Medições de potência precisas e altamente dinâmicas

A avaliação e o teste de motores elétricos juntamente com as estratégias correspondentes de controle em aplicações industriais e de mobilidade elétrica necessitam de medições precisas e altamente dinâmicas. O sistema elétrico nestes campos de aplicação normalmente consiste de um inversor de dois níveis, um motor elétrico de três fase e o fornecimento de energia correspondente.

Neste artigo, a topologia do inversor duplo de dois níveis (DTLI - dual two-level inverter) é apresentada pela primeira vez em profundidade. Em seguida, uma apresentação da aquisição de variáveis mecânicas e elétricas com o sistema de aquisição de dados GEN3i e o cálculo de valores de potência em tempo real.

Os autores

Simon Wolfstädter, M.Eng., Thomas Kowalski, M.Eng., Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter, Universidade de Ciências Aplicadas de Aschaffenburg, Dipl.Ing. Klaus Lang, HBM

Inversor Duplo de Dois Níveis

Topologia do DTLI com barramentos DC separados.

A topologia do inversor duplo de dois níveis consiste em dois inversores individuais de dois níveis. Os fios de enrolamento do motor elétrico são conectados entre os dois inversores. O motor elétrico é assim alimentado por tensões de seis fases. A figura 1 mostra a topologia do DTLI com barramentos DC separados. Os dois inversores são alimentados por duas fontes de tensão DC, que também são separadas.

Algumas vantagens desta topologia DTLI incluem desempenho melhorado livre de falhas, tensão do barramento DC reduzida (com a mesma necessidade de potência para o motor) e também o maior número de níveis de tensão em comparação com a aplicação do inversor simples de dois níveis (1).

Ao mesmo tempo, a topologia torna possível distribuir a energia elétrica absorvida ou fornecida pela máquina elétrica para os dois inversores ou para as fontes de energia conectados a eles. A figura 2 mostra as possíveis direções do fluxo de energia dentro do sistema. Estas direções não são apenas entre o inversor e os motores elétricos, mas também entre os dois inversores. Isso significa que é possível trocar energia entre as duas fontes de energia através do enrolamento do motor.

Fig. 2: Direções do fluxo de energia dentro do sistema.

Banco de teste e aquisição de medição

A aquisição metrológica e a análise de grandezas elétricas e mecânicas presentes no sistema necessitam de um grande número de pontos de medição.

Além das grandezas mecânicas, como velocidade rotacional, torque e ângulo de rotação, são necessários valores elétricos relevantes medidos de tensões de fase / correntes, tensão de corrente contínua e correntes para avaliar comportamento operacional dinâmico e estático.

A figura 3 mostra no formato de diagrama de medição a aquisição das grandezas de sistema que são enviadas ao gravador de dados GEN3i.

Fig. 3: Grandezas medidas de sistema.

O banco de teste e o sistema de aquisição são estruturados da seguinte forma:

  • O motor que está sendo testado é um motor síncrono de imã permanente (PSM - permanent magnet synchronous machine), alimentado pelo DTLI. Cada inversor é alimentado por uma bateria de lítio. A posição do rotor é calculada através de um resolver;
  • Os parâmetros operacionais são atrabuídos por uma interface CAN;
  • O dinamômetro é um motor síncrono de imãs permanentes controlado por velocidade e alimentado por um inversor separado. O inversor é operado por um dispositivo de alimentação localizado diretamente na rede elétrica. A velocidade rotacional é medida por um encoder incremental;
  • As correntes de fase são medidas com transformadores de corrente de alta precisão tipo LEM IT 400 S. Os shunts de medição são os HBR 2,5 de alta precisão posicionais diretamente na entrada do canal relevante do GEN3i;
  • As tensões de fase dos dois inversores são medidos contra uma estrela artificial, também diretamente no GEN3i;
  • As tensões da bateria são adquiridas diretamente pelos canais de alta tensão do GEN3i;
  • As grandezas mecânicas para torque e posição do rotor são disponibilizadas por um sensor de torque T12 da HBM. É conectado com o GEN3i através do adaptador IO para Txx.

A figura 4 mostra o motor sendo testado com a conexão de dois lados dos enrolamentos. Também é visível o sensor de torque, o transformador de corrente e a tomada de medição para as tensões de fase. A figura 5 mostra uma das duas baterias de lítio para alimentar os inversores. A figura 7 mostra os canais de entrada do GEN3i com os shunts para medição de corrente e as estrelas artificiais.

Fig. 4: Banco de teste de motor com sensor de torque T12, transformador de corrente e transformador de potencial.
Fig. 5: Bateria de lítio para alimentar o inversor.
Fig. 6: GEN3i, PC para parametrização, transformador de corrente e adaptador IO para Txx.
Fig. 7: Faixa de entrada do GEN3i com shunts de medição e estrelas artificiais.

Cálculo de potência em tempo real

Os dados brutos medidos podem ser usados para determinar as potências individuais do sistema (2)(3). As grandezas de fase são usadas para calcular as potências instantâneas dos inversores no lado da saída:

Devido à direção da seta de contagem para o segundo inversor, tensões negativas de fase contribuem para a saída positiva de energia:

As potências efetivas são determinadas pela média do período de oscilação fundamental T da corrente de fase:

A potência efetiva dos dois inversores no lado da saída é determinada de maneira similar:

A potência instantânea do motor elétrico pode ser representada como a diferença de tensão entre as respectivas tensões de fase multiplicada pela corrente de fase:

Ou também como a soma da energia dos dois inversores:

A potência mecânica no eixo do motor é calculada considerando o torque M e a velocidade rotacional n:

Usando a eficiência do inversor, as grandezas do lado da tensão alternada podem ser convertidas para o lado da tensão contínua:

Se a eficiência é conhecida e a corrente da bateria é constante, a corrente da bateria relevante pode ser determinada da seguinte forma:

Resultados da medição

As medições e os métodos de cálculo descritos nos tópicos anteriores foram aplicados em um ensaio de uma máquina com as seguintes características: tensão de fase nominal: 270V; corrente nominal: 150A; torque nominal:  190Nm; velocidade rotacional nominal: 1500rpm; número de pares de pólos: 2.

Os dois inversores IGBT do DTLI estão sincronizados, cada um a uma frequência de comutação de 8kHz. Os dois inversores são alimentados por bancos de baterias de lítio com uma tensão nominal de 210V cada. Duas séries de testes para determinar o comportamento operacional do DTLI e do motor elétrico são descritas abaixo como exemplos.

(A) Distribuição de energia para os dois inversores de dois níveis

Durante a medição, o dinamômetro é operado com controle de velocidade a uma constante de 750rpm. O motor testado é, inicialmente, alimentado simetricamente (PAC,1 = PAC,2) pelo inversor duplo de dois níveis e, então, assimetricamente (PAC,1 ≠ PAC,2). O torque do motor é 120Nm. A figura 8 mostra as potências do sistema P calculadas pelo GEN3i. São mostradas as potências de entrada e de saída dos inversores, bem como a saída elétrica e mecânica total. Você pode observar, por exemplo, que a variação na distribuição da energia afeta apenas as potências dos dois primeiros inversores e não a potência do motor que é entregue.

(B) Troca de energia entre os inversores de dois níveis

Partindo de um fornecimento simétrico de energia com o mesmo ponto de operações do motor como em (A), a troca de energia começa entre os dois inversores e as baterias de lítio. Para a bateria 2, uma corrente de carga inicial de 20A é atribuída e depois, 30A e 15A  (fig. 10). A figura 9 mostra as potências do sistema P calculadas pelo GEN3i. O fornecimento de energia simétrico inicial para os dois inversores são substituídos pela troca de energia no momento t =aprox. 4,3seg. O inversor 1 então retorna a energia necessária pelo motor elétrico, bem como a energia necessária para carregar a bateria 2.

Fig. 8: Determinação da potência do sistema (A)
Fig. 9: Determinação da potência do sistema (B)
Fig. 10: Correntes medidas de bateria (B)

Cálculo em tempo real e pós-processamento

As curvas de potência efetiva na figura 11 mostram a entrada e saída de potência do inversor 1, bem como a potência mecânica e um comparativo dos dois métodos de cálculo em tempo real e m pós-processamento da medição descrita no tópico 4 (A). Ambos os métodos retornam os mesmos resultados.

Fig. 11: Curvas de potência efetiva calculadas no processo de pós-processamento e em tempo real

Fórmulas para cálculo de pós-processamento

A figura 12 mostra uma amostra da formula sheet que é usada no Perception. Os cálculos dos dois dispositivos de armazenamento de energia e a potência de saída do inversor 1 são mostradas aqui como valores representativos.

Fig. 12: Amostra das fórmulas de pós-processamento

Fórmulas para cálculo em tempo real

A realização do cálculo de potência em tempo real é ilustrada na figura 13.

As potências efetivas de entrada e de saída do inversor 1 também são mostradas aqui como valores representativos. Observe que há algumas diferenças na sintaxe entre o cálculo de pós-processamento e em tempo real.

Fig. 13: Resumo das fórmulas em tempo real

Referências

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

Operation of a Dual Two-Level Inverter with Power Balancing Capability. In: Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, 2006, 603–610

[2] Teigelkötter J.: Energieeffiziente elektrische Antriebe [Energy-Efficient Electrical Drives], 1st edition, Springer Vieweg Verlag, 2013

[3] Berechnung von Leistungsgrößen mit Perception-Software [Calculating Power Values with Perception Software]: www.hbm.com/en/3783/calculating-power-quantities-with-perception-software/