Tensión común: inimigo secreto dos vehículos eléctricos

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

• Teknologia
• Energia

Vehículos eléctricos e pegada de carbono

É coñecido o potencial dos vehículos eléctricos paira reducir a contaminación en zonas urbanas de alta densidade de poboación. Con todo, nos últimos anos houbo un gran debate sobre a pegada de carbono dos vehículos eléctricos. A pesar de que os vehículos eléctricos son moito máis eficientes que os que teñen motores de combustión interna, hai que ter en conta que parte da enerxía eléctrica necesaria paira recárgaa dos vehículos eléctricos prodúcese a partir de combustibles fósiles. Ademais, a fabricación de baterías supón una gran penalización desde o punto de vista enerxético.

Estas dúbidas vanse resolvendo coas últimas investigacións. Por exemplo, do metaanálisis publicado en 2020 por Ivanova e os seus colaboradores na revista Environmental Research Letters, despréndese que os vehículos eléctricos son esenciais paira o cumprimento dos obxectivos do Acordo de París. Pola súa banda, Kawamoto e os seus colaboradores realizaron una avaliación de todo o ciclo de vida dos vehículos eléctricos (LCA, Life-Cycle Assestment, en inglés) en 20191. No que respecta ao contexto europeo, determinouse que os vehículos eléctricos melloran os datos de emisións dos vehículos de gasolina despois de percorrer una distancia media de 76.545 Km e os diesel a 109.415 Km. Por tanto, desde o punto de vista ambiental, é necesario maximizar a fiabilidade dos vehículos eléctricos, identificando os posibles mecanismos de fallo no sistema de propulsión e buscando solucións paira alargar ao máximo o seu ciclo de vida.

Figura . O modo diferencial é o modo de funcionamento desexado en calquera circuíto. Con todo, a realidade é que ao aparecer compoñentes de tensión de forma común, una parte da corrente escapa por vías non desexadas. Imaxe realizada por autores.

Problema de tensión de modo común

Os sistemas eléctricos e electrónicos deséñanse paira funcionar aplicando una diferenza de tensión entre dúas ou máis terminais de entrada (Figura 1). Idealmente, cando se establece una diferenza de tensión (Vdif) á entrada, a corrente irá desde o terminal de maior tensión (V1) até o terminal de menor tensión (V2). Este modo de funcionamento denomínase modo diferencial e é o funcionamento desexado nos circuítos eléctricos. Con todo, a realidade é diferente, xa que a miúdo establécese una tensión de modo común (Vkom) que non ten valor nulo, xunto coa tensión de modo diferencial necesariamente (Figura 1). Así as cousas, una parte da corrente que entra no terminal de maior tensión, por exemplo, pode volver da conexión terrestre, atopa outra vía de retorno á fonte de enerxía. É o que se coñece como corrente de fuga. Por tanto, esa corrente que debería ser inapreciable, na práctica, non é tan pequena.

Paira achegar este fenómeno ao contexto dos motores eléctricos, en primeiro lugar é necesario definir os compoñentes principais dos motores (Figura 2). O estator é a parte fixa da máquina, que ten un bobinado que se conecta aos terminais que alimenta a máquina. O estator rodea ao rotor. Esta última é a parte móbil do motor e está ligada ao eixo. O eixo apóiase sobre os rodamientos para que o rotor teña pouca fricción. O movemento do rotor prodúcese pola interacción entre os fluxos e as correntes xeradas no rotor e no estator. Todos os compoñentes están recollidos por unha carcasa metálica.

Figura . Cando se acciona un motor eléctrico trifásico, toda a corrente debería circular polas fases do motor. Con todo, parte da corrente descárgase desde os rodamientos da máquina se ao motor aplícaselle una tensión común. Imaxe realizada por autores.

É habitual que as máquinas eléctricas industriais actúen conectándoas directamente á rede eléctrica (Figura 3). Nesta configuración, a tensión en modo común (Vkom) é cero se as tensións que se establecen á entrada do motor están totalmente equilibradas, é dicir, cando a suma das tensións de entrada é cero. Neste caso a corrente só circulará polos terminais de entrada.

Pola contra, nos vehículos eléctricos conéctase un convertidor de potencia (investidor) entre a fonte de alimentación (baterías) e o motor eléctrico2. Dado que a tensión da batería é continua, a función do convertidor de potencia consiste en axustar a frecuencia e amplitude das tensións alternas que se establecen no motor en función da velocidade de rotación do rotor e da potencia (momento) a implantar.

Figura . Os motores alimentados directamente coa rede eléctrica teñen tensións sinusoidales nos terminais, xeralmente equilibradas. Pola contra, as tensións establecidas nos terminais teñen forma de pulso cando se utilizan convertidores de potencia. Imaxe realizada por autores.

Os convertidores de potencia están formados por dispositivos semiconductores que funcionan como interruptores (Figuras 3 e 4). A adaptación da amplitude e frecuencia das tensións de saída conséguese conmutando devanditos interruptores cunha frecuencia elevada (normalmente entre 5 kHz e 20 kHz) e controlando a anchura dos pulsos xerados. Utilízanse sistemas conmutados pola súa alta eficiencia. A cambio, as tensións instantáneas desequilíbranse e establécese una tensión común de alta frecuencia nos terminais do motor. Así, gran parte da corrente xerada polo modo común descargarase dos rodamientos (Figura 2).

A diferenza dos motores industriais, nos vehículos eléctricos non é posible instalar una conexión de terra que permita descargar a corrente xerada polo modo común. Por tanto, o modo común pode causar problemas nos elementos eléctricos e electrónicos que compoñen o vehículo. De feito, as interferencias electromagnéticas (EMI, ElectroMagnetic Interference, polas súas siglas en inglés) son moitas debido ao modo común. Estes poden afectar a outros subsistemas do vehículo eléctrico, como as unidades de control (ECU, Electronic Control Unit en inglés) e as comunicacións entre eles.

En canto á fiabilidade do vehículo tamén se poden presentar problemas, tal e como mostra a figura 5. Por unha banda, as grandes variacións de tensión xeradas fan posible que se deteriore o illamento dos bobinados do estator. A medida que se perde o illamento, existen maiores posibilidades de producir curtocircuítos nos bobinados, aumentando así as probabilidades de rotura do motor. Ademais, as correntes de fuga mencionadas anteriormente afectan aos rodamientos do motor. Estes últimos son os principais responsables da xeración de avarías en motores eléctricos.

Figura . Os interruptores do investidor trifásico poden ter oito combinacións posibles. A cada combinación ou estado de conmutación correspóndelle una tensión de modo común. A imaxe mostra un exemplo dunha secuencia de conmutación. O estado dos interruptores da mesma fase debe ser complementario paira evitar un curtocircuíto na fonte de alimentación. É dicir, se o interruptor de arriba está aceso, o de abaixo estará apagado e viceversa. En cada estado de conmutación xérase un determinado nivel de tensión por fase (, e ). O exemplo mostra claramente que a tensión en modo común non é nula, senón que ten forma piramidal. Imaxe realizada por autores.

Como reducir os problemas de tensión común?

Nas últimas décadas a comunidade científica e a industria traballaron conxuntamente na procura de solucións a este problema dos motores eléctricos. Neste sentido, as solucións comunmente utilizadas paira reducir os efectos do modo común poden clasificarse en dúas familias principais (Figura 6): solucións que illan os rodamientos das correntes de fuga e que dirixen as correntes de fuga ao chasis do vehículo.

Figura . As correntes que escapan pola tensión de modo común poden queimar o illamento da bobina do estator e provocar cráteres e estrías nos rodamientos. Imaxe realizada por autores.

Na actualidade algunhas destas solucións foron descartadas pola súa inviabilidad (blindaxe de Faraday, entre outras). Con todo, outras solucións obtiveron gran aceptación. Por exemplo, a empresa multinacional sueca SKF é líder no sector industrial de rodamientos de máquinas eléctricas e propón a utilización de rodamientos híbridos paira minimizar os problemas en vehículos eléctricos. Pola contra, a empresa EST, líder mundial en solucións paira paliar os danos producidos por descargas eléctricas parásitas en superficies rotativas e móbiles, patentou o anel de posta a terra do eixo AEGIS como solución paira descargar correntes ao chan ou ao chasis de vehículos.

Aínda que se demostrou que algunhas destas solucións son efectivas, o seu obxectivo é reducir os efectos producidos pola tensión de forma común. Outra opción posible é evitar estes efectos desde a orixe. Como? Corrección radical do problema. Por unha banda, propuxéronse filtros específicos que bloquean a tensión de modo común e impiden a súa extensión a outros compoñentes do sistema de propulsión. Doutra banda, propuxéronse novas secuencias de conmutación paira o control de topologías de convertidores de potencia que reducen ou eliminan completamente a tensión de modo común (Figura 7) e dispositivos. No caso dun vehículo eléctrico, as dúas últimas opcións son as máis atractivas, xa que non hai posta a terra nos vehículos. Conscientes da súa potencialidade, a comunidade científica está a investigar nos últimos anos este tipo de alternativas.

Tras unha análise exhaustiva da problemática, pódese concluír que os usuarios dos vehículos eléctricos poden seguir centrados nas características de velocidade, eficiencia, autonomía, etc., debido á diversidade de solucións que existen paira un problema común. Con todo, o labor dos científicos pasa por seguir buscando solucións máis baratas e eficaces paira afrontar problemas relacionados co modo común. Ademais, os estándares e regulacións que deben cumprir os fabricantes de vehículos son moi estritos, polo que se garanten os requisitos de calidade en canto a robustez e seguridade dos vehículos.

Figura . Exemplos de solucións industriais contra correntes de fuga. Á esquerda aparecen as solucións que impiden o paso da corrente (illantes) e á dereita as solucións que conducen as correntes de fuga cara ao chan ou chasis (condutores). Imaxe realizada por autores.

Observacións:

1. Ademais da operación do vehículo, paira determinar as emisións xeradas ao longo do seu ciclo de vida tivéronse en conta variables como a explotación de materiais, fabricación do vehículo, mix eléctrico, distancias de condución, mantemento, reciclado, etc.

Figura . Exemplo dunha das solucións estudadas no grupo de investigación APERT da UPV. Este investidor está especialmente deseñado paira eliminar a tensión de modo común grazas aos seus elementos auxiliares (conéctanse as baterías do vehículo á entrada e o motor á saída). Imaxe realizada por autores.

2. Outras aplicacións nas que se utilizan motores ou xeradores eléctricos requiren o uso de convertidores de potencia como axentes industriais de velocidade variable e muíños de vento.

Bibliografía