Emulación dinámica de cargas mecánicas mediante un dinamómetro controlado por torque

Abstract

El presente proyecto tiene como objetivo desarrollar e implementar un sistema de emulación de cargas mecánicas para el Laboratorio de Electrónica de Potencia, Accionamientos y Generación Distribuida de la Universidad de Chile. La plataforma diseñada permite evaluar el rendimiento dinámico de un dinamómetro y validar algoritmos de control mediante simulaciones y pruebas Hardware-in-the-Loop (HIL). La solución propuesta aborda la ausencia de un emulador dinámico de cargas mecánicas, posibilitando la caracterización del comportamiento y la respuesta del sistema ante distintos perfiles de carga antes de su instalación en una planta física. Para ello se diseñó un dinamómetro con control de torque capaz de replicar diversas curvas de carga a través de un sistema de control, lo que facilita la evaluación de estrategias de control y el análisis de múltiples configuraciones experimentales en HIL. El desarrollo siguió la metodología de Ulrich y Eppinger, lo que permitió identificar necesidades, establecer especificaciones objetivo y seleccionar el concepto ganador. El sistema final integra control vectorial indirecto tanto del motor en prueba como del motor de carga. La planta se implementó en un RT Box y el controlador en un MicroLabBox, comunicándose mediante señales analógicas. El sistema implementado permitió validar los lazos de corriente y velocidad del modelo de control, obteniendo un error en estado estacionario inferior al 0,5 % en las componentes de corriente directa, en cuadratura y en la velocidad mecánica, con un tiempo de estabilización menor a 100 ms. Gracias a un esquema de control bien definido, se verificó una discrepancia mínima entre la simulación y la plataforma HIL implementada respecto al comportamiento esperado en la planta real, con un error medio del 1,5 % en el torque electromecánico del eje y del 0,3 % en la velocidad. El dispositivo final demostró su capacidad para emular distintos perfiles de carga de torque lineales y no lineales dependientes de la velocidad de rotación del sistema.

The objective of this project is to develop and implement a mechanical load emulation system for the Power Electronics, Drives and Distributed Generation Laboratory of the University of Chile. The designed platform allows evaluating the dynamic performance of a dynamometer and validating control algorithms through simulations and Hardware-in-the-Loop (HIL) tests. The proposed solution deals with the lack of a dynamic emulator of mechanical loads, making it possible to characterize the behavior and response of the system under different load profiles before its installation in a physical plant. For this purpose, a torque-controlled dynamometer capable of replicating different load curves through a control system was designed, which makes easier the evaluation of control strategies and the analysis of multiples configurations in HIL. The development followed the Ulrich and Eppinger methodology, which allowed identifying requirements, establishing objective specifications and selecting the final concept. The final system integrates indirect vector control of both the motor under test and the load motor. The plant was implemented in an RT Box and the controller in a MicroLabBox, communicating through analog signals. The implemented system allowed validating the current and speed loops of the control system, obtaining a steady state error of less than 0.5 % in the direct current, quadrature and mechanical speed components, with a stabilization time of less than 100 ms. Thanks to a well-defined control scheme, a minimum deviation between the simulation and the implemented HIL platform with respect to the expected behavior in the real plant was verified, with an average error of 1.5 % in the electromechanical shaft torque and 0.3 % in the speed. The final device demonstrated its ability to emulate different linear and nonlinear torque load profiles dependent on the rotational speed of the system.