Mediciones de potencia precisas y altamente dinámicas

Para evaluar y probar motores eléctricos, y para implementar las correspondientes estrategias de control en las aplicaciones de movilidad eléctrica e industrial, se necesitan mediciones de potencia precisas y altamente dinámicas. En estos campos de aplicación, el sistema eléctrico consta normalmente de un inversor de dos niveles, un motor eléctrico trifásico y una fuente de energía.

En este artículo, en primer lugar se explica en profundidad la topología de un inversor de dos niveles doble (DTLI). A continuación se aborda la adquisición de las variables mecánicas y eléctricas con el sistema de adquisición de datos GEN3i, y el cálculo de valores de potencia en tiempo real.

Los autores

Simon Wolfstädter, M. Ing., Thomas Kowalski, M. Ing., Prof. Dr. Ing. Johannes Teigelkötter, Universidad de Ciencias Aplicadas de Aschaffenburg, Tit. Ing. Klaus Lang, HBM

Inversor de dos niveles doble

Fig. 1: Topología de un DTLI con conexiones de corriente continua independientes

La topología de un inversor de dos niveles doble consiste en dos inversores de dos niveles independientes. Los cables del bobinado del motor eléctrico están conectados entre los dos inversores. Por lo tanto, el motor eléctrico recibe tensiones hexafásicas. La figura 1 muestra la topología de un DTLI con conexiones de CC independientes. Los dos inversores se alimentan a través de dos fuentes de corriente continua, que también están separadas.

Entre las ventajas que habitualmente ofrece este tipo de topología DTLI cabe citar una mayor seguridad contra fallos, reducción de la tensión CC (con el mismo requisito de potencia para el motor) y un mayor número de niveles de tensión que en las aplicaciones con un único inversor de dos niveles [1].

Al mismo tiempo, esta topología permite distribuir la potencia eléctrica absorbida o generada por el motor entre los dos inversores o las fuentes de energía conectadas a estos. La figura 2 muestra las posibles direcciones del flujo de energía dentro del sistema. Ese flujo de energía se produce no solo entre los inversores y los motores eléctricos, sino también de un inversor a otro. Por lo tanto, las dos fuentes también pueden intercambiar energía a través del bobinado del motor.

Fig. 2: Direcciones de flujo de energía dentro del sistema

Banco de ensayos y adquisición de valores medidos

La adquisición metrológica y el análisis de las magnitudes eléctricas y mecánicas presentes en el sistema requiere un alto número de puntos de medición.

Además de magnitudes mecánicas, como la velocidad de rotación, el par y el ángulo de rotación, para evaluar el comportamiento en condiciones dinámicas y estacionarias es preciso medir los valores eléctricos de las corrientes/tensiones de fase relevantes, y las corrientes y tensiones de la conexión CC.

La figura 3 muestra en forma de diagrama la adquisición de valores de las magnitudes del sistema que se envía al registrador de datos GEN3i.

Fig. 3: Magnitudes medidas en el sistema

Estructura del banco de ensayos y la adquisición de medidas:

  • La máquina objeto del ensayo es un motor síncrono de imanes permanentes (PSM), alimentada por el DTLI. Cada inversor se alimenta a través de un grupo de baterías de litio. La posición del rotor se calcula con un resolutor.
  • Una interfaz CAN proporciona los parámetros de funcionamiento.
  • El dinamómetro es una máquina síncrona de imanes permanentes con control de velocidad, alimentada por un inversor independiente. El inversor está conectado a un dispositivo de alimentación, directamente ubicado en la red de suministro. Un codificador incremental mide la velocidad de rotación.
  • Las corrientes de fase se miden con transformadores de corriente de alta precisión tipo LEM IT 400 S. Los shunts de medición son HBR 2.5 de alta precisión, directamente ubicados en la entrada del canal relevante de GEN3i.
  • Las tensiones de fase de los dos inversores se comparan con una estrella artificial, también directamente en GEN3i.
  • Los canales de alta tensión de GEN3i adquieren directamente las tensiones de la batería.
  • Un transductor de par T12 de HBM proporciona las magnitudes mecánicas (par y posición del rotor). Este transductor se conecta a GEN3i a través de un  adaptador de E/S para Txx.

La figura 4 muestra el motor objeto del ensayo con la conexión bilateral de los bobinados. También se pueden ver el transductor de par, el transformador de corriente y el punto de medición de las tensiones de fase. La figura 5 muestra uno de los dos grupos de baterías de litio que alimentan los inversores. La figura 7 muestra los canales de entrada de GEN3i con los shunts para la medición de corriente y las estrellas artificiales.

Fig. 4: Banco de ensayo con el transductor de par T12, el transformador de corriente y los puntos de tensión
Fig. 5: Grupo de baterías de litio para alimentación del inversor
Fig. 6: GEN3i, PC para asignación de parámetros, alimentación del transformador de corriente y adaptador de E/S para Txx


Fig. 7: Entradas de GEN3i con shunts de medición y estrellas artificiales

Cálculo de potencia en tiempo real

Los datos en bruto medidos se pueden utilizar para determinar la potencia de cada sistema por separado [2][3]. Las magnitudes de fase se emplean para calcular las potencias instantáneas de los inversores en el lado de la salida:

Dada la dirección de la flecha de recuento del segundo inversor, las tensiones de fase negativa contribuyen a la salida de potencia positiva:

Las potencias efectivas se determinan calculando la media del periodo de oscilación fundamental T de la corriente de fase:

La potencia efectiva de los dos inversores en el lado de entrada se determina de un modo similar:

La potencia instantánea del motor eléctrico se puede representar como la diferencia entre las respectivas tensiones de fase multiplicada por la corriente de fase:

O también como la suma de las potencias de los dos inversores:

La potencia mecánica del eje del motor se calcula teniendo en cuenta el par M y la velocidad de rotación n:

Utilizando la eficiencia del inversor, las magnitudes del lado de tensión alterna se pueden convertir en las del lado de tensión continua:

Si se conoce la eficiencia y la tensión de la batería es constante, la corriente de la batería en cuestión se puede determinar del modo siguiente:

Resultados de medición

Las mediciones y métodos de cálculo que se describen en las secciones anteriores se aplicaron al examen de un motor, que se sometió a una prueba con las siguientes características: tensión de fase nominal 270 V, corriente nominal: 150 A, par nominal: 190 Nm, velocidad de rotación nominal: 1500 rpm, número de pares de polos: 2.

Los dos inversores IGBT del DTLI están sincronizados, cada uno de ellos con una frecuencia de conmutación de 8 kHz. Los juegos de baterías de litio alimentan ambos inversores con una tensión nominal de 210 V cada uno. A continuación se describen, como ejemplo, dos series de pruebas para determinar el comportamiento en funcionamiento del DTLI y el motor eléctrico.

(A) Distribución de la energía entre los dos inversores de dos niveles

Durante la medición, el dinamómetro se acciona con un control de velocidad, con un valor constante de 750 rpm. El inversor de dos niveles doble alimenta el motor objeto del ensayo; en primer lugar de forma simétrica (PAC,1 = PAC,2) y después de forma asimétrica (PAC,1 ≠ PAC,2). El par procedente entregado por el motor es de 120 Nm. La figura 8 muestra las potencias del sistema P calculadas por GEN3i. Se indican las potencias de entrada y salida de los inversores, así como la salida eléctrica y mecánica total. Se puede apreciar, por ejemplo, que la variación en la distribución de la energía afecta únicamente a las potencias de los dos primeros inversores, no a la entrega de potencia del motor.

(B) Intercambio de energía entre los inversores de dos niveles

Partiendo de una alimentación simétrica con el mismo valor de consigna del motor que en (A), se inicia el intercambio de energía entre los dos inversores y las baterías de litio. Una corriente de carga que inicialmente debe ser 20 A y después 30 A y 15 A se asigna a la batería 2 (fig. 10). La figura 9 muestra las potencias del sistema P calculadas por GEN3i. La alimentación simétrica de los dos inversores en el punto de partida se sustituye por el intercambio de energía en el tiempo t = aprox. 4,3 s. A continuación el inversor 1 devuelve la energía que necesita el motor eléctrico, así como la energía necesaria para cargar la batería 2.

Fig. 8: Determinación de potencias del sistema (A)
Fig. 9: Determinación de potencias del sistema (B)
Fig. 10: Corrientes medidas de la batería (B)

Cálculo en tiempo real y cálculo después de procesamiento

Las curvas de potencia efectiva de la figura 11 muestran la potencia de entrada y de salida del inversor 1, además de la potencia mecánica y una comparación de los dos métodos de cálculo (en tiempo real y después del procesamiento) para la medición que se describe en la sección 4 (A). Ambos métodos arrojan los mismos resultados.

Fig. 11: Curvas de potencia efectiva calculada, en tiempo real y después del procesamiento

Fórmulas para el cálculo después de procesamiento

La figura 12 muestra un extracto de la ficha de fórmulas que utiliza Perception. En este caso, los cálculos de los dos dispositivos de almacenamiento de energía y la potencia de salida del inversor 1 se muestran como valores representativos.

Fig. 12: Extracto de las fórmulas para el cálculo después de procesamiento

Fórmulas para el cálculo en tiempo real

La figura 13 ilustra el cálculo de potencia en tiempo real.

Las potencias efectivas de entrada y de salida del inversor 1 también se muestran en este caso como valores representativos. Debe tenerse en cuenta que existen algunas diferencias en la sintaxis entre los cálculos en tiempo real y después del posprocesamiento.

Fig. 13: Extracto de las fórmulas para el cálculo en tiempo real

Referencias

[1] Grandi, Gabriele; Rossi, Claudio; Lega, Alberto; Casadei, Domenico: Multilevel

Operation of a Dual Two-Level Inverter with Power Balancing Capability En: Registro de la Conferencia sobre Aplicaciones Industriales de IEEE 2006, 41.º Encuentro Anual de IAS, 2006, 603–610

[2] Teigelkötter J.: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Transmisiones eléctricas energéticamente eficientes], 1ª edición, Springer Vieweg Verlag, 2013

[3] Berechnung von Leistungsgrößen mit Perception-Software [Cálculo de valores de potencia con el software Perception]: www.hbm.com/en/3783/calculating-power-quantities-with-perception-software/