Converter, inverter

Onderwerpen:

  • Inleiding
  • Converter
  • Inverter
  • Regeneratief remmen

Inleiding:
Elektromotoren in voertuigen met volledig elektrische, of hybride aandrijving werken met wisselspanning (AC). De energie voor de elektromotor komt niet rechtstreeks uit de accu, daar deze alleen gelijkspanning (DC) levert. De gelijkspanning uit de accu wordt in de inverter omgezet naar wisselspanning.

Daarnaast vinden we converters die van een lage gelijkspanning een hogere spanning maken, of andersom. De accuspanning kan omhoog worden “geboost” voor de elektromotor (650 volt), of omlaag worden gebracht om de boordnetaccu (14 volt) te laden.

De volgende afbeelding zijn van een Tesla Model S: het binnenwerk van de inverter en een overzicht met de zgn. “drive unit” waar de inverter, transmissie en elektromotor in een gezamenlijke unit ter hoogte van de achterwielhophanging bevinden.

Converter:
De onderstaande afbeelding toont een systeemoverzicht met o.a. de boost converter en de inverter van een Toyota Prius. De inverter wordt in de volgende paragraaf behandeld. We verdiepen ons in deze paragraaf in de boost converter.

De batterijspanning van 201,6 volt wordt in de boost converter omgezet in een dito gelijkspanning van 650 volt. Er wordt gebruik gemaakt van een spoel en een tweetal IGBT’s (transistoren) om een inductiespanning op te wekken. De reactorspoel is in de boost converter afgebeeld tussen de condensator (links) en de IGBT’s T1 en T2. Door continu de transistoren wel / niet aan te sturen, wordt in de reactorspoel een inductiespanning opgewekt waardoor de condensator oplaadt.
De diode zorgt ervoor dat de laadspanning steeds hoger wordt totdat de spanning de 650 volt bereikt.

Inverter:
De afbeelding in de paragraaf “Boost converter” toont het overzicht met de boost converter, de inverter met twaalf IGBT’s en twee elektromotoren (MG1 en MG2).

In de onderste zeven schema’s wordt de aansturing van de transistoren en de stroomrichting van en naar de statorspoelen getoond. De boost converter en de IGBT’s + MG2 worden voor het gemak weggelaten. Links in het schema zien we de HV-batterij; dit is de hoogvoltage accu waarin een spanning van ongeveer 200 volt is opgeslagen. Rechts naast de accu zien we een condensator. Daarnaast zien we een zestal hoog-vermogens transistoren. Dit zijn de IGBT’s die de elektromotor aansturen. De IGBT’s worden door de regeleenheid aangestuurd; deze is aangegeven als “IGBT driver”. Rechts zien we de stator met drie spoelen (U, V en W) die met blauw en rood zijn gekleurd. In het midden van de stator bevindt zich de rotor die door magnetisme in beweging wordt gebracht, zie de paragraaf over de elektromotor.

De bovenste transistoren (T1, T3 en T5) schakelen de plusverbindingen vanaf de HV-batterij naar de statorspoelen indien de transistoren door de regeleenheid in geleiding worden gebracht. De onderste transistoren (T2, T4 en T6) geleiden de massa’s naar de min van de hoogvoltage accu.

De basis-aansluitingen van de IGBT’s die op dat moment worden aangestuurd, zijn met groen weergeven.

1. Aangestuurde IGBT’s:

  • T1: plus (100% aangestuurd);
  • T2: massa (50% aangestuurd);
  • T6: massa (50% aangestuurd).

2. Aangestuurde IGBT’s:

  • T1: plus (50% aangestuurd);
  • T3: plus (50% aangestuurd);
  • T2: massa (100% aangestuurd).

De rotor verdraait zich als gevolg van het magnetisch veld dat is veranderd.

3. Aangestuurde IGBT’s:

  • T3: plus (100% aangestuurd);
  • T2: massa (50% aangestuurd);
  • T4: massa (50% aangestuurd).

De rotor verdraait zich als gevolg van het magnetisch veld dat is veranderd.

4. Aangestuurde IGBT’s:

  • T3: plus (50% aangestuurd);
  • T5: plus (50% aangestuurd);
  • T4: massa (100% aangestuurd).

De rotor verdraait zich als gevolg van het magnetisch veld dat is veranderd.

5. Aangestuurde IGBT’s:

  • T5: plus (100% aangestuurd);
  • T4: massa (50% aangestuurd);
  • T6: massa (50% aangestuurd).

De rotor verdraait zich als gevolg van het magnetisch veld dat is veranderd.

6. Aangestuurde IGBT’s:

  • T1: plus (50% aangestuurd);
  • T5: plus (50% aangestuurd);
  • T6: massa (100% aangestuurd).

De rotor verdraait zich als gevolg van het magnetisch veld dat is veranderd.

7. Aangestuurde IGBT’s:

  • T1: plus (100% aangestuurd);
  • T2: massa (50% aangestuurd);
  • T6: massa (50% aangestuurd).

De rotor is nu 360 graden (1 volledige rotatie) verdraait vanaf de situatie in situatie 1. De cyclus met transistor-schakelingen herhaalt zich weer.

De inverter zet de gelijkspanning uit de HV-batterij om naar een 1-fase sinusvormige wisselspanning. De onderstaande drie afbeeldingen tonen:

  • Links: laden van de spoel;
  • Midden: ontladen van de spoel;
  • Rechts: laad- en ontlaadcurve van de spoel.

Het op- en ontladen van de spoel bereiken we door de basis van de transistor met een blokspanning aan te sturen. Bij het ontladen van de spoel valt het magnetische veld ontstaat er door de inductiespanning een kortdurende inductiestroom. De blusdiode zorgt ervoor dat de spoel zich ontlaadt.

De 1-fase sinusvorm wordt verkregen door de de duty-cycle waarmee de transistor in geleiding wordt te veranderen. De volgende tekst gaat over de onderstaande afbeeldingen.

  • Links:  met deze frequentie kan de spoel niet voldoende opladen en ontstaat er een gemiddelde spanning;
  • Rechts: de duty-cycle wordt door de IGBT-controller aangepast. De laad- en ontlaadtijd bepalen de hoogte van de stroom door de spoel.

De IGBT’s in de inverter worden continu in- en uitgeschakeld. De verhouding tussen het in- en uitschakelen geschied volgens een PWM-regeling. Hoe breder de pulsen (hogere duty-cycle) hoe groter de stroom is die door de spoel vloeit en dus hoe krachtiger de elektromotor is. De gemiddelde stroom wordt door de zwarte sinus aangegeven. De volgende afbeelding toont drie sinusvormige aanstuur-signalen:

  • Blauw: hoge aansturing. De duty-cycle is hoog. De stroomsterkte wordt maximaal.
  • Groen: gemiddelde aansturing. Het duty-cycle percentage is lager dan bij de hoge aansturing. De stroomsterkte is daarom lager. 
  • Rood: lage aansturing. Opnieuw is het duty-cycle percentage gedaald. De stroomsterkte is gehalveerd ten opzichte van de maximale aansturing.

De sinus is een halve periode positief en de andere helft negatief. De IGBT’s in de DC-AC-inverter worden dusdanig geschakeld, dat van een gelijkspanning (DC) een wisselspanning (AC) wordt gemaakt. De stroomrichting door de statorspoelen wordt periodiek omgekeerd.

De frequentie van het sinussignaal bepaalt het toerental van de elektromotor:
door het aantal sinusvormen per tijdseenheid te verhogen, stijgt het rotortoerental.

De volgende animatie laat de aansturing van de inverter zien. Onder de inverter zie je het tijdsverloop van drie fasen. De rotor draait in de animatie twee volledige omwentelingen (360 graden). Iedere rotatie is in zes tijds-eenheden opgedeeld (1 t/m 6). Daaronder zie je gekleurde balken:

  • Donkerblauw: T1
  • Groen: T2
  • Lichtblauw: T3
  • Oranje: T4
  • Roze: T5
  • Rood: T6

We richten ons op de eerste halve omwenteling van het tijdsverloop:

  • Vanaf 0 tot 180 graden draait de rotor een halve omwenteling. In deze periode is IGBT T1 aangestuurd.
  • Tussen 0 en 60 graden waren naast T1, ook T5 en T6 actief.
  • T1 schakelt de plus, T5 en T6 massa. Iedere transistor had een eigen duty cycle, variërend tussen de 50 en 100%.
  • Op 60 graden neemt T2 het van T5 over: de stroomrichting in de spoel wordt omgekeerd.
  • Op dat moment is er sprake van wisselspanning: doordat de stroomrichting is veranderd, is de stroomsterkte negatief.

Regeneratief remmen:
Bij het afremmen op de motor wordt de elektromotor als generator (dynamo) toegepast. De kinetische energie van het voertuig wordt omgezet in elektrische energie: de accu wordt opgeladen.

De IGBT’s worden tijdens het regeneratief remmen uitgeschakeld: de driver stuurt ze niet aan. De gelijkrichtdiodes tussen de source en de drain van de IGBT’s funtioneren als gelijkrichter om de wisselspanningvan de motor om te zetten in gelijkspanning voor de accu.

Zie ook: