Pruebas de eficiencia de máquinas eléctricas e inversores, desde la perspectiva del usuario

Siempre que se diseña un sistema de accionamiento con un motor eléctrico hay tres elementos imprescindibles, sea cual sea la aplicación:

una fuente de alimentación
un convertidor de potencia y
un motor.

Con frecuencia, esos elementos toman la forma de una batería que actúa como un bus de CC —es decir, un inversor que transforma corriente continua en alterna— y un motor que emplea potencia de alterna para transformar energía eléctrica en potencia mecánica. En ocasiones, a este proceso se le llama conversión electromecánica.

¿Qué es lo que quieren conseguir 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. Si queremos unas prestaciones óptimas, el inversor, el control y el motor deben trabajar con una buena sintonía entre sí. Sin embargo, estos elementos se suelen desarrollar por separado, lo cual da lugar a situaciones en las que, por ejemplo, el motor es muy eficiente pero el inversor no lo es tanto. 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. Así, puede interesar que el motor sea un poco menos eficiente, si con ello mejora la eficiencia de la transmisión del motor.

En este artículo, Mitchell Marks explica los fundamentos y requisitos de las pruebas de máquinas eléctricas e inversores. Lo que más le gusta de esta aplicación:

"A pesar de que no teníamos capacidad real para controlarlos, los motores han dominado el mundo industrial durante cien años porque eran limpios y fiables. Solo había que ponerlos en marcha y dejarlos funcionar. Ahora que podemos controlarlos, los estamos integrando en todas partes, desde teléfonos móviles a submarinos. Con tantas aplicaciones, el trabajo siempre es distinto y no hay dos días iguales."

¿Qué ocurre con la fuente 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. La alimentación que proporciona este bus de CC puede elevarse o reducirse empleando un convertidor CC-CC alimentado por un inversor. El convertidor CC-CC también puede incorporarse a un sistema de batería para ajustar el bus de CC hasta un nivel adecuado para el 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 obstante, no son muchos los usuarios que se decantan por tensiones más altas, porque trabajar con un potencial de corriente continua tan alto resulta más complicado.

Electric motor system setup — Configuración típica de un sistema de motor eléctrico.

El papel del inversor

El inversor es una parte muy importante del sistema, porque es donde se produce toda la conversión de potencia y el control. Un inversor típico tiene seis interruptores (para funcionamiento trifásico), que se abren y cierran según una secuencia específica, para generar corriente alterna. 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. En general, se utilizan interruptores IGBT o MOSFET. La elección de un tipo u otro viene determinada por el nivel de corriente. Los MOSFET se suelen emplear con potencias bajas, mientras que los IGTB están indicados para potencias más altas. Las frecuencias más altas permiten utilizar dispositivos pasivos más pequeños y aplicar un mayor grado de control. Por este motivo, se han destinado grandes inversiones a los equipos con amplio intervalo de banda, consistentes sobre todo en 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.

Schematic drawing of power supply - inverter - motor

Cómo aplicar un control

El control es una de esas cosas sobre las que nadie quiere dar muchos detalles. Es un software, así que es fácil mantenerlo bajo siete llaves. El controlador se fija en el par y la velocidad y, con esa información, determina la frecuencia de conmutación, el método de modulación de duración de impulsos (MDI) y el modo en que se optimiza 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).

Hicieron falta unos cincuenta años para desarrollar las matemáticas necesarias para controlar y entender la máquina de inducción. ¡Es increíble que hayamos estado utilizando esta máquina cincuenta años antes de entenderla!

Hay que validar los modelos

Todo el mundo utiliza modelos por ordenador antes de hacer nada. 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. Este campo —la validación de modelos— es un segmento de aplicación para nuestros productos.

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.

La libertad está en la topología y en los pequeños detalles, de acuerdo con el método de control que se desee utilizar. También es posible una cierta diferenciación en aspectos como la refrigeración y el devanado del motor. 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. Son los que mejor entendemos y resultan totalmente fiables en la industria. Su punto débil es que requieren que el campo sea excitado, lo cual redunda en 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.

Estos motores necesitan un inversor y requieren mucha refrigeración y atención, sobre todo cuando trabajan en distintos modos. 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. En una máquina de inducción o de imanes permanentes, el campo puede atenuarse inyectando corriente en el eje q. El control FOC exige disponer de cantidades de corriente controladas en el eje q (para controlar el par) y en el eje d (para controlar el campo del rotor). Por eso, muchos grupos tienen interés en monitorizar las gráficas 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. Debido a la simplicidad de su construcción, resultan muy útiles en una serie de aplicaciones. Sin embargo, tienen el inconveniente de que generan gran cantidad de ruido y vibraciones. 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 tanto, es muy importante mantener refrigerados los devanados y los interruptores. 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. Los valores se registran o se envían a un sistema de control, que apaga el motor cuando es preciso. 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.

Aumento de la eficiencia

La mejor manera de medir muchos de los aspectos anteriores consiste en elaborar mapas de eficiencia y en efectuar pruebas dinamométricas. A todo el mundo le interesa incrementar la eficiencia de sus sistemas. Para ello, es importante disponer de datos en bruto porque, si algo va mal, se puede hacer referencia a pruebas anteriores y realizar análisis en profundidad empleando programas de posprocesamiento como MATLAB. Asimismo, los datos en bruto son esenciales para las pruebas dinámicas. 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.

Al principio de un ensayo se utiliza una tensión definida, suministrada por un bus de CC, seguida de una velocidad definida.

A continuación, la máquina se carga con un par definido. 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 el sistema de pruebas eDrive de HBM ahorra un tiempo considerable a los clientes, porque adquirir puntos de medición cada x ciclos —en lugar de cada x segundos— deja menos tiempo a la máquina para calentarse.

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.