インバータ試験

インバーターは、電気駆動システムのパワートレインの一部です。効率の改善とは、HBKの電力試験ソリューションが提供する、時間相関のある高速かつ継続的な測定に基づいて電力を確実に計算することです。

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電気機械と電気インバータの効率試験-ユーザー視点で解説

電気モータ駆動システムを設計する場合、どのようなアプリケーションであっても、次の3つの要素があります。

POWER SOURCE
電力コンバータ
モータ

多くの場合、これらの要素は、DCバスとして機能するバッテリ、つまりDC電力をAC電力に変えるインバータ、およびAC電力を使用して電気エネルギーを機械電力に変換するモータの形で提供されます。これは時折、電気機械的な電力変換と呼ばれます。

エンジニアは何を達成しようとしているのか？

これらのシステムを設計する場合、エンジニアは通常、ドライブサイクル全体で効率を最大化しようとします。アンプあたりのトルクをできるだけ多くのポイントで最大化することで実現しています。これは、時には巧妙な機械設計によって行われ、時には適切な制御技術の実装によって行われます。インバータ、制御、モータのすべてが、この目標を最大化するためにうまく連携する必要がありますが、多くの場合、これらは別々に開発されます。そのため、モータは非常に効率が良いが、インバータの効率が悪いといった問題が発生します。そのため、システムレベルの作業者やエンジニアはシステム全体の力率を最大化しようとしています。モータードライブの効率が向上するのであれば、わずかに効率の低いモータでも価値がある場合があります。

この記事では、 Mitchell Marksが電気インバータと機械の試験の基礎と要件について説明します。このアプリケーションの好きなところ：

「モータは清潔で信頼性が高いため、制御能力を持たないまま100年間工業用の世界を席巻した。それらを制御できるようになった今、携帯電話から潜水艦まであらゆる場所で統合されつつあります。これほど多くのアプリケーションがあるため、仕事は決して終わることなく、毎日が同じではありません。」

電源は?

これらの用途の電源はほとんどの場合バッテリですが、時には電力線からの整流システムがあり、DCバスを作成する可能性もあります。このDCバスは、インバータに給電するDC-DCコンバータを使用して昇降できます。DC-DCコンバータは、インバータが好むレベルにDCバスを調整するために、バッテリーシステムに組み込まれることもあります。これらのバッテリは通常リチウムイオン構造で、自動車用途では200～400ボルトの範囲ですが、600～800ボルトにもなる可能性があります。それほどDCのポテンシャルがあると人生はさらに難しくなるので、それ以上のレベルに進むことを選ぶ人はあまりいません。

インバーターの役割

インバータは、すべての電力変換と制御が行われるため、システムの非常に重要な部分です。インバータは通常、6つのスイッチ（3相動作の場合）で構成され、特定のパターンで開閉して交流電源を作成します。このパターンは、多くの場合9kHzから25kHzの間のスイッチング周波数で実行されます。9kHz以下の周波数は非常に耳に聞こえるようになります。ただし、高出力アプリケーションでは、損失を抑えるためにスイッチング周波数を下げる必要があります。スイッチング周波数が高くなると、スイッチの物理的な制限とスイッチング損失の増加の両方によって制限されます。通常、これらのスイッチはIGBTまたはMOSFETになります。電流のレベルによってスイッチの選択が決まります。MOSFETは通常、低電力向けです。IGBTは高出力用です。周波数が高くなると、パッシブデバイスの小型化と制御性の向上が可能になります。そのため、ワイドバンドギャップデバイスに多額の資金が投入されています。これらは一般的に炭化ケイ素または窒化ガリウム（GAN）デバイスです。これらのデバイスは損失が小さく、通常、より高い電流とスイッチング周波数で動作できます。現在、それらは非常に高価で耐久性もあまり高くありませんが、それらこそが未来です。

制御を引き継ぐ？

制御方法については、誰もが具体的にどのように行っているかについては口を閉ざしています。ソフトウェアなので、秘密にしておくことは簡単です。コントローラはトルクと速度がどの程度かを確認し、スイッチング周波数、PWM（Pulse Width Modulation）方式、効率を最適化する方法を決定します。これらの側面は、サイクルを通じて急速に変化する可能性があります。モータの種類にかかわらず、ほとんどの制御タイプはフィールド指向制御（FOC）の一種です。増加傾向にあるのはデッドビート電流制御ですが、すべての制御はクローズループ電流制御になります。コントロールは、直角直交（dq0）参照フレーム変換が行われる場所です。これは、システムが必要とするものに基づいて、3相PWMを可視化し制御するための数学的な変換です。これは、単にサインとコサインを操作し、位置参照を使って3相を2相のように見せる方法です（簡単ではありません）。

誘導機を制御し理解するための数学の歴史は、人々が解決するのに約50年を要しました。機械を理解する50年から使用していたことは驚くべきことです！

モデルの検証が必要

誰もが何かする前にコンピューターモデルを使います。モデルは低価格で、非常に迅速かつ最適な方法で実行することができます。モータとコントローラの構築は、迅速なプロセスではありません。モータと制御の最適化は、モデルとFEAで行われます。誰もが何かを作る前にこれを行います。モデルはモータやインバータの挙動を予測するのに非常に優れており、信じられないほど有用なツールです。大抵の場所でエンジニア集団全体がモデルに取り組んでいます。研究者はモデル検証が大好きです。モデル検証によって、モデルにさらに自信を持つことができます。したがって、これらのモデルを使用して、モータを予測し、動作を制御できます。モデルの検証など、当社の製品が活躍できる分野です。

結局のところ、ほとんどのアプリケーションにはサイズ制限とコスト制限があり、モーターの設計が始まる前に多くの変数が決まります。

したがって、グループで使用したい制御スキームに基づいて、トポロジーと小さな詳細の選択肢があります。冷却でできる選択や、モータの巻き方もあります。モータの主な種類は誘導、永久磁石、屋外、スイッチリラクタンスです。誘導モータは制御が最も容易であり、私たちはそれらを最もよく理解しています。誘導モータは産業界の総力です。しかし、その欠点は、屋外を励磁する必要があり、その結果損失が生じることです。永久磁石（PM）モータは、効率が重要でサイズに制限があるアプリケーションで多く使用されています。これは、ロータの損失を避けて磁石がロータフィールドを供給するため、パワー密度が高くなるためです。これらのPMモータはインバータを必要とし、異なるモードで動作する際には多くの冷却と注意が必要です。また、磁場を簡単に弱めることができないため、定常出力速度比（CPSR）で不利になるという欠点もあります。フィールドウィーケニング（磁場弱化）は、機械の速度を上げるためにロータの磁場を減少させる方法です。誘導機やPM機では、q軸電流を注入することによって磁場を弱めることができます。FOC（フィールド指向制御）では、トルクを制御するためのq軸電流や、ロータフィールドを制御するためのd軸電流を適切に制御する必要があるため、多くのグループがdq0プロットをリアルタイムで監視することに関心を持っている理由です。PM機では、フィールドウィーケニング中に磁石が脱磁する可能性があるため、より多くの考慮事項が必要です。また、逆起電力（バックEMF）を監視する必要がある場合もあります。シンクロナスリラクタンス（SR）モータは、特定のパターンを積層しただけの非常にシンプルなロータを持っています。これらのモータはリラクタンストルクの性質を利用して回転運動を作り出します。これらのモータは構造が簡単なため、様々な用途に非常に役立っていますが、振動騒音が大きいという欠点があります。このため、特定のシナリオでのみ使用されてきました。これらの機械の試験中、研究者はどのトルクと速度の振動が最も強いかという振動マップを持つことに主に関心を持っています。

モータの温度が低いほど損失が少なく、損失が少ないほど効率が高い。

さらに、磁石が熱くなりすぎると、特定の領域で減磁する可能性があり、非常に悪い可能性があります。そのため、巻線やスイッチを低温に保つことは非常に重要です。スイッチは損失が大きくなり、高温になると爆発することもあります。研究者は、マシンをさらに効率化するための冷却戦略の検討に、膨大な設計時間を費やしています。冷却システムは、多くの場合、水、油、またはグリコールをポンプで汲み上げ、熱を除去したい部分にスプレーします。冷却機のストレスにより、モータの温度監視は運転や試験の重要な部分を占めるようになりました。試験には、温度を監視するための熱電対があります。熱電対は、ログに記録されるか、制御システムに送られてシャットダウンされます。これらの記録された値をデータに同期させることは、研究者にとって、制御への応答で温度変化がいつどこで起こったかを知る上で興味深いことでしょう。これもモデル検証にデータを活用できる領域です。

効率を上げる

上記のトピックの多くをカバーする最良の方法は、効率マッピングと試験イナモメーターモメーター試験です。誰もがシステムの効率を高めたいと考えています。これにはローデータを用意することが重要です。何か問題が発生した場合、以前のテストを参照でき、 nCode GlyphWorks や MATLAB などの後処理プログラムで詳細な分析も実行できるからです。さらに、これは動的試験において最も重要なことです。動的負荷や試験ドライブサイクルを実施する場合、生データがないと、奇妙な不正確な効率が発生する可能性があります。

試験を開始すると、DCバス電圧が設定され、その後に速度も設定されます。

そして一定のトルクで機械に負荷をかけます。マシンの範囲で使用可能なすべての望ましいトルクと速度に対して行います。これにより、すべての希望する設定ポイントに対する効率が得られ、効率マップを得ることができます。これらのポイントは、特定の温度範囲で測定されます。設定したポイントで測定を行うために、機械が冷えるまで待たなければならない場合もあります。は、テストポイントを数秒ではなく数サイクルで取得することでマシンが加熱する時間を短縮できるため、お客様の時間を大幅に節約できます。

多くの場合、人々は機械の限界をテストし、基本的にはそれを壊そうと試みます。彼らは、自分の機械の機械的限界を知るために、最大速度を達成しようとします。データをトリガーし、バッファリングする能力は、研究者が機械がどこで故障したのかだけでなく、どのように故障したのかを理解するのに役立ちます。