インバーター

科目：

はじめに
インバーター
回生ブレーキ

導入：
完全電気推進またはハイブリッド推進を備えた車両の電気モーターは、交流 (AC) で動作します。バッテリーは直流電圧 (DC) のみを供給するため、電気モーターのエネルギーはバッテリーから直接供給されません。バッテリーからの DC 電圧は、 インバーター 電気モーター用の交流電圧に変換されます。

さらに、 コンバータ 低い DC 電圧を高い電圧に変換します (昇圧コンバータ)。バッテリー電圧は、電気モーター用に「昇圧」することも (650 ボルト)、車載バッテリーの充電用に下げることもできます (14 ボルト)。このコンバータは、たとえば室内付属品 (乗用車または大型商用車) に 12 または 24 ボルトの電圧を供給するなど、高電圧から低電圧に切り替えるためにも使用されます。コンバーターのページはこちら。

次の画像は Tesla Model S です。インバーターの内部と、インバーター、トランスミッション、電気モーターがリアサスペンションのジョイントユニットに配置されている、いわゆる「ドライブユニット」の概要です。

インバーター：
「昇圧コンバータ」セクションの画像は、昇圧コンバータ、1 個の IGBT を備えたインバータ、および 2 個の電気モーター (MGXNUMX および MGXNUMX) の概要を示しています。

下の 2 つの図は、トランジスタの制御とステーターコイルに出入りする電流の方向を示しています。便宜上、昇圧コンバータと IGBT + MGXNUMX は省略しています。図の左側に表示されます HVバッテリーパック;これは、約 200 ～ 800 ボルトの電圧が蓄えられている高電圧バッテリーです。バッテリーの右側にはコンデンサーが見えます。 HV システムが作動すると、HV 保護システムは最初に抵抗器を使用して HV バッテリーパックからの制限された電流を制御します。これは、HV システムが完全に動作する前に、コンデンサをゆっくりと充電するために行われます。

さらに、6 つの高出力トランジスタが見えます。これらは電気モーターを制御する IGBT です。 IGBT は制御ユニットによって制御されます。これは「IGBTドライバ」と表示されます。右側には、青と赤の 3 つのコイル (U、V、W) を備えたステーターが表示されます。ステーターの中央には磁気によって作動するローターがあります。電気モーターに関する段落を参照してください。

上部のトランジスタ (T1、T3、および T5) は、制御ユニットによってトランジスタがオンになると、HV バッテリーからステーターコイルへの正の接続を切り替えます。下部のトランジスタ (T2、T4、および T6) は、質量を高電圧バッテリーのマイナスに導通します。

現在制御されている IGBT のゲート接続は緑色で表示されます。同期モーターの場合、コントロールユニットはモーターの位置を「読み取り」ます。ローター位置センサーどの IGBT を制御するかを決定します。ローター位置センサーは、ローターポジションセンサーとも呼ばれます。リゾルバ呼ばれます。

1. 制御された IGBT:

T1: プラス (100% 制御);
T2: 質量 (50% 駆動)。
T6: 質量 (50% 駆動)。

2. 制御された IGBT:

T1: プラス (50% 制御);
T3: プラス (50% 制御);
T2: 質量 (100% 駆動)。

変化した磁場の結果としてローターが回転します。

3. 制御された IGBT:

T3: プラス (100% 制御);
T2: 質量 (50% 駆動)。
T4: 質量 (50% 駆動)。

変化した磁場の結果としてローターが回転します。

4. 制御された IGBT:

T3: プラス (50% 制御);
T5: プラス (50% 制御);
T4: 質量 (100% 駆動)。

変化した磁場の結果としてローターが回転します。

5. 制御された IGBT:

T5: プラス (100% 制御);
T4: 質量 (50% 駆動)。
T6: 質量 (50% 駆動)。

変化した磁場の結果としてローターが回転します。

6. 制御された IGBT:

T1: プラス (50% 制御);
T5: プラス (50% 制御);
T6: 質量 (100% 駆動)。

変化した磁場の結果としてローターが回転します。

7. 制御された IGBT:

T1: プラス (100% 制御);
T2: 質量 (50% 駆動)。
T6: 質量 (50% 駆動)。

ローターは状況 360 の状況から 1 度 (1 回転) 回転しました。トランジスタ回路のサイクルが再び繰り返されます。

インバータは、HV バッテリからの DC 電圧を 1 相正弦波交流電圧に変換します。以下の XNUMX つの画像は次のことを示しています。

左: コイルをロードします。
中: コイルの放電。
右: コイルの充放電曲線。

方形波電圧でトランジスタのベースを駆動することで、コイルの充電と放電を実現します。コイルが放電すると、磁場が低下し、誘導電圧によって短時間の誘導電流が発生します。消火ダイオードによりコイルが確実に放電されます。

単相正弦波形状は、トランジスタが導通するデューティサイクルを変更することによって得られます。以下のテキストは、以下の画像に関するものです。

左: この周波数ではコイルは十分に充電できず、平均電圧が発生します。
右: デューティサイクルは IGBT コントローラーによって調整されます。充電と放電の時間によって、コイルを流れる電流の量が決まります。

インバーター内の IGBT は継続的にオン/オフされます。スイッチのオンとオフの比率は、PWM 制御に従って行われます。パルスが広いほど (デューティサイクルが高いほど)、コイルを流れる電流が大きくなり、電気モーターがより強力になります。平均電流は黒い正弦波で示されます。次の図は、XNUMX つの正弦波制御信号を示しています。

青: コントロール性が高い。デューティサイクルは高いです。電流は最大になります。
緑: 平均的なコントロール。デューティサイクルのパーセンテージは、高制御の場合よりも低くなります。したがって、電流は低くなります。
赤: コントロールが低い。再びデューティサイクルのパーセンテージが低下しました。電流強度は最大制御と比較して半分になっています。

正弦波は周期の半分が正で、残りの半分が負です。 DC-AC インバータ内の IGBT は、直流電圧 (DC) が交流電圧 (AC) に変換されるように接続されています。ステータコイルを流れる電流の方向は周期的に反転します。

正弦波信号の周波数により、電気モーターの速度が決まります。
単位時間あたりの正弦波の数が増加すると、ローター速度が増加します。

以下のアニメーションはインバータの制御を示しています。インバーターの下には、360 つのフェーズの時間経過が表示されます。アニメーションではローターが 1 回転 (6 度) 回転します。各回転は XNUMX つの時間単位 (XNUMX ～ XNUMX) に分割されます。以下に色付きのバーが表示されます。

ダークブルー：T1
緑：T2
ライトブルー：T3
オレンジ：T4
ピンク：T5
赤：T6

時間の経過の前半の回転に焦点を当てます。

0 度から 180 度まで、ローターは半回転します。この期間中に IGBT T1 が制御されました。
0 ～ 60 度の間では、T1 に加えて、T5 および T6 もアクティブでした。
T1 はプラス、T5 と T6 はグランドを切り替えます。各トランジスタには独自のデューティサイクルがあり、50 ～ 100% の間で変化します。
60 度では、T2 が T5 から引き継ぎます。つまり、コイル内の電流の方向が逆になります。
その瞬間、交流電圧が発生します。電流の方向が変化したため、電流の強さは負になります。

インバータを使用して AC 同期電動機の正しいコイルを制御するために、インバータは、インバータからの信号を調べます。リゾルバ。レゾルバは、静止時と回転時の両方のローターの位置を記録します。

回生ブレーキ:
エンジンをブレーキするときは、電気モーターが発電機（ダイナモ）として使用されます。車両の運動エネルギーが電気エネルギーに変換され、バッテリーが充電されます。

IGBT は回生ブレーキ中はオフになります。ドライバーは IGBT を制御しません。 IGBT のソースとドレイン間の整流ダイオードは、モーターからの AC 電圧をバッテリーの DC 電圧に変換する整流器として機能します。

完全電気自動車およびハイブリッド自動車には、電気ブレーキのオプションに加えて、ブレーキパッドとブレーキディスクでブレーキをかける従来の油圧ブレーキシステムも搭載されています。さまざまなテクニックと制御原理については、次のページを参照してください。電気自動車のブレーキ。

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