Todo de un mismo proveedor y con transferencia de datos en tiempo real

La tendencia hacia cadenas cinemáticas híbridas impone requisitos mucho más exigentes a los equipos de medida y a los bancos de ensayos. Además, si los bancos de ensayos incorporan sistemas de medición para diferentes tareas, su complejidad aumenta radicalmente, para desazón de los constructores y usuarios de este tipo de instalaciones. La solución eDrive de HBM ofrece equipos de pruebas y medición "llave en mano" para los bancos de ensayos más complejos. Un solo proveedor proporciona todo lo necesario; incluso la transferencia en tiempo real de los datos al sistema de automatización.

Durante muchos años, todos los bancos de ensayos de cadenas cinemáticas empleados en ingeniería del automóvil tuvieron un diseño muy similar. Al fin y al cabo, el objeto de ensayo era siempre el mismo: un motor de combustión y, si acaso, una transmisión. Por ese mismo motivo, los equipos de pruebas y medición empleados también se parecían entre sí. Con el tiempo, se fueron imponiendo normas que tenían una utilidad indiscutible, de modo que el mayor punto de interés residía en optimizar las rutinas de los ensayos, en acortar los tiempos de prueba y, en definitiva, en reducir los costes. El aumento en el número de sistemas de bus conectados a los objetos de ensayo y la introducción de buses de campo en tiempo real para automatización propiciaron la aparición de modificaciones técnicas.

Figura 1: Diagrama básico de una cadena cinemática híbrida con reparto de potencia
Figura 2: Banco de ensayos híbrido con equipos de pruebas y medición de HBM, instalado en el Instituto de Motores de Combustión (VKM) de la Universidad Politécnica de Darmstadt.

Señales lentas típicas como temperatura, presión o vibraciones... pero ahora aisladas

El primer grupo de señales de medida se compone de variables relativamente “lentas”, como presión, vibraciones y temperatura. En general, se emplean para determinar el “estado general” del banco de ensayos y del objeto, con el fin de garantizar unas condiciones correctas para la prueba. Sin embargo, las cosas se complican debido a la necesidad de aislar esas entradas —a veces de hasta 1000 V— por motivos técnicos o de seguridad. Por ejemplo, si se mide directamente la temperatura en un inversor del motor auxiliar, desde el punto de vista técnico puede ser aconsejable aislar los correspondientes canales de temperatura. Con ello, el equipo de medida y los operarios se protegen frente a un eventual fallo de funcionamiento del inversor. Si, en un banco de pruebas de desarrollo, se mide la temperatura en el bobinado del motor, es preciso aislar el sensor. Y lo mismo ocurre cuando se mide la temperatura en la batería de un vehículo híbrido.

Las variables de potencia mecánica, como el par, el ángulo de rotación y la velocidad de rotación... ahora son dinámicas

Figura 3: Algunos ejemplos de análisis, como el vector espacial de potencia y el MTPA, obtenidos a partir de datos en bruto medidos en los puntos de consigna

Además de las variables mecánicas fundamentales, también son importantes las variables asociadas a la potencia mecánica, empezando por la velocidad de rotación y el par. En este sentido, los bancos de ensayos híbridos presentan requisitos más exigentes. Por ejemplo, la velocidad de rotación de un motor eléctrico puede ser mucho más alta, y las fluctuaciones de par tienen un intervalo de frecuencia más amplio. Eso se debe al número de pares de polos del motor que, junto con los imanes, son responsables no solo del movimiento de giro sino también de la ondulación del par. Esta última es una interferencia que es preciso registrar (para entender sus efectos en el objeto de ensayo) en el propio banco de ensayos y, en última instancia, en la cadena cinemática que estamos estudiando. Las mediciones son más dinámicas que las que lleva a cabo un banco de ensayos de motores de combustión puros, en los que los picos de par se deben estrictamente al proceso de combustión, cuya frecuencia es muy inferior a la de la ondulación de par. Las cosas también se complican cuando se requiere medir varias veces la potencia mecánica; por ejemplo, si resulta preciso analizar por separado la potencia que genera el motor de combustión y la del motor eléctrico. Para ello se necesitan dos bridas de medición y dos sistemas de medida de la velocidad de giro.

Otro caso especial es la medición del ángulo de rotación. Si se desea analizar a posteriori las señales del motor eléctrico, por ejemplo, para generar mapas de flujo o curvas de MTPA (par máximo por amperio, ver la Figura 3), la posición del rotor es crucial para los análisis matemáticos.

Valores de potencia eléctrica y eficiencia: el gran desafío

Actualmente, nos estamos adentrando en un campo totalmente nuevo: el de las mediciones de potencia eléctrica. En ellas se utilizan analizadores de potencia, que plantean una serie de dificultades al banco de pruebas de un motor dinámico. Los analizadores de potencia convencionales están optimizados para trabajar dentro de una red o con “electrodomésticos de línea blanca”. Sus ciclos de medición son lentos —están adaptados a ese tipo de aplicaciones—, de modo que la promediación permita obtener una buena precisión. Sin embargo, esas frecuencias de muestreo “lentas” son un obstáculo para las mediciones dinámicas, que presentan variaciones rápidas a lo largo de un mapa característico con miles de puntos de medición. En muchos casos, no se pueden conectar a un bus de campo.

Otro inconveniente es el número de canales, que está limitado a tres o cuatro canales de potencia en la mayoría de los casos. Lo que está bien para un motor trifásico y un circuito intermedio se convierte en todo un problema cuando queremos trabajar con motores de cinco o seis fases o con otros sistemas complejos.

Con todo, uno de los problemas que habitualmente más se subestima es el de la trazabilidad. Los analizadores de potencia generan resultados ya calculados, y no almacenan datos en bruto. Consecuencia: no es posible conseguir una trazabilidad exhaustiva de la cadena de medida. Por supuesto, pueden utilizarse analizadores de potencia calibrados, pero normalmente se calibran con señales senoidales puras a 53 Hz. Sin embargo, en un motor híbrido es preciso medir señales PWM del orden de varios kHz. Un certificado de calibración no garantiza la exactitud de las mediciones de un analizador de potencia en esas condiciones. Después de haber vivido el escándalo del "dieselgate", obviamente se prestará más atención a esta cuestión en el futuro.

Hay un detalle más que se suele pasar por alto: la sincronización que requieren las mediciones de eficiencia. Para comparar la entrada de potencia eléctrica con la salida de potencia mecánica —o sea, para calcular la eficiencia—, estos dos valores de potencia deben haberse obtenido y promediado exactamente en la misma ventana de tiempo. En las mediciones dinámicas, las frecuencias de muestreo y los filtros de entrada afectan notablemente a las señales eléctricas y mecánicas, y pueden ser una causa importante de posible errores de medición.

La solución, los datos en bruto

El almacenamiento de datos en bruto proporciona una salida al problema de la trazabilidad. La solución consiste en almacenar, junto con los valores medidos de potencia, pequeños fragmentos de datos en bruto —en concreto, corriente y tensión eléctrica— con una resolución más alta. Eso permite calcular a su vez otros valores de potencia, como la potencia activa y reactiva o la potencia mecánica, y verificar el mapa de eficiencia calculado. Esta posibilidad de verificación no se limita a los analizadores de potencia, sino que se extiende a los propios datos en bruto y a los sensores. Indudablemente, los analizadores de potencia también pueden almacenar datos en bruto, pero no están optimizados para esa tarea. Pueden tardar entre 10 y 20 segundos en registrar y almacenar un punto de consigna de unos pocos milímetros de longitud. Dicho de otro modo, la secuencia de pruebas para determinar el mapa característico se alarga interminablemente debido a la falta de capacidad de almacenamiento en tiempo real del analizador de potencia.

 

 

Figura 4: Sistema de medida integrado para variables eléctricas y mecánicas

Almacenamiento de datos en bruto, cálculo de potencia y transferencia de resultados... todo en tiempo real

Para vencer todos los obstáculos que hemos descrito más arriba se necesita un nuevo planteamiento, que vaya más allá de las combinaciones convencionales de equipos de pruebas y medición para bancos de ensayos y analizadores de potencia. El desafío de llevar a cabo tantas de las tareas anteriores como sea posible con un único sistema se simplifica enormemente con un banco de ensayos híbrido. Tanto en lo que respecta a los equipos de pruebas y medición como a las comunicaciones con el sistema de automatización.

Ese planteamiento es, precisamente, el que ofrece el sistema de adquisición de datos GEN para mediciones eDrive, de HBM (Figura 4).

Consiste en un dispositivo modular, con una configuración adecuada, que registra todas las señales necesarias de forma sincronizada y simultánea. Para ello utiliza módulos enchufables para señales de corriente y tensión, y para variables mecánicas como las vibraciones o la presión. Igualmente, dispone de satélites especiales para registrar señales de bus y, como característica especial, temperaturas obtenidas mediante termopares, con entradas aisladas hasta 1000 V.

El chasis (mainframe) de este sistema permite registrar señales de velocidad de rotación, par y ángulo de forma directa y simultánea en un máximo de seis puntos de medición.

Los módulos enchufables cuentan con procesadores de señales digitales capaces de registrar las señales entrantes, determinar los valores fundamentales de corriente y calcular los parámetros típicos de potencia, como son la potencia activa, la potencia reactiva, el valor lambda y otros, en tiempo real cada medio ciclo. Una función de activación, controlada automáticamente, permite almacenar cualquier cantidad de datos en bruto para cada punto de consigna, incluso en tiempo real. El almacenamiento se lleva a cabo en un disco duro integrado en el chasis, con el fin de evitar que el sistema de automatización se sobrecargue debido a unas velocidades de transferencia de datos extremadamente altas, del orden de megamuestras (Figura 5).

Como también se registran temperaturas y señales de bus CAN, ahora es posible, por ejemplo, aplicar compensaciones de temperatura (compensar la resistencia de los bobinados en función de la temperatura medida). Asimismo, se pueden analizar con facilidad respuestas en escalón del sistema de control debidas a transiciones rápidas de par, activadas por un comando a través de bus.

La totalidad del sistema de medida se controla desde un PC con Windows, si bien el mainframe tiene instalada una versión en tiempo real del sistema operativo LINUX. Por tanto, ahora es posible enviar al ordenador resultados en tiempo real, al mismo tiempo que se almacenan los datos en bruto. Para ello se emplea el bus EtherCAT, que puede considerarse el estándar de la industria del automóvil. Los resultados se calculan hasta 1000 veces por segundo y se envían al sistema de automatización con una latencia máxima de 1 ms. Desde el momento en que es posible efectuar más análisis en profundidad simultáneamente en tiempo real, se abre todo un nuevo mundo de posibilidades de control. En lugar del control tradicional a través de par, el banco de ensayos puede ajustarse a la corriente q máxima (que se calcula en tiempo real empleando una transformación de Park); de este modo se minimizan las pérdidas en la cadena cinemática.

Figura 5: Diagrama básico de un banco de ensayos híbrido, con adquisición de datos mecánicos, eléctricos y de bus, y conexión en tiempo real a un sistema de automatización

Fácilmente ampliable para bancos de ensayos de tracción a las cuatro ruedas o transmisiones eléctricas continuamente variables

La ventaja final de este concepto del equipo de medida que hemos descrito son sus posibilidades de expansión. No solo es posible adaptarlo a distintos tipos de señales de entrada, sino que también admite un número casi ilimitado de canales adicionales. La adopción de módulos de medida adicionales permite realizar tareas de medición de extraordinaria complejidad. Si queremos hacer mediciones con un motor de seis fases, ya no necesitamos dos analizadores de potencia: basta con un módulo enchufable adicional. Con un solo sistema se pueden abordar aplicaciones tan complejas como una transmisión eléctrica continuamente variable (eCTV) combinada con un motor de combustión y cuatro ejes de medida de par.

Acerca del autor

Dipl. Ing. Klaus Lang. Director de Desarrollo de Negocio de eDrive (= sistemas de pruebas para máquinas eléctricas alimentadas por inversores) de HBM en Darmstadt.

Conclusión Enorme simplificación de los bancos de ensayos híbridos

El sistema de pruebas eDrive de HBM ofrece beneficios muy notables a los integradores de sistemas, en todo lo que afecta a la simplificación de las estrategias de medición. Ahora basta con un solo sistema donde antes hacían falta varios para medir para las distintas señales, con un alto número de canales. Y, gracias a la conectividad con el bus en tiempo real EtherCAT —por el momento algo único en este campo—, las secuencias de datos se integran con la máxima facilidad en las estructuras existentes.

Para el usuario, la opción de almacenar datos en bruto supone una ventaja enorme, al igual que la trazabilidad hasta los datos en bruto y las mayores posibilidades de análisis; por ejemplo, determinación de corrientes d y q o generación de mapas de MTPA.


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