Asignaturas:
- Introducción
- Inversor
- Frenado regenerativo
Introducción:
Los motores eléctricos de los vehículos con propulsión totalmente eléctrica o híbrida funcionan con corriente alterna (CA). La energía para el motor eléctrico no proviene directamente de la batería, sino que sólo suministra tensión continua (CC). El voltaje CC de la batería se alimenta al inversor convertido a voltaje alterno para el motor eléctrico.
Además, encontramos convertidores que convierten un voltaje CC bajo en un voltaje más alto (convertidor elevador). El voltaje de la batería se puede "aumentar" para el motor eléctrico (650 voltios) o disminuir para cargar la batería de a bordo (14 voltios). El convertidor también se utiliza para conmutar de alto voltaje a bajo voltaje, por ejemplo para alimentar los accesorios interiores con un voltaje de 12 o 24 voltios (vehículos de turismo o comerciales pesados). Haga clic aquí para ver la página sobre el convertidor.
La siguiente imagen es de un Tesla Model S: el interior del inversor y una descripción general de la llamada “unidad motriz”, donde el inversor, la transmisión y el motor eléctrico están ubicados en una unidad conjunta en la suspensión trasera.
Inversor:
La imagen de la sección “Convertidor Boost” muestra la descripción general del convertidor Boost, el inversor con doce IGBT y dos motores eléctricos (MG1 y MG2).
Los siete diagramas inferiores muestran el control de los transistores y la dirección de la corriente hacia y desde las bobinas del estator. El convertidor boost y los IGBT + MG2 se omiten por conveniencia. Lo vemos a la izquierda en el diagrama. Batería de alto voltaje; se trata de la batería de alto voltaje en la que se almacena un voltaje de aproximadamente 200 a 800 voltios. A la derecha de la batería vemos un condensador. Cuando se activa el sistema HV, el sistema de protección HV regula inicialmente una corriente limitada del paquete de baterías HV mediante una resistencia. Esto se hace para cargar lentamente el condensador antes de que el sistema HV esté completamente operativo.
Además, vemos seis transistores de alta potencia. Estos son los IGBT que controlan el motor eléctrico. Los IGBT están controlados por la unidad de control; esto se indica como “controlador IGBT”. A la derecha vemos el estator con tres bobinas (U, V y W) de color azul y rojo. En el centro del estator se encuentra el rotor que se pone en movimiento por magnetismo, ver el párrafo sobre el motor eléctrico.
Los transistores superiores (T1, T3 y T5) cambian las conexiones positivas de la batería HV a las bobinas del estator cuando la unidad de control enciende los transistores. Los transistores inferiores (T2, T4 y T6) conducen las masas al negativo de la batería de alto voltaje.
En verde se muestran las conexiones de puerta de los IGBT que se están controlando actualmente. En un motor síncrono, la unidad de control “lee” la posición del motor sensor de posición del rotor para determinar qué IGBT debe controlar. El sensor de posición del rotor también se llama resolutor llamada.
1. IGBT controlados:
- T1: plus (100% controlado);
- T2: masa (50% impulsada);
- T6: masa (50% impulsado).
2. IGBT controlados:
- T1: plus (50% controlado);
- T3: plus (50% controlado);
- T2: masa (100% impulsado).
El rotor gira como resultado del cambio del campo magnético.
3. IGBT controlados:
- T3: plus (100% controlado);
- T2: masa (50% impulsada);
- T4: masa (50% impulsado).
El rotor gira como resultado del cambio del campo magnético.
4. IGBT controlados:
- T3: plus (50% controlado);
- T5: plus (50% controlado);
- T4: masa (100% impulsado).
El rotor gira como resultado del cambio del campo magnético.
5. IGBT controlados:
- T5: plus (100% controlado);
- T4: masa (50% impulsada);
- T6: masa (50% impulsado).
El rotor gira como resultado del cambio del campo magnético.
6. Revisado IGBT:
- T1: plus (50% controlado);
- T5: plus (50% controlado);
- T6: masa (100% impulsado).
El rotor gira como resultado del cambio del campo magnético.
7. Revisado IGBT:
- T1: plus (100% controlado);
- T2: masa (50% impulsada);
- T6: masa (50% impulsado).
El rotor ahora ha girado 360 grados (1 rotación completa) desde la situación 1. El ciclo con los circuitos de transistores se repite nuevamente.
El inversor convierte el voltaje CC de la batería HV en un voltaje alterno sinusoidal monofásico. Las tres imágenes siguientes muestran:
- Izquierda: cargando la bobina;
- Medio: descarga de la bobina;
- Derecha: curva de carga y descarga de la bobina.
La carga y descarga de la bobina la logramos accionando la base del transistor con un voltaje de onda cuadrada. Cuando se descarga la bobina, el campo magnético cae y el voltaje de inducción crea una corriente de inducción de corta duración. El diodo de extinción garantiza que la bobina se descargue.
La forma sinusoidal monofásica se obtiene cambiando el ciclo de trabajo con el que el transistor se vuelve conductor. El siguiente texto trata sobre las imágenes siguientes.
- Izquierda: a esta frecuencia la bobina no puede cargarse lo suficiente y se crea un voltaje promedio;
- Derecha: el ciclo de trabajo lo ajusta el controlador IGBT. El tiempo de carga y descarga determina la cantidad de corriente que pasa por la bobina.
Los IGBT del inversor se encienden y apagan continuamente. La relación entre encendido y apagado se realiza según un control PWM. Cuanto más amplios sean los pulsos (mayor ciclo de trabajo), mayor será la corriente que fluye a través de la bobina y por tanto más potente será el motor eléctrico. La corriente promedio está indicada por la onda sinusoidal negra. La siguiente figura muestra tres señales de control sinusoidales:
- Azul: alto control. El ciclo de trabajo es alto. La corriente se vuelve máxima.
- Verde: control medio. El porcentaje del ciclo de trabajo es menor que con control alto. Por tanto, la corriente es menor.
- Rojo: control bajo. Una vez más el porcentaje del ciclo de trabajo ha caído. La intensidad de corriente se ha reducido a la mitad en comparación con el control máximo.
La onda sinusoidal es positiva durante medio período y negativa durante la otra mitad. Los IGBT del inversor CC-CA están conectados de tal manera que una tensión continua (CC) se convierte en tensión alterna (CA). La dirección de la corriente a través de las bobinas del estator se invierte periódicamente.
aumentar el número de sinusoides por unidad de tiempo aumenta la velocidad del rotor.
La siguiente animación muestra el control del inversor. Debajo del inversor se puede ver el desarrollo temporal de tres fases. El rotor gira dos revoluciones completas (360 grados) en la animación. Cada rotación se divide en seis unidades de tiempo (1 a 6). A continuación verás barras de colores:
- Azul oscuro: T1
- Verde: T2
- Azul claro: T3
- Naranja: T4
- Rosa: T5
- Rojo: T6
Nos centramos en la primera media revolución del paso del tiempo:
- De 0 a 180 grados el rotor gira media revolución. Durante este período se controló el IGBT T1.
- Entre 0 y 60 grados, además de T1, también estaban activos T5 y T6.
- T1 cambia la tierra positiva, T5 y T6. Cada transistor tenía su propio ciclo de trabajo, que variaba entre el 50 y el 100%.
- A 60 grados, T2 reemplaza a T5: la dirección de la corriente en la bobina se invierte.
- En ese momento hay tensión alterna: debido a que la dirección de la corriente ha cambiado, la intensidad de la corriente es negativa.
Para controlar las bobinas correctas en el motor eléctrico síncrono de CA con el inversor, el inversor mira la señal del resolutor. El resolutor registra la posición del rotor tanto en reposo como en rotación.
Frenado regenerativo:
Al frenar el motor, el motor eléctrico se utiliza como generador (dinamo). La energía cinética del vehículo se convierte en energía eléctrica: la batería se carga.
Los IGBT se apagan durante la frenada regenerativa: el conductor no los controla. Los diodos rectificadores entre la fuente y el drenaje de los IGBT funcionan como un rectificador para convertir el voltaje de CA del motor en voltaje de CC para la batería.
Los vehículos totalmente eléctricos e híbridos, además de la opción de frenado eléctrico, también cuentan con un sistema de frenado hidráulico convencional para frenar con las pastillas y discos de freno. Las diferentes técnicas y principios de control se pueden encontrar en la página: Frenado de vehículos eléctricos.
