Circuitos reguladores de tensão trifásicos para motocicleta

O artigo discute uma lista de circuitos reguladores de tensão trifásicos simples controlados por PWM para motocicletas que podem ser usados ​​para controlar a tensão de carga da bateria na maioria dos veículos de duas rodas. A ideia foi solicitada pelo Sr. Junior.

Especificações técnicas

olá meu nome é junior moro no Brasil e trabalho com fabricação e recuperação regulador retificador de tensão de motocicleta e gostaria de uma ajuda vc, preciso de um circuito regulador mosfet trifásico para motocicletas, entreda tensão 80-150 volts, correte Máximo 25A, consumo máximo do sistema 300 watts,

Aguardo retorno
para.
júnior

O design

O circuito regulador de tensão trifásico proposto para motocicleta pode ser visto no diagrama abaixo.

O esquema é bastante fácil de entender.

A saída trifásica do alternador é aplicada sequencialmente em três transistores de potência que basicamente agem como dispositivos de manobra para a corrente do alternador.

Como fazemos tudo isso durante a operação, o enrolamento do alternador poderia ser submetido a enormes CEMs reversos, a uma extensão que poderia rasgar a capa de isolamento do enrolamento, destruindo-o permanentemente.

A regulação do potencial do alternador através do método de derivação ou curto com o terra ajuda a manter o potencial do alternador sob controle, sem causar efeitos adversos nele.

O tempo do período de manobra é crucial aqui e influencia diretamente a magnitude da corrente que pode finalmente atingir o retificador e a bateria sob carga.

Uma maneira muito simples de controlando o período de manobra é controlando a condução dos três BJTs conectados ao longo dos 3 enrolamentos do alternador, conforme mostrado no diagrama.

Mosfets também podem ser usados ​​no lugar dos BJTs, mas podem ser mais caros do que os BJTs.

O método é implementado usando um circuito simples 555 IC PWM.

A saída variável do PWM do pino 3 do IC é aplicada nas bases dos BJTs que, por sua vez, são forçados a conduzir de maneira controlada dependendo do ciclo de trabalho do PWM.

O pote associado ao Circuito IC 555 é o ajuste apropriado para obter a tensão RMS média correta para a bateria em carga.

O método mostrado no circuito regulador de tensão de motocicleta trifásico usando mosfets pode ser igualmente implementado para alternadores únicos para obter resultados idênticos.

Ajuste de tensão de pico

Um recurso de regulação de tensão de pico pode ser incluído no circuito acima de acordo com o diagrama a seguir, a fim de manter um nível de tensão de carga seguro para a bateria conectada.

Como pode ser visto, a linha de aterramento do IC 555 é comutada pelo NPN BC547 cuja base é controlada pelo pico de tensão do alternador.

Quando a tensão de pico excede 15 V, o BC547 conduz e ativa o circuito IC 555 PWM.

O MOSFET agora conduz e começa a desviar o excesso de tensão do alternador para o terra, a uma taxa determinada pelo ciclo de trabalho PWM.

O processo evita que a tensão do alternador ultrapasse esse limite, garantindo assim que a bateria nunca fique sobrecarregada.

O transistor é BC547, e o capacitor pin5 é 10nF

Sistema de carregamento de bateria para motocicleta

O segundo projeto apresentado a seguir é um retificador mais regulador para um sistema de carregamento trifásico de motocicletas. O retificador é de onda completa e o regulador é um regulador do tipo shunt.

Por: Abu Hafss

O sistema de carregamento de uma motocicleta é diferente daquele dos carros. O alternador ou gerador de tensão nos carros são do tipo eletroímã, que são bastante fáceis de regular. Considerando que, os geradores em motocicletas são do tipo ímã permanente.

A saída de tensão de um alternador é diretamente proporcional ao RPM, ou seja, em alta RPM o alternador produzirá altas tensões acima de 50 V, portanto, um regulador torna-se essencial para proteger todo o sistema elétrico e a bateria também.

Algumas bicicletas pequenas e veículos de 3 rodas que não funcionam em altas velocidades, têm apenas 6 diodos (D6-D11) para realizar a retificação de onda completa. Eles não precisam de regulação, mas esses diodos têm alta classificação de amperes e dissipam muito calor durante a operação.

Em bicicletas com sistemas de carregamento regulados adequados, normalmente é usada a regulagem do tipo shunt. Isso é feito colocando os enrolamentos do alternador em curto para um ciclo da forma de onda CA. Um SCR ou às vezes um transistor é usado como dispositivo de manobra em cada fase.

Diagrama de circuito

Operação de Circuito

A rede C1, R1, R2, ZD1, D1 e D2 forma o circuito de detecção de tensão e é projetada para disparar em cerca de 14,4 volts. Assim que o sistema de carga ultrapassa essa tensão limite, T1 começa a conduzir.

Isso envia corrente para cada porta dos três SCRs S1, S2 e S3, por meio dos resistores limitadores de corrente R3, R5 e R7. D3, D4 e D5 são importantes para isolar as portas umas das outras. R4, R6 e R8 ajudam a drenar qualquer vazamento possível do T1. S1, S2 e S3 devem ser dissipados por calor e isolados um do outro usando isolador de mica, se estiver usando dissipador de calor comum.

Para o retificador, existem três opções:

a) Seis diodos automotivos

b) Um retificador trifásico

c) Duas pontes retificadoras

Todos devem ter pelo menos 15A e dissipação de calor.

Os diodos automotivos são dois tipos de corpo positivo ou corpo negativo, portanto, devem ser usados ​​em conformidade. Mas pode ser um pouco difícil contatá-los com o dissipador de calor.

Usando dois retificadores de ponte

Se estiver usando dois retificadores em ponte, eles podem ser usados ​​conforme mostrado.

Retificador de Ponte

Diodos automotivos

Retificador trifásico

Retificador de Ponte

Carregamento eficiente da bateria por meio do regulamento de manobra de motocicleta

A seguinte conversa por e-mail entre o Sr. Leoneard, um ávido pesquisador / engenheiro e eu, nos ajuda a aprender alguns fatos muito interessantes sobre as desvantagens e limitações do regulador de derivação para motocicletas. Também nos ajuda a saber como atualizar o conceito simplesmente em um design eficaz, mas barato.

Leonard:

Você tem um circuito interessante, mas ...
Minha motocicleta tem um alternador de 30 amperes, que tenho certeza de que é RMS, e picos de 43,2 amperes. Seu circuito de 25 Amp provavelmente não aguentará por muito tempo.
Contudo.....
No lugar dos retificadores que você sugere, um SQL50A é classificado como 50 Amps a 1.000 Volts. É um módulo retificador trifásico e não deve ter problemas para lidar com picos de 45 amperes. (Tenho dois disponíveis.)
Isso também significa que os SCRs terão que lidar com essa amperagem e três HS4040NAQ2 com corrente RMS de 40 amperes (surto não repetitivo de 520 amperes) devem lidar com isso muito bem. Claro, eles exigirão um dissipador de calor bastante saudável e um bom fluxo de ar.
Estou pensando que o circuito de controle deve funcionar praticamente como está.
Substituí 3 reguladores nos últimos três meses e estou prestes a tentar jogar dinheiro bom atrás de dinheiro ruim. O último durou um total de dez segundos antes de também estragar. Estou prestes a construir o meu próprio e se tiver de construí-lo para alimentar um navio de guerra, que assim seja.
Outra coisa que notei é que as laminações usadas no alternador são consideravelmente mais grossas do que as usadas em motores elétricos. Um enrolamento de 18 pólos e um motor operando em velocidades de rodovia significam uma frequência muito mais alta e muito mais correntes parasitas no ferro. Qual seria o efeito sobre essas correntes parasitas se usar um regulador em série que permitisse que a tensão chegasse a 70 Volts (RMS)? Isso aumentaria as correntes parasitas a ponto de superaquecer o ferro e causar danos aos enrolamentos do alternador? Nesse caso, faria sentido não permitir que a tensão ficasse acima de 14 Volts, mas ainda tenho 20 Amps saindo do alternador a 1500 RPM.

EU:

Obrigado! Sim, você deve se livrar dessa alta tensão que pode colocar uma enorme pressão no enrolamento do alternador, a melhor maneira é desviá-lo através de MOSFETs de serviço pesado no dissipador de calor
https://homemade-circuits.com/wp-content/uploads/2012/10/shunt-3.png

Leonard:

Na verdade, não estou tão preocupado com os efeitos da tensão nos enrolamentos. Eles parecem ser revestidos com Vinil Poly-Armor, que também é usado em estatores de enrolamento aleatório operando a 480 Volts. Estou muito mais preocupado com o calor das correntes parasitas nas laminações, uma vez que são muito espessas. Aqui nos Estados Unidos, com corrente de linha de 60 htz, a espessura das laminações dos motores é uma fração do que são no alternador. Na velocidade da estrada, a frequência do alternador pode ser 1,2 Khtz ou superior. Em outras aplicações, isso exigiria um núcleo de ferrite para eliminar as correntes parasitas.
Estou tentando entender o papel das correntes parasitas nesta aplicação. À medida que o RPM aumenta, também aumenta a frequência e também as correntes parasitas. Uma carga parasita para nivelar a tensão gerada? Um meio de nivelar a corrente gerada em alta RPM? Quanto calor isso gera? O suficiente para queimar o enrolamento em alta RPM?
Localizada dentro do motor, posso entender o uso de óleo de motor para resfriar o conjunto, porém, com a força centrífuga do volante, e os enrolamentos localizados dentro dela, não consigo imaginar nenhuma quantidade real de óleo chegando até eles para resfriamento.
A tensão mais alta que consegui ler é de 70 Volts RMS. Isso não é suficiente para formar um arco através do revestimento PAV no fio, a menos que o calor se torne excessivo. No entanto, ao desviar o excesso para o solo, há um contra EMF que se opõe ao campo magnético dos ímãs rotativos? E em caso afirmativo, quão eficaz é?

EU:

Sim, o aumento na frequência dará origem a mais corrente parasita em um núcleo baseado em ferro e um aumento no calor. Eu li que o método de controle de derivação é bom para geradores baseados em motor, mas isso também significará aumento de carga na roda do alternador e maior consumo de combustível pelo veículo. O resfriamento por ventilador é uma opção? a corrente para o ventilador pode ser acessada a partir do próprio alternador.

Leonard:

Receio que um ventilador não seja uma opção para o alternador. Isso é montado internamente, dentro do motor, e no meu Vulcan, há duas tampas de alumínio sobre ele. (Substituir o enrolamento do alternador significa remover o motor da motocicleta.) Não vejo nenhuma maneira de reduzir as correntes parasitas porque elas são induzida pelos ímãs girando dentro do volante. No entanto, posso reduzir a corrente desviada para o terra aumentando a tensão do shunt para 24 Volts e, em seguida, com um regulador em série ajustado para 14 Volts. Ao testar o alternador, não vejo muito efeito do contador EMF na redução da corrente de curto-circuito. Posso carregar o alternador a 30 Amps e, colocando os fios em curto, ainda leio 29 Amps.
No entanto, se usar as correntes parasitas como uma carga parasita para nivelar a tensão e a corrente em altas RPM, parece ser bastante eficaz. Uma vez que a tensão de circuito aberto atinge 70 Volts (RMS), ela não sobe mesmo quando a rotação do motor dobra. Desviar 20 Amps para o terra (como feito pelos reguladores de fábrica), aumenta o calor no enrolamento, além das correntes parasitas. Ao reduzir a corrente através dos enrolamentos, o calor gerado pelos enrolamentos também deve ser reduzido. Isso não reduzirá as correntes parasitas, mas deve reduzir o calor geral gerado pelo alternador, preservando o isolamento do enrolamento.
Considerando o revestimento dos enrolamentos, não estou tão preocupado com a voltagem gerada. Tendo trabalhado durante anos na reconstrução de motores elétricos, estou ciente de que o HEAT é o pior inimigo do isolamento. A qualidade do isolamento é reduzida com o aumento da temperatura operacional. À temperatura ambiente, o revestimento PAV pode conter 100 Volts 'turn-to-turn'. Mas aumente essa temperatura em 100 C, e pode não ser assim.
Eu também estou curioso. Os motores elétricos usam uma liga de aço com 3% de silício para reduzir a resistência à reversão do campo magnético dentro do ferro. Eles incluem isso em suas laminações ou omitem o silício para reduzir ainda mais o aumento da tensão e da corrente em altas RPM? Não aumenta o calor, mas reduz a eficiência do ferro, quanto maior o RPM. Ao aumentar a resistência à reversão do campo magnético no núcleo, o campo magnético pode não penetrar tão profundamente no núcleo antes de ser necessário reverter. Portanto, quanto maior o RPM, menor a penetração do campo magnético. As correntes parasitas podem reduzir ainda mais essa penetração.

EU:

Sua análise faz sentido e parece muito tecnicamente sólida. Sendo basicamente um cara de eletrônica, meu conhecimento elétrico não é muito bom, então sugerir o funcionamento interno do motor e modificações pode ser difícil para mim. Mas, como você disse em suas últimas frases, ao restringir o campo magnético, a corrente parasita pode ser impedida de entrar profundamente. Tentei pesquisar sobre este problema, mas não encontrei nada útil até agora!

Leonard:

Então, tendo trabalhado com motores elétricos por 13 anos, estou em uma pequena desvantagem? Embora meus estudos também tenham sido com eletrônica, assim como todo o meu trabalho, até que descobri que poderia ganhar mais dinheiro trabalhando com motores. Isso também significava que eu não acompanhava os circuitos integrados, e os MOSFETs eram pequenas coisas delicadas que podiam ser rapidamente apagadas com a menor carga estática. Então, quando se trata de eletrônica, você me deixa em desvantagem. Não fui capaz de acompanhar os novos desenvolvimentos.
É interessante que não consegui encontrar muitas das minhas informações em um só lugar. Mais ou menos como se nenhum dos conceitos estivesse relacionado entre si. No entanto, ao colocá-los todos juntos, eles começam a fazer sentido. Quanto mais alta a frequência, menos voltas são necessárias para obter a mesma reatância indutiva. Portanto, quanto maior o RPM, menos eficaz se torna o campo magnético. É praticamente a única maneira pela qual eles podem manter a saída constante quando ela atinge 70 volts.
Mas, ao observar o padrão em um osciloscópio, não fico impressionado. Um milissegundo de tempo de carga, seguido por 6 a 8 milissegundos de saída aterrada. Será por isso que as baterias das motocicletas não duram muito? De seis meses a um ano, enquanto as baterias automotivas duram cinco anos ou mais. É por isso que estou optando por 'clipar' o nível de tensão para aterrar em uma tensão mais alta, e esse corte sendo constante. Seguido por um regulador em série para manter uma taxa de carga constante de acordo com o que a bateria, as luzes e os circuitos exigem. Então, ao projetá-lo para lidar com 50 Amps, eu nunca deveria ter que substituir um regulador novamente.
Estou trabalhando com uma classificação de 50 Amp, mas espero que, usando um 'clipper', a Amperagem deva ser consideravelmente inferior a 20 Amp para o terra. Talvez tão baixo quanto quatro amperes. Então, o regulador em série permite os (aproximadamente) sete Amps para a bateria, luzes e circuitos para o motor. Tudo dentro da classificação de potência dos componentes e não há tensão suficiente para desafiar o revestimento dos enrolamentos.
Você escreveu um artigo muito bom sobre reguladores de derivação, mas 25 Amps é muito pequeno para minha aplicação. Ainda assim, é uma boa inspiração.

EU:

Sim, isso mesmo, o ciclo de trabalho de 1/6 não carrega uma bateria corretamente. Mas isso pode ser facilmente resolvido por meio de um retificador em ponte e um grande capacitor de filtro, o que garantirá que a bateria receba CC suficiente para um carregamento eficaz. Fico feliz por ter gostado do meu artigo. No entanto, o limite de 25 Amp pode ser facilmente atualizado aumentando as especificações do amplificador MOSFET. Ou pode ser adicionando mais dispositivos em paralelo.

Leonard:

Ao mesmo tempo, estou tentando manter tudo compacto para caber no espaço disponível, para que o grande capacitor do capacitor de filtro se torne um problema. Também não é necessário se todas as três fases forem cortadas após a ponte retificadora. Toda ondulação é cortada e o regulador em série mantém 100% do tempo de carga.
Seu circuito também mantém 100% do tempo de carga; no entanto, a corrente que você desvia para o terra será muito mais alta porque você está reduzindo a tensão da bateria.

Como você pode ver nas formas de onda, não deve haver nenhum capacitor necessário. Mas ao cortar em um nível mais alto, a corrente desviada para o solo deve ser mais baixa. Então, reduzir a tensão em um regulador em série não deve prejudicar nada. Deve haver mais do que o suficiente para manter a bateria carregada.
Uma nota. A tensão de carga ideal para uma bateria de chumbo / ácido é, na verdade, de 13,7 volts. Mantê-lo em 12 volts pode não dar a bateria suficiente para dar partida no motor. E meu circuito é preliminar e ainda sujeito a mudanças.

A fábrica parece quase primitiva, na forma como funciona. Seu circuito carrega a bateria até atingir o nível de disparo. em seguida, ele desvia toda a corrente para o aterramento até que a bateria caia abaixo do nível de disparo. O resultado é uma forma de onda com um curto e forte estouro de carga que pode chegar a 15 Amps. (Eu não fiz a medição) Isso seguido por uma linha mais longa com uma ligeira inclinação para baixo e outra explosão.
Já vi baterias automotivas durarem de 5 a 10 anos ou mais. Quando criança em uma fazenda, meu pai converteu um dos velhos tratores de seis volts para um sistema de doze volts, usando um alternador de um carro. Quinze anos depois, aquela mesma bateria ainda dava partida no trator. Na escola em que trabalho (ensina segurança de motocicletas), todas as baterias precisam ser substituídas em um ano. PORQUE ? ? ? A única coisa que consegui descobrir é o sistema de carregamento. A maioria das baterias com as quais trabalhei são avaliadas apenas para uma taxa de carga de 2 amperes, até 70 volts, capaz de 30 amperes, aplicada aos terminais da bateria para rajadas curtas pode causar danos internos e encurtar a vida da bateria. Especialmente nas baterias onde você não pode verificar os níveis de fluido. O único problema com a bateria pode ser o nível do fluido, mas não há nada que você possa fazer a respeito. Se eu conseguir verificar e manter os níveis de fluido, a vida útil da bateria será consideravelmente estendida.
Os cabos vindos do alternador seriam o equivalente métrico de # 16. De acordo com a tabela AWG, isso é bom para 3,7 Amps como linha de transmissão e 22 Amps na fiação do chassi. Em um alternador de 30 Amp com um regulador de derivação? O nível de shunt e a amperagem devem ser uma proporção inversa, portanto, cortando a tensão pela metade, devo reduzir a amperagem significativamente. Ao observar a forma de onda retificada, a maior concentração de EMF está na metade inferior. A lógica sugere que a corrente será reduzida a uma fração. Vou descobrir quando o colocar em uso.
Em um motor de 1500 cc, não espero notar a redução do arrasto do motor, mas minha economia de combustível pode melhorar. E, eu me lembro, quando eles começaram a colocar reguladores de estado sólido em alternadores automotivos, o número mágico era de 13,7 Volts. No entanto, eu estava planejando definir meu regulador de série em cerca de 14,2 Volts. Muito alto e o fluido evapora mais rapidamente. Você foi muito mais útil do que imagina. Originalmente, eu tinha seis circuitos diferentes que estava considerando e iria fazer o breadboard para cada um deles. Seu artigo eliminou cinco deles, então eu economizo um tempo considerável e me concentro em apenas um. Isso me economiza uma boa quantidade de trabalho. Isso faz com que valha a pena entrar em contato com você.
Você tem minha permissão para experimentar meu esquema e ver o que você descobriu. Em vários fóruns, estou lendo onde várias pessoas estão falando sobre ir a reguladores em série. Outros alertam contra uma voltagem muito alta destruindo o revestimento isolado no fio. Suspeito que o meio-termo pode ser uma combinação dos dois sistemas, mas não desviar a saída total para o aterramento. O circuito ainda é simples, com poucos componentes, mas não arcaico.
Muito obrigado pelo seu tempo e atenção. Uma das minhas fontes de informações técnicas é: OCW.MIT.EDU Há alguns anos faço cursos de engenharia lá. Você não recebe nenhum crédito por fazer isso, mas também é totalmente gratuito.