SHI电机功率调节器。方案、说明

SHI电机功率调节器

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近年来，电动汽车的业余组装和将汽车改装为电力牵引的汽车已变得流行。在这条道路上，爱好者们预计会有很多困难。因此，例如，此类车辆的其中一个复杂且昂贵的组件 - 电动机控制装置 - 很可能必须独立开发和制造。需要补充的是，关于大电流控制的实用文献很少。下面的文章应该有助于解决这个设计领域的一些问题。

在下文描述的设备开发中，使用了电动汽车行业 [1] 的一位先驱者的经验。该设备将有助于为玩具、踏板车、强大的风扇供电，产生高达 5 kW 的电力驱动器，电压高达 150 V。

引起读者注意的 SHI 调节器的力量使您可以驱动 Jiguli 重量类别车辆的电动机 - 经典。该设备方案允许通过按照文章中概述的建议用更强大的无线电元件替换无线电元件来增加受控设备的功率。

SHI电机功率调节器
图。 1

稳压器，其电路如图所示。 1、由四个节点组成：一个基于VT1晶体管的主振荡器，一个组装在DA2、DA3微电路上的控制脉冲整形器，一个基于VT4-VT9晶体管的大电流开关，一个电源单元VD1、R6、VT3、DA1。稳压器由两个电源供电：一个 - 以 20 至 30 V 的电压为设备的低电流部分供电，第二个 - 高达 150 V 的电压为负载供电。该器件有一个用于阻断调节器的信号输入和一个输出到产生该信号的外部保护单元。牵引电机与电流开关串联。

调节器的频率设置元件是晶体管 VT1 上的锯齿脉冲发生器。 3 ... 4 kHz 的频率由 R3C1 电路决定。脉冲被馈送到比较器 DA2 的非反相输入端，反相输入端由电阻器 R11 的引擎供电，电阻器 R0 控制电动机转子的速度。作为该电阻器，使用了来自第十系列的VAZ汽车的节气门位置传感器。传感器电阻从 7,5 到 XNUMX kOhm 不等。

该传感器在滑块电路中有一个内置的 1,5 kΩ 电阻器。除此之外，在SHI稳压器的这个电路中加入了电阻R9和电容C2，以减少发动机触点“弹跳”的影响，增加稳压的平滑度。在特定设备上运行期间，可能需要选择该链的元素以获得所需的过程动态。在电动汽车的情况下，令人满意的动力标准是汽车的平稳加速（当电阻 R11 滑块根据方案向左移动时）和制动（右侧相同），以及通过电动机的最大电流。

SHI电机功率调节器
Ris.2

图上。图2顶部以简化的方式显示了发电机的脉冲Ug和从电阻器R11的引擎获取的电压URd。

使用稳压器的实际经验表明，为了加快电机制动过程，建议将电阻R9与KD522A二极管分流，将其正极连接到电阻R9和电容C2的连接点加速该电容器的放电。电阻器 R12 用于防止在电阻器 R11 意外断开或将其连接到调节器的电线断裂时发生紧急情况。

在比较器 DA2 的输出端，我们获得了一个脉冲序列 Uynp（图 2），其持续时间由电阻器 R11 设置。然后信号被馈送到放大器整形器 DA3，它产生持续时间不超过 120 ns 的前沿和后退脉冲，然后馈送到一组强大的场效应开关晶体管 VT4-VT9 的门电路. 电阻R19-R24均衡晶体管栅极电容的充电电流值。充电电流脉冲可达数百毫安。当三极管闭合时，放电电流流过电阻R19-R24、电阻R16、VD3R17电路和DA3放大器的输出端。

晶体管的关闭速度与打开速度一样重要 - 它们的加热程度取决于此。设置设备时，有必要控制大功率晶体管栅极上的控制脉冲电压 - 不应低于 10 V - 以防止它们转变为线性模式。

负载电源电压取决于所用电动机的特性，但不应超过晶体管的标称漏源电压。对于 IRF640 晶体管模块，最大电压为 150 V，总负载电流高达 80 A。

由控制电阻器 R11 的发动机上的电压变化引起的电动机功率 Red 变化的性质简化如图 2 所示。 XNUMX.

根据方案，该电阻引擎的初始位置是最右端。在这种情况下，没有控制脉冲，场效应晶体管 VT4-VT9 关闭，负载断电。

为了给设备的低电流部分供电，使用部分负载电源电压是很方便的，特别是如果电动机由电池供电。但是这种方法需要在安装到机器上之前对稳压器进行仔细的测试，因为公共电源线的电阻会对整个稳压器的质量产生不利影响。

操作该器件时，需要为晶体管提供线性模式和过电流保护。晶体管从切换模式到放大模式的转变会导致它们快速过热并随后损坏。稳压器中使用的晶体管不再能够承受负载中的过载和短路数十微秒。因此，为了即使在紧急情况下也能挽救调节器，建议使用保护装置。为了连接，提供了两个输出 - 负载电路中的上部分流端子 R27（带有限流电阻器 R25）和脉冲整形器的阻塞装置 (VT2) 的输入。保护节点必须产生一个信号，使晶体管 VT2 保持开路，直到事故原因消除，并控制负载电源电路中的电流，保护强大的晶体管不会切换到线性模式和过热。

本文不涉及保护主机设备。

在不需要保护的最简单的控制装置中或当紧急情况发生的可能性很小时，可以省略晶体管 VT2、电阻器 R5 和 R25 以及分流器 R27。

VD4 二极管保护强大的晶体管免受负载电路断开时的电压浪涌。其最大反向电压不得低于电源电压，其正向电流不得低于电机额定电流。国产二极管DCH151-125或进口150EBU02都适合。

当设备由电池供电时，应使用总容量为每千瓦负载功率6微法的电容C13-C10进行阻隔，以减少高频电流对电池的破坏作用。电容器的额定电压不低于电池电压。

发生器、比较器、脉冲整形器和风扇 M1 由 15 V 电压供电，该电压来自一个由 DA1 稳压器和 VT3 晶体管上的电流放大器组成的单元。晶体管和稳压器必须安装在有效面积至少为 20 平方厘米的散热片上。如果设备在散热片上安装了强大的晶体管，为它们提供必要的冷却，那么您可以不用 M1 风扇。

SHI电机功率调节器
图。 3

该器件的低电流部分位于图 3 中的印刷电路板上。 XNUMX.

为特定负载选择强大的晶体管 VT4-VT9。在这种情况下，连接到整形放大器 DA3 的晶体管数量必须对应于其输出特性 [2, 3]。经验表明，在开发 SHI 控制器时，需要提供过流裕度。这是由于晶体管的设计。尽管声明了电流值，但晶体管端子的横截面与其不对应。横截面为 1,3 mm2 的晶体管端子处的电压降，因此耗散的能量非常大。晶体管输出中的电流密度不应超过 15...20 A/mm2。

该稳压器使用 IRF640 晶体管，电流为 18 A，电压为 200 V。该设备还使用晶体管 IRF3710（100 V，57 A）、IRF3205（55 V、110 A）、IRF3808（75 V、140 A）进行了测试) 控制电动机功率 3 kW 和电源电压 48 V。

建议将输出晶体管的控制信号通过双绞线直接传输到栅极和源极 [4]。请勿将晶体管的控制电流通过设备的公共线，因为有负载电路对控制电路的开关干扰的危险。在实践中，这表现为晶体管发热增加及其不可预测的故障。将低电流节点的电源和大电流节点的电源分开可以获得更好的结果。大功率电流调节器开关的设计必须给予最多关注。整个设备的质量取决于其布局。建议将大功率晶体管 VT4-VT9 放置得更紧凑，将大截面导体 (10 ... 20 mm2) 焊接到它们的端子上，并将电阻器 R18-R24 放置在靠近大功率晶体管的位置。功率单元内的导体弯曲是不可接受的，因为它们会形成寄生电感。

由可维修部件组装而成的设备通常不需要调整。只需通过检查晶体管 VT3 发射极的脉冲重复率 (4 ... 1 kHz) 来确保主振荡器稳定就足够了，并且输出功率控制限制设置正确（选择电阻器 R7、R13 如果必要）并且在电阻器 R10-R18 电路的公共点存在控制脉冲（电压至少为 24 C）。

输出晶体管安装在尺寸为 160x60x4 mm 的铜散热板上，由 M1 风扇冷却。在不使用风扇的情况下，每个晶体管的散热面积是根据其特性和功耗来计算的。作为冷却风扇，您可以使用通过预选电阻（图 1 中未显示）连接的个人计算机冷却器将电压降低到 9 ... 12 V。

散热片可作为晶体管漏极的组合输出。

电容器 C6-C13 的电池应安装在靠近电池的位置，在车辆上使用时，应放置在单独的盒子中以防受潮。二极管 VD4 可以放置在任何方便的地方。使用保护装置时，使用现成的分流器 75ShSM MZ（或 75ShS）。它的值是根据稳压器的负载电流来选择的。在所考虑的案例中，使用了 100 A 分流器，因为该设备设计用于控制 ZDT-31 电动机以实现 24 V 电压和 80 A 电流。为了连接负载，铜线与应使用每 8 mm1 2 A 的横截面，例如适用于 PVZ 系列的电线。在电线的末端，安装了与其横截面相对应的电缆接线片。

最后，对更换大功率晶体管VT4-VT9时的几点说明。 IRF 系列晶体管具有很大的栅极电容 - 从 1200 pF（对于 IRF640）到 5310 pF（IRF3808），因此需要电阻器 R18-R23 和放大器 DA3。随着强大晶体管数量的增加，可能需要用更强大的晶体管替换 IR2110 驱动放大器，例如 LM5110，或添加推挽式晶体管功率放大器（典型的 IR2110 连接允许此类修改 [2]）。放大器消耗的电流由电路R16R18-R24的总电阻决定。

电阻器 R19-R24 的电阻计算如下。首先，确定栅极电容的平均充电电流：

其中Upit是放大器DA3的电源电压，V； C3——晶体管栅极电容，F； t——晶体管开/关时间，s。那么门电路中电阻的阻值为R3=Upit/I3,OM。

栅极电路电阻最好直接焊接到晶体管引线上。在选择 SHI 调节器的组件时，应优先考虑更高频率的无线电元件。

文学

Korkhov I. Yu. 在家里培育电动汽车。-evr.boom.ru。
IR2110/IR2113 高侧和低侧驱动器 - irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf。
IRF640N Hex Fet 功率 MOSFET - irf.com/prDduct-info/datasheets/data/irf640n.pdf。
Kiraly L. 解决控制强大级联的强大高频 IC 的抗噪问题。 - platan.ru/irf/techdoc/dat92-1.pdf。

作者：N. Tokmakov，Syktyvkar；出版：radioradar.net

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