Soggetti:
- Introduzione
- Inverter
- Frenata rigenerativa
Introduzione:
I motori elettrici nei veicoli con propulsione completamente elettrica o ibrida funzionano con corrente alternata (AC). L'energia per il motore elettrico non proviene direttamente dalla batteria, poiché fornisce solo tensione continua (CC). La tensione continua della batteria viene immessa nel invertitore convertito in una tensione alternata per il motore elettrico.
Inoltre, troviamo convertitori che trasformano una bassa tensione CC in una tensione più elevata (convertitore boost). La tensione della batteria può essere “aumentata” per il motore elettrico (650 volt) o abbassata per caricare la batteria di bordo (14 volt). Il convertitore viene utilizzato anche per passare da un'alta tensione ad una bassa tensione, ad esempio per alimentare gli accessori interni con una tensione di 12 o 24 volt (veicoli passeggeri o commerciali pesanti). Clicca qui per la pagina sul convertitore.
L'immagine seguente è di una Tesla Model S: l'interno dell'inverter e una panoramica della cosiddetta "unità di azionamento" in cui inverter, trasmissione e motore elettrico si trovano in un'unità comune sulla sospensione posteriore.
Inverter:
L'immagine nella sezione “Convertitore boost” mostra la panoramica con il convertitore boost, l'inverter con dodici IGBT e due motori elettrici (MG1 e MG2).
I sette diagrammi inferiori mostrano il controllo dei transistor e la direzione della corrente da e verso le bobine dello statore. Il convertitore boost e gli IGBT + MG2 sono omessi per comodità. Lo vediamo a sinistra nel diagramma Pacco batterie HV; questa è la batteria ad alto voltaggio in cui è immagazzinata una tensione compresa tra circa 200 e 800 volt. A destra della batteria vediamo un condensatore. Quando il sistema HV è attivato, il sistema di protezione HV regola inizialmente una corrente limitata proveniente dal pacco batterie HV mediante un resistore. Questo viene fatto per caricare lentamente il condensatore prima che il sistema HV diventi pienamente operativo.
Inoltre, vediamo sei transistor ad alta potenza. Questi sono gli IGBT che controllano il motore elettrico. Gli IGBT sono controllati dall'unità di controllo; questo è indicato come “driver IGBT”. A destra vediamo lo statore con tre bobine (U, V e W) colorate di blu e rosso. Al centro dello statore c'è il rotore che viene messo in movimento dal magnetismo, vedi il paragrafo sul motore elettrico.
I transistor superiori (T1, T3 e T5) commutano i collegamenti positivi dalla batteria HV alle bobine dello statore quando i transistor vengono attivati dalla centralina. I transistor inferiori (T2, T4 e T6) conducono le masse al negativo della batteria ad alto voltaggio.
Le connessioni di gate degli IGBT attualmente controllati sono mostrate in verde. Con motore sincrono la centrale “legge” la posizione del motore sensore di posizione del rotore per determinare quale IGBT dovrebbe controllare. Il sensore di posizione del rotore è anche chiamato a risolvere ha detto.
1. IGBT controllati:
- T1: più (controllato al 100%);
- T2: massa (50% guidato);
- T6: massa (50% guidato).
2. IGBT controllati:
- T1: più (controllato al 50%);
- T3: più (controllato al 50%);
- T2: massa (100% guidato).
Il rotore gira a causa del cambiamento del campo magnetico.
3. IGBT controllati:
- T3: più (controllato al 100%);
- T2: massa (50% guidato);
- T4: massa (50% guidato).
Il rotore gira a causa del cambiamento del campo magnetico.
4. IGBT controllati:
- T3: più (controllato al 50%);
- T5: più (controllato al 50%);
- T4: massa (100% guidato).
Il rotore gira a causa del cambiamento del campo magnetico.
5. IGBT controllati:
- T5: più (controllato al 100%);
- T4: massa (50% guidato);
- T6: massa (50% guidato).
Il rotore gira a causa del cambiamento del campo magnetico.
6. Controllato IGBT:
- T1: più (controllato al 50%);
- T5: più (controllato al 50%);
- T6: massa (100% guidato).
Il rotore gira a causa del cambiamento del campo magnetico.
7. Controllato IGBT:
- T1: più (controllato al 100%);
- T2: massa (50% guidato);
- T6: massa (50% guidato).
Il rotore ora ha ruotato di 360 gradi (1 rotazione completa) rispetto alla situazione 1. Il ciclo con i circuiti a transistor si ripete di nuovo.
L'inverter converte la tensione continua della batteria HV in una tensione alternata sinusoidale monofase. Le tre immagini sottostanti mostrano:
- A sinistra: caricamento della bobina;
- Al centro: scarica della bobina;
- A destra: curva di carica e scarica della bobina.
Otteniamo la carica e la scarica della bobina pilotando la base del transistor con una tensione ad onda quadra. Quando la bobina è scarica, il campo magnetico diminuisce e la tensione di induzione crea una corrente di induzione di breve durata. Il diodo di spegnimento assicura che la bobina si scarichi.
La forma sinusoidale monofase si ottiene modificando il duty cycle con cui il transistor diventa conduttivo. Il testo seguente riguarda le immagini sottostanti.
- A sinistra: a questa frequenza la bobina non riesce a caricarsi sufficientemente e si crea una tensione media;
- A destra: il ciclo di lavoro viene regolato dal controller IGBT. Il tempo di carica e scarica determina la quantità di corrente attraverso la bobina.
Gli IGBT nell'inverter vengono continuamente accesi e spenti. Il rapporto tra accensione e spegnimento avviene secondo un controllo PWM. Più gli impulsi sono ampi (duty cycle più elevato), maggiore è la corrente che scorre attraverso la bobina e quindi più potente è il motore elettrico. La corrente media è indicata dall'onda sinusoidale nera. La figura seguente mostra tre segnali di controllo sinusoidali:
- Blu: controllo elevato. Il ciclo di lavoro è elevato. La corrente diventa massima.
- Verde: controllo medio. La percentuale del ciclo di lavoro è inferiore rispetto a quella con controllo elevato. La corrente è quindi inferiore.
- Rosso: controllo basso. Ancora una volta la percentuale del ciclo di lavoro è diminuita. L'intensità di corrente è stata dimezzata rispetto al controllo massimo.
L'onda sinusoidale è positiva per metà periodo e negativa per l'altra metà. Gli IGBT nell'inverter DC-AC sono collegati in modo tale che una tensione continua (DC) venga convertita in una tensione alternata (AC). La direzione della corrente attraverso le bobine dello statore viene periodicamente invertita.
aumentando il numero di sinusoidi per unità di tempo aumenta la velocità del rotore.
L'animazione seguente mostra il controllo dell'inverter. Sotto l'inverter è possibile vedere l'andamento temporale di tre fasi. Nell'animazione il rotore effettua due giri completi (360 gradi). Ogni rotazione è divisa in sei unità temporali (da 1 a 6). Sotto vedrai delle barre colorate:
- Blu scuro: T1
- Verde: T2
- Azzurro: T3
- Arancione: T4
- Rosa: T5
- Rosso: T6
Ci concentriamo sulla prima metà della rivoluzione del passare del tempo:
- Da 0 a 180 gradi il rotore fa mezzo giro. L'IGBT T1 è stato controllato durante questo periodo.
- Tra 0 e 60 gradi, oltre a T1 erano attivi anche T5 e T6.
- T1 commuta la massa positiva, T5 e T6. Ogni transistor aveva il proprio ciclo di lavoro, variabile tra il 50 e il 100%.
- A 60 gradi T2 prende il posto di T5: il verso della corrente nella bobina è invertito.
- In quel momento c'è tensione alternata: poiché la direzione della corrente è cambiata, l'intensità della corrente è negativa.
Per controllare le bobine corrette nel motore elettrico sincrono CA con l'inverter, l'inverter esamina il segnale proveniente da risolvere. Il risolutore registra la posizione del rotore sia da fermo che in rotazione.
Frenata rigenerativa:
Quando si frena il motore, il motore elettrico viene utilizzato come generatore (dinamo). L'energia cinetica del veicolo viene convertita in energia elettrica: la batteria viene caricata.
Gli IGBT vengono spenti durante la frenata rigenerativa: il conducente non li controlla. I diodi raddrizzatori tra la sorgente e il drain degli IGBT funzionano come un raddrizzatore per convertire la tensione CA proveniente dal motore in tensione CC per la batteria.
I veicoli completamente elettrici e ibridi, oltre alla possibilità di frenata elettrica, dispongono anche di un sistema frenante idraulico convenzionale per frenare con pastiglie e dischi freno. Le diverse tecniche e principi di controllo si trovano alla pagina: frenatura dei veicoli elettrici.
