ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA MAQUINA DE INDUCCION LINEAL: RESULTADOS J.M. Cubert (Nano J. Tamarit Rodriguez

P. Descalzo Cristiano

CEDEX Ing. Ind.Director Tecnico de Indar S.A. Dr. Ciencias Fisicas

Ing. Naval

RESUMEN

s

e comparan lob resultados teoricos y experimentales obtenidos en el estudio de un prototipo de maquina lineal de

induccion (MU), realizado a frecuen-cias de 100, 200 y 300 Hz que corres-ponden a velocidades de sincronismo de 143, 287 y430 km/h respectivamen-te. La coincidencia de los resultados experimentales con las predicciones teo-ricas ha sido satisfactoria, incluso en la estimacion del factor de potencia y la tension de alimentacion por fase. Se describe el banco de ensayos y el siste-ma de adquisicion de datos, especial-mente desarrollado para esta aplica-ciOn.

INTRODUCCION

Para garantizar la precisiOn del modelo teorico elaborado para el estudio de la maquina lineal de induccion (MLI) de AV, se desarrollo un primer prototipo y un banco de pruebas a fin de realizar un ensayo en todos los campos de veloci-dades de interes para el transporte te-rrestre en AV. El prototipo es una ma-quina de 4 polos, 0,9 m de longitud en la cual todos los efectos perjudiciales producidos por la reaccion de inducido resultan de especial importancia debi-do a su pequena longitud y a su elevada velocidad. Por este motivo, resulta de especial interes el ajuste de los mode-los de calculo con este prototipo. Can objeto de poder alimentar el prototipo con tension senoidal de amplitud y fre-cuencia variables, se mont6 un banco de ensayos en el que este es alimenta- do por un alternador accionado por un grupo Ward-Leonard. Este conjunto de maquinas se disen6 de manera que Ia energia de frenado pudiese ser rein-yectada en el eje principal. Para medir las magnitudes electricas, se disen6 un sistema con microproce-sador pensando especialmente en la

, Aumere: Vista general del MLI y bancada

medida de potencias trifasicas con muy bajo factor de potencia y frecuencia variable entre 40 y 400 Hz. Este sistema incorpora una estructura multiprocesa-dor para poder ser integrada con facili-dad en un sistema de control tal como veremos mas adelante. El unico parametro que no pudo ser ajustado fue la dependencia con la tem-peratura de la conductividad electrica de la placa de aluminio, parametros de gran influencia en las caracteristicas de la maquina. Esto fue a causa de dos motivos: en primer lugar, no se pudo medir la temperatura del disco girando por no disponer de un parametro optic° y en segundo lugar, no pudimos encon-trar el coeficiente de variacian de Ia conductividad electrica de la placa (aluminio aleacian D545) con la tempe-ratura. Tampoco se encontr6 un labora-torio que pudiera determinar este para-metro a partir de una muestra. Por esta raz6n, utilizamos un valor constante de Ia conductividad electrica del aluminio que di6 buenos resultados en la deter-minacian de las caracteristicas de la maquina.

DESCRIPCION DEL PROTOTIPO

En el disefio se tuvieron en cuenta los aspectos siguientes: Con objeto de ensayar el prototipo en todo el margen de velocidades de interes para el trans-porte terrestre de AV con frecuencia de alimentacian variable entre 40 y 400 Hz, se escogi6 un paso polar para lograr una velocidad de sincronismo de 500 km/h. a 400 Hz con un deslizamiento en torno al 15%, lo que significa un paso polar del orden de los 200 mm. Para poder trabajar con la maxima seccian de cobre posible, pero mante-niendo la resistencia mecanica del dien-te, se consider6 una relacion paso de ranura/ancho de diente en torno a 2:1. Se escogio, tambien, un devanado ex-tendido de 3 bobinas/polo y fase, doble capa y con las ranuras de entrada-salida semi-ocupadas y con un acorta-miento de paso de bobina en dos ranu-ras con objeto de atenuar los armonicos de la distribuci6n de fuerza magneto-motriz ( ( f.m.m. ). En un primer intento, la maquina fue devanada con pletina de cobre de 2,4 mm. x 12 mm. y tres barras

DYNA - N. 96 Jul. Agos. Sep. 1989 75

S

T

VR vR VS VT

Fig. 2 Banco de pruebas del motor lineal: sistema de medida

en paralelo por espira, pero, debido a las excesivamente bajas tolerancias de las cabezas de bobina, fue necesario cambiar del devanado con pletina a un devanado de hilo con 20 conductores de 1,9 mm. de diametro en paralelo por espira, sin problemas de calentamien-to. La placa fue construida con una alea-cion de aluminio de altas prestaciones mecanicas, capaz de soportar las altas tensiones mecanicas producidas por las fuerzas de traccion y centrifuga cuando el disco gira a alta velocidad, ya que fue montada como una Ilanta de 2,7 m. de diametro, unida a un disco de acero. Para estas dimensiones, una velocidad de 500 km/h. corresponde a 980 r.p.m. Se escogiO entonces la L-3321 (UNE), con un modulo de elastici-dad de Young de 7200 kg/mm 2 . y se trata de aislar electricamente el disco de la Ilanta fijando esta Ultima con ani-llos de presi6n, pero en realidad queda un cierto contacto electric° entre am-bos que puede producir alguna desvia-clan de las caracteristicas. Para evitar altas perdidas ferromagne-ticas en las extremidades laterales del nude°, el paquete de chapas se presio-n6 con curias amagneticas de acero in-oxidable, ya que el campo magnetico se concentra especialmente en esta zona del nixie°. La chapa ferromagnetica utilizada tiene unas perdidas tipicas es-pecificas que pueden expresarse como:

P= C B D ( W/kg)

donde el exponente D=1,59 y C vale 6,09, 14,52 y 32,48 para 100, 200 y 350 Hz, respectivamente. De todas estas consideraciones, resul-taron las dimensiones siguientes:

Paso de bobina (7 ranuras), mm. 147 Anchura de ranura, mm. 14 Paso polar (9 ranuras),mm. 189 Anchura de diente, mm. 7 Profundidad de ranura,mm. 70 Anchura del nixie°, mm. 100 Distancia entre nOcleos, mm.

35

Espesor de la placa, mm. 9 Anchura de la placa, mm. 200 Resistividad del alum. S2 m

9 x 10-8

Las resistencias por fase del devanado inductor fueron (a 23 2 C):

N 9 de polos 4 N 9 de ranuras 43 Bobinas / polo y fase (1,9 mm 0) 20 Conductores por bobina 4 Paso de ranura, mm. 21

Nucleo 1 Nucleo 2

R 1 = 17,6 m 12 R4 = 17,9 m 12 R2 = 17,4 m 12 R5 = 17,5 m 12 R3 = 17,3 m = 17,4 m 12

Las reactancias se midieron aplicando tension a una fase de un nucleo y mi-diendo la tension inducida en la fase correspondiente del otro nkleo, con la placa de aluminio ausente. Los valores medidos resultaron de acuerdo con las predicciones teoricas deducidas de la expresion de Oberretl. Para las fases fueron:

Nucleo 1 Nucleo 2: 10/4..1

110/ • 110 N! FASE

L 1 = 628 m H = 634 m H L2 = 632 m H L5 = 644 m H

L GRUPO ulj L3 = 626-m H = 677 m H

Fig. 1 Banco de pruebas del motor lineal: disposici6n general

GENE R ADOR D.C.

MOTOR ASIN

c... DISCO

RANS. PAR LOCO

GENERAODR (FRENO)

D.0

L6RUPO

DYNA - N. 4 6 Jul. Agos. Sep. 1989 76

50 60 70 80 90 100 110 G.

300,

700

TO THE MOTOR

O

CONTROL: 8088/806T

OMA TRANSFER 256 K RAM

64 K ROM ANALOG. OUT

ard PP"

ZERO CROSSNO DETECTOR

(LM 339)

Fig. 3 SISTEMA

DE ADQUISICION DE DATOS

2001,.

i000iI

00 HT

900

800

.01CION 0 NUCL (0 INF.TO • NUCLCO F,MITO

600

Q 500

400

.II 3001

200j

100

0 I- 20 30

vELOCIDAO Su. 5-.1

Fig. 4 ESTUDIO COMPARATi00 DE LA FUERZA DE TRACCiON..

DESCRIPCION DEL BANCO DE ENSAYOS

Para alimentar la maquina lineal con una tension senoidal de amplitud y fre-cuencia variables, se diseno un banco de ensayos con un alternador de fre-cuencia variable para alimentar el pro-totipo. Este alternador es accionado por medio de un grupo Ward-Leonard cuyo generador es, a su vez, arrastrado por un motor asincrono, alimentado direc-tamente de la red. El motor lineal accio-na el disco, que arrastra un generador de c.c. que trabaja como freno retornan-do la energia de frenado al eje del generador del grupo W.L. De este modo, se tiene un conjunto con todas las ma-quinas rotativas trabajando en lazo ce-rrado (fig. 1). Siguiendo la nomenclatura de esta figu-ra, las caracteristicas de las maquinas, son las siguientes: A) Motor trifasico de inducciOn de jaula de ardilla con arranque estrella - trian-gulo.

380 V; 50 Hz; 250 kVA; 1500 rpm.

B) Generador de c.c. con excitacion independiente ligeramente hipocom-puesto para estabilizacion del punto de trabajo.

440 V; 220 kW; 1500 rpm.

D) Motor de c.c. con excitacion inde-pendiente para accionamiento del alter-nador a velocidad variable entre 300 rpm y 2400 rpm, con las caracteristicas siguientes:

300 rpm; 55 V; 50 kW 2400 rpm; 440V; 205 kW; Excitation: 220 V; 6,4 A

Ventilation forzada con electroventila-dor acoplado.

E) Alternador sincrono capaz de ali-mentar la maquina lineal a frecuencia variable entre 50 y 400 Hz, con las caracteristicas siguientes a estas fre-cuencias:

50 Hz; 300 rpm; 60 V/fase; 600 A/fase; 108 kVA 400 Hz; 2400 rpm; 400 V/fase; 600 A/ fase; 720 kVA

Con un pequeno generador indepen-diente, situado en el eje del motor asin-crono, para la excitacion. Con un corm poundaje aditivo para lograr Ia curva tension-corriente deseada. Tambien con ventilation forzada con electroventila-dor acoplado. F) Prototipo de maquina lineal ya des-crito, curvado segun una circunferencia de 1,3 m. de radio, actuando sobre una placa de aluminio en forma de corona circular sujeta a un disco (G).

H) Generador de c.c. para cargar la maquina lineal a las velocidades si-guientes:

50 km/h: 102 rpm; 26 kW; 50 V; 520 A 500 km/h: 1020 rpm; 125 kW; 500 V; 250 A Excitation: 220 V; 7,7 A

Ventilation forzada con electroventila-dor acoplado.

C) Motor de c.c. para la recuperaciOn de Ia energia de frenado, que debera girar a la velocidad del grupo principal (1550 rpm), a un voltaje fijado por el ge-nerador de carga (H), fund& de la velocidad del disco. Caracteristicas:

1500 rpm; 440 V; 250 A; 110 kW Excitation: 220 V; 3,7 A

Para acoplar las maquinas H) y C) y cargar el prototipo, se ha instalado un voltimetro diferencial que indica la ten-sion entre las dos maquinas antes de su acoplamiento y que debera anularse actuando en las excitaciones de ambas maquinas antes de acoplarlas. Para variar la carga del MLI despuOs del acoplamiento, basta aumentar Ia exci-tacion del generador H o disminuir la del motor C. El principio de funcionamiento de este conjunto es el siguiente: Las maquinas B) y D) constituyen un grupo Ward-Leonard, cuyo generador es arrastrado por el motor de induccion A) y el motor del grupo arrastra al alter-nador E) a velocidad variable. De esta forma, la amplitud de la tension de ali-mentacion del prototipo de maquina lineal se controla actuando en la excita-cion del alternador E) y la frecuencia se controla actuando en la excitacion del generador B).

Una vez que Ia tension y la frecuencia han quedado fijadas, el motor lineal comienza a girar arrastrando el disco G) y el generador H). Este se acopla enton-ces al motor de recuperacion C) y, regu-

Fig. 3 Sistema de adquisicion de datos

Fig. 4 Estudio comparativo de la fuerza de traction

DYNA - N. 26 Jul. Agos. Sep. 1989 77

30 40 50 60 70 80 90 100 1.0

350 MEDICION 0. NUCLEO INFINITO 300 Hz NUCLE0 FINITO

tA

c

300

1 5 0

100 Hz

100'

40 100 Hz

200Hz

VELOCIDAD (M. 57')

101

C20

30- 300 Hz

20 A

E 250

1 200 Hz

0 Z 200 L.1

Fig. 5 Estudio comparativo del factor de potencia y tension aplicada por fase

lando las excitaciones de estas dos Oltimas maquinas, se ajusta la carga mecanica, cerrandose el lazo con todas las maquinas. Para la medida del par y la velocidad, se ha colocado en el eje del disco un equi-po que sera descrito mas adelante. Las maquinas A), B) y C) estan montadas sobre una misma bancada y constitu-yen el grupo I. Las maquinas D) y E) constituyen el grupo II y el prototipo de maquina lineal F), el disco G) y el gene-rador H) constituyen el III. Las caracteristicas de las maquinas rotativas dependen en gran medida de as propiedades de Ia maquina lineal.

Por ejemplo, el motor de continua que arrastra al alternador, tiene una poten-cia nominal de 50 kW a 300 rpm y el al-ternador, a esta velocidad, debe sumi-nistrar una potencia aparente de 108 kVA. Esto da una idea del bajo factor de potencia del motor lineal. Por otro lado, las dos maquinas de c.c. que trabajan a velocidad variable (D y H) deben suministrar, proporcionalmen-te, mayor potencia a bajas velocidades que a altas, lo que es un indice de la degradaci6n del par de la maquina con

la velocidad. Esto oblig6 a sobredimen-sionar los circuitos de excitacion de estas maquinas asi como del alterna-dor y a utilizer la ventilaciOn forzada on todas las maquinas que giran a veloci-dad variable (D),E) y F)).

SISTEMA DE TOMA DE DATOS

En la fig. 2 se muestra un esquema de los equipos de medida. Las tensiones y las intensidades, se miden por fase. Para medir tensiones, se utilizan trans-formadores de relaciOn 480 V / 3,5 V con objeto de reducir Ia magnitud de medida a valores inferiores a 5 V y poder atacar la logica del sistema. Para medir las intensidades, se utilizan trans-formadores de corriente conectados on estrella, de relacion 100/1. El secunda-rio, tambien en estrella, ataca a unas resistencias de precision de 0,5 refri-geradas y tambien conectadas en es-trella. Estos transformadores de inten-sidad, son de clase 0,2 para un rango de medida entre 6 y 600 A a frecuencias comprendidas entre 30 y 3000 Hz. Para la medida del par y la velocidad en el eje del disco, se utilize un equipo sin

contacto , can un rango de medida de hasta 5000 Nm y de haste 2000 rpm con una precision del 1% on ambos casos. El sistema de toma de datos se disen6 utilizando el bus normalizado SMP de Siemens. La fig. 3 contiene un diagra-ma de bloques de este sistema para facilitar la comprension de su funciona-miento. En el circulo exterior se indican los dispositivos externos relacionados con el sistema de medida y operacio-nes de Entrada/Salida de datos y on el circulo interior se indican los circuitos on los que este basada la interface que los controla. La medida de las magnitudes electricas este sincronizada can el paso por cero de la tension de la fase R gracias a un mecanismo de interrupciones que des-enacadena la medida del lapso de tiem-po transcurrido entre dos pasos por cero, sirve para conocer el periodo de las tensiones de alimentacion. Este periodo determine, a su vez, el intervalo de muestreo para la adquisicion simul-tanea de 30 muestras por period() de la tension y de la intensidad de cada fase. Estas muestras estan sincronizadas con el paso por cero de la tension de la fase R y esto hace que la posician de cada muestra este fija dentro de la forma de onda para cada medida, lo que da mayor estabilidad a la medida on todas las fases. Este procedimiento da mayor precisi6n para la medida con formas de onda no senoidales. Una vez muestrea-das las tensiones e intensidades, se procede al calculo por fase de los ver-daderos valores eficaces de tension e intensidad, de la potencia active y del factor de potencia. Para medir el par, se determina primero la velocidad del disco y de este valor se deduce el period() de revolucion del mismo con objeto de determiner el valor medio del par durante este periodo. Este metodo filtra las vibraciones pro-ducidas por la falta de alineacion entre el sistema de medida y el eje. Una vez determinado el par de frenado, se aria- de el par de friccion del disco, que ha sido determinado previamente median-te un ensayo en el que el disco se acciona con el generador de corriente continua H) trabajando como motor. El sistema posee un menu mediante el cual pueden ser vigilados a traves de la pantalla una serie de paremetros de especial interes de un modo continuo, como el par, la velocidad y el desliza-

DYNA - N. 26 Jul. Agos. Sep. 1989 78

VC 010,04

0 NUCLEI) 110,1TO

e. NUCLEI) FOOTO

801

60

300 HE

100Hz

200 HE

•

50

0

:-, 40

40 50 60 70 60 90 100 0

3 20 0

VELOCIDA 0 SM

Fig. 6 (STUDIO COMPARA T IVO DEL RENDIMIENTO

Fig. 6 Estudio comparativo del rendimiento

miento o las tensiones e intensidades por fase. Permite, asimismo, la lecture continua de cualquier magnitud y el listado de la medida de todas ellas en un punto de funcionamiento. El rango de frecuencias entre las cuales el sistema funciona correctamente este compren-dido entre 10 y 425 Hz. El sistema ha sido equipado con una memoria RAM de dos puertas, compar-tida con un microprocesador 8088 y coprocesador maternatico 8087 para controlar la velocidad regulando ten-sion y frecuencia cuando el grupo de maquinas rotativas sea sustituido por un ondulador y un rectificador controla-do. Estos ultimos equipos se encuentran actualmente en fase de desarrollo y en el momento actual estan siendo pues-tos a punto con un prototipo de 20 kW. Mas adelante se incluira en el sistema un controlador de disco para poder "correr" diferentes programas de medi-da y control para diferentes configura-ciones de maquinas electricas y elec-trOnicas de potencia.

COMPARACION DE LOS RESULTA-DOS TEORICOS Y EXPERIMENTA-LES

El prototipo de maquina lineal descrito, ha sido ensayado en el rango de fre-cuencias de 50 a 350 Hz, con escalones de 50 Hz y las medidas han sido con-trastadas con los resultados obtenidos

con el modelo tridimensional conside-rando y sin considerar, la longitud finita del nude°. Las figs. 4, 5 y 6 muestran los resultados de esta compared& para las frecuencias de 100, 200 y 300 Hz. - La fig. 4 muestra los resultados de la compared& en el calculo de Ia fuerza de tracci6n. Las predicciones teoricas con ambas suposiciones (nude° finito o infinito) son muy coincidentes entre si y con los resultados de la medida, tal como podia esperarse a la vista de las distribuciones de fuerza calculadas con ambas hipOtesis. - La fig. 5 muestra los resultados de Ia comparaci6n en la estimacion del factor de potencia y de la tensiOn aplicada por fase, pudiendose apreCiar que, aunque las predicciones del factor de potencia son muy similares en ambos supues-tos, Ia correccion del nkleo finito da lugar a una estimacion mas precise de la tension de alimentacion para todas las frecuencias. - Finalmente, la fig. 6 muestra los resul-tados de la compared& en el calculo del rendimiento. Aunque las prediccio-nes obtenidas con Ia correcci6n del nude° finito son mas precisas que las obtenidas con Ia suposic& de una Ion-gitud infinita, ambas estimaciones se alejan de la realidad mas que on el calculo del resto de las magnitudes. Esto ocurre porque on el calculo del rendimiento entran en juego todas las potencias y el prototipo ensayado es una maquina muy corta para la veloci-dad que alcanza, por lo 'quo resultan es-

pecialmente intensos todos los fen6- menos de reacciOn de inducid6 y flujos de dispersion. Es necesario decir, tam-bien, que los calculos se realizan con una conductividad constants del alumi-nio, sin considerar su varied& con la temperatura y este es un parametro que afecta seriamente a las caracteristicas de la maquina.

CONCLUSIONES

Hemos mostrado los resultados experi mentales obtenidos en el calculo de las caracteristicas de un prototipo de MLI on todo el rango de velocidades de interes para el transports terrestre de AV. En la maquina ensayada, todas las caracteristicas estan muy influenciadas por la velocidad y se requieren metodos de calculo muy precisos para su estima-cion. Las principales conclusiones de este trabajo son las siguientes:

a) Para una estimacion precise de Ia fuerza de traccion on todo el margen de velocidades, es necesaria la utilized& de un modelo tridimensional que tenga on cuenta todos los fen6menos, espe-cialmente los efectos de Entrada-Sali-da, el efecto pelicular y los efectos de anchura. b) En una maquina que presenta un factor de potencia tan pobre, resulta ne-cesario incluir las perdidas on el hierro dentro del balance de potencias para conseguir una buena estimacion de este parametro, asi como de la tension apli-cada por fase. c) Aunque Ia suposiciOn de nude° infi-nito permits obtener buenas estimacio-nes de la fuerza de tracci6n, la correc-ciOn que introduce Ia consideraciOn de la longitud finita del nudes° predice mejor el valor de la tensiOn aplicada. d) Para lograr un calculo mas preciso, es de gran importancia la utilizaciOn de una conductividad electrica de la place dependiente de Ia temperature. En este sentido, seria de gran interes acoplar un modelo termico al modelo electro-magnetic°.

AGRADECIMIENTO

Los autores desean agradecer a la Di-reccion del CEDEX, al Ministerio de Transports y a la Comision Interminis-terial de Ciencias y Tecnologia el apoyo prestado en la realizaciOn de esta in-vestigaciOn sobre la MLI

DYNA - N. 96 Jul. Agos. Sep. 1989 79