Pruebas de motores multifásicos tolerantes a fallas: 5-Fase, 6-Fase, y validación del sistema de accionamiento de 9 fases para aplicaciones críticas para la seguridad

Por qué los motores multifásicos exigen diferentes métodos de prueba

Cuando un motor trifásico pierde una fase debido a una falla en el cableado, falla del inversor, o error del sensor, se detiene. Para una bomba de refrigeración en un servidor de centro de datos, eso es inconveniente. Para un actuador de superficie de control de vuelo de una aeronave o un mecanismo de gobierno de un barco, es catastrófico. Motores multifásicos: máquinas con cinco, seis, nueve, o doce fases, se desarrollaron precisamente para eliminar esta falla de un solo punto. Cuando falla alguna fase, las fases restantes continúan impulsando el rotor, normalmente con un par reducido pero aún apto para la misión. Esta tolerancia intrínseca a fallas hace que los motores multifásicos sean la opción estándar para los actuadores de vuelos aeroespaciales., propulsión naval, sistemas médicos de soporte vital, y cada vez más para los sistemas de tracción de vehículos eléctricos, donde los objetivos de seguridad funcional exigen un funcionamiento continuo después de fallos eléctricos..

Probar un sistema de accionamiento multifásico requiere capacidades de banco de pruebas fundamentalmente diferentes a las de las pruebas de motores trifásicos estándar.. El inversor debe ser capaz de controlar independientemente cada fase con inyección de falla programable.. El plan de pruebas debe validar no sólo el rendimiento nominal., pero el rendimiento después de la falla: ¿cuánto torque queda?, qué tan rápido se adapta el sistema de control, y qué carga térmica deben soportar las fases supervivientes.

Arquitecturas de motores multifásicos

• 5-fase PMSM: Común en unidades de tracción de alto rendimiento y propulsión naval.. Ofrece una ondulación de torsión más baja y aproximadamente 11% Más potencia por unidad de volumen que un sistema trifásico con un calibre de cable equivalente.. Tolerancia a fallos: continúa aproximadamente 70% par nominal con una fase abierta.
• 6-fase (doble trifásico) motores: Dos juegos de bobinados trifásicos independientes, normalmente desplazado por 30° eléctrico. Dominante en tracción EV para tolerancia a fallas sin topología de inversor personalizada: dos inversores trifásicos estándar alimentan los dos juegos de bobinados. Tolerancia a fallos: Se puede desconectar un grupo trifásico., dejando el otro completamente funcional en 50% potencia nominal.
• 9-motores de fase: Se utiliza en propulsión naval y en generadores de turbinas eólicas donde la confiabilidad sin acceso físico es primordial.. Tres conjuntos trifásicos independientes. Tolerancia a fallos: dos de tres conjuntos pueden fallar antes de que se pierda por completo la propulsión.
• 12-fase y más allá: Se encuentra en la propulsión de barcos de alta potencia. (20 Unidades en pod de clase MW) y algunos generadores aeroespaciales. Los principios de prueba se escalan desde el caso de 9 fases..

Elementos de prueba básicos

1. Mapeo de desempeño nominal

Todas las fases funcionando normalmente., El motor se caracteriza en toda la envolvente velocidad-par.. Debido al mayor número de fases, La medición de la eficiencia requiere un analizador de potencia capaz de medir simultáneamente todas las tensiones y corrientes de fase con alta precisión.. Para un motor de 9 fases con desplazamiento entre conjuntos de 60°, Las formas de onda de voltaje de fase deben medirse sincrónicamente para calcular correctamente los componentes de potencia fundamentales y armónicos..

Métricas clave: Máxima eficiencia, Constante de par Kt en todos los puntos de funcionamiento., descomposición por pérdida sin carga, THD actual por fase.

2. Inyección de falla de circuito abierto de fase y desempeño posterior a la falla

El banco de pruebas abre una fase (o un conjunto trifásico completo para máquinas de doble bobinado) mientras el motor funciona con carga nominal.. El sistema de control debe detectar la falla y redistribuir la corriente a las fases restantes dentro del tiempo de respuesta especificado., normalmente bajo 100 ms para sistemas críticos para la seguridad. Torque post-falla, estabilidad de la velocidad, y el aumento de temperatura en las fases supervivientes se miden y se comparan con la especificación de diseño tolerante a fallos.

Métricas clave: Par posterior a la falla a velocidad nominal, tiempo de respuesta de redistribución actual, Aumento de la ondulación del par después de una falla., Aumento de la temperatura del devanado en las fases supervivientes por unidad de tiempo..

3. Inyección de fallo de cortocircuito de fase

Un cortocircuito de fase es la falla más exigente. El devanado en cortocircuito actúa como fuente de frenado., reduciendo el par neto y generando calor tanto en el devanado en cortocircuito como en el inversor. El banco de pruebas mide la contribución del par de frenado de la avería, la respuesta de la palanca del inversor, y si las fases restantes pueden superar el par de falla para continuar impulsando la carga. Esta prueba a menudo informa el diseño del umbral de protección del inversor..

Métricas clave: Magnitud del par de frenado de la fase en cortocircuito, tiempo hasta la activación de la palanca inversora, par propulsivo residual post-falla, Calor generado en el devanado fallado bajo falla sostenida..

4. Caracterización de la ondulación del par

Las máquinas multifásicas producen inherentemente una ondulación de par más baja que sus equivalentes trifásicas., pero imperfecciones en la simetría sinuosa, colocación del imán, y la regulación actual amplifica la onda en puntos operativos específicos. Muestreo de transductores de par de alta resolución en 50 kHz o superior resuelve el espectro de ondulación del par. Para actuadores aeroespaciales, Los límites de ondulación del par a menudo se especifican en el rango de 0,5 a 2 % de pico a pico., mucho más estricto que los requisitos automotrices.

Métricas clave: Amplitud de ondulación del par pico a pico como porcentaje de la media, orden armónico dominante y frecuencia, sensibilidad de ondulación al ancho de banda de control actual.

5. Reducción térmica bajo desequilibrio de fase

Incluso sin un fallo completo de fase, La asimetría mecánica o eléctrica entre fases crea un intercambio de corriente desigual.. Un juego de bobinado se calienta más que otros. El banco de pruebas mide la distribución de temperatura en todos los conjuntos de devanados simultáneamente (lo que requiere termopares distribuidos o conjuntos de sensores de fibra óptica) para identificar la fase térmicamente limitante y verificar que la reducción continua no viole los límites de clase de aislamiento..

Métricas clave: Diferencia de temperatura pico a pico entre fases con carga nominal, identificación de fase limitante térmicamente, coeficiente de reducción requerido para igualar las temperaturas del devanado.

6. Inyección armónica y excitación del tercer armónico

5-Los motores monofásicos y de 9 fases pueden aprovechar la inyección de corriente de secuencia cero para aumentar el par de salida más allá del límite fundamental, una ventaja que debe validarse en el banco de pruebas.. El inversor inyecta corriente controlada del tercer armónico mientras el banco mide el aumento de par y cualquier efecto térmico adverso.. Esta capacidad es particularmente valiosa para los sistemas de propulsión de barcos donde se requiere una sobrecarga continua durante maniobras de emergencia..

Métricas clave: Porcentaje de aumento de par procedente de la inyección del tercer armónico, pérdida adicional de cobre, Aumento de la temperatura del devanado por unidad de aumento de par alcanzado..

7. Validación de seguridad funcional

Sistemas orientados a IEC 61508 SIL 2 o ISO 26262 ASIL C/D requiere pruebas de inyección de fallas de hardware como evidencia de que las funciones de seguridad funcionan según lo diseñado.. El banco de pruebas aplica fallas a tasas definidas mientras monitorea si el sistema ingresa correctamente al estado seguro dentro del intervalo de diagnóstico.. Los registros de pruebas pasan a formar parte del caso de seguridad funcional presentado para certificación.

Métricas clave: Cobertura de diagnóstico medida bajo inyección de falla, tiempo de entrada al estado seguro, Cobertura del modo de falla versus lista de fallas FMEA, tasa de viajes espurios bajo operación normal.

Requisitos del banco de pruebas para sistemas multifásicos

Un banco de pruebas de motores multifásico se diferencia de un banco de pruebas trifásico en tres áreas críticas: la interfaz de la electrónica de potencia (Un inversor multifásico configurable con interruptores de inyección de fallos por fase.), el sistema de medición (analizadores de redes síncronos multicanal que cubren todas las fases), y la arquitectura de control (Capaz de implementar algoritmos de control tolerantes a fallas o de aceptar un controlador externo en condiciones de hardware en el circuito.). Los bancos de pruebas para máquinas de 6 fases de doble devanado son más accesibles porque se pueden combinar dos módulos trifásicos estándar.; Los verdaderos bancos de 5 y 9 fases requieren hardware de inversor personalizado.

Qué significa esto para la selección del banco de pruebas

Los proyectos de pruebas de motores multifásicos suelen ser ejecutados por empresas aeroespaciales., defensa, o integradores de sistemas de propulsión marina que ya se han comprometido con la arquitectura del motor por razones de tolerancia a fallos.. El banco de pruebas debe coincidir exactamente con esa arquitectura: un banco de 5 fases no se puede reconfigurar desde un soporte trifásico estándar sin cambios significativos en el inversor y el hardware de medición.. Si su equipo está desarrollando o calificando un sistema de transmisión multifásico tolerante a fallas, Nuestro equipo de ingeniería puede configurar una solución de prueba que se adapte a su recuento de fases., nivel de potencia, y requisitos de certificación de seguridad. Habla con nuestro equipo acerca de su aplicación.