Circuitos reguladores de tensão de motocicleta trifásicos

O presente post discute uma lista de circuito regulador de tensão de motocicleta trifásico simples controlado por PWM, que pode ser usado para controlar a tensão de carregamento da bateria na maioria dos veículos de duas rodas, conforme requerido pelo Sr. Junior (Fonte).

Mosfets também podem ser usados ​​em vez dos BJTs, mas podem ser muito mais caros que os BJTs.

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

A saída PWM variável 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 potenciômetro associado ao circuito IC 555 é ajustado adequadamente para obter a tensão RMS média correta para a bateria em carga.

O método mostrado no circuito regulador de tensão trifásico da motocicleta 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 conforme o diagrama a seguir, a fim de manter um nível de tensão de carregamento seguro para a bateria conectada.

Como pode ser visto, a linha de terra do IC 555 é comutada pelo NPN BC547 cuja base é controlada pela tensão de pico 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 este limite, garantindo assim que a bateria nunca seja sobrecarregada.

Sistema de carregamento de bateria de 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 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 é do tipo eletroímã que é bastante fácil de regular. Considerando que, os geradores em motocicletas são do tipo ímã permanente.

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

Algumas bicicletas pequenas e veículos de 3 rodas que não rodam em alta velocidade possuem apenas 6 diodos (D6-D11) para realizar a retificação de onda completa. Eles não precisam de regulação, mas esses diodos são de alta amperagem e dissipam muito calor durante a operação.

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

 Diagrama de circuito

Operação do Circuito

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

Isso envia corrente para cada porta dos três SCRs S1, S2 e S3, através 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 possível vazamento de T1. S1, S2 e S3 devem ser dissipados e isolados uns dos outros 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) Dois retificadores de ponte

Todos devem ser classificados pelo menos 15A e dissipados pelo calor.

Os diodos automotivos são dois tipos de corpo positivo ou corpo negativo, portanto, devem ser usados ​​de acordo. Mas eles podem ser um pouco difíceis de entrar em contato com o dissipador de calor.

Usando retificadores de duas pontes

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

Ponte retificadora

retificador trifásico

Ponte retificadora

Carregamento de bateria eficiente através do regulamento de derivação de motocicleta

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

Leonardo:

Você tem um circuito interessante, mas…..
Minha moto tem um alternador de 30 amperes, que tenho certeza que é RMS, e picos de 43,2 amperes. É provável que seu circuito de 25 A não aguente por muito tempo.
No entanto …..
No lugar dos retificadores que você sugere, um SQL50A é avaliado em 50 Amps a 1.000 Volts. É um módulo retificador trifásico e não deve ter problemas em lidar com picos de 45 amperes. (Tenho dois em mãos.)
Isso também significa que os SCRs terão que lidar com essa amperagem e três HS4040NAQ2 com corrente RMS de 40 Amps (surto não repetitivo para 520 Amps) 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 tentando jogar um bom dinheiro atrás do ruim. O último durou um total de dez segundos antes de ficar ruim também. Estou prestes a construir o meu próprio e se tiver que construí-lo para alimentar um navio de guerra, que assim seja.  
Outra coisa que notei, 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 significa frequência muito mais alta e muito mais correntes parasitas no ferro. Qual seria o efeito nessas 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 arriscaria danificar os enrolamentos do alternador? Se sim, faria sentido não permitir que a tensão ficasse acima de 14 Volts, mas ainda tenho 20 Amps vindo do alternador a 1500 RPM.

Eu(Fonte):

Obrigada! Sim, você deve se livrar dessa alta tensão que pode colocar uma pressão enorme no enrolamento do alternador, a melhor maneira é desviá-lo através de MOSFETs pesados ​​​​no dissipador de calor

Leonardo:

Na verdade, não estou tão preocupado com os efeitos da tensão nos enrolamentos. Eles parecem ser revestidos com Poly-Armor Vinyl, 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, já que elas são muito grossas. Aqui nos Estados Unidos, com corrente de linha de 60 htz, a espessura das laminações do motor é uma fração do que é no alternador. Na velocidade da estrada, a frequência do alternador pode ser de 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 a RPM aumenta, também aumenta a frequência e 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 rotação?
Localizado dentro do motor, posso entender usar óleo de motor para resfriar o conjunto, porém, com a força centrífuga do volante, e os enrolamentos localizados dentro dele, não consigo imaginar nenhuma quantidade real de óleo chegando até eles para resfriamento.
A voltagem mais alta que consegui ler é 70 Volts RMS. Isso não é suficiente para formar um arco através do revestimento de PAV no fio, a menos que o calor se torne excessivo. No entanto, ao desviar o excesso para a terra, existe um contador EMF que se opõe ao campo magnético dos ímãs rotativos? E se sim, quão eficaz é?

Eu(Fonte):

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

Leonardo:

Receio que um ventilador de refrigeração não seja uma opção para o alternador. Isso é montado internamente, dentro do motor, e no meu Vulcan, há duas tampas de alumínio sobre isso. (Substituir o enrolamento do alternador significa retirar o motor da motocicleta.) Não vejo nenhuma maneira de reduzir as correntes parasitas porque induzida pelos ímãs girando dentro do volante. No entanto, posso reduzir a corrente desviada para o terra aumentando a tensão da derivação 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. Eu posso carregar o alternador para 30 Amps e, encurtando os fios, ainda li 29 Amps.
No entanto, se usar as correntes parasitas como carga parasita para nivelar a tensão e a corrente em altas RPM, parece ser bastante eficaz. Quando a tensão de circuito aberto atinge 70 Volts (RMS), ela não aumenta, 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 tensão gerada. Tendo trabalhado na reconstrução de motores elétricos por anos, estou ciente de que o HEAT é o pior inimigo do isolamento. A qualidade do isolamento é reduzida à medida que a temperatura de operação aumenta. À temperatura ambiente, o revestimento PAV pode conter 100 Volts “volta a volta”. Mas aumente essa temperatura em 100 C, e talvez não.  
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 de tensão e 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 que seja necessário reverter. Assim, quanto maior a RPM, menor a penetração do campo magnético. As correntes parasitas podem reduzir ainda mais essa penetração.

Eu(Fonte):

Sua análise faz sentido e parece muito sólida tecnicamente. 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, restringindo o campo magnético, a corrente de Foucault pode ser impedida de entrar profundamente. Tentei pesquisar sobre esse problema, mas não consegui encontrar nada útil até agora!

Leonardo:

Então, tendo trabalhado com motores elétricos por 13 anos, eu tenho você em uma pequena desvantagem? Embora meus estudos também tenham sido com eletrônica, assim como todo o meu trabalho até descobrir 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 destruídas com a menor carga estática. Então, quando se trata de eletrônica, você me deixa em desvantagem. Não consegui acompanhar os novos desenvolvimentos.
É interessante que eu não tenha sido capaz de encontrar muitas das minhas informações em um só lugar. Mais ou menos como se nenhum dos conceitos estivessem relacionados entre si. No entanto, ao colocá-los todos juntos, eles começam a fazer sentido. Quanto maior a frequência, menos voltas são necessárias para obter a mesma reatância indutiva. Portanto, quanto maior o RPM, menos eficaz o campo magnético se torna. É a única maneira de manter a saída constante quando a saída atinge 70 volts.
Mas ao olhar para o padrão em um osciloscópio, não estou impressionado. Um milissegundo de tempo de carga, seguido por 6 a 8 milissegundos de saída aterrada. Poderia ser por isso que as baterias de motocicleta não duram muito? Seis meses a um ano, enquanto as baterias automotivas duram cinco anos ou mais. É por isso que estou optando por “grampear” o nível de tensão para aterrar em uma tensão mais alta, e esse corte ser 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, projetando-o para lidar com 50 Amps, eu nunca deveria ter que substituir um regulador novamente.  
Estou trabalhando com uma classificação de 50 Amps, mas espero que usando um “clipper” a Amperagem seja consideravelmente menor que 20 Amps para o terra. Talvez tão baixo quanto quatro Amps. Em seguida, o regulador em série permite (aproximadamente) sete amperes para a bateria, luzes e circuitos para o motor. Tudo bem dentro da classificação de potência dos componentes e tensão insuficiente 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(Fonte):

Sim, isso mesmo, o ciclo de trabalho de 1/6 não carrega uma bateria corretamente. Mas isso pode ser facilmente resolvido através de um retificador de ponte e um grande capacitor de filtro, o que garantirá que a bateria receba CC suficiente para um carregamento eficaz. Estou 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.

Leonardo:

Ao mesmo tempo, estou tentando manter tudo compacto para caber no espaço disponível, de modo que o capacitor de capacitor de filtro grande se torne um problema. Também não é necessário se todas as três fases forem cortadas após o retificador da ponte. Toda a ondulação é cortada e o regulador de 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 maior porque você o está cortando na tensão da bateria.

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

O esquema aparenta ter um funcionamento quase primitivo. O circuito carrega a bateria até que ela atinja o nível de disparo, e então desvia toda a corrente para o terra até que a bateria caia abaixo do nível de disparo. O resultado é uma forma de onda com uma explosão curta e forte de carga que pode chegar a 15 Amps, seguida por uma linha mais longa com uma ligeira inclinação para baixo, e outra explosão.

Já observei baterias automotivas durando de 5 a 10 anos ou mais. Quando eu era criança em uma fazenda, meu pai converteu um dos antigos tratores de seis volts para um sistema de doze volts usando um alternador de carro. Quinze anos depois, a mesma bateria ainda estava dando partida no trator. Na escola em que trabalho (ensino segurança de motos), todas as baterias precisam ser substituídas dentro de um ano. Por quê? A única coisa que consegui identificar foi o sistema de carregamento. A maioria das baterias com as quais trabalhei é classificada apenas para uma taxa de carga de 2 Amp. Aplicar até 70 volts com capacidade para 30 Amps aos terminais da bateria para rajadas curtas pode causar danos internos e encurtar sua vida útil, especialmente em 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 são equivalentes a #16 em métrica. De acordo com a tabela AWG, isso é adequado para 3,7 A como linha de transmissão e 22 A na fiação do chassi. Em um alternador de 30 Amp com um regulador de derivação, o nível de derivação e a amperagem devem ser uma proporção inversa. Portanto, cortando a tensão pela metade, deve-se reduzir significativamente a amperagem. Observando 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 colocar em uso.

Em um motor de 1500cc, não espero notar redução no arrasto do motor, mas minha economia de combustível pode melhorar. E lembro-me de quando começaram a colocar reguladores de estado sólido em alternadores automotivos, o número mágico era 13,7 Volts. No entanto, planejo 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 ia fazer uma protoboard de cada um deles. Seu artigo eliminou cinco deles, então economizei um tempo considerável e me concentrei em apenas um. Isso me poupou uma boa quantidade de trabalho. Isso faz com que valha a pena o tempo para entrar em contato com você.

Com sua permissão, gostaria de experimentar seu esquema e ver o que posso conseguir. Tenho lido em vários fóruns sobre pessoas que estão buscando reguladores de série, enquanto outras estão alertando contra uma tensão muito alta que pode destruir o revestimento isolante do fio. Suspeito que uma solução intermediária pode ser alcançada por meio de uma combinação desses sistemas, sem desviar completamente a saída para o solo. O circuito é simples, com poucos componentes, mas não é antiquado.

Agradeço muito pelo seu tempo e atenção. Uma das minhas fontes de informação técnica é o site OCW.MIT.EDU, onde tenho feito cursos de engenharia nos últimos anos. Embora não sejam creditados, esses cursos são totalmente gratuitos.

Hashtags: #3Phase #Motorcycle #Voltage #Regulator #Circuits

FONTE

Nota: Este conteúdo foi traduzido do Inglês para português (auto)
Pode conter erros de tradução

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