Teste Eficiente de Motores e Inversores Elétricos Descrito a Partir da Perspectiva de Um Usuário

Quando se projeta um sistema de acionamento de um motor elétrico, independente de sua aplicação, existem três elementos:

  • a fonte de energia
  • o conversor de energia
  • o motor

Muitas vezes, estes elementos vêm no formato de uma bateria atuando como um barramento DC - um inversor que converte energia contínua em alternada - e um motor que usa a energia alternada para converter energia elétrica em potência mecânica. Isso é, muitas vezes, citado como conversão de potência eletromecânica.

O que os engenheiros estão tentando realizar?

Ao projetar estes sistemas, os engenheiros tentam maximizar a eficiência em um ciclo de acionamento. Eles fazem isso maximizando o torque por ampére por quantos pontos forem possíveis. Isso é feito, às vezes, com projeto mais inteligente de motores e, outras vezes, implementando a técnica de controle mais apropriada. O inversor, o controle e o motor precisam estar ajustados para maximizar este objetivo, porém são tipicamente desenvolvidos separadamente. Isso leva a problemas como, por exemplo, um motor muito eficiente juntamente com um inversor pouco eficiente. Isso levou os engenheiros de sistemas de conversão a tentar maximizar o Fator de Potência ao longo do sistema. Um motor ligeiramente menos eficiente pode valer a pena, se aumentar a eficiência do drive como um todo.

E quanto às fontes de alimentação?

As fontes de alimentação para estas aplicações são quase sempre uma bateria, mas às vezes, pode haver um sistema retificador de uma rede elétrica para criar um barramento DC. Este barramento DC pode ser aumentado ou reduzido usando um conversor DC-DC que é usado para alimentar o inversor. O conversor DC-DC também pode ser incluso nos sistemas de bateria para ajustar o barramento DC a um nível adequado para o inversor. Estas baterias são geralmente construídas com Íons de Lítio e em uma faixa de 200-400 volts para aplicações automotivas, mas poderiam chegar a tensões de até 600-800 volts. Nem todas as pessoas preferem faixas mais altas porque acaba se tornando mais difícil trabalhar com esse potencial DC.

Mitchell Marks
Mitchell Marks, Engenheiro de Vendas da HBM para Soluções eDrive Testing.

Neste artigo, Mitchell Marks explica os conceitos básicos e requisitos para testar inversores e motores mecânicos: O que ele gosta sobre esta aplicação:

“Os motores dominaram a indústria global por 100 anos sem ter a capacidade para controlá-los, porque eram limpos e confiáveis: bastava conectá-los e eles funcionavam. Agora que temos a habilidade de controlá-los, eles estão sendo integrados em todos os lugares, de celulares a submarinos. Com tantas aplicações, o trabalho nunca acaba e nenhum dia será igual ao outro.”

Electric motor system setup
Uma configuração típica de um sistema de motor elétrico.

O papel do inversor

O inversor é uma peça muito importante do sistema porque é onde toda a conversão e controle da potência acontecem. O inversor geralmente consiste de seis chaves (para uma operação trifásica) que abrem e fecham em um padrão específico para criar uma potência alternada. Este padrão é executado em uma frequência de comutação que geralmente está entre 9kHz e 25kHz. Uma frequência abaixo de 9kHz se tornar muito audível. Entretanto, para aplicações de alta potência, uma frequência de comutação mais baixa é necessária para diminuir as perdas. Frequências de comutação mais altas são limitadas tanto pelas limitações físicas das chaves bem como pelo aumento das perdas por chaveamento. Geralmente, os componentes utilizados serão IGBTs ou MOSFETs. O nível da corrente irá determinar a escolha do chaveamento. Os MOSFETs são geralmente voltados para uma menor potência, já os IGBTs são destinados a potências mais altas, já que frequências mais altas permitem dispositivos passivos menores e maior controle. Isso levou a grandes investimentos em dispositivos semicondutores de banda larga (WBS), sendo os mais comuns de carboneto de silício ou nitreto de gálio (GAN). Estes dispositivos possuem menores perdas e podem ser operados em correntes e frequências maiores de chaveamento. Estes ainda são muito caros e não tão robustos, mas são o futuro.

Schematic drawing of power supply - inverter - motor

Assumindo o controle?

Controle é algo que todos evitam comentar como é especificamente implementado. Como é um software, é fácil de mantê-lo em segredo. O controlador irá visualizar o torque e a velocidade e determinará a frequência de chaveamento, o método PWM (Pulse Width Modulation) e como otimizar a eficiência. Estes aspectos podem mudar rapidamente ao longo de um ciclo. A maioria dos tipos de controle, independentemente do tipo de motor, são uma versão do FOC (field-oriented control). Uma tendência que vem crescendo é o controle de corrente Deadbeat, entretanto, todos os tipos de controle serão controles de corrente em malha fechada.

O controle é onde o cálculo da transformada dq0 - ou Transformada de Park acontecerá. Esta é uma tradução matemática utilizada para visualizar e controlar o PWM trifásico, baseado na necessidade do sistema. Se trata apenas de uma manipulação de seno e cosseno com uma referência de posição, fazendo 3 fases aparecerem como 2 (não trivial).

A história da matemática para controlar e entender máquinas indutivas levou cerca de 50 anos para ser resolvida. É incrível o fato de que utilizávamos tais máquinas 50 anos antes de podermos entendê-las!

Modelos precisam ser validados

Muitos utilizam modelos em computador antes de fazerem qualquer coisa. Os modelos são baratos e podem ser executados rapidamente, bem como, de uma maneira otimizada. A construção de motores e controladores não é um processo rápido, podendo ser feitos em modelos e FEA. Todos fazem isso antes de construir qualquer coisa, já que os modelos são muito bons em prever o comportamento do motor e do inversor, sendo uma ferramenta extremamente útil. Em muitos locais, existe uma equipe inteira de engenheiros trabalhando em modelos e os pesquisadores adoram realizar validação nestes modelos porque permite que tenham mais confiança e, portanto, podem usá-los para prever o comportamento do motor e do controlador. Este é um segmento onde nossos produtos podem ser utilizados: validação de modelos.

No final do dia, a maioria das aplicações possuem restrições de tamanho e custo, o que determinará muitas das variáveis antes mesmo do início do projeto do motor.

Portanto, temos a escolha da topologia e pequenos detalhes, baseados no esquema de controle que os grupos desejam usar. Também há escolhas que podem ser feitas com o resfriamento e como os motores são excitados. Os principais tipos de motores são de indução, imã permanente, campo de excitação e relutância chaveada. Motores de indução são os mais fáceis de controlar, os entendemos melhor e, portanto, são o cavalo de carga da indústria. Entretanto, sua desvantagem é que o campo precisa ser excitado, o que resulta em perdas. Motores de imã permanente (PM) são usados em diversas aplicações onde a eficiência é importante e o tamanho é uma restrição, pois possuem maior densidade de potência porque o imã fornece o campo magnético ao invés de termos perdas no rotor.

Estes motores PM precisam de um inversor, muita refrigeração e cuidado na operação em diferentes modos. Também possuem a desvantagem de perda da CPSR (Constant Power Speed Ratio) porque o campo não pode ser enfraquecido tão facilmente. Este enfraquecimento é um método de redução do campo magnético do rotor para aumentar a velocidade de um motor. Podem enfraquecer o campo no motor indutivo ou motor PM injetando correntes no eixo q. A necessidade de controlar as quantidades da corrente no eixo q (usado para controlar o torque) ou eixo d (usado para controlar o campo do rotor) para o FOC é uma razão pela qual diversos grupos estão interessados em monitorar suas curvas dq0 em tempo real. Com uma máquina PM, muitos aspectos precisam ser levados em conta porque os imãs podem se desmagnetizar durante o enfraquecimento do campo e a força contra eletromotriz precisa ser monitorada.

Motores SR (Synchronous Reluctance) possuem um rotor muito simples que é simplesmente uma laminação com um padrão específico. Estes motores usam a propriedade de torque de relutância para criar rotação. Estes motores são muito usados em uma variedade de aplicações por conta de sua construção simples, tendo a desvantagem de gerar muito barulho e vibração. Por conta disso, eles só têm sido utilizados em condições específicas. Durante o ensaio destes motores, os pesquisadores estão principalmente interessados em ter um mapa de vibração de onde o torque e a vibração são mais fortes.

Quanto mais resfriado o motor, menor a perda; quanto menor a perda, maior a eficiência.

Além disso, se os imãs estiverem muito quentes, eles podem se desmagnetizar em certas regiões, o que pode ser péssimo. Portanto, é muito importante manter os enrolamentos e os elementos de chaveamento resfriados, já que as chaves terão grandes perdas e também podem explodir se estiverem muito quentes. Os pesquisadores passam muito tempo buscando alternativas de resfriamento para tornar seus motores mais eficientes. Sistemas de arrefecimento são geralmente de água, óleo ou glicol bombeado e pulverizado nas áreas onde se deseja resfriar.

A tensão nos equipamentos de arrefecimento tornou o monitoramento da temperatura do motor uma parte importante da operação e dos testes. Um teste terá termopares para monitorar temperaturas que são registradas ou enviadas para um sistema de controle para desligamento. De posse destes valores registrados, sincronizados com os dados, os pesquisadores podem saber quando e onde ocorreram mudanças de temperatura em reposta a seus comandos. Esta é outra área onde os dados podem ser usados para validação de modelos.

Aumentando a eficiência

A melhor maneira de cobrir muito dos tópicos acima mencionados é um mapeamento eficiente e um teste de dinâmica ou de dinamômetro. Todos querem aumentar a eficiência de seus sistemas. Ter dados brutos é importante para isso, porque se alguma coisa sair errada, você pode usar testes anteriores de referência e também realizar uma análise em profundidade em um programa de pós-processamento como o MATLAB. Além disso, isso é de extrema importância para testes dinâmicos, porque ao realizar ciclos de carregamento de carga dinâmica ou testes de condução, se você não tiver os dados brutos, você pode obter algumas eficiências estranhas e imprecisas.

Quando se inicia um teste, obtém-se uma tensão de barramento DC definida, seguida de uma velocidade definida.

Então, o motor será carregado com certo torque. Você deverá fazer isso para todos os torques e velocidades desejados disponíveis na faixa do motor. Então, terá as eficiências para todos os pontos de ajuste desejados e terá um mapa da eficiência. Estes pontos serão obtidos a uma faixa específica de temperatura. Às vezes, você tem que aguardar o motor resfriar para medir um ponto de ajuste. É aí que o sistema eDrive testing da HBM pode economizar muito temo para os clientes, porque obter pontos de teste em uma série de ciclos em vez de um número de segundos fará com que o equipamento aqueça menos.

Muitas vezes, as pessoas irão testar os limites de suas máquinas e estas irão explodir (ou quase). Irão forçar para atingir a velocidade máxima para saber os limites mecânicos de suas máquinas. A capacidade de acionar o trigger e obter um registro de dados ajudará os pesquisadores a entender não apenas onde seus equipamentos falham, mas também de qual forma.

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