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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Régulateur de puissance moteur SHI
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Régulateurs de puissance, thermomètres, stabilisateurs thermiques Ces dernières années, l'assemblage amateur de véhicules électrifiés et la conversion de voitures pour les convertir à la traction électrique sont devenus populaires. Sur ce chemin, les passionnés s'attendent à beaucoup de difficultés. Ainsi, par exemple, l'un des composants complexes et coûteux de ces véhicules - un dispositif de commande de moteur électrique - devra très probablement être développé et fabriqué de manière indépendante. Il reste à ajouter qu'il existe très peu de littérature pratique sur le sujet du contrôle des courants forts. L'article ci-dessous devrait aider à résoudre un certain nombre de problèmes dans ce domaine de la conception. Dans le développement du dispositif décrit ci-dessous, l'expérience d'un des pionniers de l'industrie du véhicule électrique [1] a été utilisée. L'appareil aidera à électrifier les jouets, les scooters, les ventilateurs puissants, à créer des entraînements électriques jusqu'à 5 kW avec une tension jusqu'à 150 V. La puissance du régulateur SHI présenté à l'attention des lecteurs permet de piloter le moteur électrique d'un véhicule de la catégorie de poids Zhiguli -classique. Le schéma de l'appareil permet d'augmenter la puissance des appareils contrôlés en remplaçant les éléments radio par des éléments plus puissants conformément aux recommandations décrites dans l'article.
Le régulateur, dont le circuit est illustré à la fig. 1, se compose de quatre nœuds: un oscillateur maître basé sur un transistor VT1, un formateur d'impulsions de commande assemblé sur des microcircuits DA2, DA3, un puissant commutateur de courant basé sur des transistors VT4-VT9, une unité d'alimentation VD1, R6, VT3, DA1. Le régulateur est alimenté par deux sources : une - avec une tension de 20 à 30 V pour alimenter la partie basse intensité de l'appareil, la seconde - jusqu'à 150 V pour alimenter la charge. Le dispositif a une entrée de signal pour bloquer le régulateur et une sortie vers une unité de protection externe qui génère ce signal. Le moteur de traction est connecté en série avec l'interrupteur de courant. L'élément de réglage de fréquence du régulateur est un générateur d'impulsions en dents de scie sur un transistor VT1. La fréquence de 3 ... 4 kHz est déterminée par le circuit R3C1. Les impulsions sont envoyées à l'entrée non inverseuse du comparateur DA2, et l'entrée inverseuse est alimentée par le moteur de la résistance R11, qui contrôle la vitesse du rotor du moteur électrique. En tant que résistance, un capteur de position du papillon des voitures VAZ de la dixième série a été utilisé. La résistance du capteur varie de 0 à 7,5 kOhm. Le capteur a une résistance intégrée de 1,5 kΩ dans le circuit coulissant. En plus de cela, la résistance R9 et le condensateur C2 sont ajoutés à ce circuit dans le régulateur SHI pour réduire l'influence du "rebond" du contact moteur et augmenter la douceur de la régulation. Lors d'un fonctionnement sur un équipement particulier, il peut être nécessaire de sélectionner les éléments de ce circuit pour obtenir la dynamique de procédé souhaitée. Le critère d'une dynamique satisfaisante dans le cas d'une voiture électrique est une accélération douce (lorsque le curseur de la résistance R11 se déplace vers la gauche selon le schéma) et le freinage (le même vers la droite) de la voiture, ainsi que la valeur de la courant maximal dans le moteur électrique.
Sur la fig. 2 en haut montre de manière simplifiée les impulsions Ug du générateur et la tension URd prélevée sur le moteur de la résistance R11. Comme le montre l'expérience pratique de l'utilisation du régulateur, pour accélérer le processus de freinage du moteur électrique, il est conseillé de shunter la résistance R9 avec une diode KD522A, en la connectant avec une anode au point de connexion de la résistance R9 et du condensateur C2 pour accélérer la décharge de ce condensateur. La résistance R12 sert à prévenir une urgence en cas de déconnexion accidentelle de la résistance R11 ou de rupture des fils la reliant au régulateur. A la sortie du comparateur DA2, on obtient une séquence d'impulsions Uynp (Fig. 2) d'une durée fixée par la résistance R11. Ensuite, le signal est envoyé à l'amplificateur-formeur DA3, qui génère des impulsions avec un front et une récession d'une durée maximale de 120 ns, puis au circuit de porte d'un bloc de puissants transistors de commutation à effet de champ VT4-VT9 . Les résistances R19-R24 égalisent les valeurs de courant de charge de la capacité de grille des transistors. L'impulsion de courant de charge peut atteindre des centaines de milliampères. Lorsque les transistors sont fermés, le courant de décharge traverse les résistances R19-R24, la résistance R16, le circuit VD3R17 et la sortie de l'amplificateur DA3. La vitesse de fermeture des transistors n'est pas moins importante que la vitesse d'ouverture - le degré de leur chauffage en dépend. Lors de la configuration de l'appareil, il est nécessaire de contrôler la tension des impulsions de commande à la grille des transistors puissants - elle ne doit pas être inférieure à 10 V - pour empêcher leur passage en mode linéaire. La tension d'alimentation de la charge dépend des caractéristiques du moteur électrique utilisé, mais ne doit pas dépasser la tension nominale drain-source des transistors. Pour le bloc de transistors IRF640, la tension maximale est de 150 V avec un courant de charge total pouvant atteindre 80 A. La nature de la variation de puissance Red du moteur électrique à partir d'une variation de tension sur le moteur de la résistance de commande R11 est représentée de manière simplifiée sur la fig. 2. La position initiale du moteur de cette résistance est l'extrême droite selon le schéma. Dans ce cas, il n'y a pas d'impulsions de commande, les transistors à effet de champ VT4-VT9 sont fermés, la charge est désexcitée. Pour alimenter la partie courant faible de l'appareil, il convient d'utiliser une partie de la tension d'alimentation de la charge, notamment si le moteur électrique est alimenté par une batterie. Mais cette méthode nécessite un test minutieux du régulateur avant son installation sur la machine, car la résistance du fil d'alimentation commun peut nuire à la qualité du régulateur dans son ensemble. Lors du fonctionnement de l'appareil, il est souhaitable de prévoir la protection des transistors contre le mode linéaire et les surintensités. Le passage des transistors de la commutation au mode d'amplification entraîne leur surchauffe rapide et leur destruction ultérieure. Les transistors utilisés dans le régulateur sont capables de supporter des surcharges et des courts-circuits dans la charge pendant des dizaines de microsecondes, pas plus. Par conséquent, afin de sauver le régulateur même dans les situations d'urgence, il est conseillé d'utiliser un dispositif de protection. Pour sa connexion, deux sorties sont fournies - la borne de shunt supérieure R27 dans le circuit de charge (avec une résistance de limitation R25) et l'entrée du dispositif de blocage (VT2) du formateur d'impulsions. L'unité de protection doit générer un signal qui maintient le transistor VT2 ouvert jusqu'à ce que la cause de l'accident soit éliminée et contrôler le courant dans le circuit d'alimentation de charge, en protégeant les transistors puissants du passage en mode linéaire et de la surchauffe. Le périphérique hôte de protection n'est pas traité dans cet article. Dans les dispositifs de commande les plus simples qui ne nécessitent pas de protection ou lorsque la probabilité d'une urgence est faible, le transistor VT2, les résistances R5 et R25 et le shunt R27 peuvent être omis. Les transistors puissants sont protégés par la diode VD4 des surtensions lors de la coupure du circuit de charge. Sa tension inverse maximale ne doit pas être inférieure à la tension d'alimentation et son courant direct ne doit pas être inférieur au courant nominal du moteur. Les diodes domestiques DCH151-125 ou importées 150EBU02 conviennent ici. Lorsque l'appareil est alimenté par une batterie, il doit être bloqué avec des condensateurs C6-C13 d'une capacité totale de 10 000 microfarads par kilowatt de puissance de charge afin de réduire l'effet destructeur du courant haute fréquence sur la batterie. La tension nominale des condensateurs n'est pas inférieure à la tension de la batterie. Le générateur, le comparateur, le conformateur d'impulsions et le ventilateur M1 sont alimentés par une tension de 15 V à partir d'un ensemble constitué d'un stabilisateur DA1 et d'un amplificateur de courant sur un transistor VT3. Le transistor et le stabilisateur doivent être installés sur des dissipateurs thermiques d'une surface effective d'au moins 20 cm1. Si l'appareil dispose de transistors puissants installés sur des dissipateurs thermiques qui leur fournissent le refroidissement nécessaire, vous pouvez vous passer du ventilateur MXNUMX.
La partie à faible courant de l'appareil est située sur la carte de circuit imprimé de la Fig. 3. Les transistors puissants VT4-VT9 sont sélectionnés pour une charge spécifique. Dans ce cas, le nombre de transistors connectés à l'amplificateur de mise en forme DA3 doit correspondre à ses caractéristiques de sortie [2, 3]. Comme le montre l'expérience, lors du développement d'un contrôleur SHI, il est nécessaire de prévoir une marge de surintensité. Cela est dû à la conception des transistors. Malgré la valeur déclarée du courant, la section des bornes des transistors ne lui correspond pas. La chute de tension aux bornes des transistors d'une section de 1,3 mm2 et, par conséquent, l'énergie dissipée est inutilement importante. La densité de courant dans les sorties des transistors ne doit pas dépasser 15...20 A/mm2. Le régulateur utilise des transistors IRF640 pour un courant de 18 A et une tension de 200 V. Le dispositif a également été testé avec les transistors IRF3710 (100 V, 57 A), IRF3205 (55 V, 110 A), IRF3808 (75 V, 140 A ) pour contrôler la puissance du moteur électrique 3 kW et la tension d'alimentation 48 V. Il est recommandé de transmettre le signal de commande aux transistors de sortie via une paire de fils torsadés directement à la grille et à la source [4]. Ne faites pas passer le courant de commande des transistors à travers le fil commun de l'appareil en raison du risque d'interférence de commutation du circuit de charge vers le circuit de commande. En pratique, cela se manifeste par un échauffement accru des transistors et leur défaillance imprévisible. Des résultats encore meilleurs sont obtenus en séparant les alimentations d'un nœud à faible courant et d'un nœud puissant. La conception d'un interrupteur régulateur de courant puissant doit faire l'objet de la plus grande attention. La qualité de l'appareil dans son ensemble dépend de sa disposition. Il est recommandé de placer les transistors puissants VT4-VT9 de manière plus compacte, de souder des conducteurs de grande section (10 ... 20 mm2) à leurs bornes et de placer les résistances R18-R24 à proximité de transistors puissants. Les courbures des conducteurs à l'intérieur d'une unité de puissance sont inacceptables, car elles forment une inductance parasite. En règle générale, un appareil assemblé à partir de pièces réparables ne nécessite aucun réglage. Il suffit juste de s'assurer que l'oscillateur maître est stable en vérifiant le taux de répétition des impulsions (3 ... 4 kHz) à l'émetteur du transistor VT1, que les limites de contrôle de la puissance de sortie sont correctement réglées (sélectionnez les résistances R7, R13 si nécessaire) et que des impulsions de commande sont présentes (avec une tension d'au moins 10 C) en un point commun dans le circuit des résistances R18-R24. Les transistors de sortie sont montés sur une plaque dissipatrice en cuivre de 160x60x4 mm, refroidie par un ventilateur M1. Sans ventilateur, la surface du dissipateur thermique de chaque transistor est calculée en fonction de ses caractéristiques et de sa dissipation de puissance. En tant que ventilateur de refroidissement, vous pouvez utiliser un refroidisseur d'ordinateur personnel connecté via une résistance présélectionnée (non représentée sur le schéma de la Fig. 1) pour abaisser la tension à 9 ... 12 V. Le dissipateur thermique peut être utilisé comme sortie combinée du drain des transistors. La batterie de condensateurs C6-C13 doit être montée à proximité de la batterie et, lorsqu'elle est utilisée sur un véhicule, placée dans une boîte séparée pour la protéger de l'humidité. La diode VD4 peut être placée dans n'importe quel endroit pratique. Lorsque vous travaillez avec un dispositif de protection, un shunt prêt à l'emploi 75ShSM MZ (ou 75ShS) est utilisé. Sa valeur est choisie en fonction du courant de charge du régulateur. Dans le cas considéré, un shunt de 100 A a été utilisé du fait que l'appareil était conçu pour contrôler le moteur électrique ZDT-31 pour une tension de 24 V et un courant de 80 A. Pour connecter la charge, des fils de cuivre avec une section de 8 A pour 1 mm2 doit être utilisée, appropriée, par exemple, un fil de la série PVZ. Aux extrémités des fils, des cosses de câble sont montées qui correspondent à leur section. En conclusion, quelques commentaires en cas de remplacement de transistors puissants VT4-VT9. Les transistors de la série IRF ont une capacité de grille importante - de 1200 640 pF (pour IRF5310) à 3808 18 pF (IRF23), d'où les exigences relatives aux résistances R3-R2110 et à l'amplificateur DA5110. Si le nombre de transistors puissants augmente, il peut être nécessaire de remplacer l'amplificateur pilote IR2110 par un autre plus puissant, par exemple LM2, ou d'ajouter un amplificateur de puissance à transistor push-pull (la connexion typique IR16 permet une telle modification [18]). Le courant consommé par l'amplificateur est déterminé par la résistance totale du circuit R24RXNUMX-RXNUMX. La résistance des résistances R19-R24 est calculée comme suit. Tout d'abord, le courant de charge moyen de la capacité de grille est déterminé :
où Upit est la tension d'alimentation de l'amplificateur DA3, V ; C3 - capacité de grille du transistor, F; t - temps d'ouverture/fermeture du transistor, s. Ensuite, la résistance de la résistance dans le circuit de porte est R3=Upit/I3,OM. Il est préférable de souder les résistances du circuit de grille directement aux fils du transistor. Lors du choix des composants du régulateur SHI, la préférence doit être donnée aux éléments radio à haute fréquence. littérature
Auteur : N. Tokmakov, Syktyvkar ; Publication : radioradar.net
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