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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Regulador de potência do motor SHI
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Reguladores de potência, termômetros, estabilizadores de calor Nos últimos anos, tornou-se popular a montagem amadora de veículos eletrificados e a conversão de carros para convertê-los em tração elétrica. Neste caminho, os entusiastas esperam muitas dificuldades. Assim, por exemplo, um dos componentes complexos e caros de tais veículos - um dispositivo de controle de motor elétrico - provavelmente terá que ser desenvolvido e fabricado de forma independente. Resta acrescentar que há muito pouca literatura prática sobre o tema de controle de alta corrente. O artigo abaixo deve ajudar na resolução de uma série de questões nesta área do design. No desenvolvimento do dispositivo descrito a seguir, foi utilizada a experiência de um dos pioneiros da indústria de veículos elétricos [1]. O dispositivo ajudará a eletrificar brinquedos, scooters, ventiladores potentes, criar acionamentos elétricos de até 5 kW com tensão de até 150 V. O poder do regulador SHI apresentado à atenção dos leitores permite que você acione o motor elétrico de um veículo da categoria de peso Zhiguli -clássico. O esquema de dispositivos permite aumentar a potência dos dispositivos controlados substituindo os elementos de rádio por outros mais potentes em conformidade com as recomendações estabelecidas no artigo.
O regulador, cujo circuito é mostrado na fig. 1, consiste em quatro nós: um oscilador mestre em um transistor VT1, um modelador de pulso de controle montado nos microcircuitos DA2, DA3, um poderoso interruptor de corrente nos transistores VT4-VT9, uma fonte de alimentação VD1, R6, VT3, DA1. O regulador é alimentado por duas fontes: uma - com uma tensão de 20 a 30 V para alimentar a parte de baixa corrente do dispositivo, a segunda - até 150 V para alimentar a carga. O dispositivo possui uma entrada de sinal para bloqueio do regulador e uma saída para uma unidade de proteção externa que gera este sinal. O motor de tração é conectado em série com o interruptor de corrente. O elemento de ajuste de frequência do regulador é um gerador de pulso dente de serra em um transistor VT1. A frequência de 3 ... 4 kHz é determinada pelo circuito R3C1. Os pulsos são alimentados na entrada não inversora do comparador DA2, e a entrada inversora é energizada a partir do motor do resistor R11, que controla a velocidade do rotor do motor elétrico. Como resistor, foi usado um sensor de posição do acelerador dos carros VAZ da décima série. A resistência do sensor varia de 0 a 7,5 kOhm. O sensor possui um resistor de 1,5 kΩ embutido no circuito deslizante. Além disso, o resistor R9 e o capacitor C2 são adicionados a este circuito no regulador SHI para reduzir a influência do "salto" do contato do motor e aumentar a suavidade da regulação. Durante a operação em um determinado equipamento, pode ser necessário selecionar os elementos desta cadeia para obter a dinâmica de processo desejada. O critério para uma dinâmica satisfatória no caso de um veículo elétrico é a aceleração suave (quando o controle deslizante do resistor R11 se move para a esquerda conforme o esquema) e a frenagem (o mesmo para a direita) do carro, bem como o valor da corrente máxima através do motor elétrico.
Na fig. 2 na parte superior mostra de forma simplificada os pulsos Ug do gerador e a tensão URd retirada do motor do resistor R11. Como mostra a experiência prática de uso do regulador, para acelerar o processo de frenagem do motor elétrico, é aconselhável derivar o resistor R9 com um diodo KD522A, conectando-o com um ânodo ao ponto de conexão do resistor R9 e capacitor C2 para acelerar a descarga deste capacitor. O resistor R12 é usado para evitar uma emergência em caso de desconexão acidental do resistor R11 ou ruptura dos fios que o conectam ao regulador. Na saída do comparador DA2, obtemos uma sequência de pulsos Uynp (Fig. 2) com duração definida pelo resistor R11. Em seguida, o sinal é alimentado para o modelador de amplificador DA3, que gera pulsos com uma frente e uma recessão com duração não superior a 120 ns e, em seguida, para o circuito de porta de um bloco de poderosos transistores de comutação de efeito de campo VT4-VT9 . Os resistores R19-R24 equalizam os valores de corrente de carga da capacitância da porta dos transistores. O pulso de corrente de carga pode chegar a centenas de miliamperes. Quando os transistores estão fechados, a corrente de descarga flui através dos resistores R19-R24, do resistor R16, do circuito VD3R17 e da saída do amplificador DA3. A velocidade de fechamento dos transistores é importante não menos que a velocidade de abertura - o grau de aquecimento depende disso. Ao configurar o dispositivo, é necessário controlar a tensão dos pulsos de controle na porta de transistores poderosos - não deve ser inferior a 10 V - para evitar sua transição para o modo linear. A tensão de alimentação da carga depende das características do motor elétrico utilizado, mas não deve exceder a tensão nominal dreno-fonte dos transistores. Para o bloco de transistor IRF640, a tensão máxima é de 150 V com uma corrente de carga total de até 80 A. A natureza da mudança na potência vermelha do motor elétrico a partir de uma mudança na tensão no motor do resistor de controle R11 é mostrada de maneira simplificada na fig. 2. A posição inicial do motor deste resistor é a extrema direita de acordo com o esquema. Neste caso, não há pulsos de controle, os transistores de efeito de campo VT4-VT9 estão fechados, a carga é desenergizada. Para alimentar a parte de baixa corrente do dispositivo, é conveniente usar parte da tensão de alimentação da carga, especialmente se o motor elétrico for alimentado por uma bateria. Mas este método requer um teste cuidadoso do regulador antes da instalação na máquina, pois a resistência do fio de alimentação comum pode afetar negativamente a qualidade do regulador como um todo. Ao operar o dispositivo, é desejável fornecer proteção para transistores de modo linear e sobrecorrente. A transição dos transistores do modo de comutação para o modo de amplificação leva ao seu rápido superaquecimento e subsequente destruição. Os transistores usados no regulador são capazes de suportar sobrecargas e curtos-circuitos na carga por dezenas de microssegundos, não mais. Portanto, para salvar o regulador mesmo em situações de emergência, é aconselhável utilizar um dispositivo de proteção. Para sua conexão, são fornecidas duas saídas - o terminal shunt superior R27 no circuito de carga (com um resistor limitador R25) e a entrada do dispositivo de bloqueio (VT2) do modelador de pulso. O nó de proteção deve gerar um sinal que mantenha o transistor VT2 aberto até que a causa do acidente seja eliminada, e controlar a corrente no circuito de potência da carga, protegendo transistores potentes de comutação para modo linear e superaquecimento. O dispositivo host de proteção não é abordado neste artigo. Nos dispositivos de controle mais simples que não requerem proteção ou quando a probabilidade de uma emergência é pequena, o transistor VT2, os resistores R5 e R25 e o shunt R27 podem ser omitidos. Transistores poderosos são protegidos pelo diodo VD4 contra surtos de tensão quando o circuito de carga é interrompido. Sua tensão reversa máxima não deve ser menor que a tensão de alimentação e sua corrente direta não deve ser menor que a corrente nominal do motor. Diodos domésticos DCH151-125 ou importados 150EBU02 são adequados aqui. Quando o dispositivo é alimentado por bateria, ele deve ser bloqueado com capacitores C6-C13 com capacidade total de 10 microfarads por quilowatt de potência de carga para reduzir o efeito destrutivo da corrente de alta frequência na bateria. A tensão nominal dos capacitores não é menor que a tensão da bateria. O gerador, comparador, modelador de pulso e ventilador M1 são alimentados por uma tensão de 15 V de uma unidade composta por um estabilizador DA1 e um amplificador de corrente em um transistor VT3. O transistor e o estabilizador devem ser instalados em dissipadores de calor com área efetiva de pelo menos 20 cm1. Se o dispositivo possui transistores potentes instalados em dissipadores de calor que fornecem o resfriamento necessário, você pode ficar sem o ventilador MXNUMX.
A parte de baixa corrente do dispositivo está localizada na placa de circuito impresso na Fig. 3. Transistores poderosos VT4-VT9 são selecionados para uma carga específica. Neste caso, o número de transistores conectados ao amplificador modelador DA3 deve corresponder às suas características de saída [2, 3]. Como mostra a experiência, ao desenvolver um controlador SHI, é necessário prever uma margem de sobrecorrente. Isto é devido ao design dos transistores. Apesar do valor declarado da corrente, a seção transversal dos terminais dos transistores não corresponde a ela. A queda de tensão nos terminais dos transistores com seção transversal de 1,3 mm2 e, consequentemente, a energia dissipada é grande demais. A densidade de corrente nas saídas dos transistores não deve exceder 15...20 A/mm2. O regulador utiliza transistores IRF640 para corrente de 18 A e tensão de 200 V. O dispositivo também foi testado com transistores IRF3710 (100 V, 57 A), IRF3205 (55 V, 110 A), IRF3808 (75 V, 140 A) ) para controlar a potência do motor elétrico 3 kW e tensão de alimentação 48 V. Recomenda-se que o sinal de controle para os transistores de saída seja transmitido por um par trançado de fios diretamente para a porta e a fonte [4]. Não passe a corrente de controle do transistor pelo fio comum do dispositivo devido ao perigo de comutação de interferência do circuito de carga para o circuito de controle. Na prática, isso se manifesta como aumento do aquecimento dos transistores e sua falha imprevisível. Resultados ainda melhores são obtidos separando as fontes de energia de um nó de baixa corrente e um poderoso. O projeto de um poderoso interruptor regulador de corrente deve receber mais atenção. A qualidade do dispositivo como um todo depende de seu layout. Recomenda-se colocar transistores potentes VT4-VT9 de forma mais compacta, soldar condutores de seção grande (10 ... 20 mm2) em seus terminais e colocar resistores R18-R24 próximos a transistores potentes. Curvas de condutores dentro de uma unidade de energia são inaceitáveis, pois formam uma indutância parasita. Um dispositivo montado a partir de peças reparáveis, como regra, não requer ajuste. É suficiente apenas certificar-se de que o oscilador mestre está estável verificando a taxa de repetição de pulso (3 ... 4 kHz) no emissor do transistor VT1, que os limites de controle de potência de saída estão configurados corretamente (selecione os resistores R7, R13 se necessário) e que os pulsos de controle estejam presentes (com uma tensão de pelo menos 10 C) em um ponto comum no circuito dos resistores R18-R24. Os transistores de saída são montados em uma placa dissipadora de calor de cobre de 160x60x4 mm, refrigerada por uma ventoinha M1. Sem o uso de um ventilador, a área do dissipador de calor para cada transistor é calculada com base em suas características e dissipação de potência. Como ventoinha de resfriamento, você pode usar um cooler de computador pessoal conectado através de um resistor pré-selecionado (não mostrado no diagrama da Fig. 1) para diminuir a tensão para 9 ... 12 V. O dissipador de calor pode ser usado como saída combinada do dreno de transistores. A bateria dos capacitores C6-C13 deve ser montada próxima à bateria e, quando utilizada em um veículo, colocada em uma caixa separada para protegê-la da umidade. O diodo VD4 pode ser colocado em qualquer lugar conveniente. Ao trabalhar com um dispositivo de proteção, é usado um shunt pronto 75ShSM MZ (ou 75ShS). Seu valor é selecionado com base na corrente de carga do regulador. No caso em questão, foi utilizado um shunt de 100 A devido ao fato de que o dispositivo foi projetado para controlar o motor elétrico ZDT-31 para uma tensão de 24 V e uma corrente de 80 A. Para conectar a carga, fios de cobre com deve ser usada uma seção transversal de 8 A por 1 mm2, adequada, por exemplo, fio da série PVZ. Nas extremidades dos fios, são montados terminais de cabo que correspondem à sua seção transversal. Concluindo, alguns comentários no caso de substituição dos potentes transistores VT4-VT9. Os transistores da série IRF têm uma capacitância de porta significativa - de 1200 pF (para IRF640) a 5310 pF (IRF3808), daí os requisitos para resistores R18-R23 e amplificador DA3. À medida que o número de transistores potentes aumenta, pode ser necessário substituir o amplificador driver IR2110 por um mais potente, por exemplo LM5110, ou adicionar um amplificador de potência de transistor push-pull (a conexão IR2110 típica permite tal modificação [2]). A corrente consumida do amplificador é determinada pela resistência total do circuito R16R18-R24. A resistência dos resistores R19-R24 é calculada como segue. Primeiro, a corrente de carga média da capacitância da porta é determinada:
onde Upit é a tensão de alimentação do amplificador DA3, V; C3 - capacitância da porta do transistor, F; t - tempo de abertura/fechamento do transistor, s. Então a resistência do resistor no circuito da porta é R3=Upit/I3,OM. Os resistores do circuito de porta são melhor soldados diretamente aos terminais do transistor. Ao escolher os componentes do regulador SHI, deve-se dar preferência aos elementos de rádio de alta frequência. Literatura
Autor: N. Tokmakov, Syktyvkar; Publicação: radioradar.net
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