Měnič

Předměty:

Úvod
Měnič
Regenerační brzdění

Předmluva:
Elektromotory ve vozidlech s plně elektrickým nebo hybridním pohonem pracují se střídavým proudem (AC). Energie pro elektromotor nepochází přímo z baterie, protože dodává pouze stejnosměrné napětí (DC). Stejnosměrné napětí z baterie je přiváděno do střídač převedeno na střídavé napětí pro elektromotor.

Navíc najdeme převodníky které mění nízké stejnosměrné napětí na vyšší napětí (zesilovací měnič). Napětí baterie lze „zvýšit“ pro elektromotor (650 voltů) nebo snížit pro nabití baterie palubní baterie (14 voltů). Převodník se také používá pro přepínání z vysokého napětí na nízké napětí, například pro napájení interiérových doplňků napětím 12 nebo 24 voltů (osobní nebo těžká užitková vozidla). Kliknutím sem zobrazíte stránku o převodníku.

Na následujícím obrázku je Tesla Model S: vnitřek měniče a pohled na takzvanou „pohonnou jednotku“, kde jsou měnič, převodovka a elektromotor umístěny ve společné jednotce u zadního zavěšení.

Střídač:
Obrázek v sekci „Boost konvertor“ ukazuje přehled s boost konvertorem, invertorem s dvanácti IGBT a dvěma elektromotory (MG1 a MG2).

Spodních sedm diagramů ukazuje řízení tranzistorů a směr proudu do a ze statorových cívek. Boost převodník a IGBT + MG2 jsou pro pohodlí vynechány. Vidíme to na obrázku vlevo HV baterie; jedná se o vysokonapěťovou baterii, ve které je uloženo napětí přibližně 200 až 800 voltů. Napravo od baterie vidíme kondenzátor. Při aktivaci VN systému VN ochranný systém nejprve pomocí odporu reguluje omezený proud z akumulátorové sady VN. To se provádí za účelem pomalého nabíjení kondenzátoru před tím, než bude VN systém plně funkční.

Kromě toho vidíme šest vysoce výkonných tranzistorů. Jedná se o IGBT, které řídí elektromotor. IGBT jsou řízeny řídicí jednotkou; toto je označeno jako „ovladač IGBT“. Vpravo vidíme stator se třemi cívkami (U, V a W) zbarvenými modře a červeně. Ve středu statoru je rotor, který je uváděn do pohybu magnetismem, viz odstavec o elektromotoru.

Horní tranzistory (T1, T3 a T5) přepínají kladné spoje z HV baterie na cívky statoru při zapnutí tranzistorů řídicí jednotkou. Spodní tranzistory (T2, T4 a T6) vedou hmoty k záporu vysokonapěťové baterie.

Připojení brány IGBT, které jsou aktuálně řízeny, jsou zobrazeny zeleně. U synchronního motoru řídicí jednotka „čte“ polohu motoru snímač polohy rotoru určit, které IGBT by měl ovládat. Snímač polohy rotoru se také nazývá a resolver volal.

1. Kontrolované IGBT:

TI: plus (1% kontrolované);
T2: hmota (50 % poháněná);
T6: hmotnost (50 % ujetých).

2. Kontrolované IGBT:

TI: plus (1% kontrolované);
TI: plus (3% kontrolované);
T2: hmotnost (100 % ujetých).

Rotor se otáčí v důsledku magnetického pole, které se změnilo.

3. Kontrolované IGBT:

TI: plus (3% kontrolované);
T2: hmota (50 % poháněná);
T4: hmotnost (50 % ujetých).

Rotor se otáčí v důsledku magnetického pole, které se změnilo.

4. Kontrolované IGBT:

TI: plus (3% kontrolované);
TI: plus (5% kontrolované);
T4: hmotnost (100 % ujetých).

Rotor se otáčí v důsledku magnetického pole, které se změnilo.

5. Kontrolované IGBT:

TI: plus (5% kontrolované);
T4: hmota (50 % poháněná);
T6: hmotnost (50 % ujetých).

Rotor se otáčí v důsledku magnetického pole, které se změnilo.

6. Kontrolováno IGBT:

TI: plus (1% kontrolované);
TI: plus (5% kontrolované);
T6: hmotnost (100 % ujetých).

Rotor se otáčí v důsledku magnetického pole, které se změnilo.

7. Kontrolováno IGBT:

TI: plus (1% kontrolované);
T2: hmota (50 % poháněná);
T6: hmotnost (50 % ujetých).

Rotor se nyní otočil o 360 stupňů (1 plná otáčka) oproti situaci v situaci 1. Cyklus s tranzistorovými obvody se znovu opakuje.

Střídač převádí stejnosměrné napětí z HV baterie na 1fázové sinusové střídavé napětí. Tři obrázky níže ukazují:

Vlevo: zatížení cívky;
Uprostřed: vybíjení cívky;
Vpravo: křivka nabíjení a vybíjení cívky.

Nabíjení a vybíjení cívky dosáhneme buzením báze tranzistoru obdélníkovým napětím. Když je cívka vybitá, magnetické pole klesá a indukční napětí vytváří krátkodobý indukční proud. Zhášecí dioda zajišťuje vybití cívky.

1-fázový sinusový tvar se získá změnou pracovního cyklu, se kterým se tranzistor stává vodivým. Následující text je o obrázcích níže.

Vlevo: při této frekvenci se cívka nemůže dostatečně nabíjet a vytváří se průměrné napětí;
Vpravo: pracovní cyklus se nastavuje regulátorem IGBT. Doba nabíjení a vybíjení určuje množství proudu procházejícího cívkou.

IGBT ve střídači se neustále zapínají a vypínají. Poměr mezi zapnutím a vypnutím probíhá podle PWM řízení. Čím širší jsou pulsy (vyšší pracovní cyklus), tím větší proud protéká cívkou, a proto je elektromotor výkonnější. Průměrný proud je indikován černou sinusovkou. Následující obrázek ukazuje tři sinusové řídicí signály:

Modrá: vysoká kontrola. Pracovní cyklus je vysoký. Proud bude maximální.
Zelená: průměrná kontrola. Procento pracovního cyklu je nižší než u vysoké regulace. Proud je tedy nižší.
Červená: nízká kontrola. Procento pracovního cyklu opět kleslo. Intenzita proudu byla snížena na polovinu oproti maximální kontrole.

Sinusovka je půl periody kladná a druhou polovinu záporná. IGBT ve střídači DC-AC jsou zapojeny tak, že se stejnosměrné napětí (DC) mění na střídavé napětí (AC). Směr proudu skrz statorové cívky se periodicky obrací.

Frekvence sinusového signálu určuje rychlost elektromotoru:
zvýšením počtu sinusoid za jednotku času se zvyšuje rychlost rotoru.

Následující animace ukazuje ovládání střídače. Pod střídačem vidíte časový průběh tří fází. Rotor se v animaci otočí o dvě celé otáčky (360 stupňů). Každá rotace je rozdělena do šesti časových jednotek (1 až 6). Níže uvidíte barevné pruhy:

Tmavě modrá: T1
Zelená: T2
Světle modrá: T3
Oranžová: T4
Růžová: T5
Červená: T6

Zaměřujeme se na první poloviční otáčky plynutí času:

Od 0 do 180 stupňů se rotor otočí o půl otáčky. IGBT T1 byl během tohoto období kontrolován.
Mezi 0 a 60 stupni byly kromě T1 aktivní také T5 a T6.
T1 spíná zem plus, T5 a T6. Každý tranzistor měl svůj vlastní pracovní cyklus, který se pohyboval mezi 50 a 100 %.
Při 60 stupních přebírá T2 z T5: směr proudu v cívce je obrácený.
V tu chvíli je střídavé napětí: protože se změnil směr proudu, intenzita proudu je záporná.

Pro řízení správných cívek ve střídavém synchronním elektromotoru s měničem se měnič dívá na signál ze resolver. Resolver registruje polohu rotoru jak při stání, tak při otáčení.

Regenerační brzdění:
Při brzdění motorem se elektromotor využívá jako generátor (dynamo). Kinetická energie vozidla se přeměňuje na elektrickou energii: baterie se nabíjí.

IGBT jsou během rekuperačního brzdění vypnuty: řidič je neřídí. Usměrňovací diody mezi zdrojem a kolektorem IGBT fungují jako usměrňovač pro přeměnu střídavého napětí z motoru na stejnosměrné napětí pro baterii.

Plně elektrická a hybridní vozidla mají kromě možnosti elektrického brzdění také konvenční hydraulický brzdový systém pro brzdění pomocí brzdových destiček a brzdových kotoučů. Různé techniky a principy ovládání naleznete na stránce: brzdění elektrických vozidel.

Viz též: