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Teste de Inversores

O inversor é parte do powertrain nos sistemas de tração elétrica. Melhorar sua eficiência significa calcular de forma confiável sua potência com base em medições rápidas e contínuas, correlacionadas no tempo, conforme fornecido pelas soluções de teste de potência elétrica da HBK.

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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

Teste de Eficiência de Máquinas Elétricas e Inversores Elétricos - Descrito do Ponto de Vista do Usuário

Ao projetar um sistema de acionamento de motor elétrico, não importa qual seja a aplicação, existem três elementos:

fonte de energia
conversor de potência
motor

Frequentemente, esses elementos vêm na forma de uma bateria atuando como um Barramento CC - um inversor que transforma a energia CC em energia CA - e um motor que usa a energia CA para converter energia elétrica em energia mecânica. Isso é, muitas vezes, citado como conversão de potência eletromecânica.

O que os engenheiros estão tentando alcançar?

Ao projetar estes sistemas, os engenheiros tentam maximizar a eficiência em um ciclo de acionamento. Eles fazem isso maximizando o torque por ampére por quantos pontos forem possíveis. Isso é feito, às vezes, com projeto mais inteligente de motores e, outras vezes, implementando a técnica de controle mais apropriada. O inversor, o controle e o motor precisam estar ajustados para maximizar este objetivo, porém são tipicamente desenvolvidos separadamente. Isso leva a problemas como, por exemplo, um motor muito eficiente juntamente com um inversor pouco eficiente. Isso levou os engenheiros de sistemas de conversão a tentar maximizar o Fator de Potência ao longo do sistema. Um motor ligeiramente menos eficiente pode valer a pena, se aumentar a eficiência do drive como um todo.

Neste artigo, Mitchell Marks explica os fundamentos e requisitos para testar inversores e máquinas elétricas. O que ele gosta sobre esta aplicação:

Os motores dominaram a indústria global por 100 anos sem ter a capacidade para controlá-los, porque eram limpos e confiáveis: bastava conectá-los e eles funcionavam. Agora que temos a habilidade de controlá-los, eles estão sendo integrados em todos os lugares, de celulares a submarinos. Com tantas aplicações, o trabalho nunca acaba e nenhum dia será igual ao outro.”

E quanto às fontes de energia?

As fontes de alimentação para estas aplicações são quase sempre uma bateria, mas às vezes, pode haver um sistema retificador de uma rede elétrica para criar um barramento DC. Esse barramento DC pode ser elevado ou reduzido usando um conversor DC-DC, que alimenta um inversor. O conversor DC-DC também pode ser incluso nos sistemas de bateria para ajustar o barramento DC a um nível adequado para o inversor. Estas baterias são geralmente construídas com Íons de Lítio e em uma faixa de 200-400 volts para aplicações automotivas, mas poderiam chegar a tensões de até 600-800 volts. Nem todas as pessoas preferem faixas mais altas porque acaba se tornando mais difícil trabalhar com esse potencial DC.

O papel do inversor

O inversor é uma parte muito importante do sistema, pois é onde ocorre toda a conversão e o controle de potência. O inversor normalmente consiste em seis interruptores (para uma operação trifásica) que abrem e fecham em um padrão específico para criar energia CA. Este padrão é executado em uma frequência de comutação que geralmente está entre 9kHz e 25kHz. Uma frequência abaixo de 9kHz torna-se muito audível; no entanto, para aplicações de alta potência, uma frequência de comutação mais baixa é necessária para reduzir as perdas. Frequências de comutação mais altas são limitadas tanto pelas limitações físicas dos interruptores quanto pelo aumento das perdas de comutação. Geralmente, os componentes utilizados serão IGBTs ou MOSFETs. O nível da corrente irá determinar a escolha do chaveamento. MOSFETs são tipicamente projetados para menor potência. IGBTs são destinados a aplicações de maior potência. Frequências mais altas permitem dispositivos passivos menores e maior controle. Isso levou a um grande investimento em dispositivos de banda larga. Esses dispositivos são mais comumente de carbeto de silício ou nitreto de gálio (GAN). Esses dispositivos têm perdas menores e podem ser operados tipicamente em correntes e frequências de comutação mais altas. Estes ainda são muito caros e não tão robustos, mas são o futuro.

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Determinação de Eficiência para Motores e Geradores Elétricos

Em um futuro de zero emissões, a geração de energia renovável, carros pessoais elétricos, veículos comerciais, aeronaves com sistemas de propulsão elétrica a bateria e navios com motores elétricos dominarão. Este documento técnico mostra como alcançar uma melhor determinação de eficiência de motores e geradores elétricos por meio de uma melhor interconexão dos lados mecânico e elétrico para reduzir a incerteza total de medição.

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Assumindo o controle?

O controle é algo que todos mantêm em segredo sobre como o fazem especificamente. É um software, portanto, é fácil mantê-lo em sigilo. O controlador irá visualizar o torque e a velocidade e determinará a frequência de chaveamento, o método PWM ( Pulse Width Modulation ) e como otimizar a eficiência. Estes aspectos podem mudar rapidamente ao longo de um ciclo. A maioria dos tipos de controle, independentemente do tipo de motor, são uma versão do FOC ( field-oriented control ). Uma tendência que vem crescendo é o controle de corrente Deadbeat, entretanto, todos os tipos de controle serão controles de corrente em malha fechada. O controle é onde a transformação do quadro de referência direto-quadratura (dq0) ocorrerá. Esta é uma tradução matemática utilizada para visualizar e controlar o PWM trifásico, baseado na necessidade do sistema. Se trata apenas de uma manipulação de seno e cosseno com uma referência de posição, fazendo 3 fases aparecerem como 2 (não 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

Modelos precisam ser validados

Muitos utilizam modelos em computador antes de fazerem qualquer coisa. Os modelos são baratos e podem ser executados rapidamente, bem como, de uma maneira otimizada. Construir motores e controladores não é um processo rápido. A otimização de motores e controle ocorre em modelos e FEA. Todos fazem isso antes de construir qualquer coisa. Modelos são muito bons em prever o comportamento de motores e inversores e são uma ferramenta incrivelmente útil. A maioria dos lugares tem um grupo inteiro de engenheiros trabalhando em modelos. Em muitos locais, existe uma equipe inteira de engenheiros trabalhando em modelos e os pesquisadores adoram realizar validação nestes modelos porque permite que tenham mais confiança e, portanto, podem usá-los para prever o comportamento do motor e do controlador. Este é um segmento onde nossos produtos podem ser utilizados: validação de modelos.

No final do dia, a maioria das aplicações possuem restrições de tamanho e custo, o que determinará muitas das variáveis antes mesmo do início do projeto do motor.

Portanto, temos a escolha da topologia e pequenos detalhes, baseados no esquema de controle que os grupos desejam usar. Também existem escolhas que podem ser feitas com o resfriamento e como os motores são enrolados. Os principais tipos de motor são indução, ímã permanente, campo enrolado e relutância comutável. Os motores de indução são os mais fáceis de controlar, nós os entendemos melhor e eles são verdadeiros cavalos de batalha da indústria. No entanto, a desvantagem é que o campo precisa ser excitado, o que resulta em perdas. Motores de imã permanente (PM) são usados em diversas aplicações onde a eficiência é importante e o tamanho é uma restrição, pois possuem maior densidade de potência porque o imã fornece o campo magnético ao invés de termos perdas no rotor. Também possuem a desvantagem de perda da CPSR ( Constant Power Speed Ratio ) porque o campo não pode ser enfraquecido tão facilmente. Este enfraquecimento é um método de redução do campo magnético do rotor para aumentar a velocidade de um motor. Podemos enfraquecer o campo na Máquina de Indução ou na máquina PM injetando corrente no eixo q. A necessidade de controlar as quantidades da corrente no eixo q (usado para controlar o torque) ou eixo d (usado para controlar o campo do rotor) para o FOC é uma razão pela qual diversos grupos estão interessados em monitorar suas curvas dq0 em tempo real. Com uma máquina PM, muitos aspectos precisam ser levados em conta porque os imãs podem se desmagnetizar durante o enfraquecimento do campo e a força contra eletromotriz precisa ser monitorada. Motores SR ( Synchronous Reluctance ) possuem um rotor muito simples que é simplesmente uma laminação com um padrão específico. Estes motores usam a propriedade de torque de relutância para criar rotação. Estes motores são muito usados em uma variedade de aplicações por conta de sua construção simples, tendo a desvantagem de gerar muito barulho e vibração. Por conta disso, eles só têm sido utilizados em condições específicas. Durante o ensaio destes motores, os pesquisadores estão principalmente interessados em ter um mapa de vibração de onde o torque e a vibração são mais fortes.

Quanto mais resfriado o motor, menor a perda; quanto menor a perda, maior a eficiência.

Além disso, se os ímãs esquentarem demais, eles podem desmagnetizar em certas regiões, o que pode ser muito ruim. Portanto, manter os enrolamentos e interruptores frios é muito importante. Os interruptores terão perdas maiores e também podem explodir se esquentarem demais. Os pesquisadores passam muito tempo buscando alternativas de resfriamento para tornar seus motores mais eficientes. Sistemas de arrefecimento são geralmente de água, óleo ou glicol bombeado e pulverizado nas áreas onde se deseja resfriar. A tensão nos equipamentos de arrefecimento tornou o monitoramento da temperatura do motor uma parte importante da operação e dos testes. Um teste terá termopares para monitorar temperaturas que são registradas ou enviadas para um sistema de controle para desligamento. De posse destes valores registrados, sincronizados com os dados, os pesquisadores podem saber quando e onde ocorreram mudanças de temperatura em reposta a seus comandos. Esta é outra área onde os dados podem ser usados para validação de modelos.

Aumentando a eficiência

A melhor maneira de cobrir muitos dos tópicos mencionados acima é mapeamento de eficiência e testes em dinamômetro. Todos querem aumentar a eficiência de seus sistemas. Ter dados brutos é importante para isso, porque se alguma coisa sair errada, você pode usar testes anteriores de referência e também realizar uma análise em profundidade em um programa de pós-processamento como o MATLAB. Além disso, isso é de extrema importância para testes dinâmicos, porque ao realizar ciclos de carregamento de carga dinâmica ou testes de condução, se você não tiver os dados brutos, você pode obter algumas eficiências estranhas e imprecisas.

Quando eles começarem a testar, terão uma tensão de barramento DC definida, seguida por uma velocidade definida.

Então, o motor será carregado com certo torque. Você deverá fazer isso para todos os torques e velocidades desejados disponíveis na faixa do motor. Então, terá as eficiências para todos os pontos de ajuste desejados e terá um mapa da eficiência. Estes pontos serão obtidos a uma faixa específica de temperatura. Às vezes, você tem que aguardar o motor resfriar para medir um ponto de ajuste. É aí que o sistema eDrive testing da HBM pode economizar muito temo para os clientes, porque obter pontos de teste em uma série de ciclos em vez de um número de segundos fará com que o equipamento aqueça menos.

Muitas vezes, as pessoas irão testar os limites de suas máquinas e estas irão explodir (ou quase). Irão forçar para atingir a velocidade máxima para saber os limites mecânicos de suas máquinas. A capacidade de acionar o trigger e obter um registro de dados ajudará os pesquisadores a entender não apenas onde seus equipamentos falham, mas também de qual forma.

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