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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK SHI-Motorleistungsregler
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Leistungsregler, Thermometer, Wärmestabilisatoren In den letzten Jahren ist die Amateurmontage von elektrifizierten Fahrzeugen und die Umrüstung von Autos auf elektrische Traktion populär geworden. Auf diesem Weg erwarten Enthusiasten viele Schwierigkeiten. So wird zum Beispiel eine der komplexen und teuren Komponenten solcher Fahrzeuge – ein elektrisches Motorsteuergerät – höchstwahrscheinlich eigenständig entwickelt und hergestellt werden müssen. Es bleibt hinzuzufügen, dass es zum Thema Hochstromsteuerung nur sehr wenig Praxisliteratur gibt. Der folgende Artikel soll bei der Lösung einer Reihe von Problemen in diesem Bereich des Designs helfen. Bei der Entwicklung des nachfolgend beschriebenen Gerätes wurde die Erfahrung eines der Pioniere der Elektrofahrzeugindustrie [1] genutzt. Das Gerät wird dazu beitragen, Spielzeug, Roller und leistungsstarke Lüfter zu elektrifizieren und elektrische Antriebe bis zu 5 kW mit einer Spannung von bis zu 150 V zu erzeugen. Die Leistung des SHI-Reglers, der den Lesern zur Kenntnis gebracht wird, ermöglicht es Ihnen, den Elektromotor eines Fahrzeugs der Zhiguli-Gewichtsklasse anzutreiben -klassisch. Das Geräteschema ermöglicht eine Erhöhung der Leistung von gesteuerten Geräten durch Ersetzen von Funkelementen durch leistungsstärkere in Übereinstimmung mit den im Artikel dargelegten Empfehlungen.
Der Regler, dessen Schaltung in Abb. 1, besteht aus vier Knoten: einem Hauptoszillator an einem Transistor VT1, einem Steuerimpulsformer, der an Mikroschaltungen DA2, DA3 montiert ist, einem leistungsstarken Stromschalter an den Transistoren VT4-VT9, einer Stromversorgung VD1, R6, VT3, DA1. Der Regler wird von zwei Quellen gespeist: eine - mit einer Spannung von 20 bis 30 V zur Versorgung des Niederstromteils des Geräts, die zweite - bis zu 150 V zur Versorgung der Last. Das Gerät hat einen Signaleingang zum Blockieren des Reglers und einen Ausgang zu einer externen Schutzeinheit, die dieses Signal erzeugt. Der Fahrmotor ist mit dem Stromschalter in Reihe geschaltet. Das frequenzeinstellende Element des Reglers ist ein Sägezahnimpulsgenerator an einem Transistor VT1. Die Frequenz von 3 ... 4 kHz wird durch die R3C1-Schaltung bestimmt. Die Impulse werden dem nicht invertierenden Eingang des Komparators DA2 zugeführt, und der invertierende Eingang wird vom Motor des Widerstands R11 erregt, der die Drehzahl des Rotors des Elektromotors steuert. Als dieser Widerstand wurde ein Drosselklappensensor von VAZ-Fahrzeugen der zehnten Serie verwendet. Der Sensorwiderstand variiert von 0 bis 7,5 kOhm. Der Sensor hat einen eingebauten 1,5-kΩ-Widerstand im Schleiferkreis. Darüber hinaus werden dieser Schaltung im SHI-Regler der Widerstand R9 und der Kondensator C2 hinzugefügt, um den Einfluss des "Prellens" des Motorkontakts zu verringern und die Regelglätte zu erhöhen. Während des Betriebs an einer bestimmten Anlage kann es erforderlich sein, die Elemente dieser Kette auszuwählen, um die gewünschte Prozessdynamik zu erhalten. Das Kriterium für eine zufriedenstellende Dynamik bei einem Elektrofahrzeug ist eine gleichmäßige Beschleunigung (wenn sich der Schieber des Widerstands R11 gemäß dem Schema nach links bewegt) und ein Bremsen (dasselbe nach rechts) des Fahrzeugs sowie der Wert des maximaler Strom durch den Elektromotor.
Auf Abb. Fig. 2 oben zeigt vereinfacht die Impulse Ug des Generators und die vom Motor abgenommene Spannung URd des Widerstands R11. Wie die praktische Erfahrung bei der Verwendung des Reglers zeigt, ist es zur Beschleunigung des Bremsvorgangs des Elektromotors ratsam, den Widerstand R9 mit einer KD522A-Diode zu überbrücken und mit einer Anode an den Verbindungspunkt des Widerstands R9 und des Kondensators C2 anzuschließen um die Entladung dieses Kondensators zu beschleunigen. Der Widerstand R12 wird verwendet, um einen Notfall im Falle einer versehentlichen Trennung des Widerstands R11 oder eines Bruchs der Drähte zu verhindern, die ihn mit dem Regler verbinden. Am Ausgang des Komparators DA2 erhalten wir eine Impulsfolge Uynp (Fig. 2) mit einer durch den Widerstand R11 eingestellten Dauer. Dann wird das Signal dem Verstärkerformer DA3 zugeführt, der Impulse mit einer Front und einer Rezession mit einer Dauer von nicht mehr als 120 ns erzeugt, und dann der Gate-Schaltung eines Blocks leistungsstarker Feldeffekt-Schalttransistoren VT4-VT9 . Die Widerstände R19-R24 gleichen die Ladestromwerte der Gate-Kapazität der Transistoren aus. Der Ladestromimpuls kann Hunderte von Milliampere erreichen. Wenn die Transistoren geschlossen sind, fließt der Entladestrom durch die Widerstände R19-R24, den Widerstand R16, die VD3R17-Schaltung und den Ausgang des DA3-Verstärkers. Die Schließgeschwindigkeit von Transistoren ist nicht weniger wichtig als die Öffnungsgeschwindigkeit - davon hängt der Grad ihrer Erwärmung ab. Beim Einrichten des Geräts muss die Spannung der Steuerimpulse am Gate leistungsstarker Transistoren gesteuert werden - sie sollte nicht weniger als 10 V betragen -, um deren Übergang in einen linearen Modus zu verhindern. Die Lastversorgungsspannung hängt von den Eigenschaften des verwendeten Elektromotors ab, sollte jedoch die nominale Drain-Source-Spannung der Transistoren nicht überschreiten. Für den Transistorblock IRF640 beträgt die maximale Spannung 150 V bei einem Gesamtlaststrom von bis zu 80 A. Die Art der Leistungsänderung Red des Elektromotors durch eine Spannungsänderung am Motor des Steuerwiderstands R11 ist vereinfacht in Abb. 2 dargestellt. XNUMX. Die Ausgangsposition des Motors dieses Widerstands ist gemäß dem Schema ganz rechts. In diesem Fall gibt es keine Steuerimpulse, die Feldeffekttransistoren VT4-VT9 sind geschlossen, die Last ist stromlos. Um den Niederstromteil des Geräts mit Strom zu versorgen, ist es zweckmäßig, einen Teil der Lastversorgungsspannung zu verwenden, insbesondere wenn der Elektromotor von einer Batterie gespeist wird. Diese Methode erfordert jedoch ein sorgfältiges Testen des Reglers vor dem Einbau in die Maschine, da der Widerstand des gemeinsamen Stromkabels die Qualität des Reglers insgesamt beeinträchtigen kann. Beim Betrieb des Geräts ist es wünschenswert, Transistoren vor linearem Modus und Überstrom zu schützen. Der Übergang von Transistoren vom Umschalten in den Verstärkungsmodus führt zu ihrer schnellen Überhitzung und anschließenden Zerstörung. Die im Regler verwendeten Transistoren halten Überlastungen und Kurzschlüssen in der Last für mehrere zehn Mikrosekunden nicht mehr stand. Um den Regler auch in Notsituationen zu retten, ist es daher ratsam, eine Schutzvorrichtung zu verwenden. Zu seinem Anschluss sind zwei Ausgänge vorgesehen - der obere Nebenschlussanschluss R27 im Lastkreis (mit einem Begrenzungswiderstand R25) und der Eingang der Sperrvorrichtung (VT2) des Impulsformers. Der Schutzknoten muss ein Signal erzeugen, das den VT2-Transistor offen hält, bis die Unfallursache beseitigt ist, und den Strom im Laststromkreis steuern, um leistungsstarke Transistoren vor dem Umschalten in den linearen Modus und Überhitzung zu schützen. Das Schutzhostgerät wird in diesem Artikel nicht behandelt. Bei den einfachsten Steuergeräten, die keinen Schutz benötigen oder wenn die Wahrscheinlichkeit eines Notfalls gering ist, können der Transistor VT2, die Widerstände R5 und R25 und der Shunt R27 weggelassen werden. Leistungsstarke Transistoren werden durch die VD4-Diode vor Spannungsspitzen geschützt, wenn der Lastkreis unterbrochen wird. Seine maximale Sperrspannung darf nicht kleiner sein als die Versorgungsspannung und sein Durchlassstrom darf nicht kleiner sein als der Nennstrom des Motors. Hier eignen sich inländische Dioden DCH151-125 oder importierte 150EBU02. Wenn das Gerät von einer Batterie gespeist wird, sollte es mit den Kondensatoren C6-C13 mit einer Gesamtkapazität von 10 Mikrofarad pro Kilowatt Lastleistung blockiert werden, um die zerstörerische Wirkung von Hochfrequenzstrom auf die Batterie zu verringern. Die Nennspannung der Kondensatoren ist nicht kleiner als die Batteriespannung. Generator, Komparator, Impulsformer und Lüfter M1 werden mit einer Spannung von 15 V von einer Einheit versorgt, die aus einem DA1-Stabilisator und einem Stromverstärker an einem VT3-Transistor besteht. Der Transistor und der Stabilisator müssen auf Kühlkörpern mit einer effektiven Fläche von mindestens 20 cm1 installiert werden. Verfügt das Gerät über leistungsstarke Transistoren, die auf Kühlkörpern verbaut sind, die ihnen die nötige Kühlung verschaffen, kann auf den MXNUMX-Lüfter verzichtet werden.
Der Schwachstromteil des Gerätes befindet sich auf der Leiterplatte in Abb. 3. Leistungsstarke Transistoren VT4-VT9 werden für eine bestimmte Last ausgewählt. In diesem Fall muss die Anzahl der an den Formverstärker DA3 angeschlossenen Transistoren seiner Ausgangscharakteristik entsprechen [2, 3]. Erfahrungsgemäß ist bei der Entwicklung eines SHI-Reglers eine Überstromspanne vorzusehen. Dies liegt an der Konstruktion der Transistoren. Trotz des angegebenen Stromwerts entspricht der Querschnitt der Anschlüsse der Transistoren nicht diesem. Der Spannungsabfall an den Anschlüssen von Transistoren mit einem Querschnitt von 1,3 mm2 und dementsprechend die dissipierte Energie ist verschwenderisch groß. Die Stromdichte in den Ausgängen von Transistoren sollte 15...20 A/mm2 nicht überschreiten. Der Regler verwendet IRF640-Transistoren für einen Strom von 18 A und eine Spannung von 200 V. Das Gerät wurde auch mit den Transistoren IRF3710 (100 V, 57 A), IRF3205 (55 V, 110 A), IRF3808 (75 V, 140 A) getestet ) zur Steuerung der Elektromotorleistung 3 kW und Versorgungsspannung 48 V. Es wird empfohlen, das Steuersignal für die Ausgangstransistoren über ein verdrilltes Adernpaar direkt an Gate und Source zu übertragen [4]. Führen Sie den Steuerstrom des Transistors nicht durch die gemeinsame Leitung des Geräts, da die Gefahr besteht, dass Störungen vom Lastkreis auf den Steuerkreis geschaltet werden. In der Praxis äußert sich dies in einer erhöhten Erwärmung von Transistoren und deren unvorhersehbarem Ausfall. Noch bessere Ergebnisse werden erzielt, indem die Stromquellen eines Niedrigstromknotens und eines leistungsstarken Knotens getrennt werden. Dem Design eines leistungsstarken Stromreglerschalters muss die größte Aufmerksamkeit geschenkt werden. Die Qualität des gesamten Geräts hängt von seinem Layout ab. Es wird empfohlen, die leistungsstarken Transistoren VT4-VT9 kompakter zu platzieren, Leiter mit großem Querschnitt (10 ... 20 mm2) an ihre Anschlüsse zu löten und die Widerstände R18-R24 in unmittelbarer Nähe zu leistungsstarken Transistoren zu platzieren. Biegungen von Leitern innerhalb eines Leistungsteils sind nicht akzeptabel, da sie eine parasitäre Induktivität bilden. Ein aus wartungsfähigen Teilen zusammengesetztes Gerät muss in der Regel nicht eingestellt werden. Es reicht aus, nur sicherzustellen, dass der Hauptoszillator stabil ist, indem die Impulswiederholungsrate (3 ... 4 kHz) am Emitter des Transistors VT1 überprüft wird, dass die Ausgangsleistungssteuergrenzen richtig eingestellt sind (Widerstände R7, R13 auswählen, wenn notwendig) und dass Steuerimpulse (mit einer Spannung von mindestens 10 C) an einem gemeinsamen Punkt im Stromkreis der Widerstände R18-R24 anliegen. Die Ausgangstransistoren sind auf einer 160 x 60 x 4 mm großen Kühlkörperplatte aus Kupfer montiert und werden von einem M1-Lüfter gekühlt. Ohne die Verwendung eines Lüfters wird die Kühlkörperfläche für jeden Transistor basierend auf seinen Eigenschaften und seiner Verlustleistung berechnet. Als Lüfter können Sie einen PC-Kühler verwenden, der über einen vorgewählten Widerstand angeschlossen ist (im Diagramm in Abb. 1 nicht dargestellt), um die Spannung auf 9 ... 12 V zu senken. Der Kühlkörper kann als kombinierter Ausgang des Drains von Transistoren verwendet werden. Die Batterie mit den Kondensatoren C6-C13 sollte in unmittelbarer Nähe der Batterie montiert und bei Verwendung in einem Fahrzeug in einer separaten Box untergebracht werden, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen. Die Diode VD4 kann an jedem geeigneten Ort platziert werden. Beim Arbeiten mit einer Schutzeinrichtung wird ein vorgefertigter Shunt 75ShSM MZ (oder 75ShS) verwendet. Sein Wert wird basierend auf dem Laststrom des Reglers ausgewählt. Im betrachteten Fall wurde ein 100-A-Shunt verwendet, da das Gerät zur Steuerung des Elektromotors ZDT-31 für eine Spannung von 24 V und einen Strom von 80 A ausgelegt war. Zum Anschließen der Last Kupferdrähte mit es sollte ein Querschnitt von 8 A pro 1 mm2 verwendet werden, geeignet sind z. B. Kabel der Serie PVZ. An den Enden der Adern sind Kabelschuhe angebracht, die ihrem Querschnitt entsprechen. Abschließend noch ein paar Anmerkungen zum Austausch der leistungsstarken Transistoren VT4-VT9. Transistoren der IRF-Serie haben eine erhebliche Gate-Kapazität – von 1200 pF (für IRF640) bis 5310 pF (IRF3808), daher die Anforderungen an die Widerstände R18-R23 und den DA3-Verstärker. Mit zunehmender Anzahl leistungsstarker Transistoren kann es erforderlich sein, den IR2110-Formverstärker durch einen leistungsstärkeren, beispielsweise den LM5110, zu ersetzen oder einen Push-Pull-Transistor-Leistungsverstärker hinzuzufügen (eine typische IR2110-Verbindung ermöglicht eine solche Verfeinerung [ 2]). Der vom Verstärker verbrauchte Strom wird durch den Gesamtwiderstand des R16R18-R24-Stromkreises bestimmt. Der Widerstandswert der Widerstände R19-R24 wird wie folgt berechnet. Zunächst wird der mittlere Ladestrom der Gate-Kapazität bestimmt:
wobei Upit die Versorgungsspannung des Verstärkers DA3, V ist; C3 - Transistor-Gate-Kapazität, F; t - Öffnungs-/Schließzeit des Transistors, s. Dann ist der Widerstandswert des Widerstands in der Gate-Schaltung R3=Upit/I3,OM. Die Widerstände des Gate-Schaltkreises werden am besten direkt an die Transistoranschlüsse gelötet. Bei der Auswahl der Komponenten des SHI-Reglers sollten höherfrequente Funkelemente bevorzugt werden. Literatur
Autor: N. Tokmakov, Syktyvkar; Veröffentlichung: radioradar.net
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