Cómo mejorar la productividad, la capacidad y el análisis de datos de las pruebas de motores y sistemas eléctricos de accionamiento

Se están dedicando grandes esfuerzos a conseguir máquinas y accionamientos eléctricos más eficientes; por este motivo, la evaluación de la eficiencia de los motores ha adquirido una gran importancia. En este terreno, el principal objetivo consiste en poner a punto procedimientos acelerados que permitan calcular la eficiencia de un motor o sistema de accionamiento eléctrico en todos los puntos de funcionamiento, de manera segura, precisa y rápida. Los métodos de ensayo ordinarios, con analizadores de potencia tradicionales, suelen dar resultados numéricos inadecuados. Para obtener resultados útiles, todas las señales eléctricas, mecánicas y físicas deben adquirirse simultáneamente, con altas frecuencias de muestreo, y combinarse con un análisis a medida avanzado en tiempo real y una transferencia rápida de datos a los sistemas de automatización. Todo eso es lo que hace posible elaborar mapas de eficiencia de motores y accionamientos eléctricos de forma rápida y precisa. De paso, abre la puerta a prácticamente cualquier tipo de análisis.

El método típico y el nuevo método de pruebas

La cadena cinemática eléctrica y sus señales asociadas

Los accionamientos eléctricos tienen una amplia variedad de aplicaciones, como vehículos eléctricos, motores navales, trenes de alta velocidad, ruedas y actuadores eléctricos de aviones, carretillas elevadoras, electrodomésticos motorizados y energía eólica... en definitiva, en casi cualquier máquina eléctrica que tenga un inversor o un variador de velocidad. Lo que se busca es hacer diseños que tengan la máxima eficiencia en todos los puntos de funcionamiento de la cadena cinemática eléctrica, y hacer las pruebas correspondientes de manera segura, precisa y rápida. Para ello es necesario optimizar el inversor, el motor o máquina eléctrica, la correspondencia entre el inversor y el motor y la estrategia de propulsión, tal y como se esquematiza en la Figura 1.

Cuando mejor esté dimensionado el inversor en relación con el motor, mayor será la eficiencia. Para mejorar esa correspondencia entre el inversor y el motor, hay que caracterizar minuciosamente el motor en relación con el inversor. En algunos casos también es preciso mejorar la eficiencia del algoritmo que emplea el inversor para accionar el motor. La única forma de conseguir todo esto es analizar los datos en bruto en todos los puntos de funcionamiento de la cadena cinemática eléctrica.

Las cadenas cinemáticas eléctricas contienen un gran número de señales que es preciso registrar y analizar para obtener mejoras de eficiencia. Tal y como muestra la Figura 2, entre estas señales hay tensiones de batería de hasta 1000 voltios y corrientes de hasta varios centenares de amperios. Los inversores generan tensiones moduladas por ancho de pulsos de hasta ±1000 voltios, con frecuencias trifásicas (a veces con más fases) y corrientes de varios cientos de amperios. Un transductor de par puede registrar el par y la velocidad de un motor, además de su posición, para realizar análisis avanzados. La medición de todas esas tensiones y corrientes permite calcular la potencia eléctrica de las baterías, la potencia eléctrica del inversor y la potencia mecánica del motor. A partir de ahí, la relación entre esas magnitudes nos da la eficiencia del inversor de frecuencia, del motor y de la totalidad de la cadena cinemática eléctrica.

El método de pruebas típico

Tradicionalmente, las señales que produce la cadena cinemática eléctrica se miden con un montaje como el de la Figura 3.

La tensión de la batería y la corriente se miden con un multímetro digital. La salida del inversor suele medirse con un analizador de potencia tradicional y las señales se pueden visualizar con un osciloscopio. Para medir la salida de la máquina se utiliza un sensor de par y algún tipo de sistema de adquisición de datos. Por desgracia, este montaje tradicional tiene una serie de carencias:

  1. Los distintos sistemas de registro no están sincronizados; por tanto, es difícil, por no decir imposible, hacer comparaciones entre las señales mecánicas (par, velocidad) y las eléctricas (tensión, corriente) en un mismo punto temporal.
  2. No se obtienen datos en bruto, lo que impide hacer cualquier análisis avanzado.
  3. Los analizadores de potencia típicos solo ofrecen unos pocos cálculos por segundo, insuficientes como retroalimentación de un sistema de automatización o control.
  4. Los analizadores de potencia no son fiables cuando se producen cambios de carga dinámicos (un campo que requiere pruebas y análisis adicionales).
  5. Tampoco es posible verificar los resultados, porque no se dispone de datos en bruto; si algo no concuerda, hay que repetir la prueba.

Como consecuencia de todo lo anterior, la forma de trabajar consiste en hacer supuestos sobre distintos aspectos y sobre los errores, hacer cambios basándose en esos supuestos y repetir las pruebas. Todo ello consume tiempo y resulta costoso.

El nuevo método de pruebas

La Figura 4 describe la solución edrive testing de HBM, una herramienta revolucionaria que solventa todas las limitaciones de los métodos de pruebas tradicionales. Para ello, utiliza un analizador de potencia con adquisición de datos de alta velocidad. Principales ventajas:

  1. Todas las señales de la cadena cinemática se registran de forma sincronizada. Así, las señales mecánicas y eléctricas se pueden comparar de forma precisa. Además, se pueden hacer pruebas en máquinas de 3, 6 y 12 fases y se pueden adquirir señales adicionales, como CAN, temperatura, vibraciones y deformación.
  2. Un análisis avanzado en tiempo real permite elaborar mapas de eficiencia del motor y obtener resultados de forma inmediata, en lugar de tardar horas o días.
  3. Los resultados calculados se pueden transferir en tiempo real a un sistema de automatización a través de EtherCAT, a razón de 1000 resultados por segundo.
  4. Se realizan cálculos de potencia en tiempo real para cada semiciclo, incluso durante los cambios de carga dinámicos y los periodos de arranque y deceleración.
  5. Los resultados se pueden verificar en cualquier momento, porque se dispone de datos en bruto; si algo no concuerda, no hace falta repetir la prueba.

Métodos para conectar señales

Para conseguir cadenas cinemáticas de la máxima eficiencia se necesita la máxima exactitud de medida. Vamos a repasar ahora los métodos más deseables y precisos para cada tipo de señal.

Medición de corriente

Con frecuencia, la medición de corriente es el proceso que acumula mayores errores. Por ello, si queremos mejorar los cálculos de eficiencia es fundamental invertir en un método preciso para medir la corriente. Las pinzas amperimétricas ofrecen poca precisión, del orden del ±1% en el mejor de los casos. Los transformadores de corriente dan una precisión mejor, del orden del ±0,02% o mejor.

Medición de tensión

Hay varios métodos para medir tensiones altas. El factor más importante es siempre la seguridad, seguida de la exactitud de medida. En este sentido, un amplificador de aislamiento es la forma más segura de medir altas tensiones, tanto para el usuario como para el equipo, aunque supone un coste más alto. También ofrece una mayor precisión, del orden del ±0,02%. Los demás métodos son menos precisos y, en ocasiones, menos seguros. Los transductores o transformadores de tensión tienen una precisión del ±1% y los palpadores activos diferenciales están en un ±2%.

Medición de par, velocidad y ángulo

Para medir el par, la velocidad y el ángulo debe utilizarse un transductor de par con alto rango dinámico, con una precisión mínima del 0,05% o, mejor aún, del 0,01%. Todas las señales del transductor de par deben conectarse digitalmente, con el fin de eliminar el ruido asociado al entorno en el que se encuentra la célula de ensayo.

Resultados de potencia y análisis rápido avanzado

Detección de ciclos

Para calcular resultados de potencia correctos, el analizador debe ser capaz de identificar los “ciclos” de la señal de entrada. Los ciclos se pueden detectar fácilmente mediante el uso de algoritmos avanzados, y representarse como en la Figura 8. Los analizadores de potencia típicos utilizan un PLL (lazo de seguimiento de fase), que tiene limitaciones cuando se producen cambios de carga dinámicos. La detección de ciclos digital permite hacer mediciones durante el arranque, las desaceleraciones y durante cualquier cambio de carga.

La Figura 9 muestra formas de onda con varios cambios de carga dinámicos (con forma de joroba). Estos cambios se producen cuando se aplica el freno o una carga a la cadena cinemática. La representación de esos resultados de formas de onda con los datos en bruto permite realizar análisis adicionales de las características del inversor.

Análisis avanzado

El hecho de disponer de todos los datos en bruto permite al usuario crear cualquier fórmula avanzada a medida, que puede calcularse, representarse y transmitirse a un sistema de automatización en tiempo real. Este sistema se puede adaptar fácilmente a una gran variedad de aplicaciones que quedan fuera de las posibilidades de un analizador tradicional. Por ejemplo, motores multifásicos, accionamientos híbridos e inversores multinivel.

Elaboración de mapas de eficiencia acelerados

Se pueden elaborar mapas de eficiencia de máquinas 100 veces más rápido. Por ejemplo, se tarda unos 100 segundos en disponer de un mapa con 1000 puntos de funcionamiento, en lugar de las casi 3 horas que necesita un analizador tradicional. El ahorro de tiempo y coste es muy considerable, tal y como se muestra en la Figura 10. Como la prueba se desarrolla en apenas 100 segundos, la temperatura del motor no es un factor que haya que tener en cuenta. Un analizador típico necesita algo de tiempo para que la frecuencia fundamental se estabilice y dar resultados coherentes. Por ello, solo puede medir un punto de funcionamiento cada 10 segundos, aproximadamente. La detección de ciclos digital permite realizar el cálculo cada medio ciclo. También es posible generar mapas avanzados de un motor a partir del ángulo y de algunas fórmulas avanzadas, para entender más a fondo sus características. A esta categoría pertenecen los mapas de pérdidas en el cobre y de pérdidas mecánicas en el hierro en función del par y la velocidad, o los mapas de trayectoria MTPA (par máximo por amperio), en los que se trazan las condiciones óptimas de funcionamiento como una función de las corrientes d y q.

Transformación de Clarke (vectores espaciales)

El sistema también permite acelerar transformaciones de Clarke, también llamadas vectores espaciales. Los vectores espaciales que representan las tres entidades a, b y c de un sistema trifásico se pueden convertir en dos entidades lineales independientes α y β, que representan el par generado y el flujo magnético. La representación de las formas de onda iα e iβ en un gráfico XY muestra fácilmente cualquier desequilibrio del sistema, así como el comportamiento de control.

Transformación de Park (dq0)

La transformación de Park o dq0 permite verificar con facilidad los algoritmos de control. Con frecuencia, se necesitan muchas horas —a veces días— para calcularla con un analizador típico. Sin embargo, el nuevo método de pruebas puede calcular y presentar resultados de forma inmediata, en lo que supone un enorme ahorro de tiempo y dinero. Las formas de onda resultantes id e iq representan los componentes de la corriente correspondientes al par y al flujo. El componente 0 (cero) es una métrica de la simetría y el equilibrio del sistema. En un motor perfectamente equilibrado, el componente 0 (cero) tiene el valor cero. Esta operación ayuda a verificar los algoritmos de control. Los inversores toman decisiones basándose en los resultados de id e iq; la electrónica del inversor convierte esos resultados en tensiones y corrientes que envía al motor, y que se miden con una herramienta de comprobación. Esta información ayuda a los ingenieros a cargo del algoritmo del inversor a entender lo que envían al motor y lo que el motor hace con ello. A partir de ahí, pueden mejorar el algoritmo para tratar de obtener mejores resultados, mejorando de este modo la eficiencia.

Conclusión

El nuevo método de pruebas que se describe en este artículo constituye una herramienta revolucionaria que ofrece ahorros muy importantes de tiempo y costes. Al mismo tiempo, mejora la capacidad para llevar a cabo toda clase de análisis rápidos en motores eléctricos, inversores y cadenas cinemáticas eléctricas en cuestión de segundos, en lugar de horas o días. El método abre la puerta a un desarrollo más rápido de motores eléctricos, inversores y cadenas cinemáticas más eficientes. Y, por tanto, a mejoras en la productividad, la capacidad y la I+D en toda clase de aplicaciones que incorporen una máquina eléctrica que se accione a través de un inversor o que contenga un variador de velocidad.

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