Diseño e implementación de un banco de ensayos para análisis de eficiencia energética en sistemas accionados por máquinas de inducción para sistemas de bombeo a cota fija

Abstract

The present project documents the design and implementation of a test bench for the analysis of energy efficiency in systems driven by induction machines for fixed-level pumping systems. It is contemplated the development of an online simulation system that allows to reproduce the behavior of the fixed-level pumping systems from the resistant torque, which is represented by an induction motor fed by electronic converter in torque control ( Auxiliary motor). It includes an instrumentation equipment to take measurements that allow the monitoring of the motor-load assembly, a flow control system for the operation of the main induction motor. The project is based mainly on what is known as Model-Based Design (MBD), a design process that allows rapid and low-cost development of dynamic systems, including control, signal processing and communication systems. With hardware and software specifications, it is ideal for the development of test benches like those that the one presented in this project. This process has several stages, the most recent being the Hardware in the loop or HIL techniques, developed to reproduce the behavior of the hydraulic installation without the need for physical installation, and Rapid Control Prototyping or RCP, which allows the implementation of the flow control system in the test bench, including the introduction of flow rate-system operating time profiles. Therefore, these techniques were adapted in the application of the project, obtaining good results, which shows its great potential for the development of systems in various fields, not only in the automotive sector, for which traditionally have been implemented.

El presente Trabajo de Fin de Máster documenta el diseño e implementación de un banco de ensayos para el análisis de eficiencia energética en sistemas accionados por máquinas de inducción para sistemas de bombeo a cota fija. El citado banco de ensayos consta de tres elementos principales: un sistema de simulación en línea que permita reproducir el comportamiento de los sistemas de bombeo a cota fija a partir del par resistente, el cual se representa a partir de un motor de inducción alimentado por convertidor electrónico en control de par (motor auxiliar), un equipo de instrumentación para la toma de medidas que permiten la monitorización del conjunto motor-carga, y un sistema de control de caudal para la operación del motor de inducción principal. El banco de ensayos es totalmente configurable en términos tanto de la propia instalación hidráulica (longitudes, diámetros, cotas o elementos auxiliares) como del sistema de regulación de caudal (parámetros del regulador industrial). El Trabajo de Fin de Máster o TFM se fundamenta principalmente en lo que se conoce como Model-Based Design (MBD), proceso de diseño que permite de forma rápida y a bajo coste el desarrollo de sistemas dinámicos, incluyendo sistemas de control, procesamiento de señales y comunicación. Con especificaciones de hardware y software, es ideal para el desarrollo de bancos de pruebas como el presentado en este proyecto. Este proceso tiene varias etapas, siendo las más novedosas las que se basan en las técnicas de Hardware in the loop, simulación en línea o HIL, desarrollada para reproducir el comportamiento de la instalación hidráulica sin necesidad de la instalación física, y Rapid Control Prototyping, control de prototipado rápido o RCP, que permite la implementación rápida basada en software del sistema de control de caudal en el banco de ensayos, incluyendo la introducción de perfiles caudal-tiempo de operación del sistema. Se adaptaron, por tanto, estas técnicas en la aplicación del proyecto, obteniéndose buenos resultados, por lo que se manifiesta su gran potencial para el desarrollo de sistemas en diversos campos, no solo en el sector automovilístico, campo para el que se han implementado estas técnicas tradicionalmente.

El present projecte documenta el disseny i implementació d'un banc d'assajos per a l'anàlisi d'eficiència energètica en sistemes accionats per màquines d'inducció per a estacions de bombament a cota fixa. Es contempla el desenvolupament d'un sistema de simulació en línia que permeti reproduir el comportament de estacions de bombament a cota fixa a partir del parell resistent, el qual es representa a partir d'un motor d'inducció alimentat per convertidor electrònic en control de parell (motor auxiliar). Inclou un equip d'instrumentació per a la presa de mesures que permetin el monitoratge del conjunt motor-càrrega, un sistema de control de cabal per a l'operació del motor d'inducció principal. El projecte es fonamenta, principalment, en el que es coneix com Model-Based Design (MBD), procés de disseny que permet, de forma ràpida i a baix cost, el desenvolupament de sistemes dinàmics, incloent sistemes de control, processament de senyals i comunicació. Amb especificacions de maquinari i programari, és ideal per al desenvolupament de bancs de proves com el presentat en aquest projecte. Aquest procés té diverses etapes, sent les més noves les tècniques de Hardware in the loop (HIL) o simulació en línia, desenvolupada per reproduir el comportament de la instal·lació hidràulica sense necessitat de la instal·lació física, i Rapid Control Prototyping (RCP) o control de prototipat ràpid, que permet la implementació del sistema de control de cabal al banc d'assajos, incloent la introducció de perfils cabal-temps d'operació del sistema. Es van adaptar, per tant, aquestes tècniques en l'aplicació del projecte, obtenint-se bons resultats, posant de manifest el seu gran potencial per al desenvolupament de sistemes en diversos camps i no solament en el sector automobilístic, àmbit on s'han implementat aquestes tècniques tradicionalment.