Desenvolvimento de inversor para o acionamento de motores de indução trifásicos aplicados em veículos elétricos compactos

Abstract

As aplicações em mobilidade elétrica estão em constante crescimento e evolução, tendo em vista as mudanças no cenário social, econômico, ambiental e tecnológico. Nesse contexto, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um inversor trifásico de 48V para sistemas de tração elétrica de veículos compactos. Contemplando os principais requisitos para o projeto do estágio de potência, atribuído no acionamento de motores de indução trifásicos para aplicações de baixa tensão e elevada corrente. A topologia utilizada consiste em um inversor fonte de tensão, o qual foi dimensionado para uma potência de 5kW, com a tensão nominal de alimentação de 48V CC e a corrente de saída de 122Arms. Para atender as especificações foram utilizados MOSFETs discretos associados em paralelo, sendo realizada uma análise sobre o paralelismo com o intuito de avaliar os impactos nas perdas dos semicondutores e os requisitos necessários para permitir essa configuração. A metodologia de projeto consiste na análise do estado da arte da aplicação, avaliação de tecnologias, estudo da fundamentação teórica acerca do acionamento de motores de indução, realização de simulações numéricas, estruturação do projeto, seleção dos componentes, desenvolvimento e construção do protótipo para validação experimental. Os ensaios experimentais foram realizados em etapas, inicialmente com testes funcionais, em seguida com carga RL e corrente reduzida, testes para avaliar a performance de comutação dos semicondutores e por fim testes com dinamômetro para validação do protótipo operando com potência nominal. A partir dos resultados foi possível validar a metodologia de projeto, observar pontos determinantes da aplicação de baixa tensão e correntes elevadas, tais como os efeitos de indutâncias parasitas e as estratégias para mitigá-los.

Abstract: Electric mobility applications are constant growing and evolving, in view of the changes in the social, economic, environmental and technological scenario. In this context, this work presents the development of a 48V three-phase inverter for electric traction systems of compact vehicles. Contemplating the main requirements for the design of the power stage, assigned to drive three-phase induction motors for low voltage and high current applications. The topology used consists of a voltage source inverter, which was dimensioned for a power of 5kW, with a nominal supply voltage of 48V DC and output current of 122Arms. To comply with the specifications, discrete MOSFETs associated in parallel were used, and an analysis of the parallelism was performed in order to evaluate the impacts on semiconductor losses and the necessary requirements to allow this configuration. The project methodology consists of analyzing the application state of the art, evaluating technologies, studying the theoretical background about the driving of induction motors, carrying out numerical simulations, structuring the project, selecting components, developing the prototype for experimental validation. Experimental tests were implemented in stages, initially with functional tests, then with RL load and reduced current, tests to evaluate the switching performance of semiconductors and finally tests with a dynamometer to validate the prototype operating at rated power. Based on the results, it was possible to validate the design methodology, observe determining points in the application of low voltage and high currents, such as the effects of stray inductances and the strategies to mitigate them.