Conmutación PWM en motores BLDC: relación entre pérdidas de conmutación y conductividad

  

De acuerdo con la "regla de oro" aceptada, el interruptor PWM requerido   la frecuencia comienza desde 10 x 200Hz = 2kHz. Se piensa que este número ha sido   capaz de recrear el EMF "sinusoidal natural" de las bobinas del motor necesarias   para el control de voltaje de la corriente de las bobinas.

La frecuencia PWM debe ser mucho más alta que la frecuencia de conmutación para obtener una representación razonable de una onda sinusoidal, pero también para reducir la fluctuación de la corriente. La ondulación de alta corriente causa una mayor pérdida debido al aumento de la corriente rms (que calienta el controlador y el motor) en relación con la corriente promedio (que produce el par).

La corriente se suaviza por la acción de la inductancia del devanado, por lo que los motores de baja inductancia necesitan una mayor frecuencia de PWM. Los motores BLDC con núcleo de hierro ranurado se ejecutan normalmente a 8 kHz, mientras que los motores sin ranura y sin hierro pueden necesitar 32 kHz o más. Otra razón para usar > 20kHz es reducir el ruido audible.

  

¿Es correcto suponer que puedo reducir las pérdidas de conmutación en el   inversor de potencia si solo aplico la misma frecuencia de conmutación de 2 kHz así   no recreando la forma de onda sinusoidal en absoluto sino solo la polaridad de conmutación   de fases del motor para hacer que el motor funcione con velocidad constante?

Los controladores que usan conmutación de '6 pasos' en lugar de ondas sinusoidales de 3 fases pueden tener pérdidas de conmutación reducidas porque PWM solo se aplica a cada MOSFET para 2 de los 6 pasos. A plena potencia no hay PWM, por lo que las pérdidas de conmutación se reducen aún más.

  

¿O es que las pérdidas por conducción aumentan tan dramáticamente que el ahorro en las pérdidas por cambio no ayudará en absoluto? ¿Qué tipo de pérdidas prevalecen dentro de un rango de conmutación de 100Hz a 10kHz?   ?

La mayoría de los controladores BLDC usan FET que tienen una baja pérdida de conmutación por debajo de 10 KHz, por lo que dudo que sea significativo. Sin embargo, la fluctuación de la corriente aumenta a medida que se reduce la frecuencia, por lo que el controlador debería sufrir una mayor pérdida de conducción a una frecuencia más baja. Todos los controladores que probé funcionaron a 8 kHz o más, e incluso a esa frecuencia hubo una ondulación de alta corriente. Las corrientes de recirculación son otro factor. La mayoría de los controladores confían en los diodos del cuerpo del FET para llevar la corriente de retorno cuando los FET están apagados. Esto da como resultado una mayor pérdida de conducción por debajo del 100% de PWM.

Usted es absolutamente correcto, la velocidad del motor se puede controlar sin el uso de PWM cambiando el voltaje. Hay un par de consideraciones para este enfoque.

No todos los motores sin escobillas están enrollados para un accionamiento sinusoidal. Usted querría un motor con un EMF de respaldo más trapezoidal para este enfoque. Mencionas dos funciones de PWM en tu post. Una de ellas es, obviamente, el control de velocidad, y la segunda es hacer coincidir el EMF posterior del motor con la forma de onda del variador. Cuando no tiene PWM, la falta de coincidencia de la unidad del EMF significa que el requisito de corriente instantánea cambiará ("ondulación de corriente") y también lo hará el par instantáneo. Si tiene una gran carga de inercia, tendrá una gran cantidad de ondulación de corriente a medida que el motor pasa de una posición donde hay un par alto (la tensión EMF de retorno es baja con respecto al variador) a una posición donde hay menos torque. Pero tu inercia mantendrá la velocidad relativamente constante. Si no tienes mucha inercia, es posible que tengas algo de "destreza" en tu velocidad de salida.

Su pregunta real es, entonces, acerca de sus pérdidas por cambio. Si tiene un controlador con mucha inductancia parásita y está cambiando a una alta tasa de PWM, sus pérdidas pueden reducirse según su enfoque. Corremos los motores de fondo de esta manera. Seguirá necesitando PWM para evitar que su corriente aumente durante el inicio. Obtenga el mejor motor de viento que pueda, pero tendrá que soportar la ondulación actual del 15-20%.

La razón principal para operar los FET en modo PWM es alterar el voltaje aplicado efectivo. La tensión efectiva aplicada al motor es simplemente un ciclo de trabajo de VDC *. VDC es la batería o el voltaje del bus de CC. Muy a menudo, este voltaje efectivo no se modula para aproximarse a una onda sinusoidal. En su lugar, sigue un esquema de conmutación simple de seis pasos. Si no está familiarizado con la conmutación de seis pasos, búsquelo utilizando un motor de búsqueda. Por favor, no se ofenda si ya sabe todo acerca de esto. (No tengo forma de saber lo que sabes o no sabes).

Si puede controlar VDC rápidamente usando retroalimentación, no hay ningún beneficio real en usar el control PWM. Las pérdidas serán menores si simplemente activa y desactiva el FET una vez por cada estado de conmutación. Hay muchos, muchos sistemas de control que no intentan aproximarse a una forma de onda sinusoidal. Solo están utilizando PWM para hacer coincidir la tensión aplicada efectiva con la emf posterior.

Usted mencionó pérdidas de conductividad frente a conmutación. El problema es que durante la PWM, la pérdida conductiva (debido a Rds (encendido)) siempre está presente, porque la corriente del motor siempre fluye a través de un FET. Cada vez que se cambia el FET, se producen pérdidas adicionales debido a la carga y descarga de las puertas del FET, y también hay pérdidas de resistencia en el canal del FET debido a la transición de baja resistencia a alta o viceversa. Entonces, hasta cierto punto, no hay compensación aquí. La frecuencia más baja es más eficiente en este caso especial donde se controla VBUS.

Tenga en cuenta que cuando aplica una tensión al motor que es muy diferente de la tensión EMF posterior, puede dar lugar a una corriente y un par muy altos. Esencialmente, al establecer el voltaje se establece la velocidad del motor. La aceleración es la derivada de la velocidad. Si cambia la velocidad rápidamente, puede provocar una acción violenta. Por lo tanto, si confía en el voltaje del bus de CC para ajustar la velocidad, debe variar desde muy bajo (casi cero) hasta el máximo, y si la velocidad del motor cambia debido a un cambio repentino de carga, debe responder muy rápidamente cambiando la corriente continua. Voltaje de bus para coincidir. Puede valer la pena agregar algún tipo de detección de corriente para que pueda tratar la sobrecorriente repentina como una condición de falla y posiblemente responder de alguna manera.

Finalmente, tenga en cuenta que puede haber condiciones en las que termine con la corriente de regeneración que se entrega desde el motor al bus de CC. El bus de CC debe tener alguna forma de adaptarse a esto sin explotar. La regeneración puede ocurrir si necesita detener el motor rápidamente, o si una fuerza externa (como otro motor o una masa en caída) está impulsando el motor e intenta reducir la velocidad. En resumen, hay muchos problemas a nivel del sistema que deben ser considerados, pero probablemente están fuera del alcance de lo que pidió.