- ¿Cómo funciona un controlador de motor eléctrico?
- ¿Hay diferencia entre un inversor y un controlador de motor eléctrico?
- ¿Cuáles son las áreas de aplicación de los controladores de motores eléctricos (EMC)?
- ¿Cuál es el uso específico de los controladores de motores eléctricos (EMC) en los sistemas de pilas de combustible?
- ¿Qué tipo de controlador de motor eléctrico se utiliza en los sistemas de pilas de combustible y otros VE?
- ¿Cuáles son los retos de desarrollo a los que se enfrenta cualquier proyecto que incorpore inversores de sistemas de pilas de combustible?
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¿Cómo funciona un controlador de motor eléctrico?
El inversor, también conocido como controlador de motor eléctrico, normalmente está conectado a una línea de comunicación CAN, desde donde se solicita un punto de consigna de par o velocidad, normalmente desde un bucle de control superior: unidad de control del vehículo para aplicaciones de tracción, o incluso unidad de control de celdas de combustible para sistemas de celdas de combustible. Por lo tanto, dependiendo del método de control seleccionado para una aplicación específica, el inversor puede funcionar como un controlador de velocidad del motor o como un controlador de par del motor.
Los algoritmos del inversor del sistema de celdas de combustible reciben los puntos de consigna de par o velocidad y los transforman en un punto de consigna de corriente para cada fase. Como el inversor está diseñado para operar el motor en condiciones seguras y eficientes, los algoritmos tienen en cuenta varias entradas, como el nivel de voltaje de CC, la posición del motor, la temperatura del estator y la temperatura del propio inversor.
¿Hay diferencia entre un inversor y un controlador de motor eléctrico?
No, los controladores de motores eléctricos también se pueden llamar "inversores". El "inversor" está conectado eléctricamente entre la batería de alto voltaje (bus de CC) y el motor eléctrico, y está diseñado para convertir la energía almacenada en la batería de corriente continua a corriente alterna.
¿Cuáles son los ámbitos de aplicación de los controladores de motores eléctricos (CEM)?
Desde hace ya muchas décadas, los motores eléctricos se han convertido en una solución muy popular en diferentes aplicaciones en muchas industrias, en aplicaciones automotrices, aplicaciones domésticas y en muchos otros sectores.
Desde la introducción del vehículo eléctrico, los motores eléctricos han ganado una relevancia aún mayor ya que son una parte clave del sistema de propulsión, pero también para aplicaciones auxiliares requeridas en cualquier vehículo: sistema de dirección eléctrica, sistema de frenos eléctricos, sistema de aire acondicionado eléctrico, entre otros. En los sistemas de celdas de combustible, los controladores de motores eléctricos se pueden encontrar en el compresor de aire, la bomba de agua y en las bombas de recirculación.
Estos elementos accionados por motores eléctricos (principalmente motores de corriente alterna) son los responsables del principal consumo de energía en los vehículos, y requieren de un control adecuado para operar de manera eficiente y segura.
Señal de un controlador de motor eléctrico
¿Cuál es el uso específico de los EMC/inversores en los sistemas de pilas de combustible?
- Uso de EMS/inversor para compresor de aire
En los sistemas de pilas de combustible, la aplicación más desafiante en la que se aplica un inversor es para controlar el compresor de aire. El compresor de aire se utiliza para suministrar el aire que la pila necesita para llevar a cabo la reacción química y generar electricidad. Dependiendo de la potencia de salida y la aplicación del sistema de pilas de combustible, el inversor y el motor eléctrico pueden alcanzar niveles de potencia desde unos pocos vatios hasta un par de decenas de kilovatios. Por lo tanto, los inversores normalmente tienen una entrada de CC de alto voltaje y requieren un circuito de refrigeración líquida. Dependiendo del tamaño del compresor, la velocidad puede variar desde unos pocos miles de RPM para los más grandes, hasta ~280.000 RPM para los más pequeños. Estos motores de alta velocidad requieren técnicas de control específicas y un hardware inversor dedicado para soportar este rango de velocidad operativa.
- Uso de EMC/inversor para bombas de agua:
Las bombas de agua se utilizan en sistemas de pilas de combustible para eliminar el calor generado por la reacción química y controlar la temperatura del sistema. En los sistemas de pilas de combustible se pueden encontrar al menos dos circuitos o bucles de refrigeración: el bucle de la electrónica de potencia y el bucle de la pila.
El bucle de la electrónica de potencia se dedica a enfriar los componentes de la electrónica de potencia, como el inversor, el compresor de aire y otros elementos, mientras que el bucle de la pila se dedica a enfriar solo este componente (la pila). El circuito de la pila requiere agua desionizada y, por lo tanto, debe estar separado de otros elementos (especialmente la electrónica de potencia). Se deben utilizar filtros de iones para el refrigerante.
- Uso de EMC/inversor para bombas de recirculación:
En el sistema de pilas de combustible, la bomba de recirculación se utiliza para recircular el exceso de hidrógeno que no reaccionó en la pila de nuevo a la línea de entrada de hidrógeno de la pila. Este exceso de hidrógeno se recupera y el propósito de la bomba es empujarlo de nuevo a la entrada para ser consumido y generar electricidad. Para que esto sea posible, el motor y el inversor de la bomba tienen que generar suficiente energía para llevar el hidrógeno hasta 1 bar-2 bar de presión absoluta aguas abajo de la pila.
¿Qué tipo de controlador de motor eléctrico se utiliza en sistemas de pilas de combustible y otros VE?
Existen muchos tipos de controladores de motores eléctricos, ya que están diseñados para controlar distintos tipos de motores. Para sistemas de celdas de combustible y aplicaciones de vehículos eléctricos, se utilizan tres tipos principales de controladores de motores eléctricos:
- Controlador de motor trifásico
- Controlador de motor eléctrico hexafásico
- Controlador de motor eléctrico para sistemas de refrigeración
¿Qué es un controlador de motor eléctrico trifásico?
Este tipo de controlador de motor puede controlar motores trifásicos. Estos inversores se utilizan para aplicaciones que van desde unos pocos cientos de voltios hasta 800 voltios. Por lo general, el rango de potencia también puede ir desde varios kilovatios hasta 250 KW. Se utilizan para:
- Aplicaciones E-Drive (automóviles de pasajeros, vehículos ligeros y medianos)
- Compresores de aire de celdas de combustible
- E-Turbo (compresor turbo asistido eléctricamente)
- Bombas: sistemas de dirección, sistemas de frenos, sistemas de refrigeración de aire, sistema de refrigerante.
¿Qué es un controlador de motor eléctrico de seis fases?
Los controladores de motores eléctricos con salidas hexafásicas se utilizan normalmente para aplicaciones de tracción, donde se necesita una corriente más alta. Los motores que requieren un inversor hexafásico normalmente utilizan bobinados en paralelo o topologías de bobinado abierto. El rango de voltaje para este tipo de motor también abarca desde aplicaciones de bajo voltaje hasta potencias de salida de 400-500 kW. Este tipo de motores eléctricos suelen tener un rango de velocidad más bajo y una salida de par más alta en comparación con los motores trifásicos.
¿En qué se diferencian los controladores de motores eléctricos en sistemas de refrigeración?
Sistemas refrigerados por aire: Los sistemas refrigerados por aire requieren mayores volúmenes para garantizar una buena disipación del calor y, en consecuencia, estos sistemas tienen una densidad de potencia menor. Normalmente, esta solución se elige para aplicaciones con bajos requisitos de potencia o donde las consideraciones de costo prevalecen sobre el rendimiento del sistema.
Refrigeración líquida: los sistemas refrigerados por líquido tienen mejores capacidades de integración, ya que son más compactos en tamaño para una determinada entrega de potencia. Esta es la solución más popular para aplicaciones automotrices estándar o de servicio pesado.
¿Cuáles son los retos de desarrollo a los que se enfrenta cualquier proyecto que incorpore inversores de sistemas de pilas de combustible?
Desde el punto de vista de la integración del sistema, siempre hay muchos elementos y componentes que hay que conectar y "hacer que funcionen". En concreto, el inversor tiene muchas interfaces:
- Mecánico
- Hidráulico
- Eléctrico (HV y LV)
- Comunicación con unidades de control de alto nivel
- Lazo de control para comandar el motor eléctrico
Todos estos "puntos de contacto" de los inversores son un reto para cualquier integrador de sistemas, ya que no solo deben integrar este componente, sino también muchos otros que deben integrarse al mismo tiempo dentro de un vehículo o un sistema más grande.
Para superar estos problemas y reducir el tiempo y el esfuerzo necesarios para el desarrollo, es muy importante trabajar con un socio de desarrollo que no solo tenga experiencia en inversores y motores, sino que también comprenda la aplicación final y los escenarios operativos a los que estará sujeto el sistema en general. Por lo tanto, es de suma importancia trabajar con un socio que pueda proporcionar una solución llave en mano. Esta solución debe incluir herramientas para facilitar la calibración y la integración del vehículo mediante la incorporación de rutinas de autocalibración o actualizaciones de software OTA (over-the-air).
Contenido aportado por EPowerlabs
EPowerlabs nace de la visión de contribuir a un mundo más sostenible proporcionando servicios para ayudar a los actores de la industria a acelerar la adopción de la movilidad eléctrica. El equipo está formado por un grupo de ingenieros que han desarrollado un profundo conocimiento en empresas líderes de automoción. La empresa tiene la misión de compartir esta experiencia con los clientes a través de servicios personalizados, ágiles y efectivos. EPowerlabs ha desarrollado una variedad de hardware embebido para satisfacer las necesidades específicas de cada proyecto. Desde pequeñas unidades de control de motores para bicicletas y ciclomotores en diferentes rangos de potencia, hasta desarrollos para inversores de la industria automotriz de hasta 150kW.
Última actualización: 6.6.2022