Sistemele de comandă a motoarelor care utilizează tehnici de control prin modulare în lățime a impulsurilor (PWM) se confruntă cu pierderi prin comutație în invertor la frecvențe înalte, în timp ce pierderile motorului la frecvențe înalte sunt legate de curentul de riplu. Acest lucru înseamnă că trebuie să existe un compromis la nivel de sistem care trebuie investigat. S-au realizat diferite studii pentru a înțelege modul în care aceste pierderi ale motorului se corelează cu frecvența de comutație. Însă, cele mai multe dintre acestea se aplică în cazul utilizării tranzistoarelor bipolare cu poartă izolată (IGBT), de obicei până la 20 kHz.
Infineon a recurs la o combinație de abordări simulate și experimentale pentru a investiga impactul frecvențelor de comutație mai mari asupra eficienței invertorului și a motorului (până la 50 kHz), utilizând switch-uri din carbură de siliciu (SiC) și nitrură de galiu (GaN) cu bandă interzisă largă (WBG). Acest articol ia în considerare detaliile abordărilor utilizate și analizează rezultatele testelor simulate și experimentale.
Configurația de testare și măsurare
Proiectarea invertorului a constat din trei jumătăți de punte implementate cu ajutorul a trei module de plăci fiică. Această abordare a avut avantajul de a simplifica și accelera testarea diferitelor tehnologii cu comutație. Invertorul a fost prevăzut cu șase switch-uri separate de 55 mΩ, cu opțiuni de tranzistoare de putere CoolGaN™ de 600V cu mod de îmbunătățire (IGT60R070D1) și CoolSiC™ de 650V în capsulă TOLL (IMT65R048M1H), comandate de drivere de poartă cu canal dublu EiceDRIVER™ 2EDF7175F.
Tensiunile de polarizare pe partea inferioară (low-side) și superioară (high-side) de la o sursă izolată de pe placa principală au fost ajustate pentru diferitele tehnologii cu bandă interzisă largă (SiC 18V și GaN 10V). Pentru a asigura un control precis al switch-urilor de putere în invertorul care comandă motorul, senzorii de curent cu efect Hall XENSIV™ TLI4971 de pe placa principală au măsurat curenții de fază ai invertorului. Aceste semnale au fost procesate de un microcontroler XMC™ XMC4400 care a utilizat, de asemenea, senzori de poziție pentru a efectua un control FOC (Field Oriented Control – Control orientat după câmp) al vitezei motorului sincron cu magneți permanenți (PMSM) (tabelul 1).
Parametru BSM33C-6177MHQ
Tensiune 320 V
Curent 12.5 A
Putere 3 hp
Viteză 1800 rpm
Inductanță 5.2 mH
Rezistență 1 Ω
Tabelul 1: Parametrii motorului sincron cu magnet permanent
Figura 1: Placă de testare și echipament de măsurare. (Sursa imaginii: Infineon)
Pentru a modifica cuplul arborelui, motorul de inducție a acționat ca o frână cu curenți turbionari, cu diferiți curenți aplicați la înfășurările motorului de inducție. Utilizarea unei frâne la motorul de inducție asigură, de asemenea, un cuplu lin de încărcare, împiedicând în același timp apariția unui blocaj.
Placa și configurația de testare utilizate pentru a evalua impactul dispozitivelor cu comutație WBG sunt prezentate în figura 1.
Pierderile de putere ale invertorului
Figura 2: Pierderile invertorului simulate cu PLECS pentru diferite dispozitive cu comutație în funcție de frecvență. (Sursa imaginii: Infineon)
Energia se pierde în invertorul motorului atunci când puterea DC este convertită în AC. Acest lucru se datorează unei combinații de pierderi rezistive în componentele invertorului, pierderi de comutație în dispozitivele electronice de putere și pierderi electromagnetice în dispozitivele pasive. Cantitatea de energie pierdută depinde de designul și specificațiile invertorului și este direct legată de frecvența de comutație a invertorului la care acesta funcționează.
Frecvențele de comutație mai mari măresc pierderile de comutație deoarece au loc mai multe evenimente de comutație. Prin urmare, selectarea unei frecvențe de comutație corespunzătoare invertorului este importantă pentru a optimiza eficiența globală a sistemului de comandă a motorului. Până la urmă, sunt necesare compromisuri pentru a determina frecvența de comutație optimă pentru o anumită configurație motor-invertor. Tehnologia dispozitivelor semiconductoare de putere aleasă pentru a contribui la reducerea pierderilor de putere într-un invertor depinde de numeroși factori, inclusiv tensiunea, curentul, frecvența de comutație, ciclul de funcționare, rata de variație a tensiunii (dv/dt) și rezistența porții (Rg).
Figura 3: Separarea curenților de înaltă și joasă frecvență. (Sursa imaginii: Infineon)
Figura 2 prezintă pierderile de putere simulate (utilizând PLECS) pentru dispozitive cu comutație GaN și SiC cu putere nominală de 600 – 650V care operează la 320V și 8A, de la cea mai mică la cea mai mare frecvență de comutație. Switch-urile SiC au un ușor avantaj față de GaN la frecvențe mai mici (5 – 10 kHz). Cu toate acestea, de la 20 – 50 kHz, dispozitivele GaN prezintă pierderi de putere semnificativ mai mici în comparație cu SiC.
Totuși, pentru a optimiza performanța și eficiența sistemului de comandă a motorului este necesar să se ia în considerare și tehnologia de putere și caracteristicile dispozitivelor.
Pierderile de putere ale motorului
În acest studiu, accentul a fost pus pe pierderile motorului la frecvențe înalte. Separarea măsurătorilor în componente de înaltă și joasă frecvență a fost realizată cu ajutorul unui proces iterativ de filtre trece-jos succesive.
Figura 4: Componenta curentului de înaltă frecvență. (Sursa imaginii: Infineon)
Figura 3 prezintă rezultatele măsurătorilor curentului produse prin discriminare. Pentru tensiune, se aplică, de asemenea, un proces similar de separare.
Figura 4 prezintă curentul de fază de înaltă frecvență după condiționarea curentului. După cum era de așteptat, magnitudinea curentului de riplu este mai mică la frecvențe de comutație mai mari, această oscilație redusă a curentului contribuind, de asemenea, la reducerea cantității de energie pierdută în motor.
Pierderile de energie ale motorului în regim de funcționare la frecvențe înalte
Pierderile de energie la frecvențe înalte în sistemele de comandă a motoarelor pot fi calculate cu ajutorul următoarei ecuații:
Pierderile de putere la înaltă frecvență pentru diferite frecvențe de comutație și diverse viteze de rotație ale motorului sunt prezentate în figura 5, unde:
Pierderile la frecvențe înalte la 900 rpm și 50 kHz sunt prea mici pentru a fi afișate.
Rezultatele demonstrează impactul clar al frecvenței de comutație asupra pierderilor motorului la frecvențe înalte, acestea fiind reduse considerabil.
Cele mai mari pierderi se înregistrează la 1800 rpm și 5 kHz.
Figura 5 (a+b+c): Pierderi la frecvențe înalte pentru diverse viteze de rotație ale motorului. (Sursa imaginii: Infineon)
Pentru acest punct de funcționare, pierderile sunt de aproximativ 12 W, în timp ce pentru aceeași turație și o frecvență de comutație de 50 kHz, pierderile sunt de numai 2 W, ceea ce reprezintă o economie de putere de 10 W.
Un alt rezultat cheie este că pierderile la frecvențe înalte depind de viteza de rotație a motorului, posibil din cauza creșterii curenților turbionari în magneți la viteze mai mari. Pierderile în fier sunt o altă caracteristică care variază în funcție de viteză, histerezisul crescând în funcție de viteza motorului, având, de asemenea, un impact asupra nivelului pierderilor de putere din motor.
Pierderile globale ale sistemului
Parametrii, inclusiv sarcina, viteza și temperatura, influențează eficiența unui sistem de comandă a motorului. Reducerea pierderilor de energie în raport cu puterea de ieșire oferă un randament optim de funcționare a motorului. O analiză a combinației de pierderi ale motorului și invertorului la frecvențe înalte (figura 6) a arătat că punctul optim de funcționare (în care sistemul de comandă a motorului prezintă cele mai mici pierderi în raport cu puterea de ieșire) a fost atins la o frecvență de comutație de 20 kHz atunci când funcționează la o viteză nominală de 1800 rpm și la o sarcină nominală de 50% (1,1 kW).
Figura 6 (a+b): Determinarea pierderilor globale ale sistemului și a punctului optim de funcționare. (Sursa imaginii: Infineon)
Menținerea operării cât mai aproape de acest punct este vitală pentru a minimiza disiparea de putere. Figura 6 confirmă faptul că alegerea frecvenței de comutație în funcționare necesită o evaluare la nivel de sistem. Această alegere implică luarea în considerare a tehnologiei dispozitivelor utilizate în invertor și în motor. Utilizarea unor tehnologii de comutație diferite poate modifica frecvența de comutație operațională optimă și pierderile de putere înregistrate de sistem.
Concluzie
Atunci când se utilizează dispozitive cu comutație cu bandă interzisă largă, sistemele de acționare a motoarelor care operează la frecvențe de comutație mai mari pot oferi o eficiență globală mai mare a sistemului. Cu toate acestea, frecvența de comutație trebuie selectată cu atenție din cauza compromisului dintre pierderile invertorului și cele ale motorului.
Rezultatele experimentale au arătat că pierderile de putere ale motorului la frecvențe înalte sunt reduse atunci când frecvențele de comutație sunt mai mari. Cu toate acestea, este necesară o analiză suplimentară privind impactul asupra duratei de viață a rulmenților și înfășurărilor motorului la frecvențe de comutație ridicate și pentru tranziții mai rapide (dv/dt, di/dt). În plus, impactul frecvențelor de comutație mai mari asupra pierderilor la frecvențe joase necesită, de asemenea, cercetări suplimentare.
Noile proiecte de motoare trebuie să ia în considerare potențialul dispozitivelor WBG pentru a satisface viitoarele cerințe de eficiență. În plus, următoarele proiecte de motoare trebuie să contribuie, de asemenea, la soluționarea problemelor asociate cu frecvența de comutație mai mare (de exemplu, uzura rulmenților și a înfășurărilor etc.).
Potențialul benzii interzise largi în comanda motoarelor: Faceți clic aici pentru a găsi informații și opinii mai detaliate.
Doriți să rămâneți informat cu privire la cele mai recente dezvoltări ale Infineon și să găsiți cele mai potrivite componente pentru ca proiectul vostru să fie eficient? Înregistrați-vă la myInfineon pentru a descărca în exclusivitate cea mai recentă ediție a ghidului nostru Power and Sensing Selection și pentru a obține asistență în timpul procesului de proiectare.
Referințe
- K. Morya et al., “Wide Bandgap Devices in AC Electric Drives: Opportunities and Challenges,” in IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 5, no. 1, pp. 3-20, March 2019, DOI: 10.1109/TTE.2019.2892807.
- Chang, M. Alvi, W. Lee, J. Kim, and T. M. Jahns, “Efficiency Optimization of PWM-Induced Power Losses in Traction Drive Systems with IPM Machines Using Wide Bandgap-Based Inverters,” in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 58, no. 5, pp. 5635-5649, Sept.-Oct. 2022, DOI: 10.1109/TIA.2022.3178979.
- Chang, W. Lee, T. M. Jahns, and K. Rahman, “Investigation and Prediction of High-Frequency Iron Loss in Lamination Steels Driven by Voltage-Source Inverters Using Wide-Bandgap Switches,” in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 57, no. 4, pp. 3607-3618, July-Aug. 2021, DOI: 10.1109/TIA.2021.3075647.
- Yamazaki and A. Abe, “Loss Investigation of Interior Permanent-Magnet Motors Considering Carrier Harmonics and Magnet Eddy Currents,” in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 45, no. 2, pp. 659-665, March/April 2009, doi: 10.1109/TIA.2009.2013550.
- Voyer, G. Bueno Mariani, A. Besri, V. Quemener, Y. Okamoto and A. Satake, “High-Frequency Modelling of Permanent Magnet Synchronous Machine,” 2018 8th International Electric Drives Production Conference (EDPC), 2018, pp. 1-6, DOI: 10.1109/EDPC.2018.8658271.
- Dahaman Ishak, Z. Q. Zhu, and David Howe “Eddy-Current Loss in the Rotor Mag-nets of Permanent-Magnet Brushless Machines Having a Fractional Number of Slots Per Pole,” IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, No. 9, September 2005.
- Z. Zhou, J. X. Shen, and W. Z. Fei, “Influence on Rotor Eddy-Current Loss in High-Speed PM BLDC Motors,” Proceedings of the 41st International Universities Power Engineering Conference, Newcastle upon Tyne, UK, 2006, pp. 734-738, DOI: 10.1109/UPEC.2006.367576.
- Pfingsten, G. & Steentjes, Simon & Thul, A & Herold, Thomas & Hameyer, K. (2014). “Soft magnetic material degradation due to manufacturing process: A comparison of measurements and numerical simulations.” 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems, ICEMS 2014. 2018-2024. 10.1109/ICEMS.2014.7013817, Oct. 22-25, 2014, Hang-zhou, China
Dr. Guilherme Bueno Mariani, Senior Staff Engineer, Infineon Technologies
Despre autor:
Dr. Guilherme Bueno Mariani a obținut diploma ‘Double Engineering’ în inginerie electrică de la Institutul de Tehnologie din Grenoble, Franța, și Universidade Estadual Paulista, Guaratingueta/SP, Brazilia, în 2012, și titlul de doctor în inginerie electrică de la Universitatea Grenoble Alpes, Franța, în 2016. Din 2016 până în 2022, a lucrat ca cercetător în domeniul sistemelor de comandă a motoarelor la Mitsubishi Electric Research Centre Europe, Rennes, Franța. Din 2022, este inginer de aplicații la Infineon Technologies, Villach, Austria. Interesele sale în domeniul cercetării includ tehnologii de comandă a motoarelor și dispozitive cu bandă interzisă largă (WBG).