Aumentate la produttività dei test su motori e trasmissione, la capacità e l’analisi dei dati

Valutare l’efficienza del motore è diventato estremamente importante, in quanto esiste un’attenzione sempre maggiore sull’efficienza di macchine e motori elettrici. Il problema principale è come applicare una procedura accelerata che possa consentire di raggiungere l’efficienza del motore o della trasmissione per tutti i punti di funzionamento in modo sicuro, preciso e rapido. I metodi di prova ordinari, che impiegano un tipico analizzatore di potenza, offrono risultati numerici inadeguati. Per andare oltre i risultati numerici, tutti i segnali elettrici, meccanici e fisici devono essere acquisiti simultaneamente ad elevate frequenze di campionamento insieme ad un’analisi avanzata personalizzata in tempo reale e un trasferimento dati rapido verso i sistemi di automazione, in modo da rendere possibile in modo rapido e preciso una mappatura efficiente di motori e trasmissioni elettrici, oltre a qualsiasi altro tipo di analisi avanzata.

Metodo di prova tradizionale vs. nuovo

La trasmissione elettrica e i segnali correlati

Le trasmissioni elettriche sono usate in una vasta serie di applicazioni, tra cui veicoli elettrici, motori delle navi, treni ad alta velocità, trasmissioni elettriche e attuatori di aerei, carrelli elevatori, apparecchi motorizzati ed energia eolica, praticamente ogni macchina elettrica azionata da inverter o che contenga una trasmissione a velocità variabile. La soluzione consiste nel progettare e testare la massima efficienza su tutti i punti operativi della trasmissione con sicurezza, precisione e rapidità. Ciò comprende l’ottimizzazione di inverter, motore o macchina elettrica, corrispondenza tra inverter e motore e strategia di propulsione, come in figura 1.

Quanto migliore è l’abbinamento tra inverter e motore tanto maggiore sarà l’efficienza. Per migliorare l’abbinamento inverter-motore, il motore deve essere accuratamente sintonizzato con l’inverter e talvolta potrebbero essere necessari ritocchi dell’algoritmo dell’inverter per azionare il motore con maggiore efficienza. Questo è possibile soltanto analizzando i dati grezzi su tutti i punti di misura nella trasmissione.

Le trasmissioni elettriche contengono molti segnali che devono essere registrati per essere analizzati e migliorare l'efficienza. Con riferimento alla figura 2, i segnali comprendono una tensione della batteria fino a 1000 Volt e correnti fino a qualche centinaia di Amp. Gli inverter producono tensionicon modulazione di larghezza di impulso fino a +/-1000 Volt, spesso in 3 o più fas e correnti fino a qualche centinaia di Amp. Un torsiometro può registrare la coppia e la velocità del motore, oltre che la posizione per un’analisi avanzata. Misurare ciascuna di queste tensioni e correnti consente di eseguire calcoli della potenza elettrica dalle batterie, corrente elettrica dall’inverter e potenza meccanica dal motore. Calcolando i rapporti si produce l’efficienza dell’inverter di frequenza, del motore e dell’intera trasmissione elettrica.

Metodo di prova tipico

Solitamente, i segnali lungo la trasmissione sono misurati con la configurazione in figura 3.

La tensione e la corrente della batteria sono misurate attraverso un multimetro digitale, l’uscita dell’inverter spesso è misurata con un analizzatore di potenza tradizionale e per visualizzare i segnali qualche volta è utilizzato un telescopio. Per misurare la resa della macchina, si utilizzano un sensore di coppia e alcuni tipi di sistema di acquisizione dati. Purtroppo questa configurazione presenta diversi problemi:

  1. Non esiste sincronizzazione temporale tra tutti i sistemi di registrazione; pertanto, è difficile o quasi impossibile fare confronti tra i segnali meccanici (coppia/velocità) ed elettrici (voltaggio/corrente) nello stesso momento.
  2. Non sono disponibili dati grezzi, pertanto non è possibile eseguire un’analisi avanzata.
  3. I tipici analizzatori di potenza offrono soltanto pochi calcoli al secondo, non sufficienti per il feedback sui sistemi di automazione/controllo.
  4. I misuratori di potenza non sono affidabili durante i cambiamenti del carico dinamico, un’area che richiede ulteriori test e analisi.
  5. Non è possibile verificare i risultati perché non ci sono dati grezzi, per cui in caso di dubbi occorre ripetere i test.

Di conseguenza, occorre fare diverse supposizioni su problemi ed errori ed effettuare modifiche sulla base di queste supposizioni per poi ripetere i test è una procedura lunga e piuttosto costosa.

Nuovo metodo di prova

La figura 4 delinea la soluzione di prova edrive di HBM, uno strumento rivoluzionario che supera i limiti del tipico metodo di prova che impiega un analizzatore di potenza con acquisizione dati ad alta velocità. Alcuni vantaggi di questa soluzione sono::

  1. Registra in modo sincrono tutti i segnali della trasmissione in modo da confrontare con precisione le tracce meccaniche ed elettriche per testare macchine a 3, 6 o 12 fasi e acquisire più segnali, come CAN, temperatura, vibrazioni e deformazione
  2. L’analisi avanzata in tempo reale, come la mappatura del motore, consente di ottenere risultati immediati dopo ore o giorni
  3. Trasferimento di risultati calcolati in tempo reale ai sistemi di automazione tramite EtherCAT a 1000 risultati al secondo
  4. Eseguire calcoli di potenza in tempo reale per metà ciclo anche durante i cambi di carico dinamici, l'avviamento o il rallentamento
  5. È possibile verificare i risultati perché sono disponibili i dati grezzi, per cui in caso di dubbi non è necessario ripetere i test.

Metodi per collegare i segnali

Per raggiungere la massima efficienza della trasmissione è necessaria la massima precisione di misura. Troviamo il metodo più auspicabile e preciso per ogni tipo di segnale.

Misurazioni della corrente

Nella maggior parte dei casi, il numero di errori più alto si verifica in fase di misurazione della corrente. Per questo motivo è molto importante investire in un metodo preciso per misurare la corrente e ottenere una maggiore efficienza nei calcoli. Le pinze amperometriche offrono una precisione limitata, nel migliore dei casi pari a +/-1%. I trasformatori di corrente offrono una maggiore precisione, attorno a +/-0.02% o più precisa ancora.

Misurazioni della tensione

Esistono diversi metodi per misurare le alte tensioni; tuttavia, il fattore più importante dovrebbe essere la sicurezza, seguita dalla precisione. Nonostante un amplificatore di isolamento spesso comporti costi maggiori, è comunque il metodo più sicuro per misurare le alte tensioni sia per l’utente che per l’apparecchiatura. Inoltre, un amplificatore di isolamento offre una maggiore precisione, tipicamente +/-0.02%. Con altri metodi la precisione raggiunta è inferiore, talvolta con compromessi in termini di sicurezza, compresi i trasduttori di tensione o i trasformatori, con circa +/-1% di precisione o sonde differenziali attive, con circa +/-2% di precisione.

Misurazione di coppia, velocità e angolazione

Per misurare coppia, velocità e angolazione, occorre usare un torsiometro altamente preciso e altamente dinamico con una precisione pari ad almeno lo 0,05% fino a 0,01%. Tutti i segnali dal torsiometro dovranno essere collegati digitalmente per eliminare i disturbi dall’ambiente ostile della cella di prova.

Risultati sulla potenza e rapida analisi avanzata

Rilevamento del ciclo

Per calcolare correttamente qualsiasi risultato di potenza, l’analizzatore deve individuare i “cicli” del segnale in entrata. Con algoritmi avanzati, i cicli possono essere facilmente rilevati e visualizzati come illustrato in Figura 8. I tipici analizzatori di potenza utilizzano un PLL, che ha problemi durante i cambiamenti del carico dinamico. Il rilevamento del ciclo digitale consente le misurazioni durante l’avviamento, il rallentamento o eventuali cambiamenti di carico.

La figura 9 illustra le forme d’onda contenenti diversi cambiamenti del carico dinamico, visti come collinette. Questo succede quando si applicano un freno o uncarico alla trasmissione. Visualizzare questi risultati delle forme d’onda con i dati grezzi consente di effettuare un’ulteriore analisi delle caratteristiche  dell’inverter.

Analisi avanzata

Il fatto di avere tutti i dati grezzi disponibili consente all’utente di creare una formula personalizzata avanzata, che può essere calcolata, visualizzata e inserita in un sistema automatizzato in tempo reale. Il sistema può anche essere facilmente adattato a molteplici applicazioni che un analizzatore tradizionale non è in grado di risolvere, tra cui: motori multifase, trasmissioni ibride e inverter multilivello.

Mappatura dell’efficienza della macchina accelerata

La mappatura dell’efficienza della macchina può essere eseguita 100 volte più velocemente, in circa 100 secondi con 1000 set point, contrariamente alle 3 ore circa necessarie con un analizzatore tradizionale: un gran risparmio di tempo e denaro, come illustrato in figura 10. Eseguire il test entro 100 secondi consente anche di eliminare la temperatura motore come fattore. Un tipico analizzatore ha bisogno di un certo tempo per assestarsi sulla frequenza fondamentale mutevole per fornire risultati affidabili, pertanto è possibile impostare soltanto un set point ogni 10 secondi circa. Usando il rilevamento di ciclo digitale è possibile effettuare calcoli ogni metà ciclo. È anche possibile creare mappe avanzate del motore con l’angolazione della macchina e alcune formule avanzate per comprendere meglio le caratteristiche della macchina, tra cui le mappe di perdita del rame e le mappe delle perdite di ferro e meccaniche come funzione di coppia e velocità, più una mappa della traiettoria, chiamata MTPA (dall’inglese “max torque per amp”, “coppia massima per amp”), in cui le condizioni di lavoro migliori della macchina vengono rappresentate come funzione delle correnti d e q.

Trasformazione Clarke (vettore spaziale)

È anche possibile accelerare la trasformazione Clarke o trasformazione del vettore spaziale. I vettori spaziali che rappresentano le tre entità a, b, c di un sistema trifase possono essere convertite in due entità lineari indipendenti α e β che rappresentano la coppia generata e il flusso magnetico. Visualizzare le due forme d’onda iα e iβ come traccia XY consente di rilevare facilmente qualsiasi squilibrio del sistema e il comportamento di controllo.

Trasformazione Park (dq0)

La trasformazione Park o dq0 verifica facilmente gli algoritmi di controllo e spesso richiede diverse ore, a volte giorni, di calcolo quando si usa un analizzatore tipico. Ora però il nuovo metodo di prova è in grado di calcolare e visualizzare i risultati dei test immediatamente, con un risparmio enorme di tempo e denaro. Le forme d’onda id e iq derivanti rappresentano gli attuali componenti di corrente per coppia e flusso. Il componente 0 (zero) è una misura della simmetria e del bilanciamento del sistema. Se il motore è completamente bilanciato, il componente 0 (zero) è zero. Questo semplifica la verifica degli algoritmi di controllo perché gli inverter prendono decisioni sulla base dei risultati id e iq e l’elettronica dell’inverter converte questi in tensioni e correnti inviati al motore misurato dallo strumento di prova. Gli ingegneri che si occupano dell’algoritmo dell’inverter riescono così a comprendere che cosa hanno inviato al motore e che cosa ha fatto realmente il motore. Ora possono migliorare l'algoritmo provando a raggiungere risultati migliori e aumentando l’efficienza.

Conclusione

Il nuovo metodo di prova dell’efficienza descritto individua uno strumento rivoluzionario che consente di risparmiare in modo significativo tempo e denaro, accelerando sensibilmente la capacità di analizzare i motori elettrici, gli inverter e le trasmissioni con qualunque tipo di rapida analisi in pochi secondi, anziché per ore o giorni. Di conseguenza, è possibile aprire la strada a motori elettrici ancora più efficienti, inverter e trasmissioni a tutta velocità, incrementando la produttività, la capacità e la ricerca e sviluppo in tutte le applicazioni che comprendano macchine elettriche alimentate da inverter o che contengano una trasmissione a velocità variabile.

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