Accionamientos y motores en bancos de pruebas de automoción

Los equipos de prueba se usan mucho en las industrias automotriz y aeroespacial, probando una variedad de vehículos. Andy Pye analiza cómo se utilizan los variadores y los motores en estos sistemas.

Las aplicaciones típicas en la industria automotriz para las que se utilizan sistemas de accionamiento incluyen

• Bastidores de pruebas de carreteras rodantes para las industrias de automóviles y motocicletas
• Bancos de prueba de motores:para la producción de motores eléctricos y de combustión
• Bancos de prueba de transmisión/caja de cambios para proveedores de la industria de fabricación de automóviles y maquinaria
• Bancos de prueba de vehículos eléctricos:con suministro de CC para alimentar el inversor del vehículo

Los fabricantes de automóviles a menudo seleccionan motores al azar de sus líneas de producción y los someten a pruebas rigurosas para confirmar que cumplen con todos los requisitos y parámetros de diseño clave.

Además de las pruebas internas de los fabricantes de automóviles y los proveedores de primer nivel, las casas de pruebas especializadas también utilizan bancos de pruebas para automóviles. Por ejemplo, Horiba Mira tiene una amplia experiencia en la prestación de servicios de ingeniería de pruebas a la industria automotriz global, pruebas según regulaciones y estándares, requisitos específicos del cliente y en el desarrollo de procedimientos y métodos de prueba apropiados. Esta organización cuenta con no menos de 37 importantes instalaciones de prueba, incluido un conjunto completo de laboratorios de seguridad (colisión, simulación de impacto, peatones); instalaciones ambientales de vehículos y componentes; un túnel de viento aerodinámico a gran escala; vehículo y componente EMC (compatibilidad electromagnética); y laboratorios de ensayo de componentes y estructuras.

Los variadores de velocidad de CA son muy adecuados para aplicaciones de equipos de prueba, ya que se pueden usar para simular condiciones reales de una manera altamente dinámica, precisa, lineal y repetible. Responden muy bien y pueden detenerse y comenzar rápidamente para replicar eventos de alta velocidad.

A menudo se utilizan accionamientos regenerativos, de modo que el accionamiento puede regenerar energía eléctrica cuando el motor está absorbiendo energía o proporcionando una carga, devolviendo esta energía al suministro y reduciendo los costes operativos.

Todos los variadores utilizados en estas aplicaciones deben optimizarse para lograr eficiencia energética y alta precisión de control, con bajo voltaje y corriente de ondulación. Una excelente respuesta de par es fundamental, ya que los convertidores se utilizan a menudo como amplificadores de par, por lo que es necesario minimizar el tiempo desde la referencia de par hasta el par en el eje del motor:cuanto más se aproxime el par real a la referencia de par, más fácil será para el sistema de control a controlar y, por lo tanto, mejor será el rendimiento general del banco de pruebas.

El dinamómetro de chasis

Los tipos más comunes de banco de pruebas para automóviles son los dinamómetros de chasis, los dinamómetros de motor y los bancos de transmisión. Las pruebas de dinamómetro de chasis generalmente emplean una transmisión y un motor por eje o rueda de la unidad de prueba, según el tipo de prueba que se realice.

CP Engineering fabrica sistemas de prueba de dinamómetro de motor y chasis, sistemas de prueba de transmisión y otros equipos de prueba para la industria automotriz. Ha suministrado sistemas a muchas empresas líderes en este sector, incluidas Castrol, Cosworth Technology, Delphi y Shell.

La interfaz analógica del sistema de registro de datos y control basado en Windows NT 'Cadet' de CP está sincronizada con el control vectorial de bucle cerrado del convertidor. Los sistemas de prueba requieren control y procesamiento en tiempo real que estén sincronizados con precisión para brindar el mismo perfil de carga/velocidad que un vehículo real. Por lo tanto, la respuesta del lazo de control debe permanecer constante dentro de un tiempo de ciclo dado, típicamente 3,25 ms. El variador también debe ser capaz de funcionar como motor para simular condiciones de exceso de marcha.

El software de arranque proporciona protección para el eje de transmisión. A medida que el motor arranca y acelera, la transmisión cambia a par cero para simular el funcionamiento en vacío del motor. Aparentemente, esto no se puede hacer con dinamómetros convencionales y le da a CP una ventaja competitiva.

Bastidores de pruebas de frenos y carreteras rodantes

Aquí, diferentes perfiles y pistas de prueba se simulan y preprograman para reproducir las resistencias de conducción de la manera más realista posible, incluido el frenado, el arranque o la conducción en curvas, a campo traviesa y todoterreno. También se prueban las funciones internas y relacionadas con la seguridad del vehículo, como los sistemas de frenos antibloqueo (ABS) y la dirección asistida eléctrica (EPS). A través de la compensación de respuesta rápida, se obtienen mediciones altamente precisas y reproducibles teniendo en cuenta la fricción, las dependencias eléctricas y térmicas y los momentos de inercia en todo el tren motriz.

Bancos de prueba de motores

Los sistemas de accionamiento se utilizan en bancos de pruebas de motores, tanto en centros de desarrollo como en la fabricación de motores. Al igual que con cualquier banco de pruebas, la clave es simular con precisión las condiciones de funcionamiento cotidianas.

Existen requisitos específicos para la evaluación de la calidad de los motores de combustión y eléctricos, como diferentes patrones de prueba y velocidades, ciclos de par y contrapar, pruebas de resistencia o cargas a corto plazo.

Los convertidores de frecuencia pueden crear con precisión la curva de par requerida, al mismo tiempo que reciclan la energía generada en el motor de combustión, evitando así que el suministro de la red eléctrica sufra corrientes de red sinusoidales.

Los ingenieros de prueba también pueden someter la muestra de prueba a velocidades y pares específicos que exponen resonancias y límites tecnológicos.

Bancos de prueba de transmisión/caja de cambios

Aquí, los pulsos de par y las características de funcionamiento de un motor de combustión interna se aplican a la transmisión/caja de cambios que se está probando. Al interconectar todos los controladores de accionamiento en Ethernet en tiempo real, la sincronización necesaria de los circuitos de control de velocidad y corriente del inversor garantiza que los resultados de la prueba reflejen las condiciones reales. Esto evita la necesidad de ajustes de equilibrio no deseados en el sistema de control.

La electrónica de potencia sirve como unidades de entrada y salida para una amplia variedad de tipos de transmisión/caja de cambios. Cuatro máquinas de carga reemplazan el sistema rueda/carretera y representan el perfil de conducción, mientras que una unidad de entrada simula el motor de combustión interna.

Engine Torque Pulsation Simulation (ETPS) recrea el motor de combustión interna en un banco de pruebas de desarrollo. Para cumplir con los altos requisitos de este tipo de banco de pruebas, se utilizan motores síncronos y motores asíncronos de imanes permanentes de baja inercia.

Equipos de ensayo para vehículos eléctricos

Los nuevos desarrollos requieren nuevas técnicas de prueba. El tren de fuerza de los vehículos híbridos y eléctricos que comprende el inversor del vehículo, el motor y la transmisión/caja de cambios puede probarse como un sistema completo, todo conectado en una configuración de bus de CC común que permite que la energía regenerada (durante el frenado, por ejemplo) sea recirculado.

Para una potencia de motor instalada dada, esto significa que la potencia nominal del inversor conectado a la red se minimiza, lo que ahorra capital y costos de energía. Una característica clave del sistema es que todos los lazos de control están sincronizados, lo que reduce significativamente el riesgo de resonancias del sistema.