Tópicos:
- Introdução
- Inversor
- Frenagem regenerativa
Introdução:
Os motores elétricos em veículos com propulsão totalmente elétrica ou híbrida funcionam com corrente alternada (CA). A energia do motor elétrico não vem diretamente da bateria, pois ela fornece apenas tensão contínua (CC). A tensão CC da bateria é alimentada no inversor convertido em tensão alternada para o motor elétrico.
Além disso, encontramos conversores que transformam uma tensão CC baixa em uma tensão mais alta (conversor boost). A tensão da bateria pode ser “aumentada” para o motor elétrico (650 volts) ou reduzida para carregar a bateria interna (14 volts). O conversor também é utilizado para passar de alta tensão para baixa tensão, por exemplo, para alimentar os acessórios interiores com uma tensão de 12 ou 24 volts (veículos de passageiros ou comerciais pesados). Clique aqui para a página sobre o conversor.
A imagem a seguir é de um Tesla Model S: o interior do inversor e uma visão geral da chamada “unidade de acionamento” onde o inversor, a transmissão e o motor elétrico estão localizados em uma unidade conjunta na suspensão traseira.
Inversor:
A imagem na seção “Conversor Boost” mostra a visão geral do conversor boost, do inversor com doze IGBTs e dois motores elétricos (MG1 e MG2).
Os sete diagramas inferiores mostram o controle dos transistores e a direção da corrente de e para as bobinas do estator. O conversor boost e os IGBTs + MG2 são omitidos por conveniência. Vemos isso à esquerda no diagrama Bateria de alta voltagem; esta é a bateria de alta tensão na qual é armazenada uma tensão de aproximadamente 200 a 800 volts. À direita da bateria vemos um capacitor. Quando o sistema HV é ativado, o sistema de proteção HV regula inicialmente uma corrente limitada da bateria HV por meio de um resistor. Isso é feito para carregar lentamente o capacitor antes que o sistema HV se torne totalmente operacional.
Além disso, vemos seis transistores de alta potência. Estes são os IGBTs que controlam o motor elétrico. Os IGBTs são controlados pela unidade de controle; isso é indicado como “driver IGBT”. À direita vemos o estator com três bobinas (U, V e W) coloridas em azul e vermelho. No centro do estator está o rotor que é acionado por magnetismo, veja o parágrafo sobre o motor elétrico.
Os transistores superiores (T1, T3 e T5) trocam as conexões positivas da bateria HV para as bobinas do estator quando os transistores são ligados pela unidade de controle. Os transistores inferiores (T2, T4 e T6) conduzem as massas para o negativo da bateria de alta tensão.
As conexões de porta dos IGBTs que estão sendo controlados atualmente são mostradas em verde. Com um motor síncrono, a unidade de controle “lê” a posição do motor sensor de posição do rotor para determinar qual IGBT ele deve controlar. O sensor de posição do rotor também é chamado de resolver chamado.
1. IGBTs controlados:
- T1: positivo (100% controlado);
- T2: massa (50% acionada);
- T6: massa (50% acionada).
2. IGBTs controlados:
- T1: positivo (50% controlado);
- T3: positivo (50% controlado);
- T2: massa (100% acionada).
O rotor gira como resultado do campo magnético que mudou.
3. IGBTs controlados:
- T3: positivo (100% controlado);
- T2: massa (50% acionada);
- T4: massa (50% acionada).
O rotor gira como resultado do campo magnético que mudou.
4. IGBTs controlados:
- T3: positivo (50% controlado);
- T5: positivo (50% controlado);
- T4: massa (100% acionada).
O rotor gira como resultado do campo magnético que mudou.
5. IGBTs controlados:
- T5: positivo (100% controlado);
- T4: massa (50% acionada);
- T6: massa (50% acionada).
O rotor gira como resultado do campo magnético que mudou.
6. Controlada IGBTs:
- T1: positivo (50% controlado);
- T5: positivo (50% controlado);
- T6: massa (100% acionada).
O rotor gira como resultado do campo magnético que mudou.
7. Controlada IGBTs:
- T1: positivo (100% controlado);
- T2: massa (50% acionada);
- T6: massa (50% acionada).
O rotor agora girou 360 graus (1 rotação completa) a partir da situação 1. O ciclo com circuitos de transistor se repete novamente.
O inversor converte a tensão CC da bateria HV em uma tensão alternada senoidal monofásica. As três imagens abaixo mostram:
- Esquerda: carregando a bobina;
- Meio: descarregando a bobina;
- À direita: curva de carga e descarga da bobina.
Conseguimos carregar e descarregar a bobina acionando a base do transistor com uma tensão de onda quadrada. Quando a bobina é descarregada, o campo magnético cai e a tensão de indução cria uma corrente de indução de curta duração. O diodo extintor garante a descarga da bobina.
A forma senoidal monofásica é obtida alterando o ciclo de trabalho com o qual o transistor se torna condutivo. O texto a seguir é sobre as imagens abaixo.
- Esquerda: nesta frequência a bobina não consegue carregar suficientemente e é criada uma tensão média;
- Certo: o ciclo de trabalho é ajustado pelo controlador IGBT. O tempo de carga e descarga determina a quantidade de corrente que passa pela bobina.
Os IGBTs no inversor são continuamente ligados e desligados. A relação entre ligar e desligar ocorre de acordo com um controle PWM. Quanto mais largos os pulsos (maior ciclo de trabalho), maior será a corrente que flui pela bobina e, portanto, mais potente será o motor elétrico. A corrente média é indicada pela onda senoidal preta. A figura a seguir mostra três sinais de controle senoidais:
- Azul: alto controle. O ciclo de trabalho é alto. A corrente se torna máxima.
- Verde: controle médio. A porcentagem do ciclo de trabalho é menor do que com controle alto. A corrente é, portanto, menor.
- Vermelho: baixo controle. Mais uma vez a percentagem do ciclo de trabalho caiu. A intensidade da corrente foi reduzida pela metade em comparação com o controle máximo.
A onda senoidal é positiva durante meio período e negativa na outra metade. Os IGBTs no inversor DC-AC são conectados de forma que uma tensão contínua (DC) seja convertida em uma tensão alternada (AC). A direção da corrente através das bobinas do estator é invertida periodicamente.
aumentar o número de senóides por unidade de tempo aumenta a velocidade do rotor.
A animação a seguir mostra o controle do inversor. Abaixo do inversor você pode ver o curso de tempo das três fases. O rotor gira duas voltas completas (360 graus) na animação. Cada rotação é dividida em seis unidades de tempo (1 a 6). Abaixo você verá barras coloridas:
- Azul escuro: T1
- Verde: T2
- Azul claro: T3
- Laranja: T4
- Rosa: T5
- Vermelho: T6
Nós nos concentramos na primeira meia revolução da passagem do tempo:
- De 0 a 180 graus o rotor gira meia volta. O IGBT T1 foi controlado durante este período.
- Entre 0 e 60 graus, além de T1, T5 e T6 também estavam ativos.
- T1 alterna o terra positivo, T5 e T6. Cada transistor tinha seu próprio ciclo de trabalho, variando entre 50 e 100%.
- A 60 graus, T2 substitui T5: a direção da corrente na bobina é invertida.
- Nesse momento há tensão alternada: como a direção da corrente mudou, a intensidade da corrente é negativa.
Para controlar as bobinas corretas no motor elétrico síncrono CA com o inversor, o inversor analisa o sinal do resolver. O resolver registra a posição do rotor tanto quando está parado quanto enquanto gira.
Frenagem regenerativa:
Ao frear o motor, o motor elétrico é utilizado como gerador (dínamo). A energia cinética do veículo é convertida em energia elétrica: a bateria é carregada.
Os IGBTs são desligados durante a frenagem regenerativa: o motorista não os controla. Os diodos retificadores entre a fonte e o dreno dos IGBTs funcionam como um retificador para converter a tensão CA do motor em tensão CC para a bateria.
Os veículos totalmente elétricos e híbridos, além da opção de frenagem elétrica, também contam com sistema de frenagem convencional, hidráulico, para frear com pastilhas e discos de freio. As diferentes técnicas e princípios de controle podem ser encontrados na página: frenagem de veículos elétricos.
