Tema: 15 Invertorul de curent continuu (DC) – curent alternativ (AC)

15.1     Caracteristici generale a invertorului de curent continuu (DC) – curent alternativ (AC)

De obicei, invertorul este localizat aproape de motorul electric, dar nu este obligatoriu. De aceea, acesta poate fi găsit adesea sub capotă sau în portbagaj. Invertorul poate fi identificat prin intermediul autocolantului de avertizare și al cablurilor portocalii de tensiune înaltă conectate la el.

Unele automobile hibride sau electrice sunt dotate cu mai multe motoare electrice. Invertorul convertește curentul continuu de înaltă tensiune de la bateria HV în curent alternativ trifazat pentru MG1 și MG2 (Figura 15.2). De asemenea, convertește curentul alternativ trifazat furnizat de MG1 și MG2 în curent continuu pentru bateria HV. Pentru a dirija procesul de conversie, invertorul este conectat la ECU Invertorul transmite informații necesare controlului, cum ar fi amperajul și tensiunea, către ECU.

Invertorul are trei conexiuni/terminale pentru fiecare motor electric, acestea fiind abreviate cu literele U, V și W. Fazele de ieșire U, V și W sunt controlate independent. Comutând curentul în ordinea corectă, se poate crea un câmp magnetic rotativ.

15.1     Construcția și principiul de funcționare a invertorului

Un invertor pentru vehicule electrice sau hibride este compus din următoarele părți principale (Figura 15.3):

⁻  Condensatoare: Folosite pentru filtrarea și netezirea tensiunilor, asigurând o alimentare constantă și stabilă pentru circuit.

⁻  Unitatea electronică de control: Responsabile pentru prelucrarea informațiilor și activarea tranzistoarelor IGBT. Acestea gestionează semnalele de control și monitorizează parametrii de funcționare.

⁻  Tranzistoare IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Tranzistoare de putere utilizate pentru comutarea curentului prin bobinele motorului electric. Acestea permit controlul precis al curentului și tensiunii în cadrul sistemului.

⁻  Bobina transformatorului: Utilizată pentru a crește tensiunea, permițând adaptarea nivelului de tensiune la cerințele motorului electric și alte componente ale sistemului.

⁻ Sistemul de răcire: Răcește tranzistoarele IGBT și bobina transformatorului, prevenind supraîncălzirea și asigurând funcționarea eficientă și fiabilă a invertorului.

Figura 3 Construcția generală a invertorului

1 - Conector de transmitere a semnalelor la ECU (Conector de magistrală CAN);

2 - Conector cablu motor electric;

3 - Conector cablu bateria HV,

4 - Conexiuni/conducte pentru lichidul de răcire a invertorului,

5 - Placa de tranzistoare,

6 - Radiator sistem de răcire,

7 - Condensatoare,

8 - Unitatea electronică de control,

9 - Bobina transformatorului

Partea inferioară a modulului de putere/structurii de răcire (sus) și a compartimentului inferior (jos).

Sistemul Electronic

Sistemul electronic al inverterului analizează şi interpretează informaţiile de la calculatorul ECU hibrid. Informaţiile sunt transferate printr-un semnal la tranzistoarele de putere IGBT (tranzistoare bipolare cu grilă izolată), cu ajutorul cărora se poate comuta curentul prin bobinele motorului electric.

• Calculatorul ECU hibrid primeşte informaţii de la conducătorul auto prin acţionarea pedalei de acceleraţie sau a pedalei de frână.

• Calculatorul ECU hibrid trimite informaţii invertorului despre cuplul motor dorit.

• Invertorul trimite informaţii înapoi calculatorului ECU hibrid despre cuplul efectiv livrat.

• Invertorul determină temperatura motorului electric şi poziţia rotorului pe baza informaţiilor primite de la senzori.

Regulatorul de frecvenţă

Controlerul de frecvenţă controlează turaţia şi cuplul motorului electric. Face acest lucru folosind 6 tranzistoare de putere IGBT pe motor, tranzistoarele de putere IGBT pot fi comparate cu comutatoarele. în acest invertor, IGBT-urile sunt plasate în perechi, pentru a creşte puterea.

Un tranzistor bipolar cu poartă izolată IGBT este un tip special de tranzistor, care poate comuta/bloca curenţi mari foarte rapid. Tranzistorul IGBT are trei terminale: colector (C), emitor (E) şi bază/poartă (G). Circuitul electronic controlează poarta sau baza pentru a face tranzistorul IGBT conductiv.

Prin activarea tranzistorului IGBT în ordinea corectă, se poate genera un câmp magnetic rotativ în statorul motorului, astfel încât motorul electric poate fi pus în mişcare.

Pentru a face ca rotaţia motorului electric să fie cât mai lină posibil, câmpul magnetic rotativ trebuie să semene cât mai aproape posibil de o tensiune trifazată.

Control PWM

Frecvenţa şi cuplul motorului electric pot fi controlate folosind un control PWM. Abrevierea pentru PWM (Puise Width Modulation) înseamnă Modulaţia Impulsurilor în Lăţime.

Curenţii care circulă prin motorul electric pot fi comutaţi prin impulsuri cu cele 6 tranzistoare IGBT, atât pozitive, cât şi negative. Semnalul PWM este un semnal în impulsuri a căror lăţime este proporţională cu amplitudinea semnalului analogic modulator. Formarea unei unde sinusoidale perfecte este imposibilă.

Folosind o modulaţie PWM a semnalului, tranzistorul IGBT poate genera un semnal care arată ca o undă sinusoidală.

Frecvenţa este controlată prin modificarea numărului de impulsuri pe unitatea de timp. Lăţimea impulsurilor determină practic 'amplitudinea' undei sinusoidale şi, prin urmare, a curentului.

Ridicătorul tensiune

Unele vehicule hibride şi electrice folosesc un ridicător de tensiune a invertorului.

Acest dispozitiv măreşte tensiunea pentru motorul electric atunci când vehiculul este solicitat la o putere mai mare. Deci prin aceasta puterea vehiculului creşte, în timp ce curentul rămâne constant. Deoarece curentul rămâne acelaşi, căldura generată de motor nu va creşte.

Când un curent trece printr-o bobină, acesta va genera un câmp magnetic în jurul bobinei. Dacă curentul este oprit brusc, se va induce o tensiune în bobină. Tensiunea indusă poate fi de foarte multe ori mai mare decât tensiunea aplicată pe bobină.

Ridicătorul de tensiune din invertor comută tensiunea pe bobină foarte rapid folosind tranzistoarele IGBT din partea laterală/de jos, a invertorului. Acest lucru duce la o tensiune continuă foarte înaltă. Un condensator filtrează şi netezeşte semnalul.

Tranzistoarele IGBT din partea de sus a circuitului sunt folosite pentru frânarea regenerativă. Acestea vor deveni conductive atunci când motorul va genera energie.

Condensator filtrează şi netezeşte semnalul.

Principiul de funcționare a invertorului. Bateria HV, asigură energia electrică necesară pentru invertor. Totuși, pentru a încărca bateria HV, tensiunea generată de baterie este mai mică decât tensiunea necesară pentru alimentarea motorului electric. De aceea, invertorul este echipat cu un ridicător de tensiune pentru a ajusta tensiunea la nivelul necesar. Acest dispozitiv mărește tensiunea pentru motorul electric atunci când vehiculul necesită o putere mai mare.

Tranzistoarele IGBT din partea inițială a circuitului sunt utilizate în timpul frânării regenerative. Aceste tranzistoare devin conductive atunci când motorul generează energie, permițând astfel recuperarea și stocarea acesteia (Figura 15.4). După creșterea tensiunii, aceasta trece prin cele două diode, fiind apoi filtrată și netezită de condensatoare, asigurând o alimentare constantă și stabilă pe circuit.

Figura 15.4 Schema generală de funcționare a invertorului

Pentru generarea curentului alternativ trifazat necesar unui motor electric, sunt utilizate șase tranzistoare de mare putere, cunoscute sub denumirea de IGBT-uri. Acestea controlează motorul electric și sunt gestionate de unitatea de control, denumită driver IGBT.

Unitatea de control citește poziția senzorului de poziție a rotorului motorului electric pentru a determina ce IGBT ar trebui să controleze.

Tranzistoarele de sus (T1, T3 și T5) comută conexiunile pozitive de la bateria HV la bobinele statorului atunci când sunt activate de unitatea de control.

Tranzistoarele de jos (T2, T4 și T6) conectează bobinele statorului la negativul bateriei de înaltă tensiune.

Această comutație controlată a IGBT-urilor permite generarea unui curent alternativ trifazat care pune în mișcare rotorul motorului electric (Figura 15.5).

Figura 15.5 Schemele în care rotorul motorului electric s-a rotit la 360 de grade

IGBT-urile din invertor sunt pornite și oprite continuu. Raportul dintre pornire și oprire are loc conform unui control PWM. Cu cât impulsurile sunt mai largi (ciclu de lucru mai mare), cu atât este mai mare curentul care circulă prin bobină și, prin urmare, cu atât motorul electric este mai puternic (Figura 15.6).

Figura 15.6 Schemele generală de modificare a tensiunii generate de invertor

Unda sinusoidală este pozitivă pentru o jumătate de perioadă și negativă pentru cealaltă jumătate. IGBT-urile din invertorul DC-AC sunt conectate astfel încât o tensiune continuă (DC) să fie convertită într-o tensiune alternativă (AC). Direcția curentului prin bobinele statorului este inversată periodic.

Frecvența semnalului sinusoidal determină viteza motorului electric: prin creșterea numărului de sinusoide pe unitatea de timp, viteza rotorului crește.

Tranzistoarele de putere (de tip IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) și ECU-ul din invertor gestionează curenți mari și pot atinge temperaturi foarte ridicate în timpul funcționării. Răcirea adecvată previne atingerea temperaturilor critice care ar putea duce la avarii sau chiar distrugerea componentelor. Supraîncălzirea repetată poate accelera uzura și poate reduce durata de viață a componentelor electronice. Un sistem de răcire eficient contribuie la extinderea duratei de viață a invertorului și a componentelor sale (Figura 15.7). 

Sistemul de răcire al invertorului 1 (Figura 7) amplasat în preajma motopropulsorul electric 3 (Figura 7) funcționează astfel: lichidul de răcire circulă printr-un circuit închis care include invertorul și radiatorul 5 (Figura 7), pompa de lichid 4 (Figura 7) a invertorului asigurând circulația continuă a acestui lichid, transportând căldura departe de componentele sensibile, iar radiatorul disipând căldura preluată din invertor în aerul exterior, răcind astfel lichidul de răcire, în timp ce vasul de expansiune 2 (Figura 7) menține presiunea optimă în sistem și compensează pentru dilatarea și contracția lichidului de răcire din cauza variațiilor de temperatură.

15.3     Operații de diagnosticare și mentenanță a invertorului

Operațiile de diagnosticare și mentenanță a invertorului sunt esențiale pentru a asigura funcționarea optimă și durabilitatea acestuia. Iată o descriere a acestor operații:

Diagnosticare:

1.  Inspecție vizuală:

• Inspectați conexiunile electrice și asigurați-vă că sunt strânse și fără semne de coroziune.

• Verificați starea generală a invertorului, căutați semne de uzură, deteriorare.

2.  Verificarea codurilor de eroare:

• Utilizați un scaner OBD-II sau un instrument de diagnosticare specific pentru a citi codurile de eroare stocate în unitatea de control a vehiculului.

• Interpretați codurile de eroare pentru a identifica problemele potențiale ale invertorului.

ECU folosește un senzor de tensiune al invertorului, care este încorporat în invertor, pentru a detecta tensiunea ridicată pentru a permite controlul creșterii tensiunii.

ECU monitorizează senzorul de tensiune al invertorului și detectează următoarele defecțiuni.

⁻   Scurtcircuit la masă în linia de semnal de tensiune a invertorului (VH).

⁻   Deschis sau scurtcircuitat la +B în linia de semnal de tensiune a invertorului (VH).

3.  Testarea tensiunii și a curentului:

• Utilizați un multimetru și schema electrică (ex: figura 15.8) pentru a măsura tensiunea și curentul la intrarea și ieșirea invertorului.

•  Verificați dacă valorile măsurate se încadrează în specificațiile producătorului.

4.  Analiza termografică:

• Folosiți o cameră termografică pentru a detecta zonele cu temperaturi neobișnuit de ridicate sau scăzute pe suprafața invertorului.

•Identificați punctele fierbinți care pot indica probleme de răcire sau componente defecte.

Figura 15.8 Schema electrică a interacțiunii dintre bateriei de tensiune înaltă (HV), invertor și motoarele electrice de la Toyota Prius

E42 - Unitatea electronică de comandă ECU; E26 - Unitatea electronică de gestiune a bateriei de tensiune înaltă BMS; B3 - Modulele baterie de tensiune înaltă; I107 – invertorul; M126 - Motor/generator MG1; M127 - Motor/generator MG2

Mentenanță:

1.  Curățarea:

• Curățați invertorul și componentele adiacente pentru a preveni acumularea de praf și murdărie care pot afecta răcirea.

• Asigurați-vă că orificiile de ventilație și radiatorul sunt libere de obstrucții.

2.  Verificarea și înlocuirea lichidului de răcire:

• Verificați nivelul și calitatea lichidului de răcire din sistemul de răcire al invertorului.

• Schimbați lichidul de răcire conform intervalelor de mentenanță recomandate de producător sau dacă lichidul pare contaminat. La Toyota când folosiți antigelul original Toyota Super Long Life Coolant (SLLC), recomandarea producătorului este, schimbare lichidului prima oară - peste 160 mii km, iar următoarele înlocuiri  - fiecare 80 mii km.

Lichidul de răcire HV (SLLC) cu o concentrație de 30% îngheață la -15°C (5°F) și lichidul de răcire HV (SLLC) cu o concentrație de 50% îngheață la -35°C (-31°F).

Dacă lichidul de răcire HV îngheață în radiatorul HV sau ansamblul pompei de apă a invertorului, temperatura lichidului de răcire în ansamblul invertorului cu convertizor crește deoarece lichidul de răcire HV nu poate circula. Ca rezultat, poate fi setat un DTC.

1.  Întreținerea pompei de răcire:

•       Verificați funcționarea pompei de răcire și înlocuiți-o dacă este necesar.

•       Asigurați-vă că pompa nu are scurgeri și funcționează corespunzător.

2.  Inspectarea radiatorului:

•       Verificați radiatorul pentru eventuale blocaje sau deteriorări.

•       Curățați radiatorul și înlocuiți-l dacă este necesar.

Întrebări de autoevaluare

1.    Unde este localizat de obicei invertorul într-un vehicul electric sau hibrid?

2.    Unde este localizat de obicei invertorul într-un vehicul electric sau hibrid?

3.    Cum poate fi identificat invertorul într-un vehicul?

4.    Care sunt principalele componente ale unui invertor pentru vehicule electrice sau hibride?

5.    Ce rol au condensatoarele în cadrul unui invertor?

6.    Ce funcție îndeplinește unitatea electronică de control într-un invertor?

7.    De ce sunt folosite tranzistoarele IGBT în invertor?

8.    De ce este important sistemul de răcire pentru invertor?

9.    Cum controlează invertorul motorul electric utilizând tranzistoarele IGBT?

10. Cum invertorul majorează puterea sau viteza de rotație a motorul electric utilizând tranzistoarele IGBT?

11. Ce ar putea provoca supraîncălzirea tranzistoarelor IGBT și a ECU-ului în timpul funcționării?

12. Cum funcționează sistemului de răcire a invertorului?

13. Ce se verifică la inspecția vizuală a invertorului?

14. Ce defecțiuni pot fi identificate prin citirea codurilor de eroare?

15. De ce trebuie de verificat și înlocuit lichidului de răcire?

16. Ce trebuie de întreprins în situația în care presiunea în sistemul de răcire nu coincide conform specificații indicate de producător?