accionamiento de un motor
eléctrico síncrono que utiliza como un parámetro de control un
ángulo de carga operativo.
El problema técnico subyacente a la presente
invención es proporcionar un procedimiento de accionamiento de un
motor eléctrico síncrono, en particular para el funcionamiento de un
ventilador, que permita solucionar todas las desventajas
mencionadas con referencia a la técnica anterior de una manera
sencilla y económica.
En particular, este procedimiento de
accionamiento debe poder minimizar la potencia absorbida en todas
las velocidades de funcionamiento del motor, solucionando posibles
situaciones críticas de cambio de carga que podrían calar el motor
eléctrico síncrono.
La solución subyacente a la presente invención
es proporcionar un procedimiento de accionamiento que permita
mantener constante el flujo de masa de un motor eléctrico síncrono
cuando cambie la carga.
En base a esta solución, el problema técnico se
resuelve, según la presente invención, mediante un procedimiento
como el indicado anteriormente y definido en la parte
caracterizadora de la reivindicación 1 adjunta en este
documento.
Las características y ventajas del procedimiento
según la invención resultarán evidentes a partir de la siguiente
descripción de una realización de la misma proporcionada a modo de
ejemplo no limitativo con referencia a los dibujos adjuntos.
La figura 1 es un diagrama de bloques del
principio de un algoritmo para llevar a cabo el procedimiento
realizado según la presente invención;
la figura 2 es un diagrama de flujo general que
muestra las etapas de un procedimiento para accionar un motor
eléctrico síncrono según la presente invención;
la figura 3 muestra una realización de un
ventilador para una caldera mural utilizando el procedimiento de la
presente invención;
la figura 4 muestra esquemáticamente un motor
eléctrico síncrono para hacer funcionar el ventilador de la figura
3;
la figura 5 muestra un circuito de regulación de
potencia incorporado, según la invención, en un circuito de
accionamiento de motor eléctrico síncrono.
Con referencia particular al ejemplo de la
figura 1, se muestra un diagrama de bloques del principio de
procesamiento de un algoritmo en el que se basa el procedimiento de
accionamiento realizado según la presente invención. Este diagrama
está indicado de manera global como 1 y es adecuado para accionar un
motor eléctrico síncrono 12, como el mostrado en las figuras 3 y 4,
en particular para hacer funcionar un ventilador 8.
El ventilador 8 presenta un cuerpo 9 para alojar
un impulsor 10 acoplado a un extremo del rotor del motor 12,
permitiendo que el impulsor 10 gire y, por lo tanto, que el humo se
aspire mediante un conducto de aspiración con el fin de conducirlo
hacia un conducto de descarga 11.
El motor síncrono 12 comprende un rotor 14
equipado con un imán permanente que gira por el campo
electromagnético creado por un estátor 16 equipado con piezas
polares 18 y las bobinas pertinentes.
De manera ventajosa, el motor 12 comprende un
sensor de flujo magnético 20 del rotor 14, por ejemplo un sensor
Hall, en particular un sensor analógico, colocado en el estátor 16
cerca del rotor 14. El sensor 20 suministra una señal que define la
posición momentánea del rotor 14.
Tal y como se sabe, la señal del sensor 20 es
una señal en fase con la fuerza contraelectromotriz E en ausencia
de una constante. El ángulo de fase entre la fuerza
contraelectromotriz E y la tensión de red V proporciona el ángulo
de carga \theta del motor 12.
En el caso del ventilador 8, al igual que en
todas las aplicaciones aeráulicas, el ángulo de carga \theta está
relacionado con el flujo de masa del gas o fluido fluyente cuya
fórmula de cálculo es:
Pmasa =
\delta * A *
v
donde \delta es la densidad del
gas, A es el área del conducto de descarga 11 y v es la velocidad
del gas que fluye a través de este conducto de descarga
11.
\vskip1.000000\baselineskip
Por lo tanto, el flujo de masa depende de la
densidad del gas, de la presión dinámica del mismo en convección
y/o circulación forzada en el cuerpo 9 del ventilador 8, y de la
temperatura del gas.
Un cambio de las características del gas que
fluye a través del cuerpo 9 del ventilador 8 implica un cambio del
flujo de masa y, por lo tanto, del ángulo de carga \theta del
motor 12.
El motor síncrono 12 tiene para cada carga, y
por tanto para cada ángulo de carga \theta, un punto de
funcionamiento ideal que se denominará "punto óptimo", en el
que el motor 12 absorbe la menor cantidad de corriente y proporciona
la mayor potencia a la carga.
Esta situación puede representarse mediante
curvas de cúspide que presentan un mínimo bien definido ya
identificado por la técnica anterior.
Dejando que el motor funcione cerca del "punto
óptimo" se puede obtener la mayor eficacia con pérdidas
mínimas.
En relación al suministro de energía del motor
síncrono 12, tal y como se muestra en la figura 5, una posible
solución consiste en rectificar una tensión alterna proporcionada
por la red mediante un puente de diodos seguido por una etapa de
condensador, permitiendo nivelar la tensión rectificada. La tensión
obtenida de esta manera se modula de manera adecuada mediante
algunos conmutadores (IGBT o MOS de potencia), controlados de
manera adecuada según una técnica de modulación PWM, lo que permite
proporcionar una tensión a las bobinas de las piezas polares 18,
cuya frecuencia y amplitud sinusoidal fundamental pueden variar.
La tensión de la mitad del puente puede ser
V_{BUS/2} si no está conectado a la carga. De hecho, la tensión
en el centro del puente varía en torno al valor V_{BUS/2} según
una ley sinusoidal con una ondulación cuya frecuencia de oscilación
es igual a la frecuencia PWM.
Según el procedimiento proporcionado por la
presente solución, las condiciones de funcionamiento del motor
síncrono 12 se mantienen cerca del "punto óptimo" mediante un
primer y un segundo bucle de regulación 30, 40 indicados
esquemáticamente en la figura 1, funcionando ambos con
retroalimentación.
De manera ventajosa, el primer bucle 30,
definido también como bucle interior o más rápido, regula la tensión
de alimentación proporcionada a las bobinas de las piezas polares
18 e indicada como Vbobinas, según la desviación del ángulo de
carga \theta_{car} con respecto al ángulo óptimo
\theta_{opt}.
El ángulo óptimo \theta_{opt} se obtiene a
partir de medidas experimentales, conocidas en la técnica anterior,
y se indica en tablas pertinentes. Haciéndose funcionar según el
"ángulo óptimo", el motor absorbe la corriente más baja según
las diferentes cargas o potencias de carga.
El ángulo de carga \theta_{car} del motor
síncrono 12 se proporciona de manera estable en función del
procesamiento de señales del sensor Hall 20.
En particular, se mide el complemento a 90º del
ángulo de carga \theta_{car} y, si es mayor que el ángulo
óptimo \theta_{opt}, se incrementa la tensión Vbobinas en las
bobinas L1 y L2, y viceversa. Obviamente, con el fin de regular la
tensión Vbobinas, puede utilizarse un convertidor de frecuencia
basado en un microcontrolador de convertidor de refuerzo. La figura
5 muestra esquemáticamente un circuito de alimentación 24 con un
puente de elementos activos 26 que puede utilizarse para este
fin.
De manera ventajosa, el segundo bucle de
regulación 40, definido también como bucle externo más lento, regula
la frecuencia f del motor síncrono 12 según la tensión Vbobinas
proporcionada a las bobinas L1, L2 de las piezas polares 18, en
función del primer bucle 30.
En particular, este segundo bucle 40 permite que
el motor síncrono 12 funcione en condiciones estables. Tal y como
se sabe en la técnica anterior, el motor síncrono tiene para cada
potencia de carga un límite de estabilidad inferior proporcionado
por la tensión más baja suministrada al motor según una frecuencia
de funcionamiento predeterminada.
Obviamente, tal y como se ha mencionado
anteriormente, la tensión Vbobinas proporcionada al motor síncrono
12 está relacionada con el flujo de masa de ventilador P_{masa} y
es proporcional a este flujo de masa.
Por lo tanto, si el flujo de masa que está
midiéndose según el segundo bucle 40 mediante la tensión Vbobinas
es menor que el flujo de masa óptimo, indicado en la figura 1 como
P_{objetivo}, entonces se incrementa la frecuencia de
funcionamiento f del motor síncrono 12 y viceversa.
En particular, el flujo de masa de referencia
P_{objetivo} es, en el caso del ventilador 8, el que garantiza
una combustión efectiva y segura, es decir, obtenida a través de una
concentración adecuada de gases quemados tales como monóxido de
carbono, dióxido de carbono y óxidos nítricos.
Con relación al procedimiento proporcionado por
la presente solución, en un ventilador 8 con un motor síncrono 12,
después de un fenómeno transitorio inicial cuando el quemador
alcanza un estado estable, prevalece un ángulo de carga óptimo
\theta_{opt} que presenta un flujo de masa P_{objetivo}. Por
lo tanto, un valor de tensión de Vbobinas que va a suministrarse a
las bobinas L1, L2 de las piezas polares 18 del motor 12 y un valor
de frecuencia de funcionamiento f del motor 12 se definen mediante
un convertidor de frecuencia.
La tensión Vbobinas se regula según el primer
bucle 30 de manera que el ángulo de carga \theta_{car} se
aproxime al ángulo de carga óptimo \theta_{opt}.
Por lo tanto, el segundo bucle 40 permitirá que
la frecuencia f del motor síncrono 12 cambie con el fin de mantener
el P_{objetivo} y evitar cualquier inestabilidad del motor 12.
A continuación se analizará en detalle el
procedimiento de accionamiento según la presente solución con
referencia al diagrama de flujo indicado en la figura 2,
mostrándose esta realización a modo de ejemplo no limitativo.
- -
- En primer lugar, se reinicia un temporizador para un segundo bucle o bucle exterior 40.
- -
- La tensión de red convenientemente rectificada y nivelada se mide, por ejemplo, mediante un puente de diodos asociado a capacidades pertinentes.
- -
- Después se miden V_{BUS} y la tensión V_{cp} del centro del puente y se calcula la tensión de desfase, es decir, la desviación de la tensión V_{cp} del centro del puente con respecto a V_{BUS/2}.
- -
- La tensión que se aplicará a las piezas polares 18 y la frecuencia de funcionamiento f se calculan para el motor 12.
- -
- De manera ventajosa, el procedimiento ajusta un ángulo de carga óptimo \theta_{opt} y, por lo tanto, un flujo de masa de referencia P_{objetivo}.
- -
- Después se analiza el rotor 14 y, mediante la señal del sensor Hall 20, se obtiene el ángulo de carga real \theta_{car}.
- -
- Se comprueba si el rotor está bloqueado y, en ese caso, se interrumpe el suministro de energía a las bobinas; en caso contrario:
- -
- en el diagrama de flujo sería adecuado reiniciar el temporizador del segundo bucle 40 y fijar un temporizador de un primer bucle interior 30; y
- -
- aumentar la tensión y la frecuencia hasta lograr el sincronismo con la red.
- -
- calcular el flujo de masa P_{masa} empezando por Vbobinas.
De manera ventajosa, el procedimiento según la
invención compara por tanto el ángulo real \theta_{car} con el
ángulo de carga óptimo \theta_{opt} modificando Vbobinas y la
frecuencia de funcionamiento f hasta alcanzar el ángulo de carga
óptimo \theta_{opt}.
- -
- Reiniciar el temporizador del primer ciclo 30.
- -
- Ajustar la frecuencia de funcionamiento f si el flujo de masa actual es diferente del flujo de flujo fijado P_{objetivo}.
Como resulta evidente a partir de lo anterior,
el procedimiento de control mantiene constante el flujo de masa
modificando las condiciones de funcionamiento del motor mediante dos
ciclos de retroalimentación; un primer ciclo interior más rápido 30
que permite modificar la tensión de las bobinas y un segundo ciclo
exterior 40 que permite modificar la frecuencia f.
De manera ventajosa, puede observarse cómo la
modificación de la frecuencia f tarda más tiempo que la modificación
de la tensión Vbobinas y, en particular, cuando la tensión de las
bobinas Vbobinas está estable. Por lo tanto, se evita que el motor
síncrono funcione en condiciones casi inestables en las que el motor
no puede soportar la tensión de alimentación, arriesgándose a una
interrupción repentina.
De manera ventajosa, el procedimiento descrito
anteriormente evita, en el caso del ventilador, campanas, humos,
durante el fenómeno transitorio inicial del quemador, que la
modificación del ángulo de carga se considere como una modificación
de la carga aeráulica. De hecho, cuando el quemador está encendido,
la temperatura aumenta según un fenómeno transitorio particular
mediante la aplicación de un sistema de control como el indicado en
la solicitud de patente europea número 03425571.1 del mismo
solicitante, donde puede determinarse apropiadamente este cambio de
temperatura.
Obviamente, el presente procedimiento puede
tener diferentes realizaciones alternativas entre las que puede
considerarse el caso del sensor Hall digital.
Además, el flujo de masa P_{masa} calculado
puede proporcionarse como una señal para una caja electrónica
adecuada de control de caldera.
De manera ventajosa, el procedimiento de control
mostrado permite eliminar cualquier dispositivo de medición del
flujo, así como la compuerta colocada en la zona de suministro de
aire del ventilador y el regulador de presión diferencial colocado
entre la zona de aspiración y la zona de suministro de aire del
ventilador. De hecho, este procedimiento permite calcular y
mantener constante en el tiempo el flujo de masa de humo y
proporcionar una señal de salida proporcional al flujo de masa, o
simplemente una señal de alarma cuando el flujo de masa no sea
suficiente. La caja electrónica de control de caldera apagará la
llama piloto en caso de alarma o procesará una señal de flujo
modulando la presión de gas en las boquillas del quemador.
Una ventaja adicional del procedimiento de
control sugerido es la completa eliminación de la compuerta de
regulación de flujo de humo situada aguas abajo del ventilador,
mejorando de ese modo las condiciones de funcionamiento del
ventilador con respecto al humo emitido y reduciendo
considerablemente las operaciones de mantenimiento.
Una ventaja adicional del procedimiento de
control sugerido según la presente solución es el control constante
del flujo de masa de humo, permitiendo mejorar la eficacia de
combustión en las zonas de funcionamiento del ventilador fuera del
punto objetivo, como por ejemplo durante el fenómeno transitorio del
encendido de la caldera.
Otra ventaja del procedimiento de control
sugerido es permitir que el flujo de masa de humo se mantenga
constante en el tiempo modificando las condiciones de
funcionamiento del motor.
Pruebas experimentales llevadas a cabo por el
solicitante han permitido demostrar que el procedimiento según la
invención es particularmente competitivo desde el punto de vista
económico con respecto a todas las demás técnicas utilizadas
actualmente en este campo.
Claims (4)
1. Procedimiento de control para controlar un
motor eléctrico síncrono (12) de imán permanente de un ventilador
(8),
comprendiendo dicho procedimiento las siguientes
etapas:
- -
- medir un ángulo de carga real (\theta_{car}) mediante una señal que proviene de un sensor Hall (20) asociado con el rotor del motor, y
- -
- medir el valor de tensión de alimentación de las bobinas del motor eléctrico,
caracterizado porque
dicho procedimiento comprende las siguientes
etapas:
- -
- proporcionar un flujo de masa de referencia (P_{objetivo}) de un fluido que circula a través del ventilador y un ángulo de carga óptimo (\theta_{opt}) correspondiente del rotor del motor, siendo dicho ángulo de carga óptimo el ángulo de carga mediante el cual el motor absorbe la corriente más baja según la potencia de carga,
- -
- comparar el ángulo de carga real (\theta_{car}) con el ángulo de carga óptimo (\theta_{opt}),
- -
- aplicar, en respuesta a la comparación del ángulo de carga real con el ángulo de carga óptimo, una modificación en un valor de tensión de alimentación aplicado a las bobinas del motor (Vbobinas) para modificar el ángulo de carga real de manera que se aproxime al ángulo de carga óptimo,
- -
- determinar un flujo de masa en función de la tensión de alimentación modificada aplicada a las bobinas el motor,
- -
- modificar una frecuencia de funcionamiento (f) del motor en función de la comparación del flujo de masa determinado con el flujo de masa de referencia.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha modificación de la frecuencia (f)
tarda más tiempo que la modificación de la tensión (Vbobinas).
3. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha modificación de la frecuencia (f)
se produce cuando la tensión de las bobinas (Vbobinas) está
estable.
4. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque interrumpe el suministro de energía del
motor cuando se detecta una parada del rotor.
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