Μαθήματα:
- Εισαγωγή
- Αντιστροφέας
- Αναγεννητικό φρενάρισμα
Εισαγωγή:
Οι ηλεκτροκινητήρες σε οχήματα με πλήρως ηλεκτρική ή υβριδική πρόωση λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα (AC). Η ενέργεια για τον ηλεκτροκινητήρα δεν προέρχεται απευθείας από την μπαταρία, καθώς παρέχει μόνο άμεση τάση (DC). Η τάση DC από την μπαταρία τροφοδοτείται στο αντιστροφέας μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη τάση για τον ηλεκτροκινητήρα.
Επιπλέον, βρίσκουμε μετατροπείς που μετατρέπουν μια χαμηλή τάση συνεχούς ρεύματος σε υψηλότερη τάση (μετατροπέας ενίσχυσης). Η τάση της μπαταρίας μπορεί να «ενισχύεται» για τον ηλεκτροκινητήρα (650 βολτ) ή να χαμηλώσει για να φορτιστεί η μπαταρία του οχήματος (14 βολτ). Ο μετατροπέας χρησιμοποιείται επίσης για τη μετάβαση από υψηλή τάση σε χαμηλή τάση, για παράδειγμα για την τροφοδοσία των εσωτερικών εξαρτημάτων με τάση 12 ή 24 βολτ (επιβατικά ή βαρέα επαγγελματικά οχήματα). Κάντε κλικ εδώ για τη σελίδα σχετικά με τον μετατροπέα.
Η παρακάτω εικόνα είναι ενός Tesla Model S: το εσωτερικό του μετατροπέα και μια επισκόπηση της λεγόμενης «μονάδας κίνησης» όπου ο μετατροπέας, το κιβώτιο ταχυτήτων και ο ηλεκτροκινητήρας βρίσκονται σε μια κοινή μονάδα στην πίσω ανάρτηση.
Inverter:
Η εικόνα στην ενότητα «Μετατροπέας ενίσχυσης» δείχνει την επισκόπηση με τον μετατροπέα ενίσχυσης, τον μετατροπέα με δώδεκα IGBT και δύο ηλεκτρικούς κινητήρες (MG1 και MG2).
Τα κάτω επτά διαγράμματα δείχνουν τον έλεγχο των τρανζίστορ και την κατεύθυνση του ρεύματος προς και από τα πηνία του στάτορα. Ο μετατροπέας ενίσχυσης και τα IGBT + MG2 παραλείπονται για λόγους ευκολίας. Το βλέπουμε στα αριστερά στο διάγραμμα Πακέτο μπαταριών HV; Αυτή είναι η μπαταρία υψηλής τάσης στην οποία είναι αποθηκευμένη μια τάση περίπου 200 έως 800 βολτ. Στα δεξιά της μπαταρίας βλέπουμε έναν πυκνωτή. Όταν το σύστημα HV είναι ενεργοποιημένο, το σύστημα προστασίας HV ρυθμίζει αρχικά ένα περιορισμένο ρεύμα από τη μπαταρία HV μέσω μιας αντίστασης. Αυτό γίνεται για να φορτιστεί αργά ο πυκνωτής πριν το σύστημα HV τεθεί σε πλήρη λειτουργία.
Επιπλέον, βλέπουμε έξι τρανζίστορ υψηλής ισχύος. Αυτά είναι τα IGBT που ελέγχουν τον ηλεκτροκινητήρα. Τα IGBT ελέγχονται από τη μονάδα ελέγχου. αυτό υποδεικνύεται ως "πρόγραμμα οδήγησης IGBT". Στα δεξιά βλέπουμε τον στάτορα με τρία πηνία (U, V και W) σε μπλε και κόκκινο χρώμα. Στο κέντρο του στάτορα βρίσκεται ο ρότορας που τίθεται σε κίνηση από τον μαγνητισμό, δείτε την παράγραφο για τον ηλεκτροκινητήρα.
Τα επάνω τρανζίστορ (T1, T3 και T5) αλλάζουν τις θετικές συνδέσεις από την μπαταρία HV στα πηνία στάτορα όταν τα τρανζίστορ είναι ενεργοποιημένα από τη μονάδα ελέγχου. Τα τρανζίστορ κάτω (T2, T4 και T6) οδηγούν τις μάζες στο αρνητικό της μπαταρίας υψηλής τάσης.
Οι συνδέσεις πύλης των IGBT που ελέγχονται αυτήν τη στιγμή εμφανίζονται με πράσινο χρώμα. Με έναν σύγχρονο κινητήρα, η μονάδα ελέγχου «διαβάζει» τη θέση του κινητήρα αισθητήρας θέσης ρότορα να καθορίσει ποιο IGBT θα πρέπει να ελέγχει. Ο αισθητήρας θέσης ρότορα ονομάζεται επίσης α διαλύων genoemd.
1. Ελεγχόμενα IGBT:
- T1: συν (100% ελεγχόμενο);
- T2: μάζα (50% οδηγείται);
- T6: μάζα (50% οδηγείται).
2. Ελεγχόμενα IGBT:
- T1: συν (50% ελεγχόμενο);
- T3: συν (50% ελεγχόμενο);
- T2: μάζα (100% οδηγείται).
Ο ρότορας περιστρέφεται ως αποτέλεσμα του μαγνητικού πεδίου που έχει αλλάξει.
3. Ελεγχόμενα IGBT:
- T3: συν (100% ελεγχόμενο);
- T2: μάζα (50% οδηγείται);
- T4: μάζα (50% οδηγείται).
Ο ρότορας περιστρέφεται ως αποτέλεσμα του μαγνητικού πεδίου που έχει αλλάξει.
4. Ελεγχόμενα IGBT:
- T3: συν (50% ελεγχόμενο);
- T5: συν (50% ελεγχόμενο);
- T4: μάζα (100% οδηγείται).
Ο ρότορας περιστρέφεται ως αποτέλεσμα του μαγνητικού πεδίου που έχει αλλάξει.
5. Ελεγχόμενα IGBT:
- T5: συν (100% ελεγχόμενο);
- T4: μάζα (50% οδηγείται);
- T6: μάζα (50% οδηγείται).
Ο ρότορας περιστρέφεται ως αποτέλεσμα του μαγνητικού πεδίου που έχει αλλάξει.
6. Ελεγχόμενη IGBTs:
- T1: συν (50% ελεγχόμενο);
- T5: συν (50% ελεγχόμενο);
- T6: μάζα (100% οδηγείται).
Ο ρότορας περιστρέφεται ως αποτέλεσμα του μαγνητικού πεδίου που έχει αλλάξει.
7. Ελεγχόμενη IGBTs:
- T1: συν (100% ελεγχόμενο);
- T2: μάζα (50% οδηγείται);
- T6: μάζα (50% οδηγείται).
Ο ρότορας έχει πλέον περιστραφεί 360 μοίρες (1 πλήρης περιστροφή) από την κατάσταση στην κατάσταση 1. Ο κύκλος με τα κυκλώματα τρανζίστορ επαναλαμβάνεται ξανά.
Ο μετατροπέας μετατρέπει την τάση DC από την μπαταρία HV σε μονοφασική ημιτονοειδή εναλλασσόμενη τάση. Οι τρεις παρακάτω εικόνες δείχνουν:
- Αριστερά: φόρτωση του πηνίου.
- Μέση: εκφόρτιση του πηνίου.
- Δεξιά: καμπύλη φόρτισης και εκφόρτισης πηνίου.
Πετυχαίνουμε τη φόρτιση και εκφόρτιση του πηνίου οδηγώντας τη βάση του τρανζίστορ με τάση τετραγωνικού κύματος. Όταν το πηνίο αποφορτίζεται, το μαγνητικό πεδίο πέφτει και η τάση επαγωγής δημιουργεί ένα βραχύβιο ρεύμα επαγωγής. Η δίοδος πυρόσβεσης διασφαλίζει ότι το πηνίο εκκενώνεται.
Το ημιτονοειδές σχήμα 1 φάσης προκύπτει αλλάζοντας τον κύκλο λειτουργίας με τον οποίο το τρανζίστορ γίνεται αγώγιμο. Το παρακάτω κείμενο αφορά τις παρακάτω εικόνες.
- Αριστερά: σε αυτή τη συχνότητα το πηνίο δεν μπορεί να φορτίσει επαρκώς και δημιουργείται μια μέση τάση.
- Δεξιά: ο κύκλος λειτουργίας ρυθμίζεται από τον ελεγκτή IGBT. Ο χρόνος φόρτισης και εκφόρτισης καθορίζει την ποσότητα του ρεύματος μέσω του πηνίου.
Τα IGBT στον μετατροπέα ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται συνεχώς. Η αναλογία μεταξύ ενεργοποίησης και απενεργοποίησης πραγματοποιείται σύμφωνα με έναν έλεγχο PWM. Όσο ευρύτεροι είναι οι παλμοί (υψηλότερος κύκλος λειτουργίας), τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο και επομένως τόσο πιο ισχυρός είναι ο ηλεκτροκινητήρας. Το μέσο ρεύμα υποδεικνύεται από το μαύρο ημιτονοειδές κύμα. Το παρακάτω σχήμα δείχνει τρία ημιτονοειδή σήματα ελέγχου:
- Μπλε: υψηλός έλεγχος. Ο κύκλος λειτουργίας είναι υψηλός. Το ρεύμα γίνεται μέγιστο.
- Πράσινο: μέσος έλεγχος. Το ποσοστό του κύκλου λειτουργίας είναι χαμηλότερο από ό,τι με υψηλό έλεγχο. Επομένως, το ρεύμα είναι χαμηλότερο.
- Κόκκινο: χαμηλός έλεγχος. Για άλλη μια φορά το ποσοστό του κύκλου εργασίας μειώθηκε. Η ένταση του ρεύματος έχει μειωθεί στο μισό σε σύγκριση με τον μέγιστο έλεγχο.
Το ημιτονοειδές κύμα είναι θετικό για μισή περίοδο και αρνητικό για το άλλο μισό. Τα IGBT στον μετατροπέα DC-AC συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε μια άμεση τάση (DC) να μετατρέπεται σε εναλλασσόμενη τάση (AC). Η κατεύθυνση του ρεύματος μέσω των πηνίων του στάτορα αντιστρέφεται περιοδικά.
Η αύξηση του αριθμού των ημιτονοειδών ανά μονάδα χρόνου αυξάνει την ταχύτητα του ρότορα.
Το παρακάτω κινούμενο σχέδιο δείχνει τον έλεγχο του μετατροπέα. Κάτω από τον μετατροπέα μπορείτε να δείτε τη χρονική πορεία τριών φάσεων. Ο ρότορας περιστρέφει δύο πλήρεις στροφές (360 μοίρες) στο κινούμενο σχέδιο. Κάθε περιστροφή χωρίζεται σε έξι χρονικές μονάδες (1 έως 6). Παρακάτω θα δείτε χρωματιστές μπάρες:
- Σκούρο μπλε: T1
- Πράσινο: T2
- Ανοιχτό μπλε: T3
- Πορτοκαλί: Τ4
- Ροζ: T5
- Κόκκινο: T6
Εστιάζουμε στην πρώτη μισή επανάσταση του χρόνου:
- Από 0 έως 180 μοίρες ο ρότορας γυρίζει μισή περιστροφή. Το IGBT T1 ελέγχονταν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.
- Μεταξύ 0 και 60 μοιρών, εκτός από την Τ1, ήταν επίσης ενεργές οι Τ5 και Τ6.
- Το T1 αλλάζει τη γείωση συν, Τ5 και Τ6. Κάθε τρανζίστορ είχε τον δικό του κύκλο λειτουργίας, που κυμαινόταν μεταξύ 50 και 100%.
- Στις 60 μοίρες, το T2 αντικαθιστά από το T5: η κατεύθυνση του ρεύματος στο πηνίο αντιστρέφεται.
- Εκείνη τη στιγμή υπάρχει εναλλασσόμενη τάση: επειδή η κατεύθυνση του ρεύματος έχει αλλάξει, η ένταση του ρεύματος είναι αρνητική.
Για να ελέγξετε τα σωστά πηνία στον σύγχρονο ηλεκτρικό κινητήρα AC με τον μετατροπέα, ο μετατροπέας κοιτάζει το σήμα από το διαλύων. Ο αναλυτής καταγράφει τη θέση του ρότορα τόσο όταν στέκεται ακίνητος όσο και κατά την περιστροφή.
Αναγεννητική πέδηση:
Κατά το φρενάρισμα του κινητήρα, ο ηλεκτροκινητήρας χρησιμοποιείται ως γεννήτρια (δυναμό). Η κινητική ενέργεια του οχήματος μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια: η μπαταρία φορτίζεται.
Τα IGBT απενεργοποιούνται κατά την αναγεννητική πέδηση: ο οδηγός δεν τα ελέγχει. Οι διόδους ανόρθωσης μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης των IGBT λειτουργούν ως ανορθωτής για τη μετατροπή της τάσης AC από τον κινητήρα σε τάση συνεχούς ρεύματος για την μπαταρία.
Τα πλήρως ηλεκτρικά και υβριδικά οχήματα, εκτός από την επιλογή ηλεκτρικού φρεναρίσματος, διαθέτουν και ένα συμβατικό, υδραυλικό σύστημα πέδησης για να φρενάρουν με τα τακάκια και τους δίσκους φρένων. Οι διάφορες τεχνικές και αρχές ελέγχου βρίσκονται στη σελίδα: πέδηση ηλεκτρικών οχημάτων.
Δείτε επίσης:
