DESCRIPCION

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Se trata de un dispositivo de control de una máquina eléctrica rotativa de fases independientes sin escobillas, de corriente continua, que logra que la máquina eléctrica proporcione un torque máximo en todo momento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad existen distintas máquinas eléctricas rotativas de corriente continua. El estator de las máquinas eléctricas rotativas actuales suele comprender tres fases, y se suelen configurar en estrella (Y o Wye), en triángulo (Delta) o una mezcla de ambas.

En todas estas configuraciones, las tres fases del estator tienen conexiones comunes entre sí, de manera que al menos uno de los dos terminales de cada fase está conectado a otros terminales de las otras fases, resultando finalmente tres terminales que se conectan a un controlador electrónico. Dicho controlador es el encargado de alimentar las fases por ciclos.

En cada ciclo se alimenta a ciertas fases, en función de la posición del rotor, con una corriente eléctrica en un sentido o su inverso, de tal forma que, en las bobinas de las fases por las que circula la corriente, se genera un campo electromagnético con una polaridad o su inversa, para que al interactuar con el rotor fuerzan su giro.

Por su parte, los controladores de las máquinas eléctricas rotativas actuales suelen comprender un inversor, que a su vez está compuesto por puentes H, que son circuitos electrónicos que generalmente se usan para permitir a un motor eléctrico de corriente continua girar.

En las máquinas eléctricas rotativas actuales, se plantea el problema de que el controlador alimenta solo parcialmente las fases del estator. Esto es asi porque en cada ciclo, la comente entra por uno de los tres terminales conectados al controlador y sale por otro de los dos restantes, de tal forma que la corriente sólo fluye a través de dos de las tres fases.

Además, en otros casos se produce una asimetría entre la entrada y la salida de la corriente (dos terminales de entrada y uno de salida, o un terminal de entrada y dos de salida), produciendo que en una de las fases fluya una corriente máxima, mientras que en las otras dos fases circula la mitad de esa corriente.

Por último, al utilizar un inversor de puentes H, no es posible disponer las fases en serie para poder reutilizar la corriente en todas y cada una de ellas.

Por todo lo anterior, se considera que la eficiencia de las máquinas eléctricas rotativas no es la más óptima, puesto que no son capaces de desarrollar el máximo torque posible en todo momento.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es un dispositivo de control de una máquina eléctrica rotativa de fases independientes.

El dispositivo está destinado a conectarse a una máquina eléctrica rotativa, que comprende un rotor y un estator. El rotor y el estator interactúan entre sí a través de campos magnéticos, electromagnéticos o ambos.

El rotor comprende los elementos necesarios para interactuar con los campos electromagnéticos que se generen en el estator, o para que los campos magnéticos, electromagnéticos o ambos del rotor, al girar, generen una corriente eléctrica en las fases del estator, o ambos.

Además, el estator comprende una o más fases, compuestas por al menos una bobina por cada fase. Las fases del estator son independientes, no tienen conexiones comunes entre sí. Las bobinas de las fases pueden estar bobinadas de forma concentrada, de forma distribuida, otras formas o una mezcla de ellas. La máquina eléctrica rotativa puede ser tanto radial como axial, u otros posibles tipos, o una mezcla de estos. Además, la máquina puede actuar como motor eléctrico, como generador eléctrico o una mezcla de ambos.

Entrando en detalle, en primer lugar, el dispositivo de la invención comprende uno o más sensores de posición del rotor, que detectan la posición del rotor.

En segundo lugar, el dispositivo de la invención comprende un controlador electrónico, vinculado a los sensores de posición del rotor. Particularmente, el controlador es un controlador electrónico de fases independientes, configurado para controlar las corrientes eléctricas que fluyen por las fases. El controlador electrónico está destinado a conectarse a todos los terminales de todas las fases del estátor, de manera que todos los terminales de todas las fases se conectan al controlador, siendo así todas las fases independientes unas de otras.

Al estar el controlador electrónico asociado a los sensores de posición del rotor, este es capaz de aplicar el sentido de la corriente adecuado a cada una de las fases en el momento adecuado.

De esta manera, el controlador electrónico hace fluir la corriente a través de las fases del estator en ciclos repetitivos, y lo hace en función de la posición del rotor detectada mediante los sensores de posición, para que en cada fase circule la corriente con el sentido adecuado en cada momento, generando así un campo electromagnético en las bobinas con la polaridad adecuada e interactuando con el rotor para forzar su giro, o para que el controlador electrónico pueda recibir la corriente en el sentido adecuado, o ambos.

Particularmente, el controlador electrónico electrifica preferentemente todas las fases con la mayor intensidad disponible, para generar el mayor campo electromagnético posible en todas y cada una de las fases, proporcionando el máximo torque posible en todo momento.

En un aspecto de la invención, el controlador electrónico comprende circuitos electrónicos, con al menos un módulo de control y un módulo de potencia. Cada módulo de potencia está destinado a asociarse a una fase, y por cada fase hay uno o más módulos de potencia que se conectan a los terminales de dicha fase, y hacen posible que la corriente que fluye por las fases lo haga en un sentido o el inverso, de forma independiente entre fases.

Además, los módulos de control controlan a los módulos de potencia para que hagan pasar la corriente por las fases en el sentido adecuado en cada ciclo en función de la señal de los sensores de posición del rotor.

En un aspecto de la invención, los controladores electrónicos pueden generar señales de onda cuadrada para que fluya toda la corriente disponible a través de todas y cada una de las fases en todo momento. Esto es posible gracias a que todos los terminales de las fases del estator están conectados a los módulos de potencia de los controladores electrónicos, y sólo existe una entrada y una salida de la corriente en cada fase, haciendo posible alcanzar el máximo torque en todo momento. De esta manera se logra un máximo torque en la máquina eléctrica rotativa.

El controlador electrónico también puede generar otro tipo de onda en función de su configuración y en función de las necesidades, como por ejemplo una onda sinusoidal, para que el movimiento de la máquina eléctrica rotativa sea más progresivo.

Los controladores electrónicos pueden hacer que la corriente que fluye por todas las fases sea la misma, gracias a que los módulos de potencia, que no contienen puentes H, pueden disponerse en serie, lo cual permite un menor consumo de energía. En esta configuración en serie, la corriente entra por la primera fase, se reconduce a la segunda, y así por todas las fases, de tal forma que el consumo de corriente se reduce drásticamente de n fases a una sola en comparación a la distribución en paralelo. También pueden ser dispuestos en paralelo, lo cual produce un consumo mayor de energía, pero ofrece un mayor rendimiento. También es posible hacer una mezcla de dichas disposiciones.

También es posible disponer en serie los módulos de potencia asociados a distintas máquinas rotativas. Esto supone una ventaja significativa frente a las máquinas eléctricas rotativas conocidas del estado de la técnica, que utilizan controladores con inversores, teniendo en cuenta que al menos uno de los terminales de cada fase está unido a las otras dos fases (configuración estrella o delta), las fases se pueden electrificar de dos maneras.

En una primera alternativa, haciendo entrar la corriente por uno de los terminales de una de las fases, pasando de esta fase a otra fase mediante la unión de sus otros terminales, y saliendo por el otro terminal de la segunda fase. De esta forma, la intensidad que pasa por la primera y la segunda fase es la misma. Sin embargo, por la tercera fase no pasa corriente, y por tanto, el torque no puede ser máximo.

En una segunda alternativa, la corriente entra por una fase y sale por las otras dos, o entra por dos fases y sale por la tercera. En este caso, la corriente que circula en una de las fases es el doble que la que pasa por las otras dos. Por lo tanto, tampoco se puede conseguir el máximo torque.

Para poder modificar la disposición de los módulos de potencia, la presente invención puede comprender adicionalmente unos módulos de cambio de disposición, en función de las necesidades de rendimiento de la máquina eléctrica rotativa, y que se vinculan y son controlados preferentemente por los módulos de control.

Cuando la máquina eléctrica rotativa a la que se vincula el presente dispositivo actúa como motor, el dispositivo puede comprender adicionalmente un módulo de control de tensión, un módulo de control de corriente o un módulo de control de ambas, asociados a los controladores electrónicos, de manera que gestionan la corriente que fluye en las fases del estator, y podiendo así controlar la velocidad de giro del rotor.

Cuando la máquina eléctrica rotativa a la que se asocia el presente dispositivo actúa como generador, el dispositivo puede comprender al menos un módulo adaptador de tensión, corriente o ambos en función del destino de la corriente eléctrica generada.

Por último, los controladores del dispositivo de la presente invención pueden conectarse a una o más fuentes de alimentación, y para ello el dispositivo puede comprender adicionalmente a! menos un módulo de conexión a alimentación externa, siendo dicho módulo controlado preferentemente por los módulos de control.

A la vista de lo anterior, la presente invención soluciona el problema expuesto anteriormente, puesto que es capaz de hacer fluir toda la corriente disponible por todas las fases del estator, en un sentido o su inverso independientemente en cada fase, podiendo mantener la magnitud de dicha corriente constante en todas y cada una de las fases en todos los ciclos, consiguiendo el máximo torque posible. Además, permite que el consumo de energía sea más eficiente.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra un esquema de los módulos de potencia conectados en serie.

Figura 2.- Muestra un esquema de los módulos de potencia conectados en paralelo.

Figura 3.- Muestra una primera realización del dispositivo de la invención.

Figura 4.- Muestra una segunda realización del dispositivo de la invención.

Figura 5.- Muestra una tercera realización del dispositivo de la invención.

Figura 6.- Muestra una representación esquemática de una realización en la que el dispositivo se conecta a dos máquinas eléctricas rotativas en serie.

Figura 7.- Muestra unas gráficas de la intensidad inyectada por el dispositivo en cada una de las fases de la máquina eléctrica. Figura 8.- Muestra una representación esquemática dei dispositivo completo.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Se describe a continuación, con ayuda de las figuras 1 a 8, una realización preferente del dispositivo de control de una máquina eléctrica rotativa de fases independientes, objeto de la presente invención.

El dispositivo está destinado a conectarse a una máquina eléctrica rotativa, que comprende un rotor y un estator. El estator comprende una o más fases (1 ), compuestas por al menos una bobina por cada fase (1). Tal y como se muestra en las figuras 3-5, en el caso de que el estator de la máquina rotativa comprenda más de una fase (1), estas son independientes, no tienen conexiones comunes entre sí.

Como se ha indicado, el número de fases (1) puede ser una o más, pero para poder controlar el sentido de giro del rotor es conveniente que el estator tenga al menos dos fases (1).

En primer lugar, tal y como aparece en las figuras 3-5, el dispositivo comprende uno o más sensores de posición del rotor (2), uno o más por cada fase (1) del estátor, que detectan la posición del rotor. En las figuras 3-5 se representa cada sensor de posición del rotor (2) dos veces, para la comprensión de las figuras, uno a la izquierda, y otro a la derecha, vinculados a las fases (1).

Los sensores de posición del rotor (2) son, preferentemente, sensores de efecto Hall, capaces de detectar polaridades Norte. Por lo tanto, estos sensores generan un voltaje próximo a cero cuando la posición del rotor está en presencia de una polaridad Sur.

En segundo lugar, el dispositivo comprende un controlador electrónico (3), vinculado a los sensores de posición (2) del rotor, que se muestra en detalle en las figuras 1 y 2. Tal y como se muestra en las figuras 1 y 2, el controlador electrónico (3) está destinado a conectarse a todos los terminales de todas las fases (1) del estátor. El controlador electrónico (3) está configurado para hacer fluir la corriente a través de las fases (1) del estator en ciclos repetitivos, y lo hace en función de la posición del rotor detectada mediante los sensores de posición (2), para que en cada fase (1) circule la corriente con el sentido adecuado en cada momento, generando así un campo electromagnético en las bobinas con la polaridad adecuada e interactuando con el rotor para forzar su giro, o para que el controlador electrónico (3) pueda recibir la corriente en el sentido adecuado, o ambos.

Particularmente, el controlador electrónico (3), como se muestra en detalle en las figuras 1 y 2, comprende al menos un módulo de control (31) y al menos un módulo de potencia

(32). Cada módulo de potencia (32) está destinado a asociarse a una fase (1), y hacen posible que la corriente que fluye por las fases (1) lo haga en un sentido o el inverso, de forma independiente entre fases (1).

Los módulos de potencia (32) comprenden unos grupos de conmutación (33), que comprende a su vez al menos dos unidades de conmutación (34), como aparece en las figuras 1 y 2. Las unidades de conmutación (34) pueden ser transistores, los cuales, en cada grupo de conmutación (33), una parte están destinados para la entrada de la corriente y otra parte para la salida de la corriente. Concretamente, cada módulo de potencia (32) conectado a una fase (1) comprende al menos dos grupos de conmutación

(33) por fase (1), como aparece en las figuras 3-5.

Todas las unidades de conmutación (34) pertenecientes a un mismo grupo de conmutación (33) están conectadas entre sí por un terminal de activación, de tal forma que cuando un grupo de conmutación (33) se activa, todas sus unidades de conmutación (34) son activadas a la vez.

En un mismo módulo de potencia (32), una parte de los grupos de conmutación (33) hacen fluir o reciben la corriente de su fase (1) en un sentido y estarán conectadas a los terminales de dicha fase (1) en un orden determinado, y la otra parte de los grupos de conmutación (33) hacen fluir o reciben la corriente de la misma fase (1) en el sentido inverso al anterior, ya que están conectados a dichos terminales en el orden inverso.

En las figuras 3-5 se ilustran dos módulos de potencia (32) con dos grupos de conmutación (33) cada uno, donde en cada módulo de potencia (32), hay un grupo de conmutación (33) para cada sentido de ia corriente, y estos a su vez, comprenden dos unidades de conmutación (34), una para la entrada de la comente y otra para la salida de la corriente.

Por otra parte, en el caso de que haya más de un módulo de potencia (32), estos se pueden disponer en serie (figura 1), o en paralelo (figura 2), o una mezcla de ambos. Dichas disposiciones pueden ser cambiadas utilizando al menos un módulo de cambio de disposición (6), como se muestra en la figura 8, por ejemplo con relés.

Además, los módulos de control (31) gestionan a los módulos de potencia (32) para que hagan pasar la corriente por las fases (1) en el sentido adecuado en cada ciclo en función de la señal de los sensores de posición (2) del rotor.

Los módulos de control (31) pueden comprender multitud de tipos de dispositivos electrónicos con distintas funcionalidades, que además dependen de sus funciones y de los elementos que tenga que controlar, lo cual puede determinar el número de módulos de control (31) necesarios, por lo que existe multitud de posibles realizaciones. En cualquier caso, su función principal es controlar los módulos de potencia (32) para hacer fluir la corriente en las fases (1) del estator adecuadamente.

En una primera realización de los módulos de control (31), reflejada en la figura 3, cada uno comprende un transistor (Q1 , Q6) de tipo NPN. En una segunda realización, ilustrada en la figura 4, cada módulo de control (31) comprende cinco transistores (Q1- Q5, Q10-Q14), siendo tres de ellos (Q3, Q4 y Q5; Q12, Q13 y Q14) de tipo NPN y dos de ellos (Q1 , Q2; Q10, Q11) de tipo PNP. En una tercera realización, mostrada en la figura 5, el módulo de control (31) se basa en la utilización de un microcontrolador (8).

Para ilustrar la realización de módulos de control (31), cuya función, en los siguientes ejemplos, es controlar los módulos de potencia (32), se plantean las siguientes premisas en las que se basarán los siguientes ejemplos:

El rotor comprende imanes permanentes con un par de polaridades, y se disponen dos sensores de posición (2) del rotor, que están próximos al rotor para detectar sus campos magnéticos. Estos sensores de posición (2) del rotor son sensores de efecto Hall, que son capaces de detectar polaridades Norte, por lo que cuando el módulo de control (31) reciba un voltaje próximo a 0 se presumirá que el sensor de posición (2) del rotor está en presencia de una polaridad Sur.

El estator comprende dos fases (1) que a su vez comprenden cada una dos bobinas enfrentadas entre sí respecto el centro del rotor, y una de ellas está bobinada en un sentido y la otra en el sentido contrario.

Se disponen dos módulos de potencia (32), uno por fase (1), que comprenden cada uno de ellos dos grupos de conmutación (33) con dos unidades de conmutación (34) cada uno.

Según las premisas establecidas, en una primera realización, mostrada en detalle en la figura 5, puede ser necesario un único módulo de control (31) que puede comprender un microcontrolador (8) que tiene configuradas dos entradas (INO, IN1) para recibir la señal de los sensores de posición (2) del rotor, y cuatro salidas (OUTO-3) para la activación de los grupos de conmutación (33). Por lo tanto, el microcontrolador (8) comprende una entrada y dos salidas asociadas a cada módulo de potencia (32).

Para controlar el primer módulo de potencia (32), el microcontrolador (8), en presencia de voltaje en la entrada INO, activa una de las dos salidas y desactiva la otra (OUTO, OUT1) para activar a su vez el grupo de conmutación (33) adecuado y desactivar el otro, y así hacer pasar la corriente por la fase (1) en un sentido.

Cuando el microcontrolador (8), con un voltaje próximo a cero en la entrada INO, aplica la lógica inversa a la anterior, invirtiendo la activación de las salidas, y por lo tanto invirtiendo también la activación de los grupos de conmutación (33), de tal forma que la corriente fluye en sentido inverso al anterior por la fase (1). El control del segundo módulo de potencia (32) se hace de forma análoga al primero, pero con la entrada IN1 y las dos salidas asociadas a él (OUT2, OUT3).

Según las premisas establecidas, en otro ejemplo de realización, mostrado en detalle en la figura 3, pueden ser necesarios dos módulos de control (31), uno para controlar cada uno de los módulos de potencia (32). En este caso, cada módulo de control (32) comprende un único transistor (Q1 , Q6), de manera que cuando su sensor de posición (2) del rotor está en ausencia de una polaridad Norte, el transistor (Q1, Q6) entra en saturación, activando uno de los grupos de conmutación (33) y manteniendo el otro desactivado, haciendo pasar la corriente por la fase (1) en un sentido. En presencia de una polaridad Norte lo hace de forma inversa, haciendo pasar la corriente por la fase (1) en el sentido inverso.

En otra realización de la invención, reflejada en la figura 4, cada módulo de control (31) comprende cinco transistores (Q1-Q5, Q10-Q14), dos (Q2 y Q4 en un primer módulo de control (31), y dos (Q11 y Q13) en un segundo módulo de control (31) asociados al primer grupo de conmutación (33), y los tres restantes (Q1 , Q3 y Q5 en el primer módulo de control (31) y Q10, Q12 y Q14 en el segundo módulo de control (31)) al segundo grupo de conmutación (33).

La lógica de funcionamiento es análoga a la realización de la figura 3, de tal forma que cuando el sensor de posición (2) del rotor está en presencia de una polaridad Norte, el grupo de conmutación (33) asociado a dos transistores es activado y manteniendo el otro desactivado, haciendo pasar la corriente por la fase (1) en un sentido, y en ausencia de una polaridad Norte lo hace de forma inversa, haciendo pasar la corriente por la fase (1) en el sentido inverso.

Para controlar la velocidad de giro del rotor, las unidades de conmutación (34) de los módulos de potencia (32) tienen que poder ser capaces de regular la corriente que fluye por las fases (1). Un ejemplo de unidad de conmutación (34) capaz de hacerlo son los transistores MOSFET, que regulando la tensión entre la puerta y la fuente mediante, por ejemplo, una señal PWM son capaces de regular la velocidad de giro del rotor. De forma análoga, podrían utilizarse como unidades de conmutación (34) transistores IGBT.

En un aspecto de la invención, el controlador electrónico (3) puede generar señales de onda cuadrada, como se muestra en la figura 7, para que fluya toda la corriente disponible a través de todas y cada una de las fases (1) en todo momento. El controlador electrónico (3) también puede generar otro tipo de onda en función de su configuración, como por ejemplo ondas sinusoidales.

Para poder modificar la disposición de los módulos de potencia (32), la presente invención puede comprender adicionalmente unos módulos de cambio de disposición (6), como los mostrados en la figura 8, que permiten conectar los módulos de potencia (32) en serie, paralelo, o en una combinación de ambos, en función de las necesidades de rendimiento de la máquina eléctrica rotativa. Los módulos de cambio de disposición (6) se vinculan y son controlados preferentemente por el controlador electrónico (3).

Cuando la máquina eléctrica rotativa a la que se vincula el presente dispositivo actúa como motor, el dispositivo puede comprender adicionalmente un módulo de control de tensión (4), un módulo de control de corriente (4) o un módulo de control de ambas (4), asociado al controlador electrónico (3), para que este a su vez controle la corriente que fluye en las fases (1) del estator, y asi poder controlar la velocidad de giro del rotor, tal y como se refleja en la figura 8.

Cuando la máquina eléctrica rotativa a la que se asocia el presente dispositivo actúa como generador, el dispositivo puede comprender al menos un módulo adaptador de tensión, corriente o ambos (5), que se muestra en la figura 8, en función del destino de la corriente eléctrica generada, en el caso de la figura 8, serían unas fuentes de alimentación (9).

Además, los controladores electrónicos (3) del dispositivo de la presente invención pueden conectarse a una o más fuentes de alimentación (9), y para ello el dispositivo puede comprender adicionalmente al menos un módulo de conexión a alimentación externa (7), siendo dicho módulo controlado preferentemente por los controladores electrónicos (3), tal y como se muestra en la figura 8.

Por último, es posible conectar en serie los módulos de potencia (32) de distintas máquinas eléctricas rotativas, tal y como se muestra en la figura 6, de tal forma que la misma corriente que circula por las fases (1) de la primera máquina eléctrica se reconduce para que circule por las fases (1) de una segunda máquina. Esta misma realización se puede implementar con N máquinas rotativas.