Hybride voertuigen (2)

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Hybride voertuigen (2)"

Joost Vos
5 jaren geleden
Aantal bezoeken:

Hybride voertuigen (2) E. Gernaat (ISBN 978-90-xxxxxxxx) 1 Inverters en converters Inverters en converters zijn elektronische modulen om de batterij-spanning om te zetten.

1 Hybride voertuigen (2) E. Gernaat (ISBN xxxxxxxx) 1 Inverters en converters Inverters en converters zijn elektronische modulen om de batterij-spanning om te zetten. Over het algemeen wordt een inverter beschouwd als een moduul dat de gelijkspanning omzet naar een wisselspanning terwijl een converter een gelijkspanning omzet naar een ander gelijkspanningsniveau. Andere benamingen komt men ook tegen: DC/DC converter, AC/DC gelijkrichter, DC/AC converter e.d. In fig. 1 zien we dat de batterijspanning van 201 V omgezet wordt naar een gelijkspanning van 650 V en dat deze 650 V DC weer omgezet wordt naar een 3-fasen wisselspanning. Hiermee worden een tweetal elektromotoren/generatoren MG1 en MG2 aangestuurd. Behalve dat de batterijspanning naar de boostconverter en aircocompressor gaat, gaat deze ook naar een DC/DC converter. In de DC/DC converter wordt de batterijspanning omgezet naar 14 V, dit om de startbatterij te kunnen laden (Toyota hybride). Figuur 1: Overzicht van een intelligente power module van Toyota met boost converter, inverter en DC/DC converter. Tekening Toyota. 1

2 1.1 De boost-converter In fig. 2 is het werkingsprincipe van een boost-converter afgebeeld. Er wordt gebruik gemaakt van spoel (reactor) voor het opwekken van een inductiespanning, een schakelaar of transistor (IGBT) en een condensator. In de principeschakeling rechts boven zien we ook nog een diode. Door het steeds openen en sluiten van de schakelaar S1 wordt in L1 een inductiespanning opgewekt welke de condensator C1 oplaadt. Na elke opening van de schakelaar wordt de condensator geladen. De diode zorgt ervoor dat de laadspanning steeds hoger wordt totdat de vereiste gelijkspanning van 650 V wordt bereikt. Op de Timloto site ( is een prakticumopdracht te vinden van deze schakeling. Figuur 2: Details van een boostconverter. Een IGBT (spanningsgestuurde transistor) wordt vanuit een controller aangestuurd. De stroom door de reactorspoel wordt pulsgewijs onderbroken waardoor een inductiespanning wordt opgewekt die de condensator oplaadt. Tekening Toyota 1.2 inverter Nadat de spanning is verhoogd wordt deze omgezet naar een 3-fasen wisselspanning. Dit gebeurt in de inverter. Aangezien hier twee wisselstroom motoren worden gebruikt MG1 en MG2 gebeurt dit 2x. De omzetting gebeurt door 6 IGBT s (transistoren) met parallel daaraan 6 dioden die worden aangestuurd door een controller. Zie fig. 3. Door vanuit de controller elke keer twee transistoren aan te sturen kan een 3-fasen AC-motor worden aangestuurd. We beschrijven de inverter of DC/AC converter in meer detail. 2

Deze schakeling zet de gelijkspanning om in een wisselspanning waarna deze met behulp van een transformator omhoog of naar beneden wordt getransformeerd.

3 Figuur 3: De inverter bestaat uit 6 transistoren met parallel daaraan dioden. Tekening Toyota 1.3 DC/DC converter Om een gelijkspanning om te zetten in een gelijkspanning die een hogere of lagere spanning heeft wordt gebruik gemaakt van een DC/DC omzetter. Deze schakeling zet de gelijkspanning om in een wisselspanning waarna deze met behulp van een transformator omhoog of naar beneden wordt getransformeerd. Hierna vindt gelijkrichting en afvlakking (filtering) plaats. In fig. 4 wordt de 201 V batterijspanning van de Toyota Prius omgezet naar 12 V DC. Figuur 4: In de DC/DC converter wordt de spanning via een AC-trap getransformeerd. Tekening Toyota. 3

1.4 Details van de DC/AC converter (Inverter) Om een gelijkspanning om te zetten naar een 1-fase sinusvormige wisselspanning wordt gebruik gemaakt van de inductieve eigenschappen van een spoel.

Wanneer we een blokspanning zetten op de basis van de transistor dan onstaat er een spanningsignaal zoals de meest rechtse figuur weergeeft. De diode maakt het mogelijk dat de spoel zich ontlaadt.

4 1.4 Details van de DC/AC converter (Inverter) Om een gelijkspanning om te zetten naar een 1-fase sinusvormige wisselspanning wordt gebruik gemaakt van de inductieve eigenschappen van een spoel. Tijdens het opwekken van het magnetische veld wordt de stroomtoename vertraagd en bij het wegvallen van het magnetische veld zorgt de inductiespanning voor een kortdurende inductiestroom. Wanneer we een blokspanning zetten op de basis van de transistor dan onstaat er een spanningsignaal zoals de meest rechtse figuur weergeeft. De diode maakt het mogelijk dat de spoel zich ontlaadt. Zie fig. 5 Figuur 5: Het spannings- en stroomverloop wanneer een spoel wordt in- en uitgeschakeld. Wanneer we nu de frequentie verhogen kan de spoel niet voldoende ontladen en zal er een gemiddelde spanning ontstaan zoals fig. 6 weergeeft. Deze gemiddelde spanning kunnen we vergroten of verkleinen wanneer we de duty-cycle van het aanstuursignaal veranderen. We kunnen ons nu voorstellen wanneer we de duty-cycle door een controller volgens een programma laten veranderen dat we een positieve sinusgolf kunnen schrijven. Zie fig. 6 rechts. Om een complete wisselspanning te maken kunnen we de negatieve golf maken door de stroomrichting om te keren. Dit proces wordt in de schakelingen van fig. 7 en fig. 8 weergegeven. Figuur 6: Figuur links: de gemiddelde spanning bij een bloksignaal van een bepaalde frequentie en duty-cyle. Figuur rechts: Wanneer we de duty-cycle voortdurend volgens een bepaald patroon veranderen dan kunnen we een halve sinus schrijven. Tekening: technik profi Wanneer we in fig. 7 transistor 1 en 4 in geleiding brengen en 2 en 3 laten sperren dan vloeit de stroom in de aangegeven richting door de spoel. Wanneer we transistor 4 laten sperren dan kan de spoel zich ontladen via de diode over de gesperde transistor 2. Dit betekent dat wanneer we transistor 4 nu snel - openen en sluiten met een variabele duty-cycle we een halve sinus opwekken. 4

0 1 1 0 0 1 0 0 1/0 Figuur 7: Het laden en ontladen van een spoel voor het opwekken van een halve sinus. Zie fig. 8 links.

5 /0 Figuur 7: Het laden en ontladen van een spoel voor het opwekken van een halve sinus. Zie fig. 8 links. Wanneer we nu transistor 2 en 3 in geleiding brengen en 1 en 4 laten sperren dan gaat de stroom vanuit de andere zijde door de spoel en als we dan weer transistor 3 snel openen en sluiten met een variabele duty-cycle dan wordt het andere sinusdeel opgewekt. Zie de meest rechtse figuur /1 0/1 Figuur 8: Het opwekken van een complete sinusvormige wisselspanning. Een complete opgewekte sinus verkregen door een variabele duty cycle toont ons fig. 9. Figuur 9: Volledige opgewekte sinusvormige spanning. Let op de PWM-sturing (technik profi) De volgende stap is om deze enkelvoudige wisselspanning om te zetten in een 5

6 driefasen wisselspanning en hiermee een driefasen elektromotor aan te sturen. We gebruiken hiervoor een 6-tal transistoren (IGBT s) en evenveel dioden. Zie fig. 10. We beschrijven 1 situatie. De transistor T2 wordt in geleiding gebracht. De stroom vloeit nu door spoel W en V terug naar de min als ook de transistor T6 in geleiding wordt gebracht. Vindt de aansturing van de T6 transistor PWM gestuurd plaatst dan zal de spoel met de min worden verbonden als de transistor T6 in geleiding is bij de positieve puls. Wanneer de transistor T6 spert dan zal de inductiestroom via de diode van T3 terug naar de spoelen W en V kunnen vloeien. Door nu de transistoren in de juiste volgorde aan te sturen kan een driefasen wisselspanning worden opgewekt. De stroom wordt dan door de spoelen UV, VW en WU gestuurd. De hele schakeling lijkt veel op de gelijkrichtbrug bij een driefasen wisselstroomdynamo. Controller U W V Figuur 10: Door telkens twee transistoren aan te sturen kan een 3-fasen AC-motor worden bekrachtigd U /1 PWM W V Figuur 11: Principe van de omzetting van een DC-spanning in een 3-fasen wisselspanning. 6

In fig. 12 zien we de gemeten spanning en stroom tussen twee fasen van een Mitsubishii-MiEV. Figuur 12: Meting Mitsubishi i-miev. Links: Gemeten spanning tussen twee fasen.

7 In fig. 12 zien we de gemeten spanning en stroom tussen twee fasen van een Mitsubishii-MiEV. Figuur 12: Meting Mitsubishi i-miev. Links: Gemeten spanning tussen twee fasen. Rechts: Gemeten stroom tussen twee fasen. Afbeelding: technik profi 1.5 Vragen en opgaven 1. Omschrijf het verschil tussen een inverter en een converter. 2. Wat verstaat men onder een DC/DC converter? 3. Wat verstaat Toyota onder een Boost Converter? 4. Met welke spanning wordt de airco-compressor bij Toyota aangestuurd? 5. Omzetten van een gelijkspanning naar een hogere gelijkspanning gebeurt met behulp van een spoel en een condensator. Verklaar dit. 6. Op welke wijze gebeurt hier het omzetten van een hoge gelijkspanning naar een lagere? 7. Een spoel kent een in- en uitschakelinductie. In welke afbeelding wordt dat zichtbaar gemaakt? 8. Wat is de functie van de diode in fig. 5? 9. PWM sturing speelt een belangrijke rol bij het omzetten van een gelijkspanning naar een wisselspanning. Welke afbeelding geeft dat weer? 10. Voor het opwekken van een volledige sinus hebben we vier transistoren en dioden nodig. Waarom? 11. Hoeveel transistoren hebben we nodig voor het opwekken van een driefasen wisselspanning? 7

Vergelijkbare documenten

Bijlage frequentieregeling Frequentieregeling

Bijlage frequentieregeling Frequentieregeling Opbouw van een frequentieregelaar Alle typen frequentieregelaars werken volgens hetzelfde hoofdprincipe, zie fig. 1. Hierbij wordt de driefasenspanning van