Produtividade, Capacidade e Análise de Dados em Motores Propulsores e Testes de Acionamento

Avaliar a eficiência do motor se tornou extremamente importante, uma vez que esforços significativos estão focados em tornar equipamentos e motores elétricos mais eficientes. A principal questão é como implementar um procedimento acelerado que obtenha a eficiência do motor para todos os pontos de operação com segurança, precisão e rapidez. Métodos comuns de teste usando um analisador de potência típico oferecem resultados numéricos inadequados. Para ir além destes resultados, todos os sinais elétricos, mecânicos e físicos devem ser adquiridos simultaneamente em altas taxas de amostragem, juntamente com a análise avançada personalizada em tempo real e rápida transferência de dados ara sistemas de automação, tornando possível o mapeamento preciso e rápido do desempenho de motores elétricos, bem como quase todos os tipos de análises avançadas.

Método de Teste Típico vs. Novo Método

O Sistema de Acionamento Elétrico e os Sinais Relacionados

Motores elétricos são usados em uma ampla variedade de aplicações, incluindo veículos elétricos, motores de navios, trens de alta velocidade, trens de pouso e atuadores elétricos de aviões, empilhadeiras, aparelhos motorizados e energia eólica: basicamente todos os equipamentos elétricos que são comandados por inversor ou possuem motor de velocidade variável. A chave é projetar e testar para eficiência máxima em todos os pontos de operação do motor de acionamento de forma segura, precisa e rápida. Isso inclui a otimização do inversor, o motor ou equipamento elétricos, a correspondência entre o inversor e a estratégia de acionamento do motor, conforme Fig. 1.

Quanto melhor o inversor e o motor forem combinados, mais alta será sua eficiência. Para aumentar a combinação inversor-motor, o motor precisa ser cuidadosamente caracterizado com o inversor e, às vezes, o inversor pode precisar de melhorias no algoritmo para impulsionar o motor de forma mais eficiente. Isso só pode ser feitos pela análise de dados brutos em todos os pontos de operação do motor de acionamento.

Motores de acionamento elétrico contêm muitos sinais que precisam ser gravados para analisar e aumentar a eficiência. Com referência à fig. 2, os sinais incluem tensões de bateria de até 1.000 Volts e correntes de até 100 Amps. Inversores produzem tensões moduladas em largura de pulso de até ±1.000 Volts, geralmente em 3 fases (às vezes mais) e correntes de até algumas centenas de ampères. Um sensor de torque pode gravar o torque e a velocidade de um motor, bem como sua posição para análise avançada. Medindo cada uma destas tensões e correntes permite cálculos da potência elétrica das baterias, a potência elétrica do inversor e a potência mecânica do motor. O cálculo das relações produz a eficiência do inversor de frequência, motor e todo o acionamento elétrico.

Método Típico de Teste

Tradicionalmente, sinais ao longo do acionamento elétrico são medidos com a configuração apresentada na Fig. 3.

A tensão e a corrente da bateria são medidas via um multímetro digital, a saída do inversor é, muitas vezes, medida com um analisador de potência tradicional e para visualizar os sinais, muitas vezes é usado um escopo. Para medir a saída do equipamento, é usado um sensor de torque e algum tipo de sistema de aquisição de dados. Infelizmente, existem diversos problemas com esta configuração tradicional:

  1. Não há sincronização de tempo entre todos os sistemas de gravação. Portanto, é difícil ou quase impossível realizar comparações entre os sinais mecânicos (torque / velocidade) e elétricos (tensão / corrente) no mesmo ponto no tempo;
  2. Não há dados brutos disponíveis. Portanto, nenhuma análise avançada pode ser realizada;
  3. Analisadores típicos de potência apenas oferecem alguns cálculos por segundo, mas não é o suficiente para comentários sobre sistemas de automação / controle;
  4. Medidores de potência não são confiáveis durante mudanças de carga dinâmica, uma área que precisa de mais testes e análises;
  5. Não é possível a verificação dos resultados porque nenhum dado bruto está disponível, necessitando refazer o teste se houver alguma dúvida.

Como resultado, é preciso fazer várias suposições sobre os problemas e erros, fazer mudanças baseadas nestes pressupostos e então, repetir, o que é demorado e bastante caro.

Novo Método de Teste

A figura 4 descreve a solução eDrive Testing da HBM, uma ferramenta revolucionária que supera as limitações do método típico de teste usando um analisador de potência de alta velocidade. As vantagens incluem:

  1. Gravação sincronizada de todos os sinais do motor para que os traços mecânicos e elétricos possam ser comparados com precisão mais equipamentos de teste com 3, 6 ou 12 fases e aquisição de mais sinais como CAN, temperatura, vibração e deformação;
  2. Análise avançada em tempo real, como mapeamento do motor, permite resultados instantâneos em vez de horas ou dias;
  3. Resultados de transferência em tempo real calculados para sistemas automatizados via EtherCART a 1.000 resultados por segundo;
  4. Realização de cálculos de potência em tempo real por meio ciclo, mesmo durante mudanças de carga dinâmica, partida ou desaceleração;
  5. É possível a verificação dos resultados a qualquer tempo, porque os dados brutos estão disponíveis, então não é necessário refazer testes se houver alguma dúvida.

Métodos para Conexão de Sinais

Atingir a mais alta eficiência do sistema de acionamento requer a mais alta precisão de medição. Vamos identificar o método mais ideal e preciso para cada tipo de sinal.

Medições de Corrente

Na maioria das vezes, as medições de corrente têm a maior quantidade de erros. Portanto, é muito importante investir em um método preciso para medir corrente para obter cálculos mais eficientes. Alicates de corrente apenas oferecem baixa precisão: muitas vezes, ±1% na melhor das hipóteses. Transformadores de corrente oferecem maior precisão: muitas vezes ±0,02% ou melhor.

Medições de Tensão

Existem diversos métodos para medir altas tensões. Entretanto, o fator mais importante deve ser a segurança seguida pela precisão.  Embora um amplificador de isolamento muitas vezes seja caro, é o métodos mais seguro para medição de altas tensões, tanto para o usuário quanto para o equipamento. Além disso, um amplificador de isolamento oferece maior precisão, geralmente de ±0,02%. Outros métodos apenas oferecem baixar precisão e, em algumas vezes, comprometem a segurança, incluindo sensores ou transformadores de tensão com precisão aproximada de ±1% ou sondas diferenciais ativas com precisão aproximada de ±2%.

Medições de Torque, Velocidade e Ângulo

Para medir torque, velocidade e ângulo, um sensor de toque de alta precisão e alta faixa dinâmica deve ser usado com uma precisão mínima de 0,05% até 0,01%. Todos os sinais do sensor de torque devem ser conectados digitalmente para eliminar ruído do ambiente adverso da célula de teste.

Resultados de Potência e Análise Avançada

Detecção de Ciclos

Para calcular corretamente qualquer potência, o analisador precisa identificar os “ciclos” do sinal de entrada. Usando algoritmos avançados, os ciclos podem ser facilmente detectados e exibidos conforme mostrado na figura 8. Analisadores de potência típicos usam um PLL, que tem problema durante mudanças de carga dinâmica. A detecção digital de ciclo permite medições durante a partida, desaceleração ou qualquer mudança na carga.

A figura 9 ilustra formas de onda contendo diversas mudanças na carga dinâmica vistas como picos. Isso é quando um freio ou carga foi aplicado no motor. A visualização destes resultados  na forma de onda com os dados brutos permite análise mais profunda das características do inversor.

Análise Avançada

Possuir todos os dados brutos disponíveis permite ao usuário criar qualquer fórmula avançada personalizada, que pode ser calculada, exibida e transmitida para um sistema de automação em tempo real. O sistema também pode ser facilmente adaptado para uma ampla variedade de aplicações às quais analisadores tradicionais não são capazes de resolver, incluindo motores multi-fase, motores híbridos e inversores multi-nível.

Mapeamento Acelerado da Eficiência do Motor

Mapeamento da eficiência do motor pode ser realizado 100 vezes mais rápido, em aproximadamente 100 segundos usando 1000 pontos ao invés de quase 3 horas com um analisador tradicional: uma ampla economia de tempo e custos, conforme visto na figura 10. Testes dentro de 100 segundos também elimina a variação de temperatura do motor como um fator. Um analisador típico precisa de bastante tempo para estabilizar após a mudança da frequência fundamental a fim de fornecer resultados estáveis. Portanto, apenas um set point pode ser alcançado a cada 10 segundos. Usar a detecção digital de ciclo permite que o cálculo seja realizado a cada meio ciclo. Mapas avançados do motor também podem ser criados usando o ângulo do equipamento e algumas fórmulas avançadas para entender melhor as características do equipamento, incluindo mapas com a perda de cobre e com perdas mecânica de ferro em função do torque e da velocidade, além de um mapa de trajetória chamado MTPA (máximo torque por amperagem), onde as melhores condições de trabalho do equipamento são desenhadas como uma função das correntes d- e q-.

Transformação de Clarke (Vetores Espaciais)

Transformação de Clarke ou Vetores Espaciais também pode ser acelerada. Vetores Espaciais representando as três entidades a, b e c em um sistema trifásico podem ser convertidos em duas entidades lineares e independentes α e β, representando o torque gerado e o fluxo magnético. A exibição dos dois formatos de onda iα e iβ em um gráfico XY mostra facilmente qualquer desequilíbrio do sistema e o comportamento do controle.

Transformação Park (dq0)

Transformação Park ou dq0 verifica facilmente os algoritmos de controle e, muitas vezes, leva horas ou até mesmo dias para calcular usando um analisador comum. Entretanto, o novo método de teste pode calcular e exibir os resultados imediatamente, oferecendo uma grande economia tanto de tempo quanto de dinheiro. As formas de onda resultantes id e iq representam as componentes atuais para torque e fluxo. O componente 0 (zero) é uma medição da simetria e balanceamento do sistema. Se o motor estiver totalmente balanceado o componente 0 será igual a zero. Isso torna mais fácil verificar os algoritmos de controle porque os inversores tomam decisões baseados nos resultados id e iq e os componentes eletrônicos do inversor os convertem em tensão e corrente enviadas para o motor que a ferramenta de teste mediu. Isso ajuda os engenheiros de algoritmo do inversor a entender o que foi enviado ao motor e o que o motor realmente fez. Agora eles podem melhorar os algoritmos, tentando atingir melhores resultados, melhorando assim a eficiência.

Conclusão

O novo método de teste de eficiência descrito anteriormente mostra-se como uma ferramenta revolucionária, oferecendo economias significativas de tempo e custos, enquanto acelera a capacidade de analisar motores elétricos, inversores e sistemas de acionamento com qualquer tipo de análise em questão de segundos, ao invés de horas ou dias. Como resultado, isso torna possível abrir caminhos para motores elétricos ainda mais eficientes, inversores e sistemas de acionamento a um ritmo rápido, aumentando assim a produtividade, capacidade e pesquisa e desenvolvimento em cada aplicação que incorpora um motor elétrico que é acionado por inversos ou contém uma velocidade variável.

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