Circuiti regolatori di tensione per motocicli trifase

Il post discute un elenco di semplici circuiti regolatori di tensione per motocicli a 3 fasi controllati da PWM che possono essere utilizzati per controllare la tensione di carica della batteria nella maggior parte delle due ruote. L'idea è stata richiesta dal Sig. Junior.

Specifiche tecniche

ciao mi chiamo junior vivo in Brasile e lavoro con la produzione e il ripristino del regolatore di tensione del raddrizzatore del motociclo e apprezzerei un aiuto u, ho bisogno di un circuito regolatore mosfet trifase per moto, tensione entreda 80-150 volt, correte Massimo 25A, massimo consumo del sistema 300 watt,

Attendo il ritorno
per.
junior

Il design

Il circuito di regolazione della tensione del motociclo trifase proposto per motocicletta può essere visto nello schema seguente.

Lo schema è piuttosto facile da capire.

L'uscita trifase dall'alternatore viene applicata sequenzialmente su tre transistor di potenza che fondamentalmente agiscono come dispositivi di manovra per la corrente dell'alternatore.

Come tutti noi durante il funzionamento, un avvolgimento dell'alternatore potrebbe essere soggetto a enormi campi elettromagnetici inversi, in misura tale da strappare il rivestimento isolante dell'avvolgimento distruggendolo in modo permanente.

La regolazione del potenziale dell'alternatore attraverso il metodo dello smistamento o del cortocircuito verso massa aiuta a tenere sotto controllo il potenziale dell'alternatore senza causare effetti negativi su di esso.

La tempistica del periodo di smistamento è qui cruciale e influenza direttamente l'entità della corrente che può finalmente raggiungere il raddrizzatore e la batteria sotto carica.

Un modo molto semplice di controllare il periodo di tempo di manovra è controllando la conduzione dei tre BJT collegati ai 3 avvolgimenti dell'alternatore, come mostrato nello schema.

I mosfet potrebbero anche essere usati al posto dei BJT, ma potrebbero essere più costosi dei BJT.

Il metodo viene implementato utilizzando un file semplice circuito 555 IC PWM.

L'uscita PWM variabile dal pin3 dell'IC viene applicata attraverso le basi dei BJT che a loro volta sono costretti a condurre in modo controllato a seconda del ciclo di lavoro PWM.

Il piatto associato con il Circuito IC 555 è opportunamente regolato per ottenere la corretta tensione RMS media per la batteria in carica.

Il metodo mostrato nel circuito del regolatore di tensione del motociclo trifase che utilizza mosfet può essere ugualmente implementato per singoli alternatori per ottenere risultati identici.

Regolazione della tensione di picco

Una funzione di regolazione della tensione di picco può essere inclusa nel circuito sopra come da diagramma seguente, al fine di mantenere un livello di tensione di carica sicuro per la batteria collegata.

Come si può vedere, la linea di massa dell'IC 555 è commutata dall'NPN BC547 la cui base è controllata dalla tensione di picco dell'alternatore.

Quando la tensione di picco supera i 15 V, il BC547 conduce e attiva il circuito PWM dell'IC 555.

Il MOSFET ora conduce e inizia a deviare la tensione in eccesso dall'alternatore a terra, a una velocità determinata dal ciclo di lavoro PWM.

Il processo impedisce che la tensione dell'alternatore superi questa soglia, assicurando così che la batteria non venga mai sovraccaricata.

Il transistor è BC547 e il condensatore pin5 è 10nF

Sistema di ricarica della batteria della motocicletta

Il secondo progetto presentato di seguito è un raddrizzatore più regolatore per un sistema di ricarica trifase di motocicli. Il raddrizzatore è a onda intera e il regolatore è di tipo shunt.

Di: Abu Hafss

Il sistema di ricarica di una motocicletta è diverso da quello delle auto. L'alternatore o il generatore di tensione sulle auto sono del tipo elettromagnetico che sono abbastanza facili da regolare. Mentre i generatori sulle moto sono del tipo a magneti permanenti.

La tensione di uscita di un alternatore è direttamente proporzionale al numero di giri, ovvero ad alti giri l'alternatore produrrà alte tensioni superiori a 50V, quindi un regolatore diventa essenziale per proteggere l'intero sistema elettrico e anche la batteria.

Alcune piccole biciclette e 3 ruote che non funzionano ad alte velocità, hanno solo 6 diodi (D6-D11) per eseguire la rettifica a onda intera. Non necessitano di regolazione, ma questi diodi hanno una potenza nominale elevata e dissipano molto calore durante il funzionamento.

Nelle biciclette con sistemi di ricarica regolati adeguati, normalmente viene utilizzata la regolazione del tipo a shunt. Questo viene fatto cortocircuitando gli avvolgimenti dell'alternatore per un ciclo della forma d'onda CA. Un SCR o talvolta un transistor viene utilizzato come dispositivo di derivazione in ciascuna fase.

Schema elettrico

Funzionamento del circuito

La rete C1, R1, R2, ZD1, D1 e D2 forma il circuito di rilevamento della tensione ed è progettata per attivarsi a circa 14,4 volt. Non appena il sistema di carica supera questa tensione di soglia, T1 inizia a condurre.

Questo invia corrente a ciascuna porta dei tre SCR S1, S2 e S3, tramite i resistori di limitazione della corrente R3, R5 e R7. D3, D4 e D5 sono importanti per isolare le porte l'una dall'altra. R4, R6 e R8 aiutano a drenare qualsiasi possibile perdita da T1. S1, S2 e S3 devono essere dissipati di calore e isolati l'uno dall'altro utilizzando un isolante in mica, se si utilizza un comune dissipatore di calore.

Per il raddrizzatore, ci sono tre opzioni:

a) Sei diodi automobilistici

b) Un raddrizzatore trifase

c) Due ponti raddrizzatori

Tutti devono avere una potenza nominale di almeno 15 A e dissipare il calore.

I diodi automobilistici sono due tipi di corpo positivo o corpo negativo, quindi devono essere utilizzati di conseguenza. Ma potrebbero essere un po 'difficili da contattare per il dissipatore di calore.

Utilizzo di due raddrizzatori a ponte

Se si utilizzano due raddrizzatori a ponte, è possibile utilizzarli come mostrato.

Raddrizzatore a ponte

Diodi automobilistici

Raddrizzatore trifase

Raddrizzatore a ponte

Ricarica efficiente della batteria tramite la regolazione dello shunt della motocicletta

La seguente conversazione via e-mail tra il signor Leoneard, un appassionato ricercatore / ingegnere e me, ci aiuta ad apprendere alcuni fatti molto interessanti sugli svantaggi e sui limiti del regolatore di shunt per motociclette. Ci aiuta anche a sapere come aggiornare il concetto semplicemente in un design efficace ma economico.

Leonard:

Hai un circuito interessante, ma .....
La mia moto ha un alternatore da 30 ampere, che sono sicuro sia RMS, e raggiunge i 43,2 ampere. È improbabile che il tuo circuito da 25 Amp regga a lungo.
Tuttavia.....
Al posto dei raddrizzatori che suggerisci, un SQL50A ha una potenza nominale di 50 Amp a 1.000 Volt. È un modulo raddrizzatore trifase e non dovrebbe avere problemi a gestire 45 ampere di picco. (Ne ho due a portata di mano.)
Ciò significa anche che gli SCR dovranno gestire quell'amperaggio e tre HS4040NAQ2 con corrente RMS di 40 Amp (picco non ripetitivo a 520 Amp) dovrebbero gestirlo abbastanza bene. Certo, richiedono un dissipatore di calore abbastanza sano e un buon flusso d'aria.
Penso che il circuito di controllo dovrebbe funzionare più o meno così com'è.
Ho sostituito 3 regolatori negli ultimi tre mesi e sto quasi cercando di buttare soldi buoni dopo cattivi. L'ultimo è durato un totale di dieci secondi prima di andare a male anche lui. Sto per costruirne uno mio e se devo costruirlo per alimentare una corazzata, così sia.
Un'altra cosa che ho notato, i lamierini utilizzati nell'alternatore sono notevolmente più spessi di quelli utilizzati nei motori elettrici. Un avvolgimento a 18 poli e il motore che funziona a velocità autostradali significano una frequenza molto più alta e correnti parassite nel ferro molto più elevate. Quale sarebbe l'effetto su quelle correnti parassite se si utilizzasse un regolatore in serie che consentirebbe alla tensione di arrivare fino a 70 Volt (RMS)? Ciò aumenterebbe le correnti parassite al punto da surriscaldare il ferro e rischierebbe di danneggiare gli avvolgimenti dell'alternatore? Se è così, avrebbe senso non permettere alla tensione di superare i 14 Volt, ma ho ancora 20 Amp provenienti dall'alternatore a 1500 RPM.

IO:

Grazie! Sì, devi sbarazzarti di quell'alta tensione che potrebbe esercitare un'enorme pressione sull'avvolgimento dell'alternatore, il modo migliore è deviarlo attraverso MOSFET per impieghi gravosi sul dissipatore di calore
https://homemade-circuits.com/wp-content/uploads/2012/10/shunt-3.png

Leonard:

In realtà, non sono così preoccupato per gli effetti della tensione sugli avvolgimenti. Sembrano essere rivestiti con Poly-Armor Vinyl, che viene anche utilizzato in statori a ferita casuale che funzionano a 480 Volt. Sono molto più preoccupato per il calore delle correnti parassite nelle lamelle, dato che sono così spesse. Qui negli States, con una corrente di linea di 60 htz, gli spessori dei lamierini del motore sono una frazione di quello che sono nell'alternatore. A velocità su strada, la frequenza dall'alternatore può essere di 1,2 Khtz o superiore. In altre applicazioni, ciò richiederebbe un nucleo di ferrite per eliminare le correnti parassite.
Sto cercando di capire il ruolo delle correnti parassite in questa applicazione. All'aumentare dell'RPM, aumenta anche la frequenza e anche le correnti parassite. Un carico parassita per livellare la tensione generata? Un mezzo per livellare la corrente generata a regimi elevati? Quanto calore genera? Abbastanza per bruciare l'avvolgimento ad alti regimi?
Situato all'interno del motore, posso capire l'utilizzo dell'olio motore per raffreddare il gruppo, tuttavia, con la forza centrifuga del volano e gli avvolgimenti situati al suo interno, non riesco a immaginare una quantità reale di olio che arriva a loro per il raffreddamento.
La tensione più alta che sono stato in grado di leggere è di 70 Volt RMS. Non è sufficiente per formare un arco attraverso il rivestimento PAV sul filo, a meno che il calore non diventi eccessivo. Tuttavia, nel deviare l'eccesso a terra, c'è un contro EMF che si oppone al campo magnetico dai magneti rotanti? E se sì, quanto è efficace?

IO:

Sì, l'aumento della frequenza darà origine a più correnti parassite in un nucleo a base di ferro e un aumento del calore Ho letto che il metodo di controllo dello shunt è buono per i generatori a motore, ma questo significherà anche un aumento del carico sulla ruota dell'alternatore e più consumo di carburante da parte del veicolo Il raffreddamento con ventola è un'opzione? la corrente al ventilatore è accessibile dall'alternatore stesso.

Leonard:

Temo che una ventola di raffreddamento non sia un'opzione per l'alternatore. Quello è montato internamente, all'interno del motore, e sul mio Vulcan ci sono due coperture in alluminio sopra (sostituire l'avvolgimento dell'alternatore significa rimuovere il motore dalla moto). Non vedo alcun modo per ridurre le correnti parassite perché sono indotto dai magneti che ruotano all'interno del volano. Tuttavia, posso ridurre la corrente deviata a terra aumentando la tensione dello shunt a 24 Volt, e successivamente con un regolatore in serie impostato a 14 Volt. Nel testare l'alternatore, non vedo molto effetto dal contatore EMF nel ridurre la corrente di cortocircuito. Posso caricare l'alternatore a 30 Amp e, cortocircuitando i cavi, leggo ancora 29 Amp.
Tuttavia, se si utilizzano le correnti parassite come carico parassita per livellare la tensione e la corrente ad alti RPM, sembra essere abbastanza efficace. Una volta che la tensione a circuito aperto raggiunge i 70 Volt (RMS), non aumenta anche quando il regime del motore raddoppia. La derivazione di 20 A a terra (come fatto dai regolatori di fabbrica), aumenta il calore nell'avvolgimento oltre alle correnti parassite. Riducendo la corrente attraverso gli avvolgimenti, si dovrebbe ridurre anche il calore generato dagli avvolgimenti. Ciò non ridurrà le correnti parassite, ma dovrebbe ridurre il calore complessivo generato dall'alternatore, si spera preservando l'isolamento dell'avvolgimento.
Considerando il rivestimento sugli avvolgimenti, non sono così preoccupato per la tensione generata. Avendo lavorato per anni nella ricostruzione di motori elettrici, so che il CALORE è il peggior nemico dell'isolamento. La qualità dell'isolamento si riduce all'aumentare della temperatura di esercizio. A temperatura ambiente, il rivestimento PAV può mantenere una tensione di rotazione di 100 Volt. Ma aumenta la temperatura di 100 ° C, e potrebbe non essere così.
Sono anche curioso. I motori elettrici utilizzano una lega di acciaio con il 3% di silicio per ridurre la resistenza all'inversione del campo magnetico all'interno del ferro. Lo includono nei loro laminati o omettono il silicio per ridurre ulteriormente l'aumento di tensione e corrente ad alti RPM? Non aumenta il calore, ma riduce l'efficienza del ferro, maggiore è il numero di giri. Aumentando la resistenza all'inversione del campo magnetico nel nucleo, il campo magnetico potrebbe non penetrare in profondità nel nucleo prima che sia necessario invertire. Quindi, maggiore è il numero di giri, minore è la penetrazione del campo magnetico. Le correnti parassite possono ridurre ulteriormente quella penetrazione.

IO:

La tua analisi ha senso e sembra molto tecnicamente valida. Essendo fondamentalmente un ragazzo di elettronica, la mia conoscenza elettrica non è molto buona, quindi suggerire il funzionamento interno del motore e le modifiche può essere difficile per me. Ma, come hai detto nelle tue ultime frasi limitando il campo magnetico, è possibile impedire alla corrente parassita di entrare in profondità. Ho provato a cercare su questo problema ma finora non sono riuscito a trovare nulla di utile!

Leonard:

Quindi, avendo lavorato con motori elettrici per 13 anni, ti ho leggermente svantaggiato? Anche se i miei studi sono stati anche con l'elettronica, e così è stato tutto il mio lavoro finché non ho scoperto che potevo guadagnare di più lavorando con i motori. Ciò significava anche che non tenevo il passo con i circuiti integrati e i MOSFET erano piccole cose delicate che potevano essere rapidamente spente con la minima carica statica. Quindi, quando si tratta di elettronica, mi hai in svantaggio. Non sono stato in grado di stare al passo con i nuovi sviluppi.
È interessante notare che non sono stato in grado di trovare molte delle mie informazioni in un unico posto. Un po 'come se nessuno dei concetti fosse correlato tra loro. Tuttavia, quando li mettono tutti insieme, iniziano ad avere un senso. Maggiore è la frequenza, meno giri sono necessari per ottenere la stessa reattanza induttiva. Quindi più alto è il numero di giri, meno efficace diventa il campo magnetico. È l'unico modo in cui possono mantenere costante l'uscita una volta che l'uscita raggiunge i 70 volt.
Ma guardando il pattern su un oscilloscopio, non sono impressionato. Un millisecondo di tempo di ricarica, seguito da 6 a 8 millisecondi di uscita a terra. Potrebbe essere questo il motivo per cui le batterie delle motociclette non durano a lungo? Da sei mesi a un anno, mentre le batterie per automobili durano cinque anni o più. Questo è il motivo per cui sto optando per 'agganciare' il livello di tensione a massa a un voltaggio più elevato e che il clipping sia costante. Seguito da un regolatore in serie per mantenere una velocità di carica costante in base a ciò che richiedono batteria, luci e circuiti. Quindi progettandolo per gestire 50 Amp, non dovrei mai più dover sostituire un regolatore.
Sto lavorando con una potenza di 50 Amp, ma mi aspetto che usando un 'clipper' l'Amperaggio dovrebbe essere notevolmente inferiore a 20 Amp a terra. Forse a partire da quattro ampere. Quindi il regolatore di serie consente i (circa) sette ampere per la batteria, le luci e i circuiti per il motore. Tutto ben all'interno della potenza nominale dei componenti e tensione insufficiente per sfidare il rivestimento degli avvolgimenti.
Hai scritto un ottimo articolo sui regolatori shunt, ma 25 Amp sono troppo piccoli per la mia applicazione. Tuttavia, è una buona ispirazione.

IO:

Sì, è vero, il ciclo di lavoro di 1/6 non caricherà correttamente una batteria. Ma questo può essere facilmente risolto attraverso un raddrizzatore a ponte e un grande condensatore di filtro, che garantirà che la batteria riceva abbastanza CC per una ricarica efficace. Sono contento che il mio articolo sia piaciuto. Tuttavia, il limite di 25 Amp può essere facilmente aggiornato aumentando le specifiche dell'amplificatore MOSFET. O può essere aggiungendo più dispositivi in ​​parallelo.

Leonard:

Allo stesso tempo, sto cercando di mantenere tutto compatto per adattarsi allo spazio disponibile, in modo che il grande condensatore del condensatore di filtro diventi un problema. Inoltre non è necessario se tutte e tre le fasi vengono tagliate dopo il raddrizzatore a ponte. Tutte le ondulazioni vengono eliminate e il regolatore in serie mantiene il tempo di carica del 100%.
Il tuo circuito mantiene anche il tempo di carica del 100%, tuttavia la corrente che scarichi a terra sarà molto più alta perché lo stai tagliando alla tensione della batteria.

Come puoi vedere nelle forme d'onda, non dovrebbe essere necessario alcun condensatore. Ma tagliando a un livello più alto, la corrente deviata a terra dovrebbe essere inferiore. Quindi, abbassare la tensione su un regolatore in serie non dovrebbe danneggiare nulla. Dovrebbe essere più che sufficiente per mantenere la batteria carica.
Una nota. La tensione di carica ottimale per una batteria al piombo / acido è in realtà di 13,7 volt. Mantenerlo a 12 volt potrebbe non dare alla batteria abbastanza per avviare il motore. E il mio circuito è preliminare e ancora soggetto a modifiche.

La fabbrica sembra quasi primitiva, nel modo in cui funziona. Il loro circuito carica la batteria fino a raggiungere il livello di trigger. quindi devia tutta la corrente a terra finché la batteria non scende al di sotto del livello di trigger. Il risultato è una forma d'onda con una scarica di carica breve e violenta che può arrivare fino a 15 Ampere. (Non l'ho misurato) Quello seguito da una linea più lunga con una leggera pendenza verso il basso e un altro scoppio.
Ho visto le batterie per auto durare dai 5 ai 10 anni o più. Da bambino in una fattoria, mio ​​padre ha convertito uno dei vecchi trattori da sei volt a dodici volt, usando un alternatore di un'auto. Quindici anni dopo, quella stessa batteria stava ancora avviando il trattore. Nella scuola con cui lavoro (Insegna sicurezza motociclistica), tutte le batterie devono essere sostituite entro un anno. PERCHÉ ? ? ? L'unica cosa che sono riuscito a trovare è il sistema di ricarica. La maggior parte delle batterie con cui ho lavorato sono classificate solo per una velocità di carica di 2 Amp, fino a 70 volt, in grado di 30 Amp, applicate ai terminali della batteria per brevi raffiche potrebbero causare danni interni e abbreviare la durata della batteria. Soprattutto, nelle batterie dove non è possibile controllare i livelli del fluido. L'unico problema con la batteria potrebbe essere il livello del liquido, ma non puoi fare nulla al riguardo. Se riesco a controllare e mantenere i livelli dei fluidi, la durata della batteria si allunga notevolmente.
I cavi provenienti dall'alternatore sarebbero l'equivalente metrico di # 16. Secondo la tabella AWG, va bene per 3,7 Amp come linea di trasmissione e 22 Amp nel cablaggio del telaio. Su un alternatore da 30 Amp con un regolatore shunt? Il livello di shunt e l'Amperage dovrebbero essere una proporzione inversa, quindi tagliando la tensione a metà, dovrei ridurre significativamente l'Amperage. Osservando la forma d'onda rettificata, la concentrazione più alta di EMF si trova nella metà inferiore. La logica suggerirebbe che la corrente sarà ridotta a una frazione. Lo scoprirò quando lo metterò in uso.
Su un motore da 1500 cc, non mi aspetto di notare la resistenza ridotta del motore, ma il mio risparmio di carburante potrebbe migliorare. E, ricordo, quando hanno iniziato a mettere regolatori a stato solido sugli alternatori automobilistici, il numero magico era 13,7 Volt. Tuttavia, stavo progettando di impostare il mio regolatore in serie a circa 14,2 Volt. Troppo alto e il liquido evapora più rapidamente. Sei stato molto più disponibile di quanto sapessi. In origine, avevo sei circuiti diversi che stavo prendendo in considerazione e stavo per fare il breadboard a ciascuno di essi. Il tuo articolo ne ha eliminati cinque, quindi posso risparmiare molto tempo e concentrarmi su uno solo. Questo mi fa risparmiare una buona quantità di lavoro. Vale davvero la pena di contattarti.
Hai il mio permesso di sperimentare con il mio schema e vedere cosa ti viene in mente. In vari forum sto leggendo dove un certo numero di persone parla di andare a regolatori di serie, altri mettono in guardia contro una tensione troppo alta che distrugge il rivestimento isolato sul filo. Sospetto che il mezzo felice possa essere una combinazione di entrambi i sistemi, ma non deviare l'intera uscita a terra. Il circuito è ancora semplice, con pochi componenti, ma non arcaico.
Grazie mille per il tuo tempo e la tua attenzione. Una delle mie fonti di informazioni tecniche è: OCW.MIT.EDU Faccio lì da alcuni anni corsi di ingegneria. Non ottieni alcun merito per averli eseguiti, ma è anche completamente gratuito.