Dispositivo para reducción de ruido en motores de colector de velocidad regulable utilizados en electrodomésticos.
Objeto de la invención
La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un dispositivo que tiene por objeto reducir el ruido que se produce en los motores de colector de velocidad regulable utilizados en electrodomésticos.
Por tanto, la invención es aplicable en la industria de fabricación de electrodomésticos y más concretamente en la fabricación de lavadoras.
Antecedentes de la invención
En el estado de la técnica es sobradamente conocido el uso de lavadoras para realizar el lavado de la ropa, que consiste en imprimir a ésta un movimiento de rotación en el interior de un tambor de eje horizontal. Las velocidades empleadas para el lavado oscilan entre las 55 y 65 r.p.m., alternándose los giros en uno y otro sentido. Una vez efectuado el lavado, se extrae la mayor cantidad de agua posible de la misma, para lo que se aumenta la velocidad de rotación con objeto de separar el agua de la ropa mediante la fuerza centrífuga. La eficacia de secado está por tanto íntimamente relacionada con la velocidad de giro del tambor o velocidad de centrifugado, que puede variar según los tipos desde 400 r.p.m. hasta 1.400 r.p.m.
Por tanto el motor encargado de hacer girar el tambor debe permitir un amplio margen de velocidades, que van desde las 55 r.p.m. de lavado hasta las 400 r.p.m. de centrifugado en los tipos de lavadoras de menores prestaciones, y desde 55 r.p.m. a 1.400 r.p.m. en las lavadoras de gama superior. Por tanto se ha creado la necesidad de cubrir la gran diferencia de velocidades que se debe de imprimir al tambor, y sobre todo en las lavadoras de la gama alta.
Para cubrir la gran diferencia de velocidades, puede realizarse una transmisión de relación variable y un motor de velocidad constante, o mantener la transmisión con una relación fija y un motor de dos o tres velocidades, o bien de velocidad variable progresiva sin escalones. En la actualidad las soluciones más extendidas pueden agruparse en dos tipos: uno consiste en mantener una transmisión por correa con una relación de transmisión constante y motor eléctrico de dos o a lo sumo tres velocidades por cambio de número de polos, y la otra también está basada en la relación de transmisión fija y motor de velocidad variable, pero esta variación se efectúa de forma continua desde la velocidad de lavado hasta la velocidad de centrifugado.
El primero de los tipos se utiliza sobre todo en las lavadoras que tienen una menor diferencia de velocidades, y se ha previsto de forma generalizada el uso de motores de inducción con devanados estatóricos de 2 y 12 polos, que han demostrado a lo largo de los años su fiabilidad y robustez mecánica.
El segundo tipo se aplica en las lavadoras de alta gama en las que la velocidad de centrifugado es alta, para lo que se recurre a motores eléctricos conocidos como motores universales de colector los cuales pueden ser regulados de forma continua entre los límites de velocidad requeridos mediante un circuito electrónico de bajo coste. La solución adoptada por la mayoría de los fabricantes consiste en incluir un motor universal, de dos polos, alimentado en corriente alterna y regulado por triac. Esta solución se ha convertido en un standard por su sencillez, fiabilidad y bajo coste. Sin embargo, uno de los inconvenientes que presenta es la generación de vibraciones y ruido acústico, debido al fuerte contenido armónico de la tensión de salida del triac, inherente a su principio de funcionamiento.
Al ser aplicada la tensión del triac al motor, se genera en él los correspondientes armónicos de intensidad; los cuales originan los armónicos de par y las vibraciones mecánicas. Por otra parte, estas vibraciones se transmiten a los elementos estructurales de la lavadora, caracterizados por sus frecuencias naturales y modos de vibración, originando ruido audible de distintos niveles de presión y frecuencia.
En este sentido, los sistemas destinados a obtener un bajo nivel de ruido acústico en los motores de colector universales para uso en lavadoras, deben de permitir la regulación de velocidad en un amplio margen y tener un coste coherente con el precio de la máquina. Esta última característica limita la aplicación inmediata del estado actual de la técnica, que cuenta con soluciones, pero todas ellas de un coste elevado.
La mayor parte de las soluciones orientadas a la disminución del ruido acústico se pueden incluir en alguno de los siguientes grupos:
Para motores universales Las soluciones previstas para este tipo de motores consisten en aplicar al motor corriente alterna o continua pulsatoria de bajo contenido en armónicos, generada por troceado de la tensión en alta frecuencia. Requiere semiconductores controlables (transistores) de potencia y de alta velocidad, lo que encarece el conjunto notablemente. Por otra parte, la conmutación en alta frecuencia origina emisión de interferencias en la red eléctrica, necesitando filtros para el cumplimiento de las normas sobre compatibilidad electromagnética.
Para motores asíncronos
Para motores asíncronos monofásicos. Esta solución consiste en utilizar los motores asíncronos, que generalmente se emplean para máquinas cuya velocidad de centrifugado no supera las 500 r.p.m., para máquinas de más elevada velocidad mediante el empleo de relaciones de transmisión más bajas. Esto obliga a regular la tensión de alimentación del devanado multipolar ya que con estas relaciones de transmisión tan bajas la velocidad de lavado aplicada al tambor resulta excesiva. En caso de que se quieran utilizar motores de inducción sin regulación para conseguir elevadas revoluciones de centrifugado, el devanado multipolar debería de ser muy grande de muchos polos y por tanto el tamaño del motor aumentaría notablemente. Mediante el empleo de motores de inducción para velocidades de centrifugado elevadas se evita el ruido debido a las escobillas y ranuras del rotor que producen los motores universales a estas elevadas velocidades.
Para motores asíncronos trifásicos. Las soluciones para este grupo están basadas en los convertidores de frecuencia industriales. La tensión de la red, una vez rectificada y filtrada es aplicada a un inversor trifásico, que alimenta a un motor de inducción mediante una onda de tensión de bajo contenido en armónicos. Los resultados son excelentes, pero su elevado precio impide su aplicación a gran escala.
3. Además existe un grupo en el que quedan englobados todos los tipos de motor, que consiste en aislar acústicamente el motor y los elementos susceptibles de transmitir vibraciones mediante pantallas aislantes. Aunque el coste es bajo, únicamente se consigue una atenuación parcial del ruido acústico originado por el motor.
Por tanto no existe ningún sistema de regulación de velocidad para motores universales que permita disminuir el ruido acústico a un coste reducido.
Descripción de la invención
Para resolver los inconvenientes anteriormente indicados, la invención ha desarrollado un dispositivo que reduce el ruido en los motores de colector de velocidad regulable universales utilizados en electrodomésticos en los que la regulación de velocidad se efectúa mediante un convertidor de alterna-alterna basado en un triac que es gobernado por un circuito de control, y se caracteriza porque cuenta con medios de almacenamiento de energía durante los intervalos en que conduce el triac; y cuenta con medios de liberación de la energía acumulada hacia el motor en los intervalos en los que no conduce el triac, de forma que se obtiene una mayor continuidad en la energía suministrada al motor.
Además, para conseguir una mayor continuidad en la energía suministrada al motor, la invención se caracteriza porque cuenta con medios que impiden el retorno de la energía almacenada durante los intervalos de conducción del triac.
Los medios que impiden el retorno de la energía almacenada durante los intervalos de conducción, están determinados por un convertidor de corriente alterna-corriente continua, que está determinado por un rectificador monofásico no controlado en puente.
Los medios de almacenamiento de energía durante los intervalos en que conduce el triac y los medios de liberación de la energía acumulada hacia el motor en los intervalos en los que no conduce el triac, están determinados por una bobina que se conecta al convertidor de corriente alterna-corriente continua.
En una realización ventajosa los medios de almacenamiento de energía durante los intervalos en que conduce el triac y los medios de liberación de la energía acumulada hacia el motor en los intervalos en los que no conduce el triac, están determinados por una bobina conectada al convertidor de corriente alterna-corriente continua y un condensador conectado en serie con una resistencia que limita los picos de corriente del condensador, estando ambos conectados en paralelo con el motor; todo ello en orden a presentar una impedancia elevada a los armónicos de corriente, eliminándose éstos y manteniéndose constante la tensión en el motor, lo que reduce considerablemente el ruido que se produce en el motor por los armónicos producidos por el triac.
Además, la invención se caracteriza porque en paralelo con el devanado de excitación del motor se dispone una resistencia, la cual reduce en mayor medida los armónicos de tensión y de intensidad en dicho devanado, lo que se traduce en una reducción mayor del ruido.
En el cálculo del valor del condensador, de la bobina y de la resistencia, se han tenido en cuenta los efectos resistivos e inductivos del motor, de modo que dichos efectos se encuentran incluidos en los diferentes medios descritos que reducen el ruido del motor.
A continuación se acompañan una serie de figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.
Breve enunciado de las figuras
Figura 1.- Muestra un diagrama de bloques de la estructura general del dispositivo de la invención.
Figura 2.- Muestra una realización concreta de un posible ejemplo de realización, del diagrama de bloques representado en la figura anterior.
Figura 3.- Muestra otro posible ejemplo de realización de la invención.
Figura 4.- Muestra otro posible ejemplo de realización en el que se incluye una resistencia en paralelo con el devanado de excitación del motor.
Figura 5.- Representa una gráfica de la tensión de salida de un regulador de velocidad basado en triac utilizado en lavadoras convencionales de alta velocidad.
Figura 6.- Muestra la intensidad por el motor durante la fase de lavado de una lavadora convencional de alta velocidad.
Figura 7.- Representa el espectro en frecuencia de la presión sonora de una lavadora convencional medida en cámara semianecóica según la normativa existente.
Figura 8.- Muestra la onda de tensión suministrada por el rectificador monofásico en puente alimentado por el triac.
Figura 9.- Muestra una gráfica comparativa de los niveles de atenuación del filtro para distintos valores de la resistencia limitadora R1. Se expresa en decibelios la relación entre la admitancia del filtro a diferentes frecuencias y la correspondiente a corriente continua.
Figura 10.- Muestra la intensidad que circula por el condensador por unidad de tensión con resistencia limitadora R1 y sin ella. La incorporación de la resistencia R1 reduce sustancialmente los picos de intensidad sin disminuir la efectividad del filtro.
Figura 11.- Muestra la intensidad que circula por el motor en la realización de la figura 2 en la que no se incluye el condensador en serie con la resistencia R1.
Figura 12.- Muestra la intensidad que circula por el motor en la realización de la figura 3 en la que se incluye el condensador C con la resistencia R1.
Figura 13.- Muestra la intensidad que circula por el condensador C sin la resistencia R1.
Figura 14.- Muestra la intensidad que circula por el condensador C asociado en serie con la resistencia R1.
Figura 15.- Muestra la intensidad de excitación del devanado Lm del motor sin la resistencia R2 de la figura 4.
Figura 16.- Muestra la intensidad de excitación del devanado Lm del motor con la resistencia R2 conectada en paralelo con el mismo, y mostrada en la figura 4.
Descripción de varios ejemplos de realización de la invención
A continuación se realiza una descripción de la invención basada en las figuras anteriormente comentadas.
Tal y como fue expresado en el apartado de antecedentes de la invención, los motores convencionales utilizados en las lavadoras de alta velocidad son alimentados a partir de un convertidor de corriente alterna-corriente alterna que se basa en el uso de un triac cuya actuación es gobernada por un circuito de control, de forma que se obtiene una tensión de alimentación para el motor como la representada en la figura 5.
La tensión de alimentación mostrada en la figura 5 proporciona que la intensidad de alimentación del motor M sea la representada en la figura 6, de forma que con esta intensidad de alimentación se obtiene un nivel de presión sonora medida en cámara semianecóica según la normativa vigente, como la mostrada en la figura 7. En dicha figura 7 se aprecia claramente cómo aparecen unos picos muy acentuados en las frecuencias de 100, 200 y 300 Hz, que son indeseables.
Para conseguir un menor nivel de presión sonora, la invención incluye un convertidor de corriente alterna-corriente continua 2 que está determinado por un rectificador monofásico no controlado en puente constituido a base de diodos D que convierte en continua la tensión de salida del triac, con una forma de onda como la mostrada en la figura 8.
En la realización de la figura 2, la salida del convertidor 2 se aplica a una bobina L que es un filtro de forma que la intensidad que se aplica al motor M tiene una forma de onda como la representada en la figura 11, que comparándola con la de la figura 6, se aprecia claramente cómo se consigue una intensidad mucho más continua lo que se traduce en la producción de menor ruido en el motor M.
La referencia Lm representa el devanado de excitación del motor.
En la figura 3 se muestra otro ejemplo de realización, en el que se incluye una resistencia R1 en serie con un condensador C de forma que se obtiene una forma de onda de la intensidad que circula por el motor, como la representada en la figura 12, en la cual se obtiene una mayor continuidad en la intensidad de alimentación, lo que igualmente se traduce en un menor ruido en el funcionamiento del motor M.
En este ejemplo de realización se presenta una gran impedancia en los armónicos de corriente gracias a la inductancia en serie L, y a tender a mantener constante la tensión en el motor con ayuda del condensador C. La resistencia en serie R1 cumple la función de limitar los picos de corriente del condensador, aumentando de esta forma su vida útil.
En la figura 13 se muestra la forma de onda de la intensidad que circula por el condensador sin la inclusión de la resistencia R1, y en la figura 14 se muestra esta misma intensidad con la resistencia R1, pudiéndose apreciar claramente la limitación de los picos de corriente comentados anteriormente.
El condensador forma un circuito sintonizado con las inductancias Lm del motor y la del filtro L, habiéndose previsto una frecuencia propia algo inferior a los 100 Hz, con objeto de evitar la resonancia con el primer armónico y al mismo tiempo atenuar eficazmente el segundo armónico y los de orden superior. La disminución de la frecuencia propia por debajo de los 100 Hz supondría aumentar la capacidad de condensador, lo que equivale a aumentar su tamaño y coste.
En la figura 9 se muestra el efecto que produce la resistencia limitadora R1, en la que un valor nulo conduce a una respuesta subamortiguada, con el riesgo de entrar en resonancia, y un valor muy elevado anularía el efecto de filtro de condensador, por lo que resulta conveniente adoptar un valor de compromiso. El criterio seguido consiste en hacer que la frecuencia de corte de la red R1-C sea superior a 300 Hz, asegurándose de esta manera una atenuación eficaz de los armónicos más molestos y al mismo tiempo una notable disminución de la corriente de carga del condensador. Esto queda claramente reflejado en la figura 10 en la que se representa la intensidad que circula por el condensador por unidad de tensión con resistencia limitadora R1, y sin resistencia R1.
Como complemento a las dos alternativas expuestas, en la figura 4 se muestra otro posible ejemplo de realización en el que se ha previsto una resistencia R2 en paralelo con el devanado de excitación del motor Lm. Esta resistencia cumple la función de reducirlos armónicos de tensión y de intensidad en dicho devanado, ya que su valor está calculado para que presente una impedancia en la componente alterna mucho menor que la del inductor, derivándose por ella buena parte de los armónicos. Al mismo tiempo, no afecta en la práctica al funcionamiento en continua, ya que en estas condiciones presenta una impedancia muy superior a la del arrollamiento inductor Lm. En las figuras 15 y 16 se ilustra la disminución del valor pico a pico de la intensidad de excitación Iexc sin y con la resistencia R2, respectivamente.
Por tanto al intercalar entre la etapa rectificadora 2 y el motor M un filtro pasivo 3, según las distintas realizaciones descritas, se consigue eliminar de forma casi total el ruido acústico de origen electromagnético.
El convertidor de corriente alterna a corriente continua, además impide el retorno de la energía almacenada en la bobina y/o bobina y condensador, de forma que se obtiene una mayor continui- dad en la energía suministrada al motor.
Por otra parte, los elementos utilizados son de bajo coste y de alta fiabilidad, y el hecho de no utilizar semiconductores bloqueables, hace innecesarios en la práctica los filtros para prevenir las interferencias de alta frecuencia.
