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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Regulador de potencia del motor SHI
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Reguladores de potencia, termómetros, estabilizadores de calor En los últimos años se ha popularizado el montaje amateur de vehículos electrificados y la reconversión de coches para convertirlos a tracción eléctrica. En este camino, los entusiastas esperan muchas dificultades. Entonces, por ejemplo, uno de los componentes complejos y costosos de dichos vehículos, un dispositivo de control de motor eléctrico, probablemente tendrá que desarrollarse y fabricarse de forma independiente. Queda por agregar que hay muy poca literatura práctica sobre el tema del control de alta corriente. El siguiente artículo debería ayudar a resolver una serie de problemas en esta área de diseño. En el desarrollo del dispositivo que se describe a continuación, se utilizó la experiencia de uno de los pioneros de la industria del vehículo eléctrico [1]. El dispositivo ayudará a electrificar juguetes, scooters, ventiladores potentes, crear unidades eléctricas de hasta 5 kW con un voltaje de hasta 150 V. El poder del regulador SHI presentado a la atención de los lectores le permite conducir el motor eléctrico de un vehículo de la categoría de peso Zhiguli: clásico. El esquema de dispositivos permite aumentar la potencia de los dispositivos controlados al reemplazar los elementos de radio por otros más potentes de acuerdo con las recomendaciones descritas en el artículo.
El regulador, cuyo circuito se muestra en la fig. 1, consta de cuatro nodos: un oscilador maestro basado en un transistor VT1, un modelador de pulsos de control ensamblado en microcircuitos DA2, DA3, un potente interruptor de corriente basado en transistores VT4-VT9, una fuente de alimentación VD1, R6, VT3, DA1. El regulador está alimentado por dos fuentes: una, con un voltaje de 20 a 30 V para alimentar la parte de baja corriente del dispositivo, la segunda, hasta 150 V para alimentar la carga. El dispositivo tiene una entrada de señal para el bloqueo del regulador y una salida a una unidad de protección externa que genera esta señal. El motor de tracción está conectado en serie con el interruptor de corriente. El elemento de ajuste de frecuencia del regulador es un generador de pulsos de diente de sierra en un transistor VT1. La frecuencia de 3 ... 4 kHz está determinada por el circuito R3C1. Los pulsos se alimentan a la entrada no inversora del comparador DA2, y la entrada inversora se energiza desde el motor de la resistencia R11, que controla la velocidad del rotor del motor eléctrico. Como esta resistencia, se utilizó un sensor de posición del acelerador de los automóviles VAZ de la décima serie. La resistencia del sensor varía de 0 a 7,5 kOhm. El sensor tiene una resistencia de 1,5 kΩ incorporada en el circuito deslizante. Además, la resistencia R9 y el condensador C2 se agregan a este circuito en el regulador SHI para reducir la influencia del "rebote" del contacto del motor y aumentar la suavidad de la regulación. Durante la operación de un equipo en particular, puede ser necesario seleccionar los elementos de este circuito para obtener la dinámica de proceso deseada. El criterio para una dinámica satisfactoria en el caso de un vehículo eléctrico es la aceleración suave (cuando el control deslizante de la resistencia R11 se mueve hacia la izquierda según el esquema) y el frenado (lo mismo hacia la derecha) del automóvil, así como el valor de la corriente máxima a través del motor eléctrico.
En la fig. 2 en la parte superior muestra de manera simplificada los pulsos Ug del generador y el voltaje URd tomado del motor de la resistencia R11. Como muestra la experiencia práctica del uso del regulador, para acelerar el proceso de frenado del motor eléctrico, es recomendable derivar la resistencia R9 con un diodo KD522A, conectándolo con un ánodo al punto de conexión de la resistencia R9 y el condensador C2. para acelerar la descarga de este condensador. La resistencia R12 sirve para prevenir una emergencia en caso de desconexión accidental de la resistencia R11 o rotura de los cables que la conectan al regulador. A la salida del comparador DA2, obtenemos una secuencia de pulsos Uynp (Fig. 2) con una duración establecida por la resistencia R11. Luego, la señal se alimenta al amplificador-modelador DA3, que genera pulsos con un frente y una recesión con una duración de no más de 120 ns, y luego al circuito de puerta de un bloque de potentes transistores de conmutación de efecto de campo VT4-VT9 . Las resistencias R19-R24 igualan los valores de corriente de carga de la capacitancia de puerta de los transistores. El pulso de corriente de carga puede alcanzar cientos de miliamperios. Cuando los transistores están cerrados, la corriente de descarga fluye a través de las resistencias R19-R24, la resistencia R16, el circuito VD3R17 y la salida del amplificador DA3. La velocidad de cierre de los transistores es tan importante como la velocidad de apertura: el grado de calentamiento depende de esto. Al configurar el dispositivo, es necesario controlar el voltaje de los pulsos de control en la puerta de los transistores potentes (no debe ser inferior a 10 V) para evitar su transición a un modo lineal. La tensión de alimentación de la carga depende de las características del motor eléctrico utilizado, pero no debe superar la tensión nominal drenaje-fuente de los transistores. Para el bloque de transistores IRF640, la tensión máxima es de 150 V con una corriente de carga total de hasta 80 A. La naturaleza del cambio en la potencia Red del motor eléctrico a partir del cambio de voltaje en el motor de la resistencia de control R11 se simplifica como se muestra en la fig. 2. La posición inicial del motor de esta resistencia es la extrema derecha según el esquema. En este caso, no hay pulsos de control, los transistores de efecto de campo VT4-VT9 están cerrados, la carga está desenergizada. Para alimentar la parte de baja corriente del dispositivo, es conveniente utilizar parte de la tensión de alimentación de la carga, especialmente si el motor eléctrico es alimentado por batería. Pero este método requiere una prueba cuidadosa del regulador antes de instalarlo en la máquina, ya que la resistencia del cable de alimentación común puede afectar negativamente la calidad del regulador en su conjunto. Al operar el dispositivo, es deseable brindar protección a los transistores contra el modo lineal y la sobrecorriente. La transición de los transistores del modo de conmutación al modo de amplificación conduce a su rápido sobrecalentamiento y posterior destrucción. Los transistores utilizados en el regulador son capaces de soportar sobrecargas y cortocircuitos en la carga por decenas de microsegundos, no más. Por lo tanto, para salvar el regulador incluso en situaciones de emergencia, es recomendable utilizar un dispositivo de protección. Para su conexión, se proporcionan dos salidas: el terminal de derivación superior R27 en el circuito de carga (con una resistencia limitadora R25) y la entrada del dispositivo de bloqueo (VT2) del formador de pulsos. El nodo de protección debe generar una señal que mantenga abierto el transistor VT2 hasta que se elimine la causa del accidente, y controlar la corriente en el circuito de alimentación de carga, protegiendo a los transistores potentes del cambio al modo lineal y el sobrecalentamiento. El dispositivo host de protección no está cubierto en este artículo. En los dispositivos de control más simples que no requieren protección o cuando la probabilidad de una emergencia es pequeña, se pueden omitir el transistor VT2, las resistencias R5 y R25 y el shunt R27. Los transistores potentes están protegidos por el diodo VD4 de las sobretensiones cuando se rompe el circuito de carga. Su tensión inversa máxima no debe ser inferior a la tensión de alimentación y su corriente directa no debe ser inferior a la corriente nominal del motor. Los diodos domésticos DCH151-125 o 150EBU02 importados son adecuados aquí. Cuando el dispositivo se alimenta con una batería, debe bloquearse con condensadores C6-C13 con una capacidad total de 10 000 microfaradios por kilovatio de potencia de carga para reducir el efecto destructivo de la corriente de alta frecuencia en la batería. La tensión nominal de los condensadores no es inferior a la tensión de la batería. El generador, el comparador, el modelador de pulsos y el ventilador M1 son alimentados por un voltaje de 15 V desde una unidad que consiste en un estabilizador DA1 y un amplificador de corriente en un transistor VT3. El transistor y el estabilizador deben instalarse en disipadores de calor con un área efectiva de al menos 20 cm1. Si el dispositivo tiene transistores potentes instalados en disipadores de calor que les proporcionan el enfriamiento necesario, puede prescindir del ventilador MXNUMX.
La parte de baja corriente del dispositivo está ubicada en la placa de circuito impreso en la Fig. 3. Los potentes transistores VT4-VT9 se seleccionan para una carga específica. En este caso, el número de transistores conectados al amplificador de conformación DA3 debe corresponder a sus características de salida [2, 3]. Como muestra la experiencia, cuando se desarrolla un controlador SHI, es necesario prever un margen de sobrecorriente. Esto se debe al diseño de los transistores. A pesar del valor declarado de la corriente, la sección transversal de los terminales de los transistores no le corresponde. La caída de voltaje en los terminales de los transistores con una sección transversal de 1,3 mm2 y, en consecuencia, la energía disipada es excesivamente grande. La densidad de corriente en las salidas de los transistores no debe exceder los 15...20 A/mm2. El regulador utiliza transistores IRF640 para una corriente de 18 A y un voltaje de 200 V. El dispositivo también fue probado con transistores IRF3710 (100 V, 57 A), IRF3205 (55 V, 110 A), IRF3808 (75 V, 140 A ) para controlar la potencia del motor eléctrico 3 kW y tensión de alimentación 48 V. Se recomienda que la señal de control a los transistores de salida se transmita a través de un par de cables trenzados directamente a la puerta y la fuente [4]. No pase la corriente de control de los transistores a través del cable común del dispositivo debido al peligro de cambiar la interferencia del circuito de carga al circuito de control. En la práctica, esto se manifiesta como un aumento del calentamiento de los transistores y su falla impredecible. Se obtienen resultados aún mejores al separar las fuentes de energía de un nodo de baja corriente y uno potente. Se debe prestar la mayor atención al diseño de un interruptor regulador de corriente potente. La calidad del dispositivo en su conjunto depende de su diseño. Se recomienda colocar los transistores potentes VT4-VT9 de manera más compacta, soldar conductores de gran sección (10 ... 20 mm2) a sus terminales y colocar las resistencias R18-R24 muy cerca de los transistores potentes. Los dobleces de los conductores dentro de una unidad de potencia son inaceptables, ya que forman una inductancia parásita. Un dispositivo ensamblado a partir de piezas reparables, por regla general, no requiere ajuste. Basta con asegurarse de que el oscilador maestro sea estable al verificar la frecuencia de repetición del pulso (3 ... 4 kHz) en el emisor del transistor VT1, que los límites de control de potencia de salida estén configurados correctamente (seleccione las resistencias R7, R13 si necesario) y que los pulsos de control estén presentes (con un voltaje de al menos 10 C) en un punto común en el circuito de las resistencias R18-R24. Los transistores de salida están montados en una placa disipadora de calor de cobre de 160x60x4 mm de tamaño, enfriada por un ventilador M1. Sin el uso de un ventilador, el área del disipador de calor para cada transistor se calcula en función de sus características y disipación de potencia. Como ventilador de enfriamiento, puede usar un enfriador de computadora personal conectado a través de una resistencia preseleccionada (que no se muestra en el diagrama de la Fig. 1) para reducir el voltaje a 9 ... 12 V. El disipador de calor se puede utilizar como una salida combinada del drenaje de transistores. La batería de condensadores C6-C13 debe montarse muy cerca de la batería y, cuando se use en un vehículo, colocarse en una caja separada para protegerla de la humedad. El diodo VD4 se puede colocar en cualquier lugar conveniente. Cuando se trabaja con un dispositivo de protección, se usa una derivación preparada 75ShSM MZ (o 75ShS). Su valor se selecciona en función de la corriente de carga del regulador. En el caso considerado, se utilizó un shunt de 100 A debido a que el dispositivo fue diseñado para controlar el motor eléctrico ZDT-31 para una tensión de 24 V y una corriente de 80 A. Para conectar la carga, se utilizaron cables de cobre con se debe utilizar una sección transversal de 8 A por 1 mm2, adecuada, por ejemplo, para cables de la serie PVZ. En los extremos de los cables, se montan terminales de cable que corresponden a su sección transversal. En conclusión, algunos comentarios en caso de reemplazar los potentes transistores VT4-VT9. Los transistores de la serie IRF tienen una capacitancia de puerta significativa, desde 1200 pF (para IRF640) hasta 5310 pF (IRF3808), de ahí los requisitos para las resistencias R18-R23 y el amplificador DA3. Con un aumento en la cantidad de transistores potentes, puede ser necesario reemplazar el amplificador de forma IR2110 por uno más potente, por ejemplo, LM5110, o agregar un amplificador de potencia de transistor push-pull (una conexión IR2110 típica permite tal refinamiento [2 ]). La corriente consumida por el amplificador está determinada por la resistencia total del circuito R16R18-R24. La resistencia de las resistencias R19-R24 se calcula de la siguiente manera. Primero, se determina la corriente de carga promedio de la capacitancia de la puerta:
donde Upit es la tensión de alimentación del amplificador DA3, V; C3 - capacitancia de la puerta del transistor, F; t - tiempo de apertura/cierre del transistor, s. Entonces la resistencia del resistor en el circuito de la puerta es R3=Upit/I3,OM. Las resistencias del circuito de compuerta se sueldan mejor directamente a los cables del transistor. Al elegir los componentes del regulador SHI, se debe dar preferencia a los elementos de radio de mayor frecuencia. Literatura
Autor: N. Tokmakov, Syktyvkar; Publicación: radioradar.net
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