Modu komuneko tentsioa: ibilgailu elektrikoen isilpeko etsai

2021/09/01 Robles, Endika - APERT ikerketa-taldea Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Fernandez, Markel - APERT ikerketa-taldea Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Aretxabaleta, Iker - APERT ikerketa-taldea Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Ibarra, Edorta - APERT ikerketa-taldea Bilboko Ingeniaritza Eskola (EHU) | Andreu, Jon - EHUko Elektronika Aplikatua saileko ikerkuntza-taldeko (APERT) ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

Guztion ahotan dauden ezaugarriak dira ibilgailu elektrikoen autonomia, bateriak kargatzeko denbora edota kostua. Baina zer gertatzen da ibilgailuen fidagarritasunarekin? Zer faktorek eragin dezakete ibilgailu elektriko bat matxuratzea eta zirkulaziotik ateratzea? Besteak beste, publiko orokorrarentzat ezezaguna den baina espezialistek ongi ezagutzen duten arazo bati egin behar dio aurre ibilgailu elektriko baten propultsio-sistemak: modu komuneko tentsioari.
Arg. Vauxford/CC BY-SA 4.0 Wikimedia Commons

Ibilgailu elektrikoak eta karbono-aztarna

Ezaguna da populazio-dentsitate handiko hiriguneetan ibilgailu elektrikoek kutsadura murrizteko duten potentziala. Hala ere, eztabaida handia izan da azken urteotan ibilgailu elektrikoen karbono-aztarnaren inguruan. Nahiz eta ibilgailu elektrikoak barne-errekuntzako motorrak dituztenak baino askoz ere eraginkorragoak izan, kontuan izan behar da ibilgailu elektrikoak kargatzeko beharrezkoa den energia elektrikoaren zati bat erregai fosilen bidez sortzen dela. Horrez gain, baterien fabrikazioak penalizazio handia dakar ikuspuntu energetikotik.

Zalantza horiek argituz doaz azken ikerketekin. Adibidez, Ivanova eta kolaboratzaileek Environmental Research Letters aldizkarian 2020an argitaratutako metaanalisitik ondorioztatzen da ibilgailu elektrikoak ezinbestekoak direla Parisko Akordioaren helburuak betetzeko. Bestalde, Kawamoto eta kolaboratzaileek ibilgailu elektrikoen bizitza-ziklo osoaren ebaluazioa (LCA, Life-Cycle Assestment, ingelesez) egin zuten 2019an1. Europako testuinguruari dagokionez, zehaztu zuten ibilgailu elektrikoek, batez beste, 76.545 km egin ondoren hobetzen dituztela gasolinazko ibilgailuen isurketen datuak, eta 109.415 km egitean, diesel ibilgailuenak. Beraz, ingurumenaren ikuspuntutik, ibilgailu elektrikoen fidagarritasuna maximizatu beharra dago, propultsio-sisteman sor daitezkeen hutsegite-mekanismoak identifikatuz eta soluzioak bilatuz, haien bizitza-zikloa ahalik eta gehien luzatzeko.

1. irudia. Modu diferentziala da edozein zirkuitutan lortu nahi den funtzionatzeko modua. Hala ere, errealitatea bestelakoa da: modu komuneko tentsio-osagaiak agertzean, korrontearen parte batek nahi ez den bideetatik ihes egiten du. Irudia: egileek egina.

Modu komuneko tentsioaren arazoa

Sarrerako bi terminal edo gehiagoren artean tentsio-diferentzia bat aplikatuz funtzionatzeko diseinatzen dira sistema elektriko eta elektronikoak (1. irudia). Idealki, tentsio-diferentzia bat (Vdif) sarreran ezartzen denean, korrontea tentsio handieneko terminaletik (V1) tentsio txikieneko terminalera (V2) joango da. Funtzionamendu-modu horri modu diferentziala esaten zaio, eta zirkuitu elektrikoetan lortu nahi den funtzionamendua da. Hala ere, errealitatea bestelakoa da, sarritan balio nulua ez duen modu komuneko tentsioa (Vkom) ezartzen baita modu diferentzialeko tentsioarekin batera, nahitaez (1. irudia). Gauzak horrela, energia-iturrira itzultzeko beste bide bat aurkitzen du tentsio handieneko terminalean sartzen den korrontearen parte batek (lurreko konexiotik itzul daiteke, adibidez). Ihes-korronte deritzo horri. Beraz, antzemanezina izan beharko lukeen korronte hori, praktikan, ez da hain txikia.

Fenomeno hori motor elektrikoen testuingurura hurbiltzeko, motorren osagai nagusiak definitu behar dira, lehenik eta behin (2. irudia). Makinaren atal finkoa da estatorea, zeinak makina elikatzen duen terminaletara konektatzen den harilkatu bat baitu. Estatoreak inguratzen du errotorea. Motorraren atal mugikorra da azken hori, eta ardatzari lotuta dago. Errodamenduen gainean finkatzen da ardatza, errotoreak marruskadura txikia izan dezan. Errotorean eta estatorean sortutako fluxuen eta korronteen arteko elkarrekintzak sortzen du errotorearen mugimendua. Karkasa metaliko batek biltzen ditu osagai guztiak.

2. irudia. Motor elektriko trifasiko bati eragiten zaionean, motorraren faseetatik zirkulatu beharko luke korronte guztiak. Hala ere, korrontearen parte bat makinaren errodamenduetatik deskargatzen da, motorrari modu komuneko tentsioa ezartzen bazaio. Irudia: egileek egina.

Ohikoa da makina elektriko industrialak sare elektrikora zuzenean konektatuz eragitea (3. irudia). Konfigurazio horretan modu komuneko tentsioa (Vkom) zero da motorraren sarreran ezartzen diren tentsioak guztiz orekatuta badaude; hots, sarrerako tentsioen batura zero denean. Kasu horretan, sarrerako terminaletatik zirkulatuko du bakarrik korronteak.

Aldiz, ibilgailu elektrikoetan potentzia-bihurgailu bat (inbertsore bat) konektatzen da elikadura-iturriaren (baterien) eta motor elektrikoaren artean2. Bateriaren tentsioa jarraitua denez, potentzia-bihurgailuaren funtzioa da motorrean ezartzen diren tentsio alternoen maiztasuna eta anplitudea egokitzea aldiro errotoreak duen errotazio-abiaduraren eta ezarri behar den potentziaren (momentuaren) arabera.

3. irudia. Sare elektrikoarekin zuzenean elikatutako motorrek tentsio sinusoidalak dituzte terminaletan, zeinak normalean orekatuak baitira. Aldiz, terminaletan ezarritako tentsioek pultsu-forma dute potentzia-bihurgailuak erabiltzen direnean. Irudia: egileek egina.

Etengailu gisa funtzionatzen duten gailu erdieroalez osatuta daude potentzia-bihurgailuak (3. eta 4. irudiak). Etengailu horiek maiztasun handiz kommutatuz (normalean, 5 kHz eta 20 kHz bitartean) eta sortutako pultsuen zabalera kontrolatuz lortzen da irteerako tentsioen anplitudea eta maiztasuna egokitzea. Sistema kommutatuak erabiltzen dira oso eraginkortasun handia dutelako. Ordainetan, aldiuneko tentsioak desorekatu egiten dira, eta maiztasun handiko modu komuneko tentsioa ezartzen da motorraren terminaletan. Gauzak horrela, errodamenduetatik deskargatuko da modu komunak sortutako korrontearen parte handi bat (2. irudia).

Motor industrialetan ez bezala, ibilgailu elektrikoetan ez dago modu komunak sortutako korrontea deskargatzeko baliagarria izan daitekeen lur-konexioa instalatzerik. Beraz, modu komunak hainbat arazo sor ditzake ibilgailua osatzen duten elementu elektriko eta elektronikoetan. Izan ere, interferentzia elektromagnetiko (EMI, ElectroMagnetic Interference, ingelesez) ugari sor daitezke modu komunaren ondorioz. Horiek ibilgailu elektrikoaren beste azpisistema batzuei eragin diezaiekete; hala nola, kontrol unitateei (ECU, Electronic Control Unit, ingelesez) eta haien arteko komunikazioei.

Ibilgailuaren fidagarritasunari dagokionez ere sor daitezke arazoak, 5. irudiak erakusten duen bezala. Alde batetik, sortutako tentsio-aldaketa handien ondorioz, posible da estatorearen harilkatuen isolamendua hondatzea. Isolamendua galtzen den heinean, aukera handiagoak daude harilkatuetan zirkuitulaburrak sortzeko, eta, hala, motorra puskatzeko probabilitateak handitzen dira. Gainera, aurretik aipatutako ihes-korronteek motorraren errodamenduetan eragiten dute. Azken horiek dira motor elektrikoetan matxurak sortzeko arduradun nagusietakoak.

4. irudia. Inbertsore trifasikoaren etengailuek zortzi konbinazio posible izan ditzakete. Konbinazio edo kommutazio-egoera bakoitzari modu komuneko tentsio bat dagokio. Kommutazio-sekuentzia bati dagokion adibidea erakusten du irudiak. Fase bereko etengailuen egoerak osagarria izan behar du, elikadura-iturrian zirkuitulaburra ez sortzeko. Hau da, goiko etengailua piztuta badago, behekoa itzalita egongo da, eta alderantziz. Kommutazio-egoera bakoitzean tentsio-maila jakin bat sortzen da faseko (V1, V2 eta V3). Adibideak argi erakusten du modu komuneko tentsioa ez dela nulua, piramide-itxura duela baizik. Irudia: egileek egina.

Nola murriztu modu komuneko tentsioak sor ditzakeen arazoak?

Azken hamarkadetan komunitate zientifikoa eta industria elkarlanean aritu dira motor elektrikoek duten arazo horri irtenbideak bilatzeko. Alde horretatik, bi familia nagusitan sailka daitezke modu komunaren efektuak murrizteko erabili ohi diren soluzioak (6. irudia): errodamenduak ihes-korronteetatik isolatzen dituzten soluzioak, eta ihes-korronteak ibilgailuaren txasisera bideratzen dituztenak.

5. irudia. Modu komuneko tentsioaren ondorioz ihes egiten duten korronteek estatoreko harilaren isolamendua erre dezakete, eta kraterrak eta ildaskak eragin errodamenduetan. Irudia: egileek egina.

Gaur egun, soluzio horietako batzuk baztertu egin dira bideragarriak ez direlako (Faradayren blindajea, besteak beste). Aldiz, onarpen handia lortu dute beste soluzio batzuek. Adibidez, SKF enpresa multinazional suediarra liderra da makina elektrikoen errodamenduen industria-sektorean, eta ibilgailu elektrikoetan arazoak minimizatzeko errodamendu hibridoak erabiltzea proposatzen dute. Aldiz, gainazal birakari eta mugikorretan deskarga elektriko parasitoek eragindako kalteak arintzeko soluzioetan munduko liderra den EST enpresak AEGIS ardatzaren lur-konexioko eraztuna patentatu du, korronteak lurrera edo ibilgailuen txasisera deskargatzeko soluzio gisa.

Nahiz eta frogatu den soluzio horietako batzuk eraginkorrak direla, modu komuneko tentsioak sortutako efektuak leuntzea baino ez dute helburu. Beste aukera posible bat da efektu horiek jatorritik ekiditea. Nola? Arazoa errotik zuzenduz. Alde batetik, iragazki espezifiko batzuk proposatu dira, modu komuneko tentsioa blokeatzen dutenak eta propultsio-sistemako beste osagai batzuetara hedatzea eragozten dutenak. Bestetik, kommutazio-sekuentzia berriak ere proposatu dira, modu komuneko tentsioa murrizten edo guztiz ezabatzen duten potentzia-bihurgailu topologiak (7. irudia) eta gailuak kontrolatzeko. Ibilgailu elektriko baten kasuan, azkenengo bi aukerak dira erakargarrienak, ibilgailuetan ez baitago lur-konexiorik. Duten potentzialtasunaz ohartuta, komunitate zientifikoa horrelako aukerak ikertzen ari da azken urteotan.

Problematika sakon aztertu ondoren, ondoriozta daiteke ibilgailu elektrikoen erabiltzaileak abiadura, eraginkortasuna, autonomia eta halako ezaugarrietan zentratuta jarraitu dezaketela, modu komuneko arazoarentzat irtenbide ugari daudelako. Hala ere, modu komunarekin lotutako arazoei aurre egiteko soluzio merkago eta eraginkorragoak bilatzen jarraitzea da, orain, zientzialarien lana. Gainera, ibilgailuen fabrikatzaileek bete beharreko estandar eta erregulazioak oso zorrotzak dira; hortaz, bermatuta daude ibilgailuen sendotasunari eta segurtasunari dagozkien kalitate-baldintzak.

6. irudia. Ihes-korronteen aurkako soluzio industrialen adibideak. Ezkerrean, korrontea pasatzea eragozten duten soluzioak agertzen dira (isolatzaileak); eskuinean, berriz, ihes-korronteak lurrera edo txasisera (eroaleak) bideratzen duten soluzioak. Irudia: egileek egina.

Oharrak:

1. Ibilgailuaren operazioaz gain, bizitza-zikloan sortutako isurketak zehazteko hainbat aldagai hartu ziren kontuan; hala nola, materialen ustiaketa, ibilgailuaren fabrikazioa, mix elektrikoa, gidatze-distantziak, mantenimendua, birziklatzea, eta abar.

7. irudia. EHUko APERT ikerketa-taldean aztertutako soluzioetako baten adibidea. Inbertsore hori bereziki diseinatuta dago modu komuneko tentsioa ezabatzeko, dituen elementu osagarriei esker (ibilgailuaren bateriak konektatzen dira sarreran, eta motorra, irteeran). Irudia: egileek egina.

2. Motor edo sorgailu elektrikoak erabiltzen dituzten beste hainbat aplikaziotan ere beharrezkoa da potentzia-bihurgailuak erabiltzea; hala nola, abiadura aldakorreko eragile industrialetan eta haize-errotetan.

Bibliografia

[1] LOPEZ, I., ET AL (2019). Next generation electric drives for HEV/EV propulsion systems: Technology, trends and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 114, pp. 1-23.
[2] IVANOVA. D., ET AL (2020). Quantifying the potential for climate change mitigation of consumption options. Environmental Research Letters, vol. 15, pp. 1-20.
[3] KAWAMOTO. R., ET AL (2019). Estimation of CO2 emissions of internal combustion engine vehicle and battery electric vehicle using LCA. Sustainability, vol. 15, no. 9, pp. 1-15.
[4] MUETZE, A. (2004). Bearing currents in inverter-fed AC-motors. Der Technischen Universitaet Darmstadt.
[5] ASEFI, M., ET AL (2019). A Fast Transient Model for Bearing Fault Analysis in Induction Machine Drives. IEEE Sensors Journal, vol. 19, no. 5, pp. 1897-1904.
[6] TROSCHER, M., ET AL (2018). Emission Reduction by Optimizing Current Return Paths in Electric Vehicles. Proc. of the IEEE symposium on electromagnetic compatibility, signal integrity and power integrity, pp. 460-460.
[7] HAN, Y., ET AL (2018). Analysis and Suppression of Common Mode Voltage for SiC Inverters in Electric Vehicle Applications. International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), pp. 736-740.
[8] ROBLES, E., ET AL (2021). Advanced power inverter topologies and modulation techniques for common-mode voltage elimination in electric motor drive systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. vol. 140, pp. 1-26.
[9] ROBLES, E., ET AL (2019). Mitigation of common mode voltage issues in electric vehicle drive systems by means of an alternative AC-decoupling power converter topology. Energies, vol. 12, pp. 1-27.

Gai honi buruzko eduki gehiago

Elhuyarrek garatutako teknologia