Banco dinamometrico per motore 2t e 4t con freno elettrico a controllo inverter

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"Grazie ai VI creati in NI LabVIEW è stato possibile rispettare i cicli di prova, spesso in evoluzione, e apportare modifiche immediate svincolandosi da eseguibili chiusi e poco elastici"

- W. Lo Casale, EMAK

The Challenge:
Con la creazione del VI ci si è posti l’obiettivo di realizzare un sistema economico e versatile di acquisizione e controllo di tutti i parametri di un motore a 2T e 4T ad accensione comandata. Il sistema risulta economico in quanto i banchi dinamometrici tradizionali sono realizzati con freni a correnti parassite, a isteresi magnetica o a induzione, e tutti risultano essere non solo sovradimensionati per le potenze dei motori a produzione Emak (da 0,5kW a 5,5 kW) ma soprattutto costosi. Inoltre risultata versatile sotto il profilo dell’adeguamento del test di prova alle continue evoluzioni delle normative Euro per la riduzione dei gas di scarico e la verifica in diretta delle curve di prestazione del motore in prova.

The Solution:
Il VI “FRENO EMAK INVERTER” permette di: •frenare un motore ad accensione comandata tipo motosega o decespugliatore a 2 e 4 tempi, rispettando quanto previsto dal ciclo di prova secondo le direttive Euro 97/68 e 2004/26; •verificare le prestazioni del motore in prova; •registrare dati in modo automatico o manuale in formato ASCII; •verificare, prima della conclusione della prova, i dati registrati anche in forma grafica XY con qualunque parametro visualizzabile su i due assi.

Author(s):
W. Lo Casale - EMAK

Emak progetta, sviluppa, produce e commercializza motoseghe, decespugliatori, rasaerba e altre macchine portatili per la cura del verde e delle piante, utilizzando motori a 2T e 4T di piccola cilindrata da 20 a 100 cm3 di elevate prestazioni, basso peso, ridotti livelli di vibrazione, rumore ed emissioni gassose.
Per raggiungere tali obiettivi in ogni applicazione Emak si avvale di modelli propri di simulazione fluidodinamica zero dimensionali (Filling and Emptying), monodimensionali e tridimensionali, avallati e supportati da verifiche sperimentali dei dati caratteristici del ciclo indicato di ogni motore.
Per i motivi di progettazione sopraindicati, in fase di sperimentazione prototipale da tempo si utilizzano strumenti National Instruments per la realizzazione di VI (Virtual Instruments) di analisi, controllo e monitoraggio delle prove funzionali, omologative e di vita.

Come enunciato, il VI permette di verificare la rispondenza alle normative dei motori a 2 e 4 tempi secondo il ciclo di prova Euro fase 1 e 2 Analizzando in dettaglio il progetto possiamo così schematizzare:

Sistema
La strumentazione si compone di:
• Motore di prova
• Sistema di collegamento motore – torsiometro – freno elettrico
• Azionamento e controllo inverter con recupero di energia in rete
• Sistema di condizionamento dei segnali
• Un PC host di controllo e visione ed inoltre
• Sistema di misura per emissioni gassose
• Sistema di misura del consumo di combustibile

Motore di Prova
La normativa Euro 97/68 e 2004/26 prevede che tutti i motori sotto i 19kW hand held debbano rispettare limiti di emissione gassose secondo determinati cicli di prova. Tali cicli di prova sono spesso in evoluzione, grazie ai VI creati in NI LabVIEW le modifiche sono ovviamente immediate e ci svincolano da eseguibili chiusi e poco elastici.

Sistema di collegamento motore - torsiometro – freno elettrico
Il sistema di collegamento tra motore e freno elettrico avviene tramite torsiometro dinamico che permette di misurare facilmente coppia e velocità del motore. A valle del torsiometro vi è un sistema di riduzione della trasmissione di 1:2 con puleggie e cinghia dentata per poter far funzionare il motore elettrico trifase a metà della velocità del motore a 2 tempi. Il vantaggio del torsiometro è di potersi svincolare dalla misura della coppia con cella di carico, che con motore elettrico non collegato direttamente al motore di prova sarebbe problematica per le perdite di carico di trasmissione del moto ridotta con puleggie e cinghie.

Azionamento inverter
L’azionamento inverter del motore trifase è di tipo vettoriale e con recupero in rete dell’energia dissipata dal motore. Si è preferita la versione con recupero in rete per evitare inutili surriscaldamenti della camera di prova che potrebbero verificarsi con le resistenze di smaltimento. L’inverter viene controllato e pilotato dal PC tramite le porte analogiche e digitali; si sono inoltre utilizzate le porte seriali per i settaggi elettrici del motore trifase.

Sistema di condizionamento segnali
I segnali da condizionare sono essenzialmente quelli di termocoppia, in quanto per quelli ambiente è stato utilizzato un sensore con uscita in tensione misurabili direttamente dalla scheda NI PCI-6229. Per il condizionamento abbiamo utilizzato inizialmente un SCC 2345 poi sostituito con un USB 9211, più economico ma altrettanto valido.

PC host di comando e controllo
Si è utilizzato un Pentium IV da 3.2GHz con 500 Mb di Ram con la scheda NI PCI-6229. Sicuramente il sistema di comando e controllo potrebbe essere sovradimensionato per il VI “Freno Emak Inverter”; ma in tal modo risulta già pronto a poter essere aggiornato ad un completo sistema di controllo di tutti i parametri motore: temperature e pressioni di alimentazione e scarico, controllo dell’anticipo accensione al PMS, emissioni gas di scarico, consumo di combustibile, attivazione acceleratore e avviamento e allarmi di stop.

Oltre ai controlli automatici, tramite uscite digitali e analogiche dalla NI PCI-6229 all’inverter e agli attuatori del motore in prova, si è prevista la possibilità di effettuare comandi di frenatura anche manuali con potenziometro.
Nel modo automatico il VI permette di effettuare il ciclo di prova di omologazione euro ed acquisire tutti i parametri del motori nelle tempistiche stabilite con registrazione dei dati su disco in formato ASCII, secondo il metodo del “fuel mass flow” per misure raw gas. I parametri dei motori possono essere registrati sia in maniera automatica che manuale e i dati registrati possono essere controllati prima della conclusione della prova e visualizzati anche in formato grafico tipo XY con qualunque parametro su i due assi.

Conclusioni
Il vantaggi del sistema sono soprattutto economici, con un VI modulare e modificabile, applicato ad un sistema di frenatura costruito con meno di 9000 €. Inoltre il sistema è costruito su misura per i motori Emak che, a causa delle basse potenze e inerzie, vengono ad essere influenzati dai sovradimensionati freni a correnti parassite, con conseguenti condizioni di frenatura non coerenti con le condizioni di prova. Ulteriore vantaggio è la trasportabilità del freno rispetto ad un dinamometrico con correnti parassite, vista l’assenza di collegamenti con l’impianto di raffreddamento e lubrificazione inesistenti con l’inverter.

Author Information:
W. Lo Casale
EMAK
Tel: 0522 956611
wlocasale@emak.it

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