BRPI1104890A2 - sistema de controle elÉtrico - Google Patents

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BRPI1104890A2
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BR
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permanent magnet
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BRPI1104890-5A
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Inventor
Ayman Mohamed Fawzi El-Refaie
Robert Dean King
Original Assignee
Gen Electric
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Abstract

SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO. Um sistema de controle elétrico inclui uma máquina de ímã permanente (70) que tem um rotor (116) e um estator (118) e um conversor de energia (62) acoplado eletricamente a uma máquina de ímã permanente (70) e configurado para converter a tensão de ligação DC para uma tensão de saída AC para controlar a máquina de ímã permanente (70). O conversor de energia (62) inclui uma pluralidade de dispositivos de comutação de carboneto de silício (74 a 84) que tem uma capacidade de tensão que excede uma força eletromotriz inversa de linha a linha de pico da máquina de ímã permanente (70) a uma velocidade máxima da máquina de ímã permanente (70).

Description

"SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO" Antecedentes da Invenção
Modalidades da invenção se referem em geral a máquinas de imã permanente que têm alta densidade de energia e, mais particularmente, a um método e sistema para evitar condições de falha em máquinas de imã permanente de alta força eletromotriz (emf) inversa de alta densidade de energia através do fornecimento de conversores de energia que incluem transistores de efeito de campo de semicondutor de oxido metal (MOSFETs) de carboneto de silício.
A necessidade por máquinas elétricas (ou seja, motores e
geradores elétricos) de alta densidade de energia e alta eficiência tem imperado durante muito tempo para uma variedade de aplicações, particularmente para aplicações de tração de veículo híbrido e / ou elétrico. Devido a razões de fornecimento de energia a ambientais, tem acontecido uma crescente motivação para produzir veículos híbrido-elétricos e / ou elétricos que sejam tanto altamente eficientes como confiáveis, e ainda tenham preço razoável para o consumidor médio. Entretanto, a tecnologia de motor de propuisão disponível para veículos híbrido-elétricos e elétricos tem sido geralmente de custo proibitivo, o que reduz um de (ou ambos) a acessibilidade do consumidor ou lucratividade do fabricante.
A maior parte dos veículos híbrido-elétricos e elétricos disponíveis comercialmente se baseia em máquinas elétricas de imã permanente interno (IPM) para aplicações de tração, visto que se descobriu que as máquinas de IPM têm alta densidade de energia e alta eficiência sobre uma grande amplitude de velocidades, e também são facilmente acondicionadas em veículos de tração dianteira. Entretanto, a fim de obter esta alta densidade de energia, as máquinas IPM têm que usar imãs caros produtos sinterizados de alta energia. Além disso, as máquinas IPM rodam a alta velocidade (por exemplo, 14.000 rpm) para obter ótima densidade de energia. A densidade de energia de uma máquina de imã permanente é definida como a razão entre a saída de energia e o volume da máquina de imã permanente. Uma densidade de energia relativamente alta (por exemplo, alta saída de energia relativa ao volume) é tipicamente desejável. A alta densidade de energia permite que uma máquina de imã permanente tenha ou um tamanho geral menor para uma dada saída de energia ou uma saída maior para um dado tamanho.
Conforme a velocidade do rotor da máquina de imã permanente aumenta, a tensão desenvolvida no estator (referenciada como a "emf inversa") aumenta. Isto, por sua vez, requer que tensões cada vez mais altas sejam aplicadas para produzir o torque desejado. A emf inversa da máquina é proporcional a velocidade para uma máquina de imã permanente. Se o pico da emf inversa de linha a linha na velocidade máxima é maior do que a tensão da ligação DC, e se o controle sobre o conversor de energia é perdido, a máquina de imã permanente começará a operar em um modo de geração descontrolado (UCG). O UCG ocorre quando os sinais de porta de controle para todos os seis comutadores de inversor são desligados ou desconectados. Durante esta condição, o motor é conectado a fonte DC através dos diodos antiparalelos dos comutadores do inversor. Os diodos antiparalelos criam um trajeto potencial para a corrente fluir, que é dependente da condição de operação do motor e da tensão da fonte DC. Neste caso, a máquina de imã permanente atuará como um gerador convertendo energia rotacional em correntes elétricas e começará a descarregar energia na ligação DC através dos diodos antiparalelos no conversor de energia, provocando um aumento na tensão da ligação DC. Se esta energia não é dissipada, ou se o desenvolvimento da tensão da ligação DC não é limitado, a capacidade de tensão nos dispositivos ativos no conversor de energia pode ser excedida pela tensão na ligação DC.
A fim de minimizar ou impedir a ocorrência do modo de operação UCG1 é tipicamente definido um limite na emf inversa da máquina ou um circuito adicional de travamento ou proteção contra curto circuito é adicionado em paralelo à ligação DC. Entretanto, limitar a emf inversa da máquina reduz a densidade de energia ou torque e capacidade de velocidade da máquina.
Adicionalmente, adicionar um circuito de proteção contra curto circuito adiciona custo e complexidade ao conjunto de circuitos do sistema de controle da máquina de imã permanente. A emf inversa de uma máquina também pode ser reduzida limitando a quantidade de força relativa dos imãs na máquina, o que também impacta negativamente a densidade de energia ou torque. Portanto, é desejável eliminar configuração de um limite de emf
inverso e / ou eliminar adição de um circuito de proteção contra curto circuito de modo que a capacidade de tensão do dispositivo não seja excedida durante um modo de operação UCG.
Breve Descrição da Invenção De acordo com um aspecto da invenção, um sistema de controle
elétrico inclui uma máquina de imã permanente que tem um rotor e um estator e um conversor de energia acoplado eletricamente a uma máquina de imã permanente e configurado para converter a tensão de ligação DC para uma tensão de saída AC para controlar a máquina de imã permanente. O conversor de energia inclui uma pluralidade de dispositivos de comutação de SiC que tem uma capacidade de tensão que excede uma emf inversa de linha a linha de pico da máquina de imã permanente a uma velocidade máxima da máquina de imã permanente.
De acordo com outro aspecto da invenção, um método para fabricar um sistema de controle elétrico inclui a etapa de fornecer um conversor de energia de SiC que tenha uma pluralidade de dispositivos de comutação de SiC e seja acoplável a uma fonte de alimentação. O método também inclui as etapas de fornecer uma máquina de imã permanente que tenha uma emf inversa de linha a linha de pico a velocidade máxima que seja maior do que a tensão de ligação DC da fonte de alimentação e acoplar o conversor de energia de SiC a uma máquina de imã permanente para controlar a máquina de imã permanente.
De acordo com outro aspecto da invenção, um sistema de propulsão de veículo inclui um motor que tem um rotor de imã permanente e um estator. O sistema de propulsão também inclui uma ligação DC e um conversor de energia acoplado eletricamente entre a ligação DC e o motor de imã permanente para controlar o motor de imã permanente. O conversor de energia compreende uma pluralidade de dispositivos de comutação de SiC classificados para uma tensão de operação mais alta do que uma emf inversa máxima capaz de ser desenvolvida no estator do motor de imã permanente.
Várias outras características e vantagens ficarão aparentes a partir da descrição detalhada a seguir e das figuras.
Breve Descrição das Figuras
Os desenhos ilustram modalidades presentemente contempladas para executar a invenção.
Nos desenhos:
A FIGURA 1 ilustra um sistema de controle de máquina de imã permanente convencional.
A FIGURA 2 ilustra um sistema de controle de máquina de imã permanente de alta densidade de energia, de acordo com uma modalidade da invenção.
Descrição Detalhada Da Invenção
A FIGURA 1 ilustra um sistema de controle de máquina de imã permanente 10 trifásico convencional. O sistema 10 inclui uma ligação DC 12 que fornece uma tensão de entrada DC que é convertida ou invertida para uma forma de onda AC que aciona uma máquina de imã permanente 14. Um capacitor de filtro de entrada 16 é acoplado através da ligação DC 12 para filtrar a tensão VDC na ligação DC 12. Um conversor de energia 18 recebe a tensão de entrada da ligação DC 12 quando energia flui da ligação DC 12 para a máquina de imã permanente AC 14. Esta direção do fluxo de energia é freqüentemente referenciado como operando em um modo de "motorização". Quando a direção do fluxo de energia é da máquina de imã permanente 14 para o conversor de energia 18, a tensão de entrada para o conversor de energia 18 é AC da máquina de imã permanente 14, enquanto a saída do conversor de energia 18 é uma tensão DC na ligação DC 12. A operação com o fluxo de energia da máquina de imã permanente AC 14 para o conversor de energia 18 freqüentemente é referenciada como operação em um modo regenerativo de frenagem que é útil, por exemplo, em um veículo onde é desejável manter um dado valor de velocidade em um grau de descida, ou durante a desaceleração do veículo. O conversor de energia 18 é um inversor trifásico típico 3 que tem
dois dispositivos de comutação conectados em série por perna de fase. Por exemplo, dispositivos 20 e 22 formam uma primeira perna de fase, dispositivos 24 e 26 formam uma segunda perna de fase, e dispositivos 28 e 30 formam uma terceira perna de fase. Os dispositivos 20 a 30 são dispositivos de comutação de semicondutor de silício convencionais tais como, por exemplo, IGBT de silício, MOSFET, transistor de energia Darlington bi-polar de silício, GTO, SCR, ou dispositivos tipo IGCT. Os diodos 32, 34, 36, 38, 40, 42 são acoplados em relacionamento antiparalelo através dos respectivos dispositivos de comutação de silício 20 a 30. A FIGURA 2 ilustra um sistema de controle de máquina de imã
permanente 44 de acordo com uma modalidade da invenção. O sistema de controle 44 inclui uma ligação DC 46 que tem uma tensão VS 48 de fonte DC. Sistema de controle 44 inclui a fonte de alimentação 50 que fornece tensão VS 48 de fonte DC. O sistema de controle 44 inclui preferencialmente dois contatores (C1, C2) 52, 54, ou pelo menos um contator C1 para conectar ou desconectar uma ligação DC 46 da fonte de alimentação 50. Em uma modalidade, a fonte de alimentação 50 inclui uma fonte AC 58 e um retificador 56 configurado para converter uma tensão da fonte AC 58 para a ligação DC ou tensão de fonte Vs. Em outra modalidade, a fonte de alimentação 50 inclui uma fonte de alimentação DC 58, tal como uma bateria, uma célula combustível, ou um volante com conversor eletrônico de energia associado. Em ainda outra modalidade, a fonte de alimentação 50 inclui uma fonte de alimentação DC 58, tal como uma bateria, uma célula combustível, um ultra capacitor, ou um volante com conversor eletrônico de energia associado a um conversor de tensão DC para DC bi-direcional 56 que reforça a tensão da fonte para a ligação DC ou tensão da fonte Vs. A ligação DC 46 fornece uma tensão DC de saída VDC 60 a um conversor de energia ou inversor 62. Um capacitor de filtro de entrada 64 é ilustrado entre uma saída DC positiva 66 e uma saída DC negativa 68 e serve para fornecer uma função de filtro para as correntes de alta freqüência da fonte 50 para garantir a qualidade da energia entre saídas positiva e negativa 66, 68.
O conversor de energia 62 recebe tensão DC de entrada VDC 60 da ligação DC 46 e converte a tensão DC de entrada para fornecer uma forma adequada de energia AC para acionar uma máquina de imã permanente 70, descrita em detalhes abaixo. Um controlador 72 também é incluído no sistema de controle 44 e inclui meios para abrir e fechar os contatores C1 e C2 52, 54 baseado nas entradas de tensão medidas Vs 48, VDC 60, entradas de sensor de velocidade da máquina 70, somadas às entradas do operador bem como às falhas detectadas que podem ocorrer em um conversor de energia 62. O controlador 72 também inclui meios para controlar o comando de energia de reforço para o conversor de reforço bi-direcional 56. 7
De acordo com uma modalidade, o conversor de energia 62 é um inversor DC para AC trifásico que tem uma pluralidade de dispositivos de comutação 74, 76, 78, 80, 82, 84. Cada dispositivo de comutação 74 a 84 inclui Um MOSFET de carboneto de silício (SiC) 86, 88, 90, 92, 94, 96 e um diodo anti-paralelo associado 98, 100, 102, 104, 106, 108.
SiC é uma substância cristalina que tem propriedades de material que fazem com que o mesmo seja uma alternativa atraente ao silício para aplicações de alta tensão e alta potência Por exemplo, o SiC tem uma grande lacuna de banda que fornece uma perda de corrente muito pequena, o que facilita operação em altas temperaturas. De fato, dispositivos semicondutores fabricados em um substrato de SiC pode suportar temperaturas acima de 200 graus C. O SiC também tem um campo de colapso alto que de aproximadamente dez vezes o do silício e uma condutividade térmica que á aproximadamente três vezes a do silício, o que permite que maiores densidades de energia sejam acomodadas como circuitos de SiC. Adicionalmente, a alta mobilidade de elétrons de SiC permite comutação de alta velocidade. Portanto, o SiC tem sido considerado como um material vantajoso para uso na fabricação de dispositivos semicondutores de energia de próxima geração. Tais dispositivos incluem, por exemplo, diodos Schottky, tiristores, e MOSFETs.
Movendo da esquerda para a direita na FIGURA 2, dispositivos de comutação 74, 76 são associados com uma primeira fase de saída 110, dispositivos de comutação 78, 80 são associados com uma segunda fase de saída 112, e dispositivos de comutação 82, 84 são associados com uma terceira fase de saída 114. Embora sejam ilustrados um conversor de energia trifásico e uma máquina de imã permanente trifásica 70 na FIGURA 2, um indivíduo versado na técnica entenderá que modalidades da presente invenção são aplicáveis igualmente a uma modalidade monofásica ou outras modalidades multifásicas. Por exemplo, modalidades alternativas incluem configurações com variadas quantidade de fases, por exemplo, η-fase, onde η = 1, 2, 4, 5, 7, ou quantidade maior, em que cada fase do conversor de energia inclui uma pluralidade de dispositivos de comutação similar aos dispositivos 86, 88, cada um com diodos anti-paralelos associados similares aos diodos 98, 100.
O conversor de energia 62 aciona uma máquina de imã permanente 70. Em uma modalidade, a máquina de imã permanente 70 é um motor de tração que inclui um rotor de imã permanente 116 e um estator 118, tal como, por exemplo, um motor de tração para propulsionar um veículo elétrico. O rotor de imã permanente 116, pode ser configurado como um rotor montado na superfície, interior, ou rotor de imã permanente aterrado, de acordo com várias modalidades. Em uma modalidade alternativa, a máquina de imã permanente 70 é um alternador que inclui um rotor de imã permanente 116 e um estator 118, tais como, por exemplo, um alternador de imã permanente acoplado a um motor térmico dentro de uma Unidade de Energia Auxiliar (APU) para gerar energia elétrica para auxiliar na operação de um veículo elétrico- híbrido (HEV) ou um veículo elétrico-híbrido conectável (PHEV).
A capacidade de alta tensão dos MOSFETs de SiC 86 a 96 permite que a máquina de imã permanente 70 seja projetada com uma emf inversa alta sem ter que se preocupar sobre o modo de geração descontrolado, o que aumenta significativamente a densidade de energia da máquina de imã permanente 70. Ou seja, os MOSFETs de SiC 86 a 96 têm uma capacidade de tensão que excede a tensão de ligação DC durante um modo de geração descontrolado de máquina de imã permanente 70. Os módulos de energia IGBT de Si convencionais usados em circuitos de conversor de energia disponíveis comercialmente na estrada EV, HEV, e PHEV têm tipicamente uma capacidade de tensão de aproximadamente 600 V ou 1.200 V para alguns * 9
veículos maiores ou de alta performance incluindo SUVs1 caminhões e ônibus. De acordo com uma modalidade, MOSFETs de SiC 86 a 96 são MOSFETs de SiC de alta tensão fabricados pela General Electric Company que tem uma capacidade de tensão de aproximadamente três a quatro kV. O conversor de energia de SiC 62 de alta tensão combinado com máquina de imã permanente multifásica de alta densidade de energia 70, permite aumentos de duas a quatro vezes da densidade de energia com uma melhoria substancial na tolerância a falhas durante períodos de perda de controle sobre o conversor de energia 62 ou perda do controle de porta para os módulos de energia dentro do conversor de energia 62. Devido aos MOSFETs de SiC 86 a 96 poderem ser fabricados para ser fisicamente menores do que MOSFETs de silício convencionais, os MOSFETs de SiC 86 a 96 podem ser acomodados em um ambiente de automóvel e podem ser operados a altas temperaturas.
Tensão de emf excessiva da máquina de imã permanente 70 pode danificar a fonte de alimentação DC 58 da fonte de alimentação 50. Consequentemente, em uma modalidade, o controlador 72 é configurado para detectar uma falha no conversor de energia 62 e no conjunto de circuitos de controle de porta associado do conversor de energia 62. Por exemplo, uma falha pode ser detectada se uma emf inversa linha a linha ficar dentro de um percentual de limite da capacidade der tensão da fonte de alimentação DC 58. Se a falha é detectada, o controlador 72 pode ser programado para desconectar ou desacoplar a fonte de alimentação DC 58 do conversor de energia 62. Consequentemente, tensão de emf excessiva criada pela máquina de imã permanente 70 durante uma condição de falha dentro do conversor de energia 62 não resultará em dano de sobre-tensão a fonte de alimentação DC 58. A capacidade de alta tensão do conversor de energia de SiC 62 e seus componentes associados 86 a 96 resistirão a emf inversa da máquina de imã permanente de alta energia 70, mesmo se uma falha potencial ocorrer enquanto a máquina 70 estiver operando em alta velocidade.
Portanto, de acordo com uma modalidade da invenção, um sistema de controle elétrico inclui uma máquina de imã permanente que tem um rotor e um estator e um conversor de energia acoplado eletricamente a uma máquina de imã permanente e configurado para converter a tensão de ligação DC para uma tensão de saída AC para controlar a máquina de imã permanente. O conversor de energia inclui uma pluralidade de dispositivos de comutação de SiC que têm uma capacidade de tensão que excede uma emf inversa de linha a linha de pico da máquina de imã permanente a uma velocidade máxima da máquina de imã permanente.
De acordo com outra modalidade da invenção, um método para fabricar um sistema de controle elétrico inclui a etapa de fornecer um conversor de energia de SiC que tem uma pluralidade de dispositivos de comutação de SiC e é acoplável a uma fonte de alimentação. O método também inclui as etapas de fornecer uma máquina de imã permanente que tem uma emf inversa de linha a linha de pico à velocidade máxima que é maior do que a tensão de ligação DC da fonte de alimentação e acoplar o conversor de energia de SiC a uma máquina de imã permanente para controlar a máquina de imã permanente.
De acordo com ainda outra modalidade da invenção, um sistema
de propulsão de veículo inclui um motor que tem um rotor de imã permanente e um estator. O sistema de controle também inclui uma ligação DC e um conversor de energia acoplado eletricamente entre a ligação DC e o motor de imã permanente para controlar o motor de imã permanente. O conversor de energia compreende uma pluralidade de dispositivos de comutação de SiC capacitado para uma tensão de operação mais alta do que uma emf inversa máxima capaz de ser desenvolvida no estator do motor de imã permanente.
Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, incluindo fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorrem aos indivíduos versados na técnica. Estes tais outros exemplos são entendidos como estando dentro do escopo das reivindicações se os mesmos tiverem elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças irrelevantes das linguagens literais das reivindicações.

Claims (10)

1. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, sendo que o referido sistema compreende: uma máquina de imã permanente (70) que tem um rotor (116) e um estator(118) (118); e um conversor de energia (62) acoplado eletricamente a uma máquina de imã permanente (70) e configurado para converter a tensão de ligação DC para uma tensão de saída AC para controlar a máquina de imã permanente (70), em que o conversor de energia (62) compreende: uma pluralidade de dispositivos de comutação de carboneto de silício (SiC) (74 a 84) que tem uma capacidade de tensão que excede uma força eletromotriz (emf) inversa de linha a linha de pico da máquina de imã permanente (70) a uma velocidade máxima da máquina de imã permanente (70).
2. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que no referido sistema a pluralidade de dispositivos de comutação de SiC (74 a 84) compreende uma pluralidade de SiC transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido de metal (MOSFETs) (86 a 96).
3. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o referido sistema compreende uma tensão máxima de ligação DC do sistema de controle elétrico que é menor do que a capacidade de tensão da pluralidade de MOSFETs de SiC (86 a 96).
4. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, de acordo com a reivindicação 3, sendo que no referido sistema a pluralidade de MOSFETs de SiC (86 a 96) têm uma capacidade de tensão maior do que aproximadamente três kV.
5. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que no referido sistema a máquina de imã permanente (70) compreende um motor de tração de imã permanente multifásico que compreende uma de 3, 5, 7, e 9 fases.
6. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que no referido sistema a máquina de imã permanente (70) compreende um motor de tração de imã permanente monofásico.
7. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que no referido sistema a máquina de imã permanente (70) compreende um alternador de imã permanente multifásico acoplado a um motor térmico.
8. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que no referido sistema o conversor de energia (62) adicionalmente compreende uma pluralidade de diodos (100 a 108) conectados em uma disposição antiparalela com a pluralidade de MOSFETs de SiC (86 a 96).
9. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que no referido sistema o conversor de energia (62) é um conversor de energia trifásico.
10. SISTEMA DE CONTROLE ELÉTRICO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o referido sistema compreende adicionalmente: uma ligação DC (46) acoplada ao conversor de energia (62); e uma fonte de tensão (50) acoplada à ligação DC (46) e configurada para fornecer uma tensão de fonte para a ligação DC (46).
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