Návrh silového obvodu třífázového střídače pro studentský projekt elektrické čtyřkolky

Bc. Jakub ŠANDA

Master's thesis

Electric Quad Inverter Design

Abstract:

Cílem této práce bylo vybrat klíčové komponenty pro třífázový střídač, navrhnout schéma a vodní chlazení s ohledem na elektromotor EMRAX 188-MV-LC a zkonstruovat a experimentálně ověřit základní funkce navrženého střídače. Práce začíná stručným úvodem do problematiky řízení třífázových měničů a výpočtem výkonových ztrát MOSFET prvků. Dále je zde na základě vypočítaných proudů a parametrů baterie vybrán výkonový modul CAB450M12XM3, pro který jsou analyticky vypočítány výkonové ztráty při 3 různých spínacích frekvencí. Dále následuje popis vytvořené simulace, jejíž výstupem jsou výkonové ztráty vybraných polovodičových prvků. Simulace je vytvořená tak aby odpovídala předběžné vizi řízení elektrické čtyřkolky a to vektorové řízení motoru se sinusovým PWM řízením měniče s injektovanou třetí harmonickou. Poté je vybráno vodní čerpadlo na základě analytického výpočtu. Následně je provedena simulace již vyrobeného chladiče, na který jsou přivedeny výkonové ztráty získané analytickým a simulačním postupem. Po porovnání výsledků simulací chladiče je ještě provedena optimalizace chladiče z důvodu snahy o zlepšení rozložení teploty pod výkonovými prvky umístěnými na chladiči. Nakonec jsou zde vybrány důležité komponenty měniče a to kondenzátor, budiče výkonových prvků a čidla pro měření proudu. Výsledkem práce je tedy specifikace měniče a chladicího systému pro projekt elektrické čtyřkolky s rozšířením o simulaci regulace a řízení celého systému a simulacemi pro chladič výkonových prvků.

Abstract:

The aim of this work was to select key components for a 3-phase inverter, to design a scheme and water cooling regard to the EMRAX 188-MV-LC electric motor, and to construct and experimentally verify the basic functions of the designed inverter. The work begins with a brief introduction to the issue of controlling 3 phase inverters and calculating the power losses of MOSFET elements. Furthermore, based on the calculated currents and battery parameters, the CAB450M12XM3 power module is selected for which the power losses at 3 different switching frequencies are analytically calculated. The following is a description of the created simulation, the output of which are the power losses of selected semiconductor elements. The simulation is created in such a way that it corresponds to the preliminary vision of the control of the electric quad, that is vector control of the motor with sine PWM control of the inverter with injected third harmonics. Then the water pump is selected based on the analytical calculation. Subsequently, a simulation of the already manufactured cooler is carried out, to which the power losses obtained by the analytical and simulation procedure are applied. After comparing the results of the cooler simulations, the cooler is further optimized in order to improve the temperature distribution under the power elements located on the cooler. Finally, the important components of the inverter are selected here, namely the capacitor, power element drivers and sensors for current measurement. The result of the work is the specification of the converter and the cooling system for the electric quad bike project with an extension to the simulation of regulation and control of the entire system and simulations for the cooler of the power elements.

Keywords

Elektrická čtyřkolka, třífázový střídač, MOSFET, výkonové ztráty, EMRAX 188-MV-LC, CAB450M12XM3, simulace výkonových ztrát, MATLAB, SIMULINK, PLECS, SOLIDWORKS, vodní chlazení, výpočet chladiče, simulace chladiče.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 5. 2023

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Jan Štěpánek, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Master programme / field:
Electronics and Information Technology / Power Electronics Technology