Cómo los variadores y motores impulsan bancos de pruebas automotrices

Los bancos de pruebas se usan extensivamente en las industrias automotriz y aeroespacial, probando una variedad de vehículos. Andy Pye analiza cómo se usan variadores y motores en estos sistemas.

Aplicaciones típicas en la industria automotriz para las que se usan sistemas de variadores incluyen:

• Bancos de prueba de rodillos (rolling road) para industrias de coches y motocicletas
• Bancos de prueba de motores —para producción de motores eléctricos y de combustión
• Bancos de prueba de transmisiones/cajas de cambios para proveedores de la industria automotriz y de maquinaria
• Bancos de prueba de vehículos eléctricos —con suministro CC para alimentar el inversor del vehículo

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

Además de las pruebas internas por fabricantes de coches y proveedores de primer nivel, los bancos de pruebas automotrices también son usados por casas de prueba especializadas. Por ejemplo, Horiba Mira tiene amplia experiencia proporcionando servicios de ingeniería de prueba a la industria automotriz global, probando según regulaciones y estándares, requisitos específicos de clientes y en el desarrollo de procedimientos y métodos de prueba apropiados. Esta organización cuenta con no menos de 37 instalaciones de prueba mayores, incluyendo un conjunto completo de laboratorios de seguridad (choque, simulación de impacto, peatones); instalaciones de vehículo y componente medioambientales; un túnel de viento aerodinámico a escala real; EMC (compatibilidad electromagnética) de vehículo y componente; y laboratorios de prueba de componentes y estructuras.

Los variadores CA de velocidad variable son muy adecuados para aplicaciones de bancos de prueba, ya que pueden usarse para simular condiciones reales de forma altamente dinámica, precisa, lineal y repetible. Son muy responsivos y pueden parar y arrancar rápidamente para replicar eventos de alta velocidad.

Los variadores regenerativos se usan a menudo, de modo que el variador puede regenerar energía eléctrica cuando el motor está absorbiendo energía o proporcionando una carga, devolviendo esta energía al suministro y reduciendo costes operativos.

Todos los variadores usados en estas aplicaciones deben optimizarse para eficiencia energética y alta precisión de control, con bajo rizado de tensión y corriente. La excelente respuesta de par es vital, porque los variadores a menudo se usan como amplificadores de par, así que el tiempo desde la referencia de par al par en el eje del motor debe minimizarse —cuanto más cerca siga el par real a la referencia de par, más fácil es para el sistema de control controlar y, por tanto, mejor el rendimiento global del banco de prueba.

El dinamómetro de chasis

Los tipos más comunes de bancos de pruebas automotrices son dinamómetros de chasis, dinamómetros de motor y bancos de transmisión. Las pruebas de dinamómetro de chasis suelen emplear un variador y motor por eje o rueda de la unidad de prueba, dependiendo del tipo de prueba que se realice.

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

El sistema de control y registro de datos 'Cadet' basado en Windows NT de CP tiene su interfaz analógica sincronizada al control vectorial de lazo cerrado del variador. Los sistemas de prueba requieren control y procesamiento en tiempo real que esté precisamente sincronizado para dar el mismo perfil de carga/velocidad que un vehículo real. La respuesta del lazo de control debe así permanecer consistentemente dentro de un tiempo de ciclo dado —típicamente 3,25 ms. El variador también tiene que ser capaz de motorizar para simular condiciones de over-run (sobrecorrida).

El software de arranque (cranking) proporciona protección para el eje de transmisión. A medida que el motor arranca y acelera, el variador cambia a par cero para simular el ralentí del motor. Aparentemente, esto no puede hacerse con dinamómetros convencionales y da a CP una ventaja competitiva.

Bancos de prueba de rodillos y frenos

Aquí, se simulan y pre-programan diferentes perfiles de prueba y pistas para reproducir resistencias de conducción de la forma más realista posible, incluyendo frenado, arranque o conducción en curvas, campo a través y todoterreno. Funciones internas y relacionadas con la seguridad del vehículo como sistemas antibloqueo de frenos (ABS) y dirección asistida eléctrica (EPS) también se prueban. Mediante compensación de respuesta rápida, se obtienen mediciones altamente precisas y reproducibles teniendo en cuenta fricción, dependencias eléctricas y térmicas, y momentos de inercia en todo el tren de potencia.

Bancos de prueba de motores

Los sistemas de variadores se usan en bancos de prueba de motores, tanto en centros de desarrollo como en fabricación de motores. Como en cualquier banco de prueba, la clave es simular con precisión las condiciones operativas cotidianas.

Hay requisitos específicos para la evaluación de calidad de motores de combustión y eléctricos, como diferentes patrones de prueba y velocidades, ciclos de par y contrapar, pruebas de resistencia o cargas de corta duración.

Los convertidores de frecuencia pueden crear con precisión la curva de par requerida, mientras también reciclan la energía generada en el motor de combustión, preservando así el suministro eléctrico de corrientes de red senoidal.

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 transmisiones/cajas de cambios

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

La electrónica de potencia sirve como variadores 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 un variador de entrada simula el motor de combustión interna.

La Simulación de Pulsación de Par del Motor (ETPS) recrea el motor de combustión interna en un banco de prueba de desarrollo. Para cumplir los altos requisitos para este tipo de banco de prueba, se usan motores síncronos de imanes permanentes de baja inercia de masa y motores asíncronos.

Equipos de prueba para vehículos eléctricos

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

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