ШИ регулятор мощности электродвигателей

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Регуляторы мощности, термометры, термостабилизаторы

 Комментарии к статье

В последние годы становится популярным увлечение любительской сборкой электрифицированного транспорта и переоборудованием автомобилей для перевода их на электрическую тягу. На этом пути энтузиастов ожидает немало трудностей. Так, например, один из сложных и дорогих узлов подобных транспортных средств - устройство управления электродвигателями, - скорее всего, придется разрабатывать и изготовлять самостоятельно. Остается добавить, что практической литературы на тему управления большим током крайне мало. Помещенная ниже статья должна помочь в решении ряда вопросов в указанной области конструирования.

При разработке описываемого ниже устройства использован опыт одного из пионеров электромобилестроения [1]. Устройство поможет электрифицировать игрушки, скутеры, мощные вентиляторы, создавать электроприводы мощностью до 5 кВт напряжением до 150 В.

Мощность представляемого вниманию читателей ШИ регулятора позволяет приводить в действие электродвигатель транспортного средства весовой категории "Жигули"-классика. Схема устройства допускает увеличение мощности управляемых устройств путем замены радиоэлементов на более мощные с соблюдением рекомендаций, изложенных в статье.

Рис. 1

Регулятор, схема которого показана на рис. 1, состоит из четырех узлов: задающего генератора на транзисторе VT1, формирователя управляющих импульсов, собранного на микросхемах DA2, DA3, мощного коммутатора тока на транзисторах VT4-VT9, блока питания VD1, R6, VT3, DA1. Регулятор питается от двух источников: один - напряжением от 20 до 30 В для питания слаботочной части устройства, второй - до 150 В для питания нагрузки. Устройство имеет вход сигнала для блокировки регулятора и выход на внешний узел защиты, формирующий этот сигнал. Тяговый электродвигатель включают последовательно с коммутатором тока.

Частотозадающим элементом регулятора служит генератор пилообразных импульсов на транзисторе VT1. Частоту 3...4 кГц определяет цепь R3C1. Импульсы поступают на неинвертирующий вход компаратора DA2, а на инвертирующий подано напряжение с движка резистора R11, управляющего частотой вращения ротора электродвигателя. В качестве этого резистора использован датчик положения дроссельной заслонки от автомобилей ВАЗ десятой серии. Сопротивление датчика изменяется от 0 до 7,5 кОм.

В датчике в цепи ползунка имеется встроенный резистор сопротивлением 1,5 кОм. В дополнение к нему в ШИ регуляторе в эту цепь добавлены резистор R9 и конденсатор С2 для уменьшения влияния "дребезга" контакта движка и увеличения плавности регулирования. В процессе эксплуатации на конкретном оборудовании может потребоваться подборка элементов этой цепи для получения нужной динамики процесса. Критерием удовлетворительной динамики в случае с электромобилем служат плавные разгон (при перемещении движка резистора R11 влево по схеме) и торможение (то же - вправо) машины, а также значение максимального тока через электродвигатель.

Рис.2

На рис. 2 вверху упрощенно показаны импульсы Uг генератора и напряжение URд, снимаемое с движка резистора R11.

Как показывает практический опыт применения регулятора, для ускорения процесса торможения электродвигателя бывает целесообразно зашунтировать резистор R9 диодом КД522А, подключив его анодом к точке соединения резистора R9 и конденсатора С2 для ускорения разрядки этого конденсатора. Резистор R12 служит для предотвращения аварийной ситуации при случайном отключении резистора R11 или обрыве проводов, соединяющих его с регулятором.

На выходе компаратора DA2 получаем последовательность импульсов Uynp (рис. 2) длительностью, задаваемой резистором R11. Затем сигнал поступает на усилитель-формирователь DA3, вырабатывающий импульсы с фронтом и спадом длительностью не более 120 не, и далее - в цепь затвора блока мощных полевых переключательных транзисторов VT4-VT9. Резисторы R19-R24 выравнивают значения тока зарядки емкости затвора транзисторов. Импульс зарядного тока может достигать сотен миллиампер. При закрывании транзисторов разрядный ток протекает через резисторы R19-R24, резистор R16, цепь VD3R17 и выход усилителя DA3.

Скорость закрывания транзисторов важна не менее скорости открывания - от этого зависит степень их нагревания. При налаживании устройства необходимо контролировать напряжение управляющих импульсов на затворе мощных транзисторов - оно не должно быть менее 10 В - для исключения их перехода в линейный режим.

Напряжение питания нагрузки зависит от характеристик применяемого электродвигателя, но не должно превышать номинального напряжения сток-исток транзисторов. Для блока транзисторов IRF640 максимальное напряжение - 150 В при суммарном токе нагрузки до 80 А.

Характер изменения мощности Рэд электродвигателя от изменения напряжения на движке управляющего резистора R11 упрощенно показан на рис. 2.

Исходное положение движка этого резистора - крайнее правое по схеме. При этом управляющие импульсы отсутствуют, полевые транзисторы VT4- VT9 закрыты, нагрузка обесточена.

Для питания слаботочной части устройства удобно использовать часть напряжения питания нагрузки, особенно если электродвигатель питается от батареи аккумуляторов. Но этот способ требует тщательных испытаний регулятора до установки на машину, так как сопротивление общего провода питания может отрицательно повлиять на качество работы регулятора в целом.

При эксплуатации устройства желательно предусмотреть защиту транзисторов от линейного режима и перегрузки по току. Переход транзисторов из переключательного режима в усилительный приводит к их быстрому перегреву и последующему разрушению. Используемые в регуляторе транзисторы способны выдерживать перегрузки и замыкания в нагрузке в течение десятков микросекунд, не дольше. Поэтому с целью сохранения регулятора даже в аварийных ситуациях целесообразно использовать устройство защиты. Для его подключения предусмотрены два вывода - верхний по схеме зажим шунта R27 в цепи нагрузки (с ограничительным резистором R25) и вход блокирующего устройства (VT2) формирователя импульсов. Узел защиты должен формировать сигнал, удерживающий транзистор VT2 открытым до устранения причины аварии, и контролировать ток в цепи питания нагрузки, предохраняя мощные транзисторы от перехода в линейный режим и перегревания.

Устройство узла защиты в этой статье не рассматривается.

В простейших устройствах управления, не требующих защиты или когда вероятность возникновения аварийной ситуации мала, транзистор VT2, резисторы R5 и R25 и шунт R27 можно не устанавливать.

Мощные транзисторы защищены диодом VD4 от всплесков напряжения при разрыве цепи нагрузки. Его максимальное обратное напряжение не должно быть менее напряжения питания, а прямой ток - менее номинального тока двигателя. Здесь подойдут отечественные диоды ДЧ151-125 или импортные 150EBU02.

При питании устройства от аккумуляторной батареи ее следует блокировать конденсаторами С6-С13 общей емкостью из расчета 10 000 мкФ на один киловатт мощности нагрузки с целью уменьшения разрушающего действия тока высокой частоты на батарею. Номинальное напряжение конденсаторов - не менее напряжения батареи.

Генератор, компаратор, формирователь импульсов и вентилятор М1 питаются напряжением 15 В от блока, состоящего из стабилизатора DA1 и усилителя тока на транзисторе VT3. Транзистор и стабилизатор необходимо устанавливать на теплоотводы с эффективной площадью не менее 20 см . В случае, если в устройстве мощные транзисторы установлены на теплоотводы, обеспечивающие их необходимое охлаждение, можно обойтись без вентилятора М1.

Рис. 3

Слаботочная часть устройства размещена на печатной плате рис. 3.

Мощные транзисторы VT4-VT9 подбирают под конкретную нагрузку. При этом число транзисторов, подключаемых к усилителю-формирователю DA3, должно соответствовать его выходным характеристикам [2, 3]. Как показывает опыт, при разработке ШИ регулятора необходимо предусматривать запас перегрузки по току. Это вызвано конструктивным исполнением транзисторов. Несмотря на заявленное значение тока, сечение выводов транзисторов ему не соответствует. Падение напряжения на выводах транзисторов сечением 1,3 мм2, а соответственно, и рассеиваемая энергия расточительно велики. Плотность тока в выводах транзисторов не должна превышать 15...20 А/мм2.

В регуляторе применены транзисторы IRF640 на ток 18 А и напряжение 200 В. Устройство было испытано также с транзисторами IRF3710 (100 В, 57 А), IRF3205 (55 В, 110 A), IRF3808 (75 В, 140 А) для управления электродвигателем мощностью 3 кВт и напряжением питания 48 В.

Сигнал управления на выходные транзисторы рекомендуется передавать по витой паре проводов непосредственно на затвор и исток [4]. Не следует пропускать ток управления транзисторов через общий провод устройства из-за опасности проникновения коммутационных помех из цепи нагрузки в цепь управления. На практике это проявляется как повышенное нагревание транзисторов и их непредсказуемый выход из строя. Еще лучшие результаты дает разделение источников питания слаботочного узла и мощного. Конструкции мощного коммутатора тока регулятора необходимо уделить наибольшее внимание. От его компоновки зависит качество работы устройства в целом. Рекомендуется компактнее разместить мощные транзисторы VT4-VT9, к их выводам припаять проводники большого сечения (10...20 мм2), а резисторы R18-R24 разместить в непосредственной близости от мощных транзисторов. Недопустимы изгибы проводников в пределах мощного блока, так как они образуют паразитную индуктивность.

Устройство, собранное из исправных деталей, налаживания, как правило, не требует. Достаточно лишь убедиться в устойчивой работе задающего генератора проверкой частоты следования импульсов (3...4 кГц) на эмиттере транзистора VT1, в правильности установки пределов регулирования выходной мощности (при необходимости подобрать резисторы R7, R13) и наличии управляющих импульсов (напряжением не менее 10 В) на общей точке цепи резисторов R18-R24.

Выходные транзисторы устанавливают на медную теплоотводящую пластину размерами 160x60x4 мм, охлаждаемую вентилятором М1. Без применения вентилятора площадь теплоотвода для каждого транзистора рассчитывают исходя из его характеристик и рассеиваемой мощности. В качестве охлаждающего вентилятора можно использовать кулер персонального компьютера, подключенный через предварительно подобранный резистор (на схеме рис. 1 не показан) для понижения напряжения до 9...12 В.

Теплоотвод допустимо использовать в качестве объединенного вывода стока транзисторов.

Батарею конденсаторов С6-С13 следует монтировать в непосредственной близости от батареи аккумуляторов, а при использовании на транспортном средстве - поместить в отдельную коробку для защиты от влаги. Диод VD4 можно расположить в любом удобном месте. При работе с защитным устройством используется готовый шунт 75ШСМ МЗ (или 75ШС). Номинал его подбирают исходя из тока нагрузки регулятора. В рассматриваемом случае применен шунт на 100 А в связи с тем, что устройство разработано для управления электродвигателем ЗДТ-31 на напряжение 24 В и ток 80 А. Для подключения нагрузки следует применять медные провода сечением из расчета 8 А на 1 мм2, подойдет, например, провод из серии ПВЗ. На концах проводов монтируют кабельные наконечники, соответствующие их сечению.

В заключение несколько замечаний на случай замены мощных транзисторов VT4-VT9. Транзисторы серии IRF имеют значительную емкость затвора - от 1200 пф (у IRF640) до 5310 пФ(IRF3808), отсюда вытекают требования к резисторам R18-R23 и усилителю DA3. При увеличении числа мощных транзисторов может потребоваться замена усилителя-формирователя IR2110 на более мощный, например LM5110, или добавление двухтактного транзисторного усилителя мощности (типовое подключение IR2110 допускает такую доработку [2]). Потребляемый от усилителя ток определяется суммарным сопротивлением цепи R16R18-R24.

Сопротивление резисторов R19- R24 рассчитывают следующим образом. Сначала определяют средний ток зарядки емкости затвора:

где Uпит - напряжение питания усилителя DA3, В; С3 - емкость затвора транзистора, Ф; t - время открывания/ закрывания транзистора, с. Тогда сопротивление резистора в цепи затвора R3=Uпит/I3,OM.

Резисторы цепи затвора лучше всего припаять непосредственно к выводам транзисторов. При выборе компонентов ШИ регулятора следует отдать предпочтение более высокочастотным радиоэлементам.

Литература

1. Корхов И. Ю. Разведение электромобилей в домашних условиях.- evr.boom.ru.
2. IR2110/IR2113 High and Low Side Driver - irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf.
3. IRF640N Hex Fet Power MOSFET - irf.com/prDduct-info/datasheets/data/irf640n.pdf.
4. Kiraly L. Решение проблем помехоустойчивости мощных высокочастотных ИС, управляющих мощными каскадами. - platan.ru/irf/techdoc/dat92-1.pdf.

Автор: Н. Токмаков, г. Сыктывкар; Публикация: radioradar.net

Смотрите другие статьи раздела Регуляторы мощности, термометры, термостабилизаторы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Власть является ключевым фактором счастья в отношениях 11.03.2026

Исследования семейных и романтических отношений показывают, что длительное счастье пары зависит не только от привычных факторов, таких как доверие, уважение и преданность, но и от более тонких психологических аспектов. Современные ученые ищут закономерности, которые отличают действительно счастливые пары от остальных, чтобы понять, какие механизмы поддерживают гармонию в отношениях. Группа исследователей из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге и Бамбергского университета провела опрос среди 181 пары, которые состояли в совместных отношениях более восьми лет и прожили вместе хотя бы месяц. Участники заполняли анкету, описывая различные аспекты своих отношений, включая распределение обязанностей, эмоциональную поддержку и степень вовлеченности в совместные решения. Анализ данных показал интересный паттерн: пары, где оба партнера ощущали высокий уровень личной власти, оказывались наиболее счастливыми и удовлетворенными. В данном контексте под властью понимается способност ...>>

Защищенная колонка-повербанк Anker Soundcore Boom Go 3i 11.03.2026

Компания Anker представила новую модель линейки Soundcore - колонку Soundcore Boom Go 3i, ориентированную на активное использование на улице. Новинка отличается высокой степенью защиты: корпус соответствует стандарту IP68, что обеспечивает водо- и пыленепроницаемость, а ударопрочный дизайн выдерживает падение с высоты до одного метра. За качество звука отвечает 15-ваттный драйвер, обеспечивающий пик громкости до 92 дБ, а технология BassUp 2.0 усиливает низкие частоты, делая звучание более насыщенным. Колонка обладает автономностью до 24 часов, а LED-индикатор позволяет контролировать уровень заряда батареи. Кроме того, Soundcore Boom Go 3i может выполнять функцию павербанка: согласно внутренним тестам, устройство способно зарядить iPhone 17 с нуля до 40% за один час, что делает его полезным аксессуаром в походах и поездках. Среди функциональных особенностей модели стоит выделить технологию Auracast, которая улучшает подключение и позволяет создавать стереопару из двух колонок ...>>

Раннее воздержание от алкоголя перестраивает мозг и иммунитет 10.03.2026

Алкогольная зависимость - хроническое расстройство с компульсивным употреблением спиртного, которое влияет не только на поведение, но и на функционирование мозга и иммунной системы. Недавние исследования показали, что даже на ранних этапах воздержания организм начинает перестраиваться, открывая новые возможности для терапии зависимости. Ученые сосредоточились на пациентах, находящихся в первые недели абстиненции, и зафиксировали значительные изменения в мозговой активности. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии они выявили перестройку сетей нейронных связей, отвечающих за контроль импульсов и принятие решений. Эти изменения могут быть ключевыми для восстановления самоконтроля и снижения риска рецидива. Одновременно с нейронной перестройкой исследователи наблюдали колебания иммунной системы. В крови повышался уровень цитокинов - сигнальных белков, регулирующих воспалительные процессы. Эти данные свидетельствуют о существовании нейроиммунного взаимодействия, при ...>>

Случайная новость из Архива Наноэлемент для пайки готов 20.08.2004 Ученые из Израиля приделали к нанотранзистору золотые наконечники, и теперь его легко присоединить к электрической на но цепи. В рассказах о блестящем будущем нанотехнологии главное место занимают сами чудесные наночастицы. Однако способы их соединения, например, в некую работающую электрическую схему служат предметом размышлений для многих ученых мужей и дам. В самом деле, не вручную же собирать миллиарды частиц? Кроме того, нужны хорошие электрические контакты, а как их приделать, чтобы те свойства, ради которых все задумано, не исчезли? Ученые из Центра нанонауки и нанотехнологии при Иерусалимском университете проложили путь к решению обеих задач: они прочными химическими связями присоединили две золотые частицы к концам протяженного нанокристалла. В результате получилось нечто, похожее на гантельку для занятий аэробикой. "Благодаря химическим связям электрический ток легко проходит по этой конструкции, - говорит руководитель исследовательской группы профессор Ури Банин. - Кроме того, пришив к золотым частицам специальные молекулы, мы сможем связывать друг с другом золотые концы разных гантелек. А это уже самосборка. Наш метод позволяет создавать разнообразные формы схем. Например, можно получить тетраподы, золотые частицы которых будут иметь четыре связи - эдакие разветвители сети".

Другие интересные новости:

▪ Сибирские пожары разогревают Арктику

▪ Дрон гоняет голубей

▪ Беспилотники SkyOrbiter обеспечат доступ в интернет

▪ Найден ген наращивания мышечной массы

▪ Детектор вредоносных бактерий

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Интересные факты. Подборка статей

▪ статья Выбивать из колеи. Крылатое выражение

▪ статья Есть ли игры, не требующие спортивных принадлежностей? Подробный ответ

▪ статья Полевая вишня. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Цифровой мультиметр M890G. Электрическая схема, описание, характеристики. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Появление кубика в пустом цилиндре. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026