Електроніка електромобіля

  • Час 18-12-2014, 16:46
  • Автор admin
  • Коментарів 0 Комент.
  • Силка url

Мій добрий знайомий задумав зробити електромобіль. Що з цього вийшло - можна ознайомитися хоча б за посиланням Sreampunk Trike Ігоря Яровенко. Так вже вийшло, що йому попався електродвигун послідовного збудження потужністю орієнтовно 5 кВатт при напрузі 80 Вольт. Звідки цей двигун - історія замовчує.

Особливо слід зазначити, що електромобіль - це сильнострумової електроніка, яка не прощає помилок в монтажі і розташуванні проводів. За уявною простотою принципової схеми ховається важливість дотримання монтажу всіх елементів схеми. І якщо при живленні від 12-24 Вольт наслідки неправильного монтажу та компонування не настільки значні, то при використанні напруги 70-80 Вольт результати неправильної компоновки можуть бути вельми плачевні. Власне практично знайдені косяки і недоліки послужили приводом для написання цієї статті.

Неправильно розташовані проводу або елементи, як мінімум, можуть призвести до сильного нагрівання, а найчастіше в проводах відбуваються паразитні наведення, здатні вивести пристрій з ладу. Невиправдано довгі дроти, зібрані в один джгут сигнальні і силові кола, відсутність розв'язок з харчування - це найбільш явні помилки. Особливо цим грішать конструкції, виконані навісним монтажем, який найчастіше використовують неспеціалісти в області силової електроніки. Саме з цієї причини і згорів (саме згорів з димом і полум'ям) перший комплект електроустаткування (зазначу, що його виготовляють не я). Перший висновок - використовувати навісний монтаж небажано. Другий (а може навіть і перший) - завжди необхідно в силовій частині використовувати плавкий (саме плавкий, а не електронний) запобіжник. Третє - все комутації з харчування повинні вироблятися контактними групами.

Перейдемо безпосередньо до опису схеми. Харчування електромобіля здійснюється від 6 стартерних автомобільних акумуляторів. Таким чином отримуємо напруга живлення близько 80 Вольт. Для керування двигуном застосований найпростіший ШІМ-регулятор на основі мікроконтролера PIC12F675. Чому саме мікроконтролер? Та просто планувалося подальше розширення функціоналу (правда вже й не пам'ятаю в який бік). Мікроконтролер управляє через драйвер IR4227 чотирма потужними польовими транзисторами IRFP260, в ланцюг стоку яких підключений електродвигун. Таким чином можна розділити керуючу частину схеми (мікроконтролер, драйвер) і силову частину (транзистори, електродвигун). Харчування керуючої частини реалізовано за допомогою блоку живлення на мікросхемі KA3842, включеної за типовою схемою. Спочатку для цих цілей використовувався готовий блок живлення на даній мікросхемі з виходом на 15-18 Вольт. Було перевірено штук 5 подібних блоків живлення і всі вони відмінно запускалися при напрузі аж до 60 Вольт. Правда при цьому не перевірявся максимально видаваний струм. Далі через стабілізатор 7805 харчується мікроконтролер.

Розглянемо роботу блоку електроніки.

Електроніка електромобіля

При замиканні кнопки BUT1 (в електромобілі вона відповідає як-би ключа запалювання) подається харчування на реле RL1. З метою зниження нагріву обмотки реле і для захисту від спрацювання реле при розряді акумуляторів застосована схема з конденсатора і резистора C1-R1. Розберемо роботу цієї схеми. При замиканні кнопки BUT1 (повороту ключа запалювання) обмотка реле RL1 підключається до акумуляторів через конденсатор C1 і резистор R1, з'єднані паралельно. У перші моменти струм протікає через конденсатор C1, забезпечуючи його заряд. Ємність конденсатора C1 підібрана таким чином, щоб реле RL1 надійно спрацьовувало від протікає зарядного струму. Оскільки спочатку конденсатор C1 розряджений, то протікає струм має достатню величину для надійного спрацювання реле RL1. У міру заряду конденсатора C1 струм через обмотку реле RL1 зменшується і при повністю зарядженому конденсаторі C1 через обмотку реле протікає тільки струм, величина якого задається резистором R1. Резистор R1 підбирається таким чином, щоб забезпечити струм утримання реле RL1, який, як правило, менше струму спрацьовування в 3-5 раз.Через замкнуті контакти реле RL1 живлення від акумуляторів подається на блок живлення, що живить керуючу частину, і на схему підключення силової частини . Якщо з яких-небудь причин акумулятори будуть розряджені, то і струм через обмотку реле RL1, який визначається резистором R1, буде менше струму утримання, що призведе до відпускання контактів реле RL1 і відключенню керуючої і силовий частин. У практичному виконанні застосовувалися реле на 24 Вольта. Підбором елементів домагався стабільного спрацювання реле при напрузі близько 72 Вольта і розмикання контактів реле при напрузі 65 Вольт. Схема підключення силової частини виконана за аналогічною схемою на елементах, тільки тут роль реле грає пускач з обмоткою на 110 Вольт змінного струму. Кнопка механічно через трос пов'язана з ручкою зчеплення.

При подачі живлення на керуючу частину починає працювати ШІМ-генератор на базі мікроконтролера PIC12F675 (U1) і драйвера TC4427 (U2). Ставлення імпульс / пауза задається напругою на вході АЦП мікроконтролера, яке в свою чергу визначається положенням повзунка резистора RV2 механічно пов'язаного тросом з ручкою швидкості. Всього реалізовано як-би 8 ступенів швидкості, але це легко змінюється в програмі для мікроконтролера. Бажано використання саме спеціалізованого драйвера для управління польовими транзисторами, оскільки будь-який завал фронтів імпульсів при перемиканні може призвести до перегріву і виходу силових транзисторів з ладу. Осцилограми імпульсів, вироблюваних генератором, показані нижче:

Електроніка електромобіля

Електроніка електромобіля

Імпульси на виході драйвера TC4427 коли електромобіль варто. Імпульси на виході драйвера TC4427 третій швидкість

У процесі налагодження з'ясувалося, що навіть коли електромобіль стоїть, то на двигун бажано подавати невелика напруга (ліва осциллограмма). Тоді електромобіль рушає з місця плавно, без ривків. У електромобілі силова частина підключається окремим пускачем, пов'язаним з ручкою "зчеплення". Як правило в режимі зупинки електромобіля ручка "зчеплення" відпущена і силова частина не підключена до акумуляторів, відповідно і споживання енергії не відбувається. Перемикання швидкостей надалі діапазоні відбувається досить плавно. Між мікро U1 і резистором RV2 включений еммітерной повторювач на базі транзистора Q2. Він призначений для узгодження досить високого опору резистора RV2 з аналоговим входом мікроконтролера U1, для якого потрібно джерело аналогового сигналу з внутрішнім опором не більше 2,5 кОм. У процесі налагодження з'ясувалося, що у разі якщо електромобіль стоїть і в цей час викриття ручку швидкості майже на максимум, а потім вже вичавити зчеплення, тим самим подавши харчування на силову частину, через силові транзистори Q1 відбувається великий стрибок струму, що приводить до їх пробою. Щоб цього уникнути резистор завдання швидкості RV2 живиться від силової частини, що гарантує подачу напруги на регулятор швидкості тільки при вичавленому зчепленні. Конденсатор C3 забезпечує плавне зміна напруги на резистори, що виключає кидки струму через транзистори силової частини.

Силова частина - це потужні IGBT транзистори (на схемі показаний тільки один Q1), дросель DR1, захисний діод D3, RC-ланцюжок C4-R8 і електродвигун. Теоретично для керування електродвигуном досить встановити тільки транзистор Q1. Але теорія і практика - різні речі. Для прикладу наведу деякі осцилограми.

Електроніка електромобіля
Електроніка електромобіля
Електроніка електромобіля
Е / мобіль стоїть без діода Третій швидкість без діода Е / мобіль варто з діодом

Осцилограми зняті "сток-харчування", тобто на навантаженні "дросель + мотор". Дросель - 9 витків шини 4 * 1 мм на осерді ТВК-90, тобто фактично дросель впливу не робить, хоча гріється пристойно. З 22 витками складеними 2-ма мідними проводами діам. приблизно 1 мм кожен, дросель буквально згорів. Відразу зазначу, що дросель для ефективної роботи повинен бути раз у п'ять більше, але, тим не менш, навіть в такому виконанні дросель не дає виникнути паразитних коливань в момент перемикання. Діод D3 також перешкоджає виникненню паразитних коливань. При включенні без діода D3 в ланцюзі стоку двигун не обертається на малих обертах. По-моєму це пов'язано з імпульсами зворотного ходу (синусоїда), які співставні за величиною з прямим ходом (сходинка). Це добре видно на 2-х лівих осціллограмах. Двигун починає обертатися тільки на 6-8 швидкостях, причому 8-а швидкість - це постійно відкриті транзистори. Без захисного діода дуже сильно (1-3 секунди) гріються резистори в RC-ланцюжках паралельно обмоткам двигуна (один ланцюжок включена паралельно обмотці збудження, друга - ротора. Обмотки розділені, оскільки реверс двигуна відбувається саме перемиканням обмоток. Але це особливість даного двигуна, тому в статті я про це більше ніде не згадую і на схемі показана одна ланцюжок R8-C4). При установці діода КД213А в ланцюг "сток-харчування" синусоїда зворотного ходу зрізається. Двигун управляється як і належить від 1 до 8 швидкості. Тобто в режимі "стоїмо" є невелике зусилля двигуна. Резистори в RC-ланцюжках на двигуні ледь теплі. Але діод навіть на радіаторі приблизно 25 кв.см. розігрівається понад 100 град. Цельсія. Паралельно діоду КД213 включений конденсатор 0,1 мкФ * 100 Вольт. Діод став грітися менше. Імпортні діоди установки конденсатора не вимагають, але все-таки їх необхідно також встановлювати на радіатор.

І додаткова інформація щодо компонування деталей. Розглянемо фото зібраного і встановленого блоку.

Електроніка електромобіля

Зазначу, що було зібрано два таких блоку, один з них встановлено в електромобіль, другий знаходиться в резерві. Фотографію резервного блоку також привожу, оскільки на ній краще видно компонування елементів.

Електроніка електромобіля

Думаю, що коментарі зайві, тим більше, що файл друкованої плати додається. Особливо хочеться відзначити, що додатково до конденсатором, встановленим на платі, ємністю по 3300мкФ * 100 Вольт безпосередньо біля акумуляторів було встановлено два конденсатори по 10000 мкФ * 100 Вольт (на фото їх немає). Всі друковані провідники, що відносяться до силової частини, додатково посилені мідними проводами.

Додатково, за результатами 2-х сезонів експлуатації першого варіанту блоку виявилися наступне. Максимальні струми споживання, природно, при старті електромобіля. Середній струм споживання становить не більше 20 Ампер. Це перевірялося установкою запобіжника. Запобіжник на 15 Ампер періодично згорав, 20-ти амперних запобіжник витримує навіть старт електромобіля. Електролітичні конденсатори по силовому ланцюзі все-таки здулися. Причому найсильніше здулися конденсатори, встановлені безпосередньо біля акумуляторних батарей. Досліджень, з чим це пов'язано, не проводилося. Просто замість конденсаторів на платі були встановлені нові, а біля акумуляторів встановлений один конденсатор 68000 мкФ * 100 Вольт. По можливості також додані плівкові конденсатори 0,1 мкФ * 100 Вольт в паралель електролітів. Акумулятори використовувалися автомобільні фірми VARTA на 45 Ампер * годин і поки вони ще живі, хоча ємність вже не та. Зарядний пристрій для акумуляторів побудовано за стандартною схемою: трансформатор - діодний міст - обмежувальний резистор - контроль напруги. Схема рекуперації (повернення електроенергії при гальмуванні) не використовувалася.

Програма для мікроконтролера написана в середовищі Oshon Pic Simulator IDE на діалекті BASIC. Програма містить коментарі та її розглядати не будемо. Тим більше, що основна мета статті - опис силової частини. А керуюча частина легко можна реалізувати і без мікроконтролера.

Список використовуваних елементів не привожу, оскільки метою статті є практична реалізація правильної компоновки силової і керуючих частин, порядок підключення керуючої і силової частини, розв'язки з харчування, гасіння паразитних коливань в силовій частині. Дворічна експлуатація в реальних умовах показала, наскільки правильно це все вдалося реалізувати. А наскільки це вдалося розкрити в статті - судити читачам.

Список радіоелементів

Позначення Тип Номінал Кількість U1 U2 Q1 D1 D2 D3 RV2 R1, R5 R4 R6 R7 R8 C1, C2 C3 C4 RL1 RL2 DR1 B1 BUT1, BUT2
МК PIC 8-бітPIC12F6751
Драйвер харчування і MOSFETTC44271
MOSFET-транзисторIRFP260N1
Стабілітрон1N4734A1
Випрямний діод1N41481
ДіодBYT301
Змінний резистор10 кому1
Резистор1 кОм2
Резистор100 Ом1
Резистор100 Ом1
Резистор33 Ом1
Резистор10 Ом1
Електролітичний конденсатор100 мкФ2
Електролітичний конденсатор470 мкФ1
Конденсатор1 мкФ1
Реле24В1
Реле24В1
Дросель1
Джерело живлення82В1
Кнопка2
Tags

Коментарі до новини