Profesor Werner Jara cierra proyecto FONDECYT sobre modelamiento de máquinas eléctricas modulares

El Dr. Werner Jara, académico e investigador del laboratorio de control y diseño de máquinas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica (EIE) de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso (PUCV), se encuentra próximo a cerrar el proyecto del Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (FONDECYT) -11170793- titulado “Design and Construction of a Novel Tooth-Coil Windings Permanent Magnet Synchronous Machines with Modular Stator”.

Ante este acontecimiento, el docente hace una retrospectiva al trabajo desarrollado durante este proceso, que ha permitido, entre otros hitos, la configuración del laboratorio de control y diseño de máquinas (LCDM ) como un nuevo espacio de trabajo para la investigación de la EIE en materias de máquinas eléctricas, motores de inducción, eficiencia energética, electromovilidad, y los tópicos más específicos que nos comenta a continuación:

 ¿En qué contexto se dió este proyecto? ¿de dónde se origina la idea de este proyecto?

Werner (W): Durante mis estudios de doctorado en Finlandia, me tocó participar en un proyecto anexo que consistía en el diseño y evaluación de una máquina para ser utilizada en ascensores para poder recuperar energía en el descenso. Era una máquina de baja potencia y costo. Se armó y se instaló en varios ascensores de Konecranes, empresa a cargo, a pesar de que no tuvo un diseño completamente optimizado. 

Durante el desarrollo del modelo analítico del motor, cuyos resultados fueron publicados en un artículo de la International Conference on Electrical Machines (ICEM), encontré que la máquina tenía mucho potencial, y que modificando ciertos parámetros era posible mejorar algunos indicadores de desempeño, tales como el torque por unidad de volumen, o por unidad de peso, la eficiencia, entre otros.  Además, podían existir aplicaciones para esta topología en otros ámbitos donde se requiere que la máquina siga en funcionamiento aún cuando se presenten fallas en el mismo dispositivo, ya sea operando como motor o generador. 

Existían referencias en la literatura científica al respecto, pero era algo insipiente y por lo tanto había mucho que desarrollar en el concepto de motor con estator modular. Pocas publicaciones y análisis acotado. Entonces, realizar un prototipo y hacer investigación al respecto se abrió como oportunidad.

¿En qué ha consistido el trabajo desarrollado?

W: Consistió en explotar las características intrínsecas de la máquina y evaluar su utilización en las potenciales aplicaciones. Se desarrollo el modelo analítico para su comprensión y evaluación, estableciendo las ecuaciones que gobiernan la máquina, donde se pudo ver qué parámetros influían en ciertas variables. Los resultados se contrataron con los obtenidos mediante simulaciones en elementos finitos mostrando una buena correlación. Además, se desarrollaron rutinas de optimización y se analizaron cambios en la configuración modular buscando tener mejores prestaciones de la máquina en aplicaciones críticas en donde se requiere asegurar el continuo funcionamiento aun en condiciones de falla. 

¿Quienes integraron el equipo de trabajo? ¿cuánto tiempo duró su ejecución?

W: Comenzó el año 2017 con la adjudicación, y finaliza en enero de 2020. A nivel internacional, conté con la colaboración y apoyo del Dr. Gerd Bramerdorfer, de la Universidad Johannes Kepler, en Austria; y el Dr. Michele Degano, de la Universidad de Nottingham, en Reino Unido. En cuanto a estudiantes, han participado tanto alumnos del programa de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, mención Ingeniería Eléctrica, como de pregrado. Carlos Madariaga, por ejemplo, realizó su tesis bajo el marco de este proyecto, Lukas Bailey también o Eddy Pérez, en el caso del magíster. En cuanto a pregrado tenemos a Carlos Montoya, Bastián Guerra e Iván Zamora, y el año pasado, Edison Espinoza y Víctor Galaz. Como personal técnico estuvieron Álvaro Hoffer y Nicolás Reyes. En general, se ha tratado de integral al proyecto a cada uno de los estudiantes que han trabajado en el LCDM.

¿Qué balance se hace de este trabajo? ¿presentaron dificultades durante el proceso?

W: La principal dificultad con la que me encontré en un primer momento fue que no teníamos un laboratorio o espacio de trabajo con el equipamiento requerido para las actividades de experimentación que se plantearon. Ese fue un factor para tener en cuenta en la decisión de aplazar la parte experimental al último año del proyecto. Podría haberse ejecutado antes, sí, de haber contado con dicho espacio. Desde el punto de vista teórico, de análisis, de diseño, numérico y evaluación, conté con estudiantes interesados con grandes capacidades y ganas de trabajar, ahora nos encontramos en la etapa de prototipado y la experimentación. En general, el 2019 fue un año de adquisición de implementos para poder trabajar en el montaje. 

Por supuesto, en el momento en que íbamos a comenzar con esta etapa final, han ocurrido sucesos de mayor envergadura tanto en Chile como lo que conocemos a nivel mundial con la pandemia del COVID-19. Lo positivo es que con la investigación desarrollada hasta el momento logramos generar las publicaciones necesarias para poder cerrar el proyecto, aspecto que pudimos cubrir sin problema. Además. El proyecto, la colaboración internacional y las ideas aportadas por todos los que han participado nos abrieron la oportunidad de expandir el foco de mi investigación. Actualmente estamos trabajando en análisis de tolerancias mecánicas y su efecto en las máquinas eléctricas. Este es un tema de gran relevancia cuando se desarrolla un proceso de fabricación a gran escala. 

¿Cómo se logró la apertura y habilitación del laboratorio de control y diseño de máquinas de la EIE? ¿cómo se gestionó el proceso?

W: Estoy súper agradecido del apoyo de la Escuela y de los estamentos de la universidad. Hubo un gran apoyo en el levantamiento de este laboratorio. Cuando me incorporé a la EIE en el 2017, a través de un pequeño proyecto, pude acceder a un pequeño espacio, y fue en el 2019 donde la EIE realizó una reestructuración y distribución del espacio físico, y en eso, postulé otro proyecto con mayor detalle junto al profesor Javier Riedemann que se tradujeron en los 125m2 útiles que conforma el laboratorio. Se asignó el espacio y también se habilitó.  Se trató de un trabajo de aproximadamente un año que nos permitió avanzar en este proyecto FONDECYT y que abrió la posibilidad a tener un número de diez alumnos diarios en promedio.

¿A qué tipo de equipamiento se tuvo que recurrir?

W: Lo principal fue una DSpace MicroLabBox, que nos permitió conectar un convertidor comercial a un computador para poder hacer todas las estrategias de control en nuestras actividades de experimentación, como puede ser test de torque medio, tensión inducida, u obtener los indicadores de eficiencia, etc. Se trata de un equipo bien costoso y de punta, muy útil. En otros equipos encontramos un convertidor que permite, a través de un cambio en la placa de control, controlarse a través de la DSpace y el computador. La gracia de tener un convertidor comercial como este, es que tienes todas las garantías y protecciones del mercado, considerando que será utilizado por estudiantes, esto permite tener una mayor seguridad para los estudiantes y para la máquina misma. También un motor de inducción, que sirve para motorizar la máquina ya sea si el prototipo trabaja como generador o para carga eléctrica si trabaja como motor. 

Finalmente, un sensor de torque, que permite medir el torque que produce nuestro prototipo que nos permitirá ver algunas medidas eléctricas como potencia de entrada y salida, útiles para hacer mapas de eficiencia. 

En cuanto a software, comenzamos trabajando con Flux de Altair, que permite analizar mediante el método de elementos finitos el desempeño de la máquina: De esta forma sabemos y con gran precisión,  si lo que hemos diseñado se comportará de esa forma. Luego, lo reemplazamos por Maxwell, de Ansys. Este cambio se decidió para permitir una conexión con las otras herramientas de Ansys con las que trabaja la Facultad de Ingeniería PUCV, lo que posibilitaría la creación de otros proyectos.

Actualmente tenemos capacidad para levantar 3 estaciones de testeo de motores, todas con tecnología de punta.

¿Qué proyecciones se observan a raíz de esta investigación?

W: El potencial de continuidad de este proyecto es muy alto, incluso teniendo en cuenta que no hemos cubierto completamente la parte experimental. El porcentaje de publicaciones que pueden extraerse a raíz de esta investigación es alto porque la máquina tiene muchas aristas. Uno, la reducción del material que se pierde por el proceso de manufactura. Luego está la capacidad de la máquina de tolerar a fallas eléctricas y la continuidad de operación. Otra arista es el efecto de las tolerancias mecánicas y los materiales en este tipo de topologías. Finalmente, están las aplicaciones específicas, como transporte vehicular, transporte marino, marino, generación eólica a gran escala, entre otras. Afortunadamente, el diseño que nosotros estamos construyendo permite hacer e indagar en muchas de estas temáticas.  

Para concluir, ¿porqué investigar y profundizar en máquinas eléctricas? ¿cómo podemos definirlas y cuál es su importancia?

W: Las máquinas eléctricas son una parte fundamental de la industria a nivel mundial. Finalmente, todo, o prácticamente, todas las aplicaciones trabajan con energía eléctrica y esta se produce en máquinas rotatorias que son los grandes generadores sincrónicos que se están utilizando en las centrales hidroeléctricas, termoeléctricas, de carbón, entre otras. Sin eso, el 90% de la energía tendría que venir de otro tipo de recursos, y en este minuto, no es posible. Salvo la excepción de la energía solar o generación fotovoltaica, el resto viene de máquinas rotatorias. Esto es aún más relevante, si consideramos que más o menos el 60% de esa energía que consumimos, la utilizan motores eléctricos para la generación de trabajo útil. Pensemos en cualquier electrodoméstico o incluso en un teléfono móvil. Están presentes en el día a día industrial y rutinario. Cualquier mejora en estos equipos que manejan grandes volúmenes de energía, tendrá un impacto importante en la vida cotidiana.

Finalmente, el Dr. Jara comentó que se encuentra trabajando en un nuevo proyecto que busca extender lo realizado en este proyecto. Para conocer más sobre la labor del laboratorio de control y diseño de máquinas de la EIE, puede visitarse su sitio web oficial.

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