Comment les variateurs et moteurs alimentent les bancs d'essai automobiles

Les bancs d'essai sont utilisés extensively dans les industries automobile et aérospatiale, testant une variété de véhicules. Andy Pye examine comment les variateurs et moteurs sont utilisés dans ces systèmes.

Applications typiques dans l'industrie automobile pour lesquelles les systèmes d'entraînement sont utilisés incluent :

• Bancs à rouleaux (rolling road) pour les industries automobile et motocycliste
• Bancs d'essai moteurs – pour la production de moteurs électriques et à combustion
• Bancs d'essai transmission/boîte de vitesses pour fournisseurs de l'industrie automobile et de construction de machines
• Bancs d'essai véhicules électriques – avec alimentation CC pour alimenter l'onduleur du véhicule

Les constructeurs automobiles sélectionnent souvent aléatoirement des moteurs de leurs lignes de production et les soumettent à des tests rigoureux pour confirmer qu'ils répondent à toutes les exigences et paramètres de conception clés.

En plus des tests internes par les constructeurs et fournisseurs de premier niveau, les bancs d'essai automobiles sont aussi utilisés par des maisons de test spécialisées. Par exemple, Horiba Mira a une vaste expérience dans la fourniture de services d'ingénierie de test à l'industrie automobile mondiale, testant selon les réglementations et normes, les exigences spécifiques aux clients et dans le développement de procédures et méthodes de test appropriées. Cette organisation possède pas moins de 37 installations de test majeures, incluant un ensemble complet de laboratoires de sécurité (crash, simulation d'impact, piéton) ; installations environnementales véhicule et composants ; une soufflerie aérodynamique à échelle réelle ; véhicule et composants CEM (compatibilité électromagnétique) ; et laboratoires de test composants et structures.

Les variateurs CA à vitesse variable sont très bien adaptés aux applications de bancs d'essai, car ils peuvent être utilisés pour simuler des conditions réelles d'une manière hautement dynamique, précise, linéaire et reproductible. Ils sont très réactifs et peuvent s'arrêter et démarrer rapidement pour répliquer des événements à haute vitesse.

Les variateurs régénératifs sont souvent utilisés, de sorte que le variateur est capable de régénérer l'énergie électrique quand le moteur absorbe de l'énergie ou fournit une charge, renvoyant cette énergie à l'alimentation et réduisant les coûts d'exploitation.

Tous les variateurs utilisés dans ces applications devraient être optimisés pour l'efficacité énergétique et la haute précision de contrôle, avec une faible tension et courant de ripple. Une excellente réponse de couple est vitale, car les variateurs sont souvent utilisés comme amplificateurs de couple, donc le temps de la référence de couple au couple sur l'arbre moteur doit être minimisé – plus le couple réel suit de près la référence de couple, plus il est facile pour le système de contrôle de contrôler et donc meilleure est la performance globale du banc d'essai.

Le dynamomètre châssis

Les types les plus courants de bancs d'essai automobiles sont les dynamomètres châssis, les dynamomètres moteur et les bancs de transmission. Les tests sur dynamomètre châssis emploient généralement un variateur et un moteur par unité d'essai d'essieu ou de roue, selon le type de test effectué.

CP Engineering fabrique des systèmes de test dynamomètre moteur et châssis, systèmes de test transmission et autres bancs d'essai pour l'industrie automobile. Elle a fourni des systèmes à de nombreuses entreprises leaders dans ce secteur, incluant Castrol, Cosworth Technology, Delphi et Shell.

Le système de contrôle et d'acquisition de données 'Cadet' basé sur Windows NT de CP a son interface analogique synchronisée au contrôle vectoriel en boucle fermée du variateur. Les systèmes de test nécessitent un contrôle et un traitement en temps réel qui est précisément synchronisé pour donner le même profil charge/vitesse qu'un vrai véhicule. La réponse de la boucle de contrôle doit ainsi rester constamment dans un temps de cycle donné – typiquement 3,25 ms. Le variateur doit aussi être capable de motoriser pour simuler les conditions de surrégime.

Le logiciel de démarrage (cranking) fournit une protection pour l'arbre d'entraînement. Quand le moteur démarre et accélère, le variateur passe à couple zéro pour simuler le ralenti moteur. Apparemment, cela ne peut pas être fait avec des dynamomètres conventionnels et donne à CP un avantage concurrentiel.

Bancs d'essai à rouleaux et de freinage

Ici, différents profils de test et pistes sont simulés et préprogrammés pour reproduire les résistances de conduite le plus réalistement possible, incluant le freinage, le démarrage ou la conduite dans les virages, tout-terrain et hors route. Les fonctions internes et liées à la sécurité des véhicules telles que les systèmes antiblocage (ABS) et la direction assistée électrique (EPS) sont aussi testées. Grâce à une compensation à réponse rapide, des mesures hautement précises et reproductibles sont obtenues en tenant compte de la friction, des dépendances électriques et thermiques, et des moments d'inertie sur l'ensemble de la chaîne de traction.

Bancs d'essai moteurs

Les systèmes d'entraînement sont utilisés dans les bancs d'essai moteurs, tant dans les centres de développement que dans la fabrication de moteurs. Comme pour tout banc d'essai, la clé est de simuler avec précision les conditions de fonctionnement quotidiennes.

Il y a des exigences spécifiques pour l'évaluation de qualité des moteurs à combustion et électriques, telles que différents motifs et vitesses de test, cycles de couple et contre-couple, tests d'endurance ou charges à court terme.

Les convertisseurs de fréquence peuvent créer avec précision la courbe de couple requise, tout en recyclant l'énergie générée dans le moteur à combustion, épargnant ainsi le réseau électrique des courants secteur sinusoïdaux.

Les ingénieurs de test peuvent aussi soumettre l'échantillon test à des vitesses et couples spécifiques qui exposent les résonances et limites technologiques.

Bancs d'essai transmission/boîte de vitesses

Ici, les pulsations de couple et les caractéristiques de fonctionnement d'un moteur à combustion interne sont appliquées à la transmission/boîte de vitesses testée. En mettant en réseau tous les contrôleurs de variateur sur Ethernet temps réel, la synchronisation nécessaire des circuits de contrôle de courant et vitesse de l'onduleur assure que les résultats de test reflètent les conditions réelles. Cela évite le besoin d'ajustements d'équilibrage indésirables dans le système de contrôle.

L'électronique de puissance sert de variateurs d'entrée et de sortie pour une grande variété de types de transmission/boîte de vitesses. Quatre machines de charge remplacent le système roue/route et représentent le profil de conduite, tandis qu'un variateur d'entrée simule le moteur à combustion interne.

La Simulation de Pulsation de Couple Moteur (ETPS) recrée le moteur à combustion interne sur un banc de développement. Pour répondre aux exigences élevées pour ce type de banc d'essai, des moteurs synchrones à aimants permanents à faible inertie et des moteurs asynchrones sont utilisés.

Équipement de test pour véhicules électriques

Les nouveaux développements nécessitent de nouvelles techniques de test. La chaîne de traction sur les véhicules hybrides et électriquement propulsés comprenant l'onduleur véhicule, moteur/moteur et transmission/boîte de vitesses, peut être testée comme un système complet, tous connectés dans une configuration de bus CC commune qui permet à l'énergie régénérée (pendant le freinage par exemple) d'être recyclée.

Pour une puissance moteur installée donnée, cela signifie que la puissance assignée de l'onduleur connecté au réseau est minimisée, économisant le capital ainsi que les coûts d'énergie. Une caractéristique clé du système est que toutes les boucles de contrôle sont synchronisées ce qui réduit significativement le risque de résonances système.