HBKShop | Formación | Recursos de asistencia

Pruebas de inversores

El inversor forma parte de la cadena cinética en los sistemas de propulsión eléctrica. Mejorar su eficiencia significa calcular su potencia de manera fiable basándose en mediciones rápidas, continuas y correlacionadas en el tiempo, tal como las que proporcionan las soluciones de pruebas de potencia eléctrica de HBK.

Solicitar un presupuesto

Descargar PDF

From Component to Vehicle Energy Management. Engineer writing graphics on a transparent wall with an electric power cube charging cars, helicopters, electricity poles, wind turbines and nuclear power

Pruebas de eficiencia de máquinas eléctricas e inversores eléctricos: descritas desde la perspectiva del usuario

Al diseñar un sistema de accionamiento de motor eléctrico, independientemente de la aplicación, hay tres elementos:

fuente de alimentación
convertidor de potencia
motor

A menudo, estos elementos se presentan en forma de una batería que actúa como un bus de corriente continua, un inversor que convierte la corriente continua en corriente alterna y un motor que utiliza la corriente alterna para convertir la energía eléctrica en potencia mecánica. En ocasiones, a este proceso se le llama conversión electromecánica.

¿Qué están intentando lograr los ingenieros?

Cuando se diseña un sistema de este tipo, los ingenieros quieren maximizar la eficiencia en todo el ciclo de funcionamiento. Para ello, optimizan el par por amperio en la mayor cantidad posible de puntos de funcionamiento. Unas veces, el camino para ello es un diseño más inteligente de la máquina y otras la aplicación de una técnica de control adecuada. El inversor, el control y el motor, todos necesitan funcionar bien juntos para maximizar este objetivo, pero a menudo estas cosas se desarrollan por separado. Esto lleva a problemas como un motor muy eficiente pero con una eficiencia deficiente en el inversor. Por este motivo, la misión de los técnicos e ingenieros responsables del conjunto consiste en maximizar el factor de potencia en la totalidad del sistema. Un motor ligeramente menos eficiente puede valer la pena si aumenta la eficiencia del motor de accionamiento.

En este artículo, Mitchell Marks explica los conceptos básicos y los requisitos para probar inversores y máquinas eléctricas. Lo que le gusta de esta aplicación:

Los motores dominaron el mundo industrial durante 100 años sin tener ninguna capacidad para controlarlos porque eran limpios y fiables, solo hay que enchufarlos y funcionan. Ahora que podemos controlarlos, los estamos integrando en todas partes, desde teléfonos móviles a submarinos. Con tantas aplicaciones, el trabajo nunca terminará y ningún día será igual.

¿Qué pasa con las fuentes de alimentación?

" En este tipo de aplicaciones, la fuente de alimentación es casi siempre una batería; sin embargo, en ocasiones puede emplearse un sistema rectificador sobre una línea de corriente para crear un bus de CC. Este bus de CC se puede elevar o reducir utilizando un convertidor CC-CC que se alimenta a un inversor. El convertidor CC-CC también puede incluirse en los sistemas de baterías para ajustar el bus de CC a un nivel que le guste al inversor. Este tipo de baterías son típicamente de iones de litio y, en las aplicaciones automovilísticas, trabajan en un intervalo de 200-400 voltios, aunque pueden llegar hasta 600-800 voltios. No mucha gente elige ir más allá de eso porque la vida se vuelve mucho más difícil al trabajar con tanto potencial de CC.

El papel del inversor

El inversor es una parte muy importante del sistema porque es donde se lleva a cabo toda la conversión y el control de energía. El inversor suele consistir en seis interruptores (para una operación de 3 fases) que se abren y cierran en un patrón específico para crear energía de CA. Esta secuencia se ejecuta con una frecuencia de conmutación normalmente comprendida entre 9 y 25 kHz. Las frecuencias por debajo de 9 kHz resultan claramente audibles; sin embargo, en las aplicaciones de alta tensión, se necesita una frecuencia de conmutación más baja para reducir las pérdidas. Las frecuencias más altas están sujetas a las propias limitaciones físicas de los interruptores; igualmente, se ven limitadas por el aumento de las pérdidas. Por lo general, estos interruptores serán IGBT o MOSFET. El nivel de corriente determinará la elección del interruptor. Los MOSFET suelen estar orientados para una potencia más baja. Los IGBT están pensados para una potencia más alta. Las frecuencias más altas permiten utilizar dispositivos pasivos más pequeños y aplicar un mayor grado de control. Esto ha llevado a que se invierta mucho dinero en dispositivos de ancho de banda amplio. Estos serían, en su mayoría, dispositivos de carburo de silicio o nitruro de galio (GAN). Estos dispositivos tienen pérdidas más bajas y, típicamente, pueden trabajar con corrientes y frecuencias de conmutación más altas. A día de hoy, su coste es prohibitivo y no son muy robustos que digamos, pero son el futuro.

From Component to Vehicle Energy Management

Determinación de la eficiencia de motores y generadores eléctricos

En un futuro de cero emisiones netas, la generación de energía renovable, los coches eléctricos personales, los vehículos comerciales, las aeronaves con sistemas de propulsión eléctrica a batería y los barcos con motores eléctricos dominarán. Este libro blanco muestra cómo lograr una mejor determinación de la eficiencia de motores y generadores eléctricos mediante una mejor conexión cruzada del lado mecánico y eléctrico para reducir la incertidumbre total de medición.

Descargar el libro blanco download

¿Tomar el control?

El control es algo sobre lo que todos guardan un estricto secreto en cuanto a cómo lo hacen específicamente. Es un software, por lo que es fácil mantenerlo en secreto. El controlador analizará el par y la velocidad, y determinará la frecuencia de conmutación, el método de modulación de ancho de pulso (PWM) y cómo optimizar la eficiencia. Todos estos aspectos pueden cambiar con rapidez a lo largo de un ciclo. La mayoría de los métodos de control, con independencia del tipo de motor, son versiones del control vectorial o de campo orientado (FOC, field-oriented control). Una tendencia en alza es el control tipo Deadbeat, en el que todos los controles forman un bucle cerrado de control de corriente. El dispositivo de control es aquel en el que se efectúa la transformación directa y en cuadratura (dq0) del marco de referencia. Se trata de una traslación matemática que permite visualizar y controlar la MDI en tres fases, en función de las necesidades del sistema. Básicamente, es una manipulación del seno y el coseno con una posición de referencia, para que las 3 fases se ven como 2 (un aspecto no trivial).

The history of the math for controlling and understanding the induction machine took about 50 years for people to solve. It is amazing that we were using the machine 50 years before we could understand it!

Black and white portrait of Mitch Marks, Business Development Manager - EPT (Electric Power Testing), Electrification at HBK

Mitch Marks HBK

Los modelos deben validarse

Todo el mundo utiliza modelos informáticos antes de hacer algo. Los modelos son baratos y pueden ejecutarse muy deprisa y de forma optimizada. La construcción de motores y controladores no es un proceso rápido. La optimización de los motores y del control se lleva a cabo empleando modelos y análisis de elementos finitos (FEA). Todo el mundo sigue este procedimiento antes de construir nada. Los modelos son excelentes para predecir el comportamiento de los motores e inversores, y son una herramienta de una utilidad extraordinaria. En la mayoría de empresas hay un grupo específico de ingenieros dedicados a trabajar con modelos. A los investigadores les gusta validar los modelos porque eso aumenta su fiabilidad; de este modo, pueden utilizar los modelos para predecir el comportamiento del motor y del control. Esta es una área en la que nuestros productos podrían entrar en juego, validando los modelos.

La mayoría de las aplicaciones tienen importantes restricciones de tamaño y costes, que condicionan muchas de las variables antes incluso de que se inicie el diseño de un motor.

Por lo tanto, tenemos la opción de topología y pequeños detalles, en función del esquema de control que los grupos quieran utilizar. También hay opciones que se pueden tomar con la refrigeración y la forma en que se bobinan los motores. Hay cuatro tipos de motores principales: de inducción, de imanes permanentes, de devanado de campo y de reluctancia conmutada. Los motores de inducción son los más fáciles de controlar, los entendemos mejor, son un caballo de batalla total de la industria; sin embargo, su desventaja es que el campo necesita estar excitado, lo que da lugar a pérdidas. Los motores de imanes permanentes (PM) se emplean en numerosas aplicaciones en las que la eficiencia es importante y existen restricciones de tamaño, ya que presentan una mayor densidad de potencia, debido a que el imán suministra el campo del rotor, en lugar de producir pérdidas en el rotor. También tienen el inconveniente de una relación constante entre potencia y velocidad (CPSR) desfavorable, porque el campo no se puede atenuar tan fácilmente. La atenuación del campo es un método para reducir el campo magnético del rotor con el fin de acelerar la velocidad de una máquina. Podemos debilitar el campo en la máquina de inducción o en la máquina de PM inyectando corriente en el eje q. La necesidad de tener cantidades controladas de corriente en el eje q (utilizada para controlar el par) o en el eje d (utilizada para controlar el campo del rotor) para el FOC es una razón por la que muchos grupos están interesados en controlar sus gráficos dq0 en tiempo real. En las máquinas de imanes permanentes hay otras consideraciones que deben tenerse en cuenta; por ejemplo, los imanes pueden desmagnetizarse durante la atenuación del campo y puede ser preciso monitorizar la fuerza contraelectromotriz. Los motores síncronos de reluctancia (SR) tienen un rotor muy sencillo, consistente en una lámina con una construcción específica. Estos motores utilizan el par de reluctancia para crear movimiento de rotación. Estos motores son muy útiles en una variedad de aplicaciones debido a su construcción simple, pero tienen la desventaja de crear una gran cantidad de ruido y vibración. Por este motivo, hasta ahora solo se han utilizado en situaciones muy específicas. Durante los ensayos de estas máquinas, a los investigadores les interesa obtener mapas de vibración, para determinar qué valores de par y velocidad dan lugar a las vibraciones más intensas.

Cuando menor es la temperatura del motor, menores son las pérdidas y mayor es la eficiencia.

Adicionalmente, si los imanes se calientan en exceso, algunas zonas pueden desmagnetizarse, lo cual tiene consecuencias desastrosas. Por lo tanto, mantener frescos los devanados y los interruptores es muy importante. Si los interruptores se calientan en exceso, tienen mayores pérdidas y pueden llegar a estallar. Los investigadores dedican una parte importante del tiempo de diseño a explorar estrategias de refrigeración capaces de hacer sus máquinas más eficientes. Los sistemas de refrigeración suelen consistir en agua, aceite o glicol, que se bombea y pulveriza sobre las zonas de las que se desea extraer calor. La importancia de refrigerar las máquinas ha hecho que la monitorización de la temperatura sea una parte fundamental del funcionamiento y los ensayos. En los ensayos se utilizan termopares para monitorizar las temperaturas. Para los investigadores, es muy interesante que estos valores registrados estén sincronizados con otros datos, para saber cuándo y dónde se producen cambios en la temperatura en respuestas a las acciones de control. Este es otro campo en el que los datos pueden emplearse para la validación de modelos.

Aumentar la eficiencia

La mejor manera de abordar muchos de los temas mencionados anteriormente es la creación de mapas de eficiencia y las pruebas en dinamómetro. A todo el mundo le interesa incrementar la eficiencia de sus sistemas. Contar con los datos crudos es importante para esto, porque si algo sale mal, puede hacer referencia a pruebas anteriores y también realizar un análisis exhaustivo en un programa de procesamiento posterior como nCode GlyphWorks o MATLAB. Si se llevan a cabo pruebas de carga dinámica o ciclos de funcionamiento, se pueden obtener valores extraños si no se dispone de los datos en bruto.

Cuando comiencen las pruebas, dispondrán de una tensión de bus CC establecida, seguida de una velocidad establecida.

A continuación, cargarán la máquina con un par determinado. Esta misma operación se repite para todos los pares y velocidades disponibles en el rango de la máquina. De este modo se obtienen las eficiencias para todos los puntos de medición deseados y se obtiene un mapa de eficiencia. Las medidas en estos puntos se obtienen en un rango de temperatura específico. En ocasiones es preciso esperar a que la máquina se enfríe antes de medir en un punto del ensayo. Aquí es donde Sistema de prueba eDrive de HBM puede ahorrar mucho tiempo a los clientes porque, al tomar puntos de prueba en varios ciclos en lugar de varios segundos, la máquina pasará menos tiempo calentándose.

Con frecuencia, los usuarios prueban los límites de la máquina para lo cual, básicamente, la queman (o lo intentan). En estos casos, la máquina se lleva hasta su velocidad máxima, para determinar cuáles son sus límites mecánicos. La posibilidad de activar un registro (trigger) y disponer de una secuencia de datos ayuda a los investigadores a entender no solo dónde falla la máquina, sino también por qué.

Contenidos relacionados