Przedmioty:
- Wprowadzenie
- Inwerter
- Hamowanie regeneracyjne
Przedmowa:
Silniki elektryczne w pojazdach z napędem w pełni elektrycznym lub hybrydowym pracują na prąd zmienny (AC). Energia silnika elektrycznego nie pochodzi bezpośrednio z akumulatora, dostarcza on jedynie napięcie stałe (DC). Napięcie prądu stałego z akumulatora jest podawane do falownik przetwarzane na napięcie przemienne dla silnika elektrycznego.
Ponadto znajdujemy konwertery które zamieniają niskie napięcie prądu stałego na wyższe napięcie (przetwornik podwyższający napięcie). Napięcie akumulatora można „zwiększyć” w przypadku silnika elektrycznego (650 woltów) lub obniżyć, aby naładować akumulator pokładowy (14 woltów). Przetwornica służy również do przełączania z wysokiego napięcia na niskie napięcie, na przykład do zasilania wyposażenia wnętrza napięciem 12 lub 24 V (samochody osobowe lub ciężkie pojazdy użytkowe). Kliknij tutaj, aby wyświetlić stronę dotyczącą konwertera.
Poniższe zdjęcie przedstawia Teslę Model S: wnętrze falownika i przegląd tak zwanej „jednostki napędowej”, w której falownik, skrzynia biegów i silnik elektryczny znajdują się we wspólnym zespole w tylnym zawieszeniu.
Inwerter:
Obraz w sekcji „Przetwornik podwyższający” przedstawia przegląd z przetwornicą podwyższającą, falownikiem z dwunastoma tranzystorami IGBT i dwoma silnikami elektrycznymi (MG1 i MG2).
Siedem dolnych diagramów przedstawia sterowanie tranzystorami oraz kierunek prądu do i od cewek stojana. Dla wygody pominięto konwerter podwyższający napięcie i tranzystory IGBT + MG2. Widzimy to po lewej stronie diagramu Zestaw akumulatorów HV; jest to akumulator wysokiego napięcia, w którym magazynowane jest napięcie od około 200 do 800 woltów. Po prawej stronie akumulatora widzimy kondensator. Kiedy system HV jest aktywowany, system zabezpieczający HV początkowo reguluje ograniczony prąd z zestawu akumulatorów HV za pomocą rezystora. Ma to na celu powolne ładowanie kondensatora, zanim system HV stanie się w pełni sprawny.
Ponadto widzimy sześć tranzystorów dużej mocy. Są to tranzystory IGBT sterujące silnikiem elektrycznym. IGBT są sterowane przez jednostkę sterującą; jest to oznaczone jako „sterownik IGBT”. Po prawej stronie widzimy stojan z trzema cewkami (U, V i W) w kolorze niebieskim i czerwonym. W środku stojana znajduje się wirnik wprawiany w ruch przez magnetyzm, patrz akapit o silniku elektrycznym.
Górne tranzystory (T1, T3 i T5) przełączają połączenia dodatnie z akumulatora HV do cewek stojana, gdy tranzystory zostaną załączone przez jednostkę sterującą. Dolne tranzystory (T2, T4 i T6) przewodzą masy do minusa akumulatora wysokiego napięcia.
Połączenia bramek aktualnie kontrolowanych tranzystorów IGBT są pokazane na zielono. W przypadku silnika synchronicznego jednostka sterująca „odczytuje” położenie silnika czujnik położenia wirnika aby określić, który IGBT powinien kontrolować. Czujnik położenia wirnika nazywany jest również a rezolwer o nazwie
1. Kontrolowane IGBT:
- T1: plus (kontrola 100%);
- T2: masa (50% napędzana);
- T6: masa (50% napędzana).
2. Kontrolowane IGBT:
- T1: plus (kontrola 50%);
- T3: plus (kontrola 50%);
- T2: masa (100% napędzana).
Wirnik obraca się w wyniku zmiany pola magnetycznego.
3. Kontrolowane IGBT:
- T3: plus (kontrola 100%);
- T2: masa (50% napędzana);
- T4: masa (50% napędzana).
Wirnik obraca się w wyniku zmiany pola magnetycznego.
4. Kontrolowane IGBT:
- T3: plus (kontrola 50%);
- T5: plus (kontrola 50%);
- T4: masa (100% napędzana).
Wirnik obraca się w wyniku zmiany pola magnetycznego.
5. Kontrolowane IGBT:
- T5: plus (kontrola 100%);
- T4: masa (50% napędzana);
- T6: masa (50% napędzana).
Wirnik obraca się w wyniku zmiany pola magnetycznego.
6. Kontrolowane IGBT:
- T1: plus (kontrola 50%);
- T5: plus (kontrola 50%);
- T6: masa (100% napędzana).
Wirnik obraca się w wyniku zmiany pola magnetycznego.
7. Kontrolowane IGBT:
- T1: plus (kontrola 100%);
- T2: masa (50% napędzana);
- T6: masa (50% napędzana).
Wirnik obrócił się teraz o 360 stopni (1 pełny obrót) od sytuacji z sytuacji 1. Cykl z obwodami tranzystorowymi powtarza się ponownie.
Falownik przetwarza napięcie stałe z akumulatora HV na jednofazowe, sinusoidalne napięcie przemienne. Poniższe trzy zdjęcia przedstawiają:
- Po lewej: ładowanie cewki;
- Środek: rozładowywanie cewki;
- Po prawej: krzywa ładowania i rozładowywania cewki.
Ładowanie i rozładowywanie cewki osiągamy poprzez napędzanie podstawy tranzystora napięciem o fali prostokątnej. Kiedy cewka jest rozładowywana, pole magnetyczne spada, a napięcie indukcyjne wytwarza krótkotrwały prąd indukcyjny. Dioda gasząca zapewnia rozładowanie cewki.
Jednofazowy kształt sinusoidalny uzyskuje się poprzez zmianę cyklu pracy, przy którym tranzystor staje się przewodzący. Poniższy tekst dotyczy zdjęć poniżej.
- Po lewej: przy tej częstotliwości cewka nie może się wystarczająco naładować i powstaje średnie napięcie;
- Po prawej: cykl pracy jest regulowany przez sterownik IGBT. Czas ładowania i rozładowywania określa ilość prądu płynącego przez cewkę.
Tranzystory IGBT w falowniku są stale włączane i wyłączane. Stosunek włączenia i wyłączenia odbywa się zgodnie ze sterowaniem PWM. Im szersze impulsy (wyższy cykl pracy), tym większy prąd przepływający przez cewkę, a tym samym mocniejszy silnik elektryczny. Średni prąd jest wskazywany przez czarną falę sinusoidalną. Poniższy rysunek przedstawia trzy sinusoidalne sygnały sterujące:
- Niebieski: wysoka kontrola. Cykl pracy jest wysoki. Prąd staje się maksymalny.
- Zielony: średnia kontrola. Procent cyklu pracy jest niższy niż przy wysokim sterowaniu. Dlatego prąd jest niższy.
- Czerwony: niska kontrola. Po raz kolejny spadł procent cyklu pracy. Natężenie prądu zostało zmniejszone o połowę w porównaniu do kontroli maksymalnej.
Fala sinusoidalna jest dodatnia przez połowę okresu i ujemna przez drugą połowę. Tranzystory IGBT w falowniku DC-AC są połączone w taki sposób, że napięcie stałe (DC) jest przekształcane w napięcie przemienne (AC). Kierunek prądu płynącego przez cewki stojana jest okresowo odwracany.
zwiększenie liczby sinusoid na jednostkę czasu zwiększa prędkość wirnika.
Poniższa animacja przedstawia sterowanie falownikiem. Poniżej falownika widać przebieg czasowy trzech faz. W animacji wirnik wykonuje dwa pełne obroty (360 stopni). Każdy obrót jest podzielony na sześć jednostek czasu (od 1 do 6). Poniżej zobaczysz kolorowe paski:
- Ciemnoniebieski: T1
- Zielony: T2
- Jasnoniebieski: T3
- Pomarańczowy: T4
- Różowy: T5
- Czerwony: T6
Skupiamy się na pierwszej połowie rewolucji upływu czasu:
- Od 0 do 180 stopni rotor wykonuje pół obrotu. W tym okresie kontrolowano IGBT T1.
- W zakresie od 0 do 60 stopni oprócz T1 aktywne były także T5 i T6.
- T1 przełącza plus, T5 i T6 masę. Każdy tranzystor miał swój własny cykl pracy, wahający się od 50 do 100%.
- Przy 60 stopniach T2 przejmuje kontrolę nad T5: kierunek prądu w cewce jest odwrócony.
- W tym momencie występuje napięcie przemienne: ponieważ zmienił się kierunek prądu, natężenie prądu jest ujemne.
Aby sterować właściwymi cewkami w synchronicznym silniku elektrycznym prądu przemiennego z falownikiem, falownik sprawdza sygnał z rezolwer. Rezolwer rejestruje położenie wirnika zarówno podczas postoju, jak i podczas obracania się.
Hamowanie regeneracyjne:
Podczas hamowania silnikiem silnik elektryczny pełni rolę generatora (dynama). Energia kinetyczna pojazdu zamieniana jest na energię elektryczną: akumulator jest ładowany.
Tranzystory IGBT są wyłączane podczas hamowania regeneracyjnego: kierowca nie steruje nimi. Diody prostownicze umieszczone pomiędzy źródłem a drenem tranzystorów IGBT pełnią funkcję prostownika przekształcającego napięcie prądu przemiennego z silnika na napięcie prądu stałego dla akumulatora.
Pojazdy w pełni elektryczne i hybrydowe, oprócz opcji hamowania elektrycznego, posiadają także konwencjonalny, hydrauliczny układ hamulcowy, który hamuje za pomocą klocków i tarcz hamulcowych. Różne techniki i zasady kontroli można znaleźć na stronie: hamowanie pojazdów elektrycznych.
