Circuitos reguladores de voltaje de motocicleta trifásicos

La publicación analiza una lista de circuitos reguladores de voltaje de motocicleta trifásicos simples controlados por PWM que pueden usarse para controlar el voltaje de carga de la batería en la mayoría de los vehículos de dos ruedas. La idea fue solicitada por el Sr. Junior.

Especificaciones técnicas

hola mi nombre es junior vivo en brasil y trabajo con manufactura y recuperacion regulador rectificador moto voltaje y agradeceria una ayuda u, necesito un circuito regulador mosfet trifásico para motos, entreda voltaje 80-150 voltios, corregir maximo 25A, consumo maximo del sistema 300 vatios,

Espero volver
a.
júnior

El diseño

El circuito regulador de voltaje de motocicleta trifásico propuesto para motocicleta se puede ver en el diagrama a continuación.

El esquema es bastante fácil de entender.

La salida trifásica del alternador se aplica secuencialmente a través de tres transistores de potencia que básicamente actúan como dispositivos de derivación para la corriente del alternador.

Mientras todo eso mientras está en funcionamiento, un devanado del alternador podría quedar sujeto a enormes campos electromagnéticos inversos, hasta un punto que podría romper la cubierta de aislamiento del devanado y destruirlo permanentemente.

La regulación del potencial del alternador mediante el método de derivación o cortocircuito a tierra ayuda a mantener el potencial del alternador bajo control sin causar efectos adversos en él.

El tiempo del período de derivación es crucial aquí e influye directamente en la magnitud de la corriente que finalmente puede llegar al rectificador y la batería bajo carga.

Una forma muy sencilla de controlar el período de tiempo de derivación es controlando la conducción de los tres BJT conectados a través de los 3 devanados del alternador, como se muestra en el diagrama.

Los mosfets también podrían usarse en lugar de los BJT, pero podrían ser mucho más costosos que los BJT.

El método se implementa utilizando un circuito simple 555 IC PWM.

La salida PWM variable del pin 3 del IC se aplica a través de las bases de los BJT que, a su vez, se ven obligados a conducir de manera controlada dependiendo del ciclo de trabajo de PWM.

La olla asociada con el Circuito IC 555 se ajusta adecuadamente para obtener el voltaje RMS promedio correcto para la batería a cargo.

El método que se muestra en el circuito regulador de voltaje de motocicleta trifásico que utiliza mosfets se puede implementar igualmente para alternadores individuales para obtener resultados idénticos.

Ajuste de voltaje pico

Se puede incluir una característica de regulación de voltaje pico en el circuito anterior según el diagrama siguiente, para mantener un nivel de voltaje de carga seguro para la batería conectada.

Como puede verse, la línea de tierra del IC 555 es conmutada por el NPN BC547 cuya base está controlada por el voltaje pico del alternador.

Cuando el voltaje pico excede los 15 V, el BC547 conduce y activa el circuito IC 555 PWM.

El MOSFET ahora conduce y comienza a desviar el exceso de voltaje del alternador a tierra, a una velocidad determinada por el ciclo de trabajo PWM.

El proceso evita que la tensión del alternador supere este umbral, asegurando así que la batería nunca se sobrecargue.

El transistor es BC547 y el condensador pin5 es 10nF

Sistema de carga de batería de motocicleta

El segundo diseño que se presenta a continuación es un Rectificador más Regulador para un sistema de carga trifásico de motocicletas. El rectificador es de onda completa y el regulador es un regulador de tipo derivación.

Por: Abu Hafss

El sistema de carga de una motocicleta es diferente al de los automóviles. El alternador o generador de voltaje de los automóviles son de tipo electroimán que son bastante fáciles de regular. Considerando que, los generadores en motocicletas son de tipo imán permanente.

La salida de voltaje de un alternador es directamente proporcional a las RPM, es decir, a altas RPM, el alternador producirá altos voltajes de más de 50 V, por lo tanto, un regulador se vuelve esencial para proteger todo el sistema eléctrico y la batería también.

Algunas bicicletas pequeñas y vehículos de 3 ruedas que no corren a altas velocidades, solo tienen 6 diodos (D6-D11) para realizar la rectificación de onda completa. No necesitan regulación, pero esos diodos tienen un alto amperaje y disipan mucho calor durante el funcionamiento.

En bicicletas con sistemas de carga regulados adecuados, normalmente se utiliza una regulación de tipo shunt. Esto se hace acortando los devanados del alternador durante un ciclo de la forma de onda de CA. Un SCR o, a veces, un transistor se utiliza como dispositivo de derivación en cada fase.

Diagrama de circuito

Operación del circuito

La red C1, R1, R2, ZD1, D1 y D2 forman el circuito de detección de voltaje y está diseñada para dispararse a aproximadamente 14,4 voltios. Tan pronto como el sistema de carga pase este voltaje umbral, T1 comienza a conducir.

Esto envía corriente a cada puerta de los tres SCR S1, S2 y S3, a través de las resistencias limitadoras de corriente R3, R5 y R7. D3, D4 y D5 son importantes para aislar las puertas entre sí. R4, R6 y R8 ayudan a drenar cualquier posible fuga de T1. S1, S2 y S3 deben disiparse y aislarse entre sí utilizando un aislante de mica, si se utiliza un disipador de calor común.

Para el rectificador, hay tres opciones:

a) Seis diodos automotrices

b) Un rectificador trifásico

c) Dos puentes rectificadores

Todos deben tener una clasificación de al menos 15A y disipar el calor.

Los diodos automotrices son de dos tipos de cuerpo positivo o cuerpo negativo, por lo tanto, deben usarse en consecuencia. Pero puede ser un poco difícil contactarlos para disipar el calor.

Usando dos rectificadores de puente

Si usa dos puentes rectificadores, pueden usarse como se muestra.

Puente rectificador

Diodos automotrices

Rectificador trifásico

Puente rectificador

Carga de batería eficiente a través de la regulación de derivación de motocicleta

La siguiente conversación por correo electrónico entre el Sr. Leoneard, un ávido investigador / ingeniero y yo, nos ayuda a conocer algunos datos muy interesantes sobre los inconvenientes y limitaciones del regulador de derivación de motocicleta. También nos ayuda a saber cómo actualizar el concepto en un diseño efectivo pero económico.

Leonard:

Tienes un circuito interesante, pero .....
Mi motocicleta tiene un alternador de 30 amperios, que estoy seguro es RMS, y alcanza un máximo de 43.2 amperios. Es poco probable que su circuito de 25 amperios aguante mucho tiempo.
Sin embargo.....
En lugar de los rectificadores que sugiere, un SQL50A tiene una potencia de 50 amperios a 1000 voltios. Es un módulo rectificador trifásico y no debería tener problemas para manejar un pico de 45 amperios. (Tengo dos a mano)
Eso también significa que los SCR tendrán que manejar ese amperaje y tres HS4040NAQ2 con corriente RMS de 40 amperios (aumento no repetitivo de 520 amperios) deberían manejar eso bastante bien. Por supuesto, requerirán un disipador de calor bastante saludable y un buen flujo de aire.
Creo que el circuito de control debería funcionar tal como está.
Reemplacé a 3 reguladores en los últimos tres meses y estoy a punto de intentar tirar buen dinero después del mal. El último duró un total de diez segundos antes de que también se estropeara. Estoy a punto de construir el mío propio y si tengo que construirlo para impulsar un acorazado, que así sea.
Otra cosa que he notado es que las láminas que se usan en el alternador son considerablemente más gruesas que las que se usan en los motores eléctricos. Un bobinado de 18 polos y un motor funcionando a velocidades de autopista significan una frecuencia mucho más alta y muchas más corrientes parásitas en el hierro. ¿Cuál sería el efecto sobre esas corrientes parásitas si se usara un regulador en serie que permitiera que el voltaje llegara a 70 voltios (RMS)? ¿Aumentaría esto las corrientes de Foucault hasta el punto de sobrecalentar la plancha y podría dañar los devanados del alternador? Si es así, tendría sentido no permitir que el voltaje supere los 14 voltios, pero todavía tengo 20 amperios provenientes del alternador a 1500 RPM.

Me:

¡Gracias! Sí, debe deshacerse de ese alto voltaje que podría ejercer una gran presión en el devanado del alternador, la mejor manera es derivarlo a través de MOSFET de servicio pesado en el disipador de calor
https://homemade-circuits.com/wp-content/uploads/2012/10/shunt-3.png

Leonard:

En realidad, no estoy tan preocupado por los efectos del voltaje en los devanados. Parecen estar recubiertos con Poly-Armor Vinyl, que también se utiliza en estatores de heridas aleatorias que funcionan a 480 voltios. Me preocupa mucho más el calor de las corrientes de Foucault en las laminaciones, ya que son muy espesas. Aquí en los Estados Unidos, con una corriente de línea de 60 htz, el espesor de las laminaciones del motor es una fracción de lo que hay en el alternador. A velocidad de carretera, la frecuencia del alternador puede ser de 1,2 Khtz o superior. En otras aplicaciones, eso requeriría un núcleo de ferrita para eliminar las corrientes parásitas.
Estoy tratando de comprender el papel de las corrientes de Foucault en esta aplicación. A medida que aumentan las RPM, también lo hace la frecuencia y las corrientes parásitas. ¿Una carga parásita para nivelar la tensión generada? ¿Un medio de nivelar la corriente generada a altas RPM? ¿Cuánto calor genera eso? ¿Suficiente para quemar el bobinado a altas RPM?
Ubicado dentro del motor, puedo entender el uso de aceite de motor para enfriar el conjunto, sin embargo, con la fuerza centrífuga del volante y los devanados ubicados dentro de él, no puedo imaginar que llegue una cantidad real de aceite para enfriarlos.
El voltaje más alto que he podido leer es de 70 voltios RMS. Eso no es suficiente para formar un arco a través del revestimiento de PAV en el cable, a menos que el calor se vuelva excesivo. Sin embargo, al desviar el exceso a tierra, ¿hay un contador EMF que se oponga al campo magnético de los imanes giratorios? Y si es así, ¿qué tan efectivo es?

Me:

Sí, el aumento en la frecuencia dará lugar a más corrientes parásitas en un núcleo a base de hierro y un aumento en el calor. He leído que el método de control de derivación es bueno para los generadores basados ​​en motor, pero esto también significará una mayor carga en la rueda del alternador y más consumo de combustible por parte del vehículo. ¿Es la refrigeración por ventilador una opción? se puede acceder a la corriente del ventilador desde el propio alternador.

Leonard:

Me temo que un ventilador de enfriamiento no es una opción para el alternador. Eso está montado internamente, dentro del motor, y en mi Vulcan, hay dos cubiertas de aluminio sobre eso (Reemplazar el devanado del alternador significa quitar el motor de la motocicleta). No veo ninguna forma de reducir las corrientes parásitas porque son inducida por los imanes que giran dentro del volante. Sin embargo, puedo reducir la corriente derivada a tierra elevando el voltaje de la derivación a 24 voltios y luego con un regulador en serie configurado en 14 voltios. Al probar el alternador, no veo mucho efecto del contador EMF en la reducción de la corriente de cortocircuito. Puedo cargar el alternador a 30 amperios y, al acortar los cables, sigo leyendo 29 amperios.
Sin embargo, si usa las corrientes parásitas como carga parásita para nivelar el voltaje y la corriente a altas RPM, parece ser bastante efectivo. Una vez que el voltaje del circuito abierto alcanza los 70 voltios (RMS), no aumenta incluso cuando las RPM del motor se duplican. La derivación de 20 amperios a tierra (como lo hacen los reguladores de fábrica) aumenta el calor en el devanado además de las corrientes parásitas. Al reducir la corriente a través de los devanados, también debería reducirse el calor generado por los devanados. Eso no reducirá las corrientes parásitas, pero debería reducir el calor general generado por el alternador, con suerte preservando el aislamiento del devanado.
Teniendo en cuenta el recubrimiento de los devanados, no estoy tan preocupado por el voltaje generado. Después de haber trabajado en la reconstrucción de motores eléctricos durante años, soy consciente de que HEAT es el peor enemigo del aislamiento. La calidad del aislamiento se reduce a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento. A temperatura ambiente, el revestimiento de PAV puede contener 100 voltios 'vuelta a vuelta'. Pero aumente esa temperatura en 100 C, y puede que no sea así.
También tengo curiosidad. Los motores eléctricos utilizan una aleación de acero con un 3% de silicio para reducir la resistencia a la inversión del campo magnético dentro del hierro. ¿Incluyen eso en sus laminaciones u omiten el silicio para reducir aún más el aumento de voltaje y corriente a altas RPM? No aumenta el calor, pero reduce la eficiencia de la plancha, cuanto más altas son las RPM. Al aumentar la resistencia a la inversión del campo magnético en el núcleo, es posible que el campo magnético no penetre tan profundamente en el núcleo antes de que sea necesario invertirlo. Entonces, cuanto más altas sean las RPM, menor será la penetración del campo magnético. Las corrientes parásitas pueden reducir aún más esa penetración.

Me:

Su análisis tiene sentido y parece muy sólido desde el punto de vista técnico. Siendo básicamente un tipo de electrónica, mis conocimientos eléctricos no son muy buenos, por lo que sugerir el funcionamiento interno del motor y modificaciones puede ser difícil para mí. Pero, como dijiste en tus últimas oraciones al restringir el campo magnético, se puede evitar que la corriente parásita entre profundamente. Intenté buscar sobre este problema, ¡pero no pude encontrar nada útil hasta ahora!

Leonard:

Entonces, habiendo trabajado con motores eléctricos durante 13 años, ¿tengo una ligera desventaja? Aunque mis estudios también han sido con electrónica, y también todo mi trabajo hasta que descubrí que podía ganar más dinero trabajando con motores. Eso también significaba que no me mantenía al día con los circuitos integrados, y los MOSFET eran pequeñas cosas delicadas que podían explotarse rápidamente con la más mínima carga estática. Entonces, cuando se trata de electrónica, me tienes en desventaja. No pude estar al día con los nuevos desarrollos.
Es interesante que no haya podido encontrar mucha de mi información en un solo lugar. Como si ninguno de los conceptos estuviera relacionado entre sí. Sin embargo, al ponerlos todos juntos, comienzan a tener sentido. Cuanto mayor sea la frecuencia, se requieren menos vueltas para obtener la misma reactancia inductiva. Entonces, cuanto más altas son las RPM, menos efectivo se vuelve el campo magnético. Es la única forma en que pueden mantener la salida constante una vez que la salida alcanza los 70 voltios.
Pero al mirar el patrón en un osciloscopio, no me impresiona. Un milisegundo de tiempo de carga, seguido de 6 a 8 milisegundos de salida con conexión a tierra. ¿Será por eso que las baterías de las motocicletas no duran mucho? De seis meses a un año, mientras que las baterías de los automóviles duran cinco años o más. Es por eso que estoy optando por 'recortar' el nivel de voltaje a tierra a un voltaje más alto, y ese recorte es constante. Seguido de un regulador en serie para mantener una tasa de carga constante de acuerdo con lo que requieran la batería, las luces y los circuitos. Luego, al diseñarlo para manejar 50 amperios, nunca debería tener que reemplazar un regulador nuevamente.
Estoy trabajando con una clasificación de 50 amperios, pero espero que al usar un 'clipper' el amperaje sea considerablemente inferior a 20 amperios a tierra. Quizás tan bajo como cuatro amperios. Luego, el regulador en serie permite (aproximadamente) siete amperios para la batería, las luces y los circuitos del motor. Todo bien dentro de la potencia nominal de los componentes y sin voltaje suficiente para desafiar el recubrimiento de los devanados.
Escribió un artículo muy bueno sobre reguladores de derivación, pero 25 amperios es demasiado pequeño para mi aplicación. Aún así, es una buena inspiración.

Me:

Sí, así es, el ciclo de trabajo de 1/6 no cargará una batería correctamente. Pero esto se puede resolver fácilmente a través de un puente rectificador y un condensador de filtro grande, lo que garantizará que la batería reciba suficiente CC para una carga efectiva. Me alegra que me haya gustado mi artículo. Sin embargo, el límite de 25 amperios se puede actualizar fácilmente aumentando las especificaciones del amplificador MOSFET. O puede ser agregando más dispositivos en paralelo.

Leonard:

Al mismo tiempo, estoy tratando de mantener todo compacto para que quepa en la habitación disponible, de modo que el condensador de condensador de filtro grande se convierta en un problema. Tampoco es necesario si las tres fases se recortan después del puente rectificador. Se recorta toda ondulación y el regulador en serie mantiene el 100% del tiempo de carga.
Su circuito también mantiene un tiempo de carga del 100%, sin embargo, la corriente que desvía a tierra será mucho mayor porque la está recortando al voltaje de la batería.

Como puede ver en las formas de onda, no debería necesitarse ningún condensador. Pero al recortar a un nivel más alto, la corriente desviada a tierra debería ser menor. Entonces, dejar caer el voltaje a través de un regulador en serie no debería dañar nada. Debería haber más que suficiente para mantener la batería cargada.
Una nota. El voltaje de carga óptimo para una batería de plomo / ácido es en realidad de 13,7 voltios. Mantenerlo a 12 voltios puede no proporcionar suficiente batería para arrancar el motor. Y mi circuito es preliminar y aún está sujeto a cambios.

La fábrica parece casi primitiva, en la forma en que funciona. Su circuito carga la batería hasta que alcanza el nivel de activación. luego deriva toda la corriente a tierra hasta que la batería cae por debajo del nivel de activación. El resultado es una forma de onda con una ráfaga de carga corta y fuerte que puede llegar a los 15 amperios. (No lo medí) Eso seguido de una línea más larga con una ligera pendiente hacia abajo, y otro estallido.
He visto baterías de automóviles que duran de 5 a 10 años o más. Cuando era niño en una granja, mi padre convirtió uno de los tractores viejos de seis voltios a un sistema de doce voltios, usando un alternador de un automóvil. Quince años después, esa misma batería todavía estaba arrancando el tractor. En la escuela con la que trabajo (Enseña seguridad en motocicletas), todas las baterías deben ser reemplazadas dentro de un año. POR QUÉ ? ? ? Lo único que se me ha ocurrido es el sistema de carga. La mayoría de las baterías con las que he trabajado solo están clasificadas para una tasa de carga de 2 amperios, hasta 70 voltios, con capacidad de 30 amperios, aplicados a los terminales de la batería para ráfagas cortas pueden causar daños internos y acortar la vida útil de la batería. Especialmente, en las baterías donde no se pueden controlar los niveles de líquido. El único problema con la batería puede ser el nivel de líquido, pero no hay nada que pueda hacer al respecto. Si puedo comprobar y mantener los niveles de líquido, la duración de la batería se prolonga considerablemente.
Los cables provenientes del alternador serían el equivalente métrico del n. ° 16. Según la tabla AWG, eso es bueno para 3,7 amperios como línea de transmisión y 22 amperios en el cableado del chasis. ¿En un alternador de 30 amperios con un regulador de derivación? El nivel de derivación y el amperaje deben ser una proporción inversa, por lo que al recortar el voltaje a la mitad, debería reducir el amperaje significativamente. Al observar la forma de onda rectificada, la concentración más alta de EMF se encuentra en la mitad inferior. La lógica sugiere que la corriente se reducirá a una fracción. Lo averiguaré cuando lo ponga en uso.
En un motor de 1500 cc, no espero notar la reducción del arrastre en el motor, pero mi economía de combustible puede mejorar. Y, recuerdo, cuando empezaron a poner reguladores de estado sólido en los alternadores de automóviles, el número mágico era 13,7 voltios. Sin embargo, estaba planeando configurar mi regulador en serie a unos 14,2 voltios. Demasiado alto y el líquido se evapora más rápidamente. Fuiste mucho más útil de lo que crees. Originalmente, tenía seis circuitos diferentes que estaba considerando e iba a probar cada uno de ellos. Su artículo eliminó cinco de ellos, por lo que puedo ahorrar un tiempo considerable y concentrarme en solo uno. Eso me ahorra una buena cantidad de trabajo. Eso hace que valga la pena el tiempo para contactarlo.
Tienes mi permiso para experimentar con mi esquema y ver qué se te ocurre. En varios foros, estoy leyendo donde varias personas hablan de ir a reguladores en serie. Otros advierten contra un voltaje demasiado alto que destruye el recubrimiento aislado del cable. Sospecho que el medio feliz puede ser una combinación de ambos sistemas, pero sin desviar la salida completa a tierra. El circuito sigue siendo simple, con pocos componentes, pero no arcaico.
Muchas gracias por su tiempo y atención. Una de mis fuentes de información técnica es: OCW.MIT.EDU He estado haciendo cursos de ingeniería allí durante algunos años. No obtienes ningún crédito por hacerlos, pero también es completamente gratis.