Como Inversores e Motores Alimentam Bancos de Teste Automotivos

Bancos de teste são usados extensivamente nas indústrias automotiva e aeroespacial, testando uma variedade de veículos. Andy Pye analisa como inversores e motores são usados dentro destes sistemas.

Aplicações típicas na indústria automotiva para as quais sistemas de inversores são usados incluem:

• Bancos de teste de rolo (rolling road) para indústrias de carros e motocicletas
• Bancos de teste de motor – para produção de motores elétricos e de combustão
• Bancos de teste de transmissão/caixa de câmbio para fornecedores das indústrias automobilística e de fabricação de máquinas
• Bancos de teste de veículos elétricos – com alimentação CC para alimentar o inversor do veículo

Fabricantes automotivos frequentemente selecionam aleatoriamente motores de suas linhas de produção e os submetem a testes rigorosos para confirmar que atendem a todos os requisitos e parâmetros-chave de projeto.

Além de testes internos por fabricantes de carros e fornecedores de primeiro nível, bancos de teste automotivos também são usados por casas de teste especializadas. Por exemplo, Horiba Mira tem vasta experiência em fornecer serviços de engenharia de teste à indústria automotiva global, testando a regulamentos e normas, a requisitos específicos de clientes e no desenvolvimento de procedimentos e métodos de teste apropriados. Esta organização possui nada menos que 37 grandes instalações de teste, incluindo um conjunto abrangente de laboratórios de segurança (colisão, simulação de impacto, pedestres); instalações ambientais de veículo e componente; túnel de vento aerodinâmico de escala real; EMC (compatibilidade eletromagnética) de veículo e componente; e laboratórios de teste de componentes e estruturas.

Inversores CA de velocidade variável são muito adequados para aplicações de bancos de teste, pois podem ser usados para simular condições reais de forma altamente dinâmica, precisa, linear e repetível. São muito responsivos e podem parar e partir rapidamente para replicar eventos de alta velocidade.

Inversores regenerativos são frequentemente usados, para que o inversor seja capaz de regenerar energia elétrica quando o motor está absorvendo energia ou fornecendo carga, retornando esta energia à alimentação e reduzindo custos operacionais.

Todos os inversores usados nestas aplicações devem ser otimizados para eficiência energética e alta precisão de controle, com baixa ondulação de tensão e corrente. Excelente resposta de torque é vital, porque inversores são frequentemente usados como amplificadores de torque, então o tempo da referência de torque ao torque no eixo do motor precisa ser minimizado – quanto mais de perto o torque real segue a referência de torque, mais fácil é para o sistema de controle controlar e portanto melhor o desempenho geral do banco de teste.

O dinamômetro de chassi

Os tipos mais comuns de bancos de teste automotivos são dinamômetros de chassi, dinamômetros de motor e equipamentos de transmissão. Testes de dinamômetro de chassi geralmente empregam um inversor e motor por eixo de teste ou roda, dependendo do tipo de teste sendo realizado.

CP Engineering fabrica sistemas de teste de dinamômetro de motor e chassi, sistemas de teste de transmissão e outros bancos de teste para a indústria automotiva. Forneceu sistemas a muitas empresas líderes neste setor, incluindo Castrol, Cosworth Technology, Delphi e Shell.

O sistema de controle e datalogging 'Cadet' baseado em Windows NT da CP tem sua interface analógica sincronizada ao controle vetorial de malha fechada do inversor. Os sistemas de teste requerem controle e processamento em tempo real precisamente sincronizados para dar o mesmo perfil de carga/velocidade que um veículo real. A resposta do laço de controle deve assim permanecer consistentemente dentro de um tempo de ciclo dado – tipicamente 3,25 ms. O inversor também tem que ser capaz de motorar para simular condições de over-run.

Software de cranking (partida) fornece proteção para o eixo de transmissão. Conforme o motor dispara e acelera, o inversor muda para torque zero para simular marcha lenta do motor. Aparentemente, isso não pode ser feito com dinamômetros convencionais e dá à CP uma vantagem competitiva.

Bancos de teste de rolo e freio

Aqui, diferentes perfis de teste e pistas são simulados e pré-programados para reproduzir resistências de condução da forma mais realista possível, incluindo frenagem, partida ou dirigindo em curvas, cross-country e off-road. Funções internas e relacionadas à segurança do veículo como sistemas de freio ABS (Anti-lock braking systems) e direção elétrica EPS (Electric power steering) também são testados. Através de compensação de resposta rápida, medições altamente precisas e reprodutíveis são obtidas levando em conta atrito, dependências elétricas e térmicas, e momentos de inércia sobre todo o trem de força.

Bancos de teste de motor

Sistemas de inversores são usados em bancos de teste de motor, tanto em centros de desenvolvimento quanto em fabricação de motores. Como em qualquer banco de teste, a chave é simular accuradamente condições operacionais cotidianas.

Há requisitos específicos para avaliação de qualidade de motores de combustão e elétricos, como diferentes padrões e velocidades de teste, ciclos de torque e contra-torque, testes de endurance ou cargas de curto prazo.

Conversores de frequência podem criar accuradamente a curva de torque requerida, enquanto também reciclam a energia gerada no motor de combustão, poupando assim a alimentação elétrica de correntes de rede senoidais.

Engenheiros de teste também podem submeter a amostra de teste a velocidades e torques específicos que expõem ressonâncias e limites tecnológicos.

Bancos de teste de transmissão/caixa de câmbio

Aqui, os pulsos de torque e características de funcionamento de um motor de combustão interna são aplicados à transmissão/caixa de câmbio sendo testada. Ao colocar em rede todos os controladores de inversor em Ethernet de tempo real, a sincronização necessária dos circuitos de controle de corrente e velocidade do inversor garante que os resultados de teste reflitam condições reais. Isso evita a necessidade de ajustes de balanceamento indesejados no sistema de controle.

Eletrônica de potência serve como inversores de entrada e saída para uma ampla variedade de tipos de transmissão/caixa de câmbio. Quatro máquinas de carga substituem o sistema roda/estrada e representam o perfil de condução, enquanto um inversor de entrada simula o motor de combustão interna.

Simulação de Pulsação de Torque do Motor (ETPS) recria o motor de combustão interna em um banco de teste de desenvolvimento. Para atender aos altos requisitos para este tipo de banco de teste, motores síncronos de ímã permanente de baixa inércia e motores assíncronos são usados.

Equipamento de teste para veículos elétricos

Novos desenvolvimentos requerem novas técnicas de teste. O trem de força em veículos híbridos e elétricos compreendendo o inversor do veículo, motor/motor e transmissão/caixa de câmbio, pode ser testado como um sistema completo, todos conectados em uma configuração de barramento CC comum que permite potência regenerada (durante frenagem, por exemplo) ser recirculada.

Para uma potência de motor instalada dada, isso significa que a classificação de potência do inversor conectado à rede é minimizada, economizando capital assim como custos de energia. Uma característica-chave do sistema é que todos os laços de controle são sincronizados, o que reduz significativamente o risco de ressonâncias do sistema.