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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Regolatore di potenza del motore SHI
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Regolatori di potenza, termometri, stabilizzatori di calore Negli ultimi anni è diventato popolare l'assemblaggio amatoriale di veicoli elettrificati e la conversione di automobili per convertirle alla trazione elettrica. Su questo percorso, gli appassionati si aspettano molte difficoltà. Quindi, ad esempio, uno dei componenti complessi e costosi di tali veicoli - un dispositivo di controllo del motore elettrico - molto probabilmente dovrà essere sviluppato e prodotto in modo indipendente. Resta da aggiungere che c'è pochissima letteratura pratica sul tema del controllo di corrente elevata. L'articolo seguente dovrebbe aiutare a risolvere una serie di problemi in quest'area del design. Nello sviluppo del dispositivo descritto di seguito, è stata utilizzata l'esperienza di uno dei pionieri dell'industria dei veicoli elettrici [1]. Il dispositivo aiuterà a elettrificare giocattoli, scooter, potenti ventilatori, creare azionamenti elettrici fino a 5 kW con tensione fino a 150 V. La potenza del regolatore SHI presentato all'attenzione dei lettori consente di guidare il motore elettrico di un veicolo della categoria di peso Zhiguli -classico. Lo schema del dispositivo consente un aumento della potenza dei dispositivi controllati sostituendo gli elementi radio con quelli più potenti nel rispetto delle raccomandazioni delineate nell'articolo.
Il regolatore, il cui circuito è mostrato in fig. 1, è costituito da quattro nodi: un oscillatore principale basato su un transistor VT1, un modellatore di impulsi di controllo assemblato su microcircuiti DA2, DA3, un potente interruttore di corrente basato su transistor VT4-VT9, un'unità di alimentazione VD1, R6, VT3, DA1. Il regolatore è alimentato da due sorgenti: una - con una tensione da 20 a 30 V per alimentare la parte a bassa corrente del dispositivo, la seconda - fino a 150 V per alimentare il carico. Il dispositivo dispone di un ingresso di segnale per il blocco del regolatore e di un'uscita verso un'unità di protezione esterna che genera questo segnale. Il motore di trazione è collegato in serie con l'interruttore di corrente. L'elemento di impostazione della frequenza del regolatore è un generatore di impulsi a dente di sega su un transistor VT1. La frequenza di 3 ... 4 kHz è determinata dal circuito R3C1. Gli impulsi vengono inviati all'ingresso non invertente del comparatore DA2 e l'ingresso invertente viene eccitato dal motore del resistore R11, che controlla la velocità del rotore del motore elettrico. Come questo resistore, è stato utilizzato un sensore di posizione dell'acceleratore delle auto VAZ della decima serie. La resistenza del sensore varia da 0 a 7,5 kOhm. Il sensore ha un resistore integrato da 1,5 kΩ nel circuito del cursore. In aggiunta a questo, il resistore R9 e il condensatore C2 vengono aggiunti a questo circuito nel regolatore SHI per ridurre l'influenza del "rimbalzo" del contatto del motore e aumentare la scorrevolezza della regolazione. Durante il funzionamento su una particolare attrezzatura, può essere necessario selezionare gli elementi di questa catena per ottenere la dinamica di processo desiderata. Il criterio per una dinamica soddisfacente nel caso di un'auto elettrica è l'accelerazione regolare (quando il cursore del resistore R11 si sposta a sinistra secondo lo schema) e la frenata (la stessa a destra) dell'auto, nonché il valore del massima corrente attraverso il motore elettrico.
Sulla fig. 2 in alto mostra in modo semplificato gli impulsi Ug del generatore e la tensione URd prelevata dal motore del resistore R11. Come dimostra l'esperienza pratica di utilizzo del regolatore, per velocizzare il processo di frenatura del motore elettrico, è consigliabile shunt la resistenza R9 con un diodo KD522A, collegandola con un anodo al punto di connessione della resistenza R9 e del condensatore C2 per accelerare la scarica di questo condensatore. La resistenza R12 serve a prevenire un'emergenza in caso di disconnessione accidentale della resistenza R11 o rottura dei fili che la collegano al regolatore. All'uscita del comparatore DA2 otteniamo una sequenza di impulsi Uynp (Fig. 2) con una durata impostata dal resistore R11. Quindi il segnale viene inviato all'amplificatore-shaper DA3, che genera impulsi con un fronte e una recessione con una durata non superiore a 120 ns, e quindi al circuito di gate di un blocco di potenti transistor di commutazione ad effetto di campo VT4-VT9 . I resistori R19-R24 equalizzano i valori della corrente di carica della capacità di gate dei transistor. L'impulso di corrente di carica può raggiungere centinaia di milliampere. Quando i transistor sono chiusi, la corrente di scarica scorre attraverso i resistori R19-R24, il resistore R16, il circuito VD3R17 e l'uscita dell'amplificatore DA3. La velocità di chiusura dei transistor è importante non meno della velocità di apertura: il grado del loro riscaldamento dipende da questo. Durante l'installazione del dispositivo, è necessario controllare la tensione degli impulsi di controllo al gate di potenti transistor - non deve essere inferiore a 10 V - per impedire il loro passaggio a una modalità lineare. La tensione di alimentazione del carico dipende dalle caratteristiche del motore elettrico utilizzato, ma non deve superare la tensione nominale drain-source dei transistor. Per il blocco transistor IRF640, la tensione massima è di 150 V con una corrente di carico totale fino a 80 A. La natura della variazione di potenza Il rosso del motore elettrico da una variazione di tensione sul motore della resistenza di controllo R11 è mostrata in modo semplificato in fig. 2. La posizione iniziale del motore di questo resistore è l'estrema destra secondo lo schema. In questo caso non ci sono impulsi di controllo, i transistor ad effetto di campo VT4-VT9 sono chiusi, il carico è diseccitato. Per alimentare la parte a bassa corrente del dispositivo, è conveniente utilizzare parte della tensione di alimentazione del carico, soprattutto se il motore elettrico è alimentato da una batteria. Ma questo metodo richiede un'attenta verifica del regolatore prima dell'installazione sulla macchina, poiché la resistenza del cavo di alimentazione comune può influire negativamente sulla qualità del regolatore nel suo insieme. Quando si utilizza il dispositivo, è opportuno prevedere la protezione dei transistor dalla modalità lineare e dalla sovracorrente. Il passaggio dei transistor dal passaggio alla modalità di amplificazione porta al loro rapido surriscaldamento e alla successiva distruzione. I transistor utilizzati nel regolatore sono in grado di resistere a sovraccarichi e cortocircuiti nel carico per decine di microsecondi, non di più. Pertanto, al fine di salvare il regolatore anche in situazioni di emergenza, si consiglia di utilizzare un dispositivo di protezione. Per la sua connessione sono previste due uscite: il terminale di shunt superiore R27 nel circuito di carico (con un resistore di limitazione R25) e l'ingresso del dispositivo di blocco (VT2) del generatore di impulsi. L'unità di protezione deve generare un segnale che mantenga aperto il transistor VT2 fino all'eliminazione della causa dell'incidente e controllare la corrente nel circuito di alimentazione del carico, proteggendo i potenti transistor dal passaggio alla modalità lineare e dal surriscaldamento. Il dispositivo host di protezione non è trattato in questo articolo. Nei dispositivi di controllo più semplici che non richiedono protezione o quando la probabilità di un'emergenza è ridotta, si possono omettere il transistor VT2, le resistenze R5 e R25 e lo shunt R27. I potenti transistor sono protetti dal diodo VD4 dai picchi di tensione quando il circuito del carico si interrompe. La sua massima tensione inversa non deve essere inferiore alla tensione di alimentazione e la sua corrente diretta non deve essere inferiore alla corrente nominale del motore. I diodi domestici DCH151-125 o 150EBU02 importati sono adatti qui. Quando il dispositivo è alimentato da una batteria, dovrebbe essere bloccato con condensatori C6-C13 con una capacità totale di 10 microfarad per kilowatt di potenza del carico al fine di ridurre l'effetto distruttivo della corrente ad alta frequenza sulla batteria. La tensione nominale dei condensatori non è inferiore alla tensione della batteria. Il generatore, il comparatore, il modellatore di impulsi e la ventola M1 sono alimentati da una tensione di 15 V da un'unità composta da uno stabilizzatore DA1 e un amplificatore di corrente su un transistor VT3. Il transistor e lo stabilizzatore devono essere installati su dissipatori di calore con un'area effettiva di almeno 20 cm1. Se il dispositivo ha potenti transistor installati su dissipatori di calore che forniscono loro il raffreddamento necessario, puoi fare a meno della ventola MXNUMX.
La parte a bassa corrente del dispositivo si trova sul circuito stampato in Fig. 3. I potenti transistor VT4-VT9 sono selezionati per un carico specifico. In questo caso, il numero di transistor collegati al shaping amplifier DA3 deve corrispondere alle sue caratteristiche di uscita [2, 3]. Come mostra l'esperienza, quando si sviluppa un controller SHI, è necessario prevedere un margine di sovracorrente. Ciò è dovuto al design dei transistor. Nonostante il valore dichiarato della corrente, la sezione trasversale dei terminali dei transistor non corrisponde ad essa. La caduta di tensione ai terminali dei transistor con una sezione trasversale di 1,3 mm2 e, di conseguenza, l'energia dissipata è enormemente dispendiosa. La densità di corrente nelle uscite dei transistor non deve superare 15...20 A/mm2. Il regolatore utilizza transistor IRF640 per una corrente di 18 A e una tensione di 200 V. Il dispositivo è stato anche testato con transistor IRF3710 (100 V, 57 A), IRF3205 (55 V, 110 A), IRF3808 (75 V, 140 A ) per controllare la potenza del motore elettrico 3 kW e la tensione di alimentazione 48 V. Si consiglia di trasmettere il segnale di controllo ai transistor di uscita su un doppino intrecciato di fili direttamente al gate e alla sorgente [4]. Non far passare la corrente di controllo dei transistor attraverso il filo comune del dispositivo a causa del pericolo di commutazione dell'interferenza dal circuito di carico al circuito di controllo. In pratica, questo si manifesta come un aumento del riscaldamento dei transistor e il loro imprevedibile guasto. Risultati ancora migliori si ottengono separando le fonti di alimentazione di un nodo a bassa corrente e di uno potente. La progettazione di un potente interruttore del regolatore di corrente deve ricevere la massima attenzione. La qualità del dispositivo nel suo insieme dipende dal suo layout. Si consiglia di posizionare i potenti transistor VT4-VT9 in modo più compatto, saldare conduttori di grande sezione (10 ... 20 mm2) ai loro terminali e posizionare i resistori R18-R24 in prossimità di potenti transistor. Le curve dei conduttori all'interno di un'unità di potenza sono inaccettabili, poiché formano un'induttanza parassitaria. Un dispositivo assemblato da parti riparabili, di norma, non richiede regolazioni. È sufficiente assicurarsi che l'oscillatore master sia stabile controllando la frequenza di ripetizione dell'impulso (3 ... 4 kHz) all'emettitore del transistor VT1, che i limiti di controllo della potenza di uscita siano impostati correttamente (selezionare i resistori R7, R13 se necessario) e che gli impulsi di controllo siano presenti (con una tensione di almeno 10 C) in un punto comune nel circuito delle resistenze R18-R24. I transistor di uscita sono montati su una piastra dissipatrice in rame di 160x60x4 mm, raffreddata da una ventola M1. Senza ventola, l'area del dissipatore di calore per ciascun transistor viene calcolata in base alle sue caratteristiche e alla dissipazione di potenza. Come ventola di raffreddamento, puoi utilizzare un dispositivo di raffreddamento del personal computer collegato tramite una resistenza preselezionata (non mostrata nel diagramma di Fig. 1) per abbassare la tensione a 9 ... 12 V. Il dissipatore di calore può essere utilizzato come uscita combinata del drain dei transistor. La batteria dei condensatori C6-C13 deve essere montata in prossimità della batteria e, se utilizzata su un veicolo, collocata in una scatola separata per proteggerla dall'umidità. Il diodo VD4 può essere posizionato in qualsiasi luogo conveniente. Quando si lavora con un dispositivo di protezione, viene utilizzato uno shunt già pronto 75ShSM MZ (o 75ShS). Il suo valore viene selezionato in base alla corrente di carico del regolatore. Nel caso in esame è stato utilizzato uno shunt da 100 A in quanto il dispositivo è stato progettato per controllare il motore elettrico ZDT-31 per una tensione di 24 V e una corrente di 80 A. Per collegare il carico, fili di rame con va utilizzata una sezione di 8 A per 1 mm2, adatta, ad esempio , filo della serie PVZ. Alle estremità dei fili sono montati capicorda corrispondenti alla loro sezione trasversale. In conclusione, alcuni commenti in caso di sostituzione dei potenti transistor VT4-VT9. I transistor della serie IRF hanno una capacità di gate significativa: da 1200 pF (per IRF640) a 5310 pF (IRF3808), da qui i requisiti per i resistori R18-R23 e l'amplificatore DA3. Con l'aumento del numero di transistor potenti, potrebbe essere necessario sostituire l'amplificatore driver IR2110 con uno più potente, ad esempio LM5110, o aggiungere un amplificatore di potenza transistor push-pull (la tipica connessione IR2110 consente tale modifica [2]). La corrente consumata dall'amplificatore è determinata dalla resistenza totale del circuito R16R18-R24. La resistenza dei resistori R19-R24 è calcolata come segue. Innanzitutto, viene determinata la corrente di carica media della capacità del gate:
dove Upit è la tensione di alimentazione dell'amplificatore DA3, V; C3 - capacità di gate del transistor, F; t - tempo di apertura/chiusura del transistor, s. Quindi la resistenza del resistore nel circuito di gate è R3=Upit/I3,OM. I resistori del circuito di gate sono meglio saldati direttamente ai cavi del transistor. Quando si scelgono i componenti del regolatore SHI, si dovrebbe dare la preferenza agli elementi radio a frequenza più alta. Letteratura
Autore: N. Tokmakov, Syktyvkar; Pubblicazione: radioradar.net
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