Imprimir el Libro CompletoImprimir el Libro Completo

Výkonové měniče

Sitio: Moodle ZČU
Curso: KEV/EMB Elektromobilita - podklady k výuce
Libro: Výkonové měniče
Imprimido por: Invitado
Día: jueves, 22 de octubre de 2026, 09:36

Descripción

Výkonové polovodičové měniče aut s elektrickým či hybridním pohonem. Trakční střídače pro napájení elektrického motoru z trakční baterie.

Tabla de contenidos

1. Úvod

Regulovaný elektrický pohon
  • Regulovaný elektrický pohon vždy tvoří elektrický motor, výkonový polovodičový měnič a řídící jednotka s řídicími algoritmy.
  • Výkonový měnič zajišťuje regulované 3-fázové napětí (regulaci velikosti napětí a frekvence).
  • Spolu s algoritmy řízení zajišťuje výkonový měnič regulaci točivého momentu, případně nadřazenou regulaci otáček.
  • U elektromobilů a vozů s hybridním pohonem je výkonovým měničem zajištěno rozhraní a přenos výkonu mezi stejnosměrným zdrojem (trakční baterie) a elektrickým motorem.


Neregulovaný elektrický pohon
  • Elektrický motor je přímo připojen ke zdroji střídavého napětí o konstantní velikosti a frekvence (tj. 3f elektrické síti).
  • Konstantní rychlost magnetického toku statoru, neregulované otáčky, neregulovaný točivý moment.


2. Výkonové měniče pro elektrická vozidla

Hlavní trakční měnič elektrických vozidel - třífázový napěťový střídač. Porovnání měničů elektromobilů a vozidel městské hromadné dopravy.

2.1. Hlavní trakční měnič

Třífázový napěťový střídač
  • Třífázový napěťový střídač je dominantním typem hlavního trakčního měniče aut s elektrickým pohonem i vozů městské hromadné dopravy.



Třífázvý napěťový střídač


Třífázový napěťový střídač (CREE SiC), 900 V, 250 kW (RICE FEL/ZČU)



Třífázový střídač pro automotive (Bosch)




Trakční měnič (SiC) Porsche Taycan, 800 V





https://www.bosch-mobility-solutions.com
https://www.porsche.com

2.2. Třífázový napěťový střídač



2.3. Aplikační porovnání

Vozidla městské hromadné dopravy

  • Napájení z trakční troleje – stabilní (s určitou tolerancí) stejnosměrné napětí
  • Velký zástavbový prostor (střešní kontejnery)
  • Vzduchem chlazené měniče
  • Modularita
  • Požadavky na hladinu hluku: ano, ale omezené

Trolejbus Škoda 31Tr (250 kW)



Kontejnery pro trakční výzbroj vozidel městské hromadné dopravy


Elektroauta a auta s hybridním pohonem

  • Napájení z trakční baterie → velký rozdíl mezi napětím nabité a vybité baterie.
  • Omezený zástavbový prostor
  • Kapalinové chlazení
  • Modularita? Moc prostoru není.
  • Požadavky na hladinu hluku: vysoké

Nissan Leaf (BEV)


Zástavbový prostor VW ID.3


Pokles napětí trakční baterie během jízdy




https://www.skoda.cz
https://www.nissan.cz
https://www.volkswagen.de

2.4. Konstručkní porovnání střídačů pro EV

Střídač pro vozidla městské hromadné dopravy

  • Technologie IGBT
  • Vzduchem chlazený měnič
  • Objemný C filtr na stejnosměrné straně
  • Objemný chladič
  • Výkon měniče na obrázku cca 10 - 20 kW


Třífázový střídač pro pohony napájené z elektrické troleje


Střídač pro elektromobily a auta s hybridním pohonem

  • Technologie SiC (nicméně IGBT či MOSFET je u elektromobilů dosud ještě nejrozšířenější)
  • Kapalinou chlazený měnič
  • Malý C filtr nebo žádnýMalé rozměry chladiče i celého měniče
  • Výkon až 200 kW

Třífázový střídač pro vozidla poháněná z trakční baterie





2.5. Třífázový střídač pro elektrické pohony napájené z trakční troleje



2.6. Třífázový střídač pro elektrická vozidla napájená z trakční baterie



2.7. Hlavní části elektrického pohonu



2.8. Spínací frekvence

Nízká spínací frekvence

  • Velké zvlnění proudu
  • Nízká kvalita proudu (harmonické zkreslení)
  • Přídavné ztráty
  • Hluk

Napětí a proud zátěže - nízká spínací frekvence


Vyšší spínací frekvence

  • Malé zvlnění proudu
  • Vysoká kvalita proudu - nízké harmonické zkreslení
  • Vyšší účinnost
  • Redukce hluku

Vyšší spínací frekvence






2.9. Hluk

Magnetostrikce

  • Magnetic field tied with the switched current causes mechanical oscillations in all magnetically conductive materials. 
  • Mechanical oscillations generate noise corresponding to the switching frequency.



  • Switching frequency above 20 kHz is not audible. The upper limit depends on age.
  • Standard IGBT technology:
    • For power of 100 kW is the switching frequency above 20 kHz practically not achievable (switching losses to high).
    • High switching frequencies achievable with SiC technology.


2.10. Moderní výkonové spínače

Blokovací napětí

  • IGBT: < 6500V
  • Si MOSFET: < 950V
  • SiC MOSFET: < 3300 V
  • GaN: < 650V


Trendy a budoucnost

  • Nárůst blokovacího napětí a jmenovitého proudu
  • Nárůst spínací frekvence
  • Pokles ztrát
  • Snižování velikosti




https://www.infineon.com

2.11. Ztráty

Příklad měniče 100 kW


  • Střídač sestává ze šesti spínačů, tj. tří modulů - půlmůstků.
  • Každý modul produkuje ztráty 700 W.
  • 100 kW střídač s účinností 98% produkuje 2 kW ztátovéh výkonu.
  • Ztráty musí být odvedeny z velmi malé plochy čipu.
  • Klíčové jsou tepelný odpor a teplota chladiče.
  • Optimální řešení nabízí vodní chlazení.





https://www.infineon.com
https://www.brusa.biz

3. Další části pohonu

Senzory, řídicí HW, řídicí SW.

3.1. Senzory


  • Snímače napětí
  • Snímače proudu
  • Snímače otáček/polohy rotoru





www.lem.com
www.sensimatech.com
https://www.brusa.biz

3.2. Řídicí HW

  • Řídicí mikrokontroléry navržené pro řízení elektrických pohonů a výkonových měničů (např. Texas Instruments TMS320F28xxx)
  • Periferie uzpůsobené těmto aplikacím
    • ADC
    • PWM, dead time units
    • QEP
    • ...





Mikrokontrolér Texas Instruments TMS320F28xxx pro řízení pohonů a výkonových měničů a jeho periferie (detail ADC)


Mikrokontrolér Texas Instruments TMS320F28xxx pro řízení pohonů a výkonových měničů a jeho periferie (detail periferie PWM)




www.ti.com

3.3. Řízení


  • The power inverter (output voltage and frequency) must be controlled properly to generate required torque and speed.
  • Sophisticated control algorithm operating in real time (µs) is necessary.




3.4. Princip řídicích algoritmů

  • Proper operation of the whole system is strongly dependent on the position/speed sensor.
  • Special attention is paid to sensorless methods, but they still suffer by poor performance at very low speeds.
  • Sensorless techniques are used for fault diagnostic (sensor data validation).
  • The control algorithm has crucial impact on drive performance and effectivity – it makes the drive unique.





3.5. Struktura kaskádní regulace pohonou



4. Činnost trakčního střídače v rámci pohonu

Rozběh, motorický a generátorický režim, momentové charakteristiky asynchronního motoru, trakční charakteristika pohonu.

4.1. Rozběh


Napětí a proud jedné fáze motoru napájeného třífázovým střídačem při rozběhu pohonu

4.2. Pohon v motorickém a generátorickém režimu





4.3. Změna napětí a frekvence u asynchronního motoru






Momentové charakteristiky ASM


4.4. Charakteristiky pohonu

Momentová charakteristika regulovaného elektrického pohonu


Točivý moment a výkon PMSM





https://www.brusa.biz

4.5. Vliv poklesu napětí baterie


Pokles napětí během vybíjení trakční baterie


Vliv vybíjení baterie na moment a výkon



5. Výstupní napětí třífázového střídače

Jaké napětí máme na střídavé straně trakčního měniče k dispozici při daném napětí trakční baterie? Jak lze pomocí řízení měniče výstupní napětí maximalizovat?

5.1. Základní pojmy a vztahy



Výstupní napětí

  • U_{A0}   fázové napětí střídače
  • U_{zA}   fázové napětí zátěže
  • U_{AB}   sdružené napětí


  • Pro 1. harmonickou složku platí:
    • U_{A0}(1) = U_{zA}(1) … viz KEV/PVE2
    • U_{AB}(1) = √3U_{A0}(1) = √3U_{zA}(1)

Příklad

  • Napětí baterie U_{dc} = 400 V , jaké máme k dispozici napětí na motoru?

5.2. Sinusová PWM

Maxima 1. harmonické

  • U_{A0}(1) :  U_dc/2=400/2=200 V (efekt. 141 V)
  • U_{zA}(1) :  U_dc/2=400/2=200 V (efekt. 141 V)
  • U_{AB}(1) :  U_dc/2 √3=400/2 √3=346 V (efekt. 245 V)

5.3. Obdélníkové řízení

Maxima 1. harmonické

  • U_{A0}(1): \frac{2U_{dc}}{\pi} = \frac{2∙400}{3,1416} = 255 V ,
    • tj. efektivní hodnota 1. harmonické:  180 V,
    • efektivní hodnota obdélníkového průběhu U_{A0} : 200 V
  • U_{zA}(1): \frac{2U_{dc}}{\pi} = \frac{2∙400}{3,1416} = 255 V ,
    • tj. efektivní hodnota 1. harmonické:  180 V,
    • efektivní hodnota obdélníkového průběhu U_{zA} : 189 V
  • U_{AB}(1): \frac{2U_{dc}}{\pi}\sqrt{3} = \frac{2∙400}{3,1416}\sqrt{3} = 441 V
    • tj. efektivní hodnota 1. harmonické:  312 V,
    • efektivní hodnota obdélníkového průběhu U_{AB} : 326 V

5.4. Zvýšení napětí pomocí netočivé složky - princip


  • Netočivé složky se dá využít pro zvýšení výstupního napětí střídače.
  • S netočivou složkou pracuje vektorová PWM (SVPWM) a PWM injektující 3. harmonickou či pilový signál (TIPWM).

  • SVPWM i TIPWM vedou na ekvivalentní výstupní napětí – obě modulace aktivně injektují netočivou složku v podobě pilového signálu.


Základní napěťové vektory střídače pro SVPWM


TIPWM (triangular signal injection PWM)





5.5. Zvýšení napětí pomocí netočivé složky - příklad

Maximální výstupní napětí – SVPWM a TIPWM

  • Kružnice vepsaná šestiúhelníku:

       \frac{2}{3}U_{dc}cos⁡(\frac{\pi}{6}) = \frac{2}{3}400\frac{\sqrt{3}}{2} = 231 V

  • U_{A0}(1) :  231 V,  ef. 163 V
  • U_{zA}(1) :  231 V,  ef. 163 V
  • U_{AB}(1) : 400 V,  ef. 283 V

5.6. Shrnutí

Příklad

Napětí baterie U_{dc} = 400 V , jaké máme k dispozici napětí na motoru?


Řízení

U_{A0}(1) [V]

U_{zA}(1) [V]

U_{AB}(1) [V]

ampl.

efekt. h.

ampl.

efekt. h.

ampl.

efekt. h.

Sinusová PWM

200

141

200

141

346

245

TIPWM

231

163

231

163

400

283

SVPWM

231

163

231

163

400

283

Obdélníkové řízení

255

180

255

180

441

312