¿Cómo reducir de 28 V a 24 V bajo carga?

Question

Necesito controlar mediante PWM seis ventiladores CC de 24 V con una carga total de 10.6 amperios. ¿Fácil, verdad? Simplemente PWM a algunos MOSFETs. Sin embargo, la tensión de mi sistema es de 28 V. A 28 V estoy fuera de especificación para los ventiladores y estoy viendo un aumento del 36% en la potencia (vatios). Supongo que probablemente no quiera PWM los crudos 28 V a los ventiladores, ¿verdad?

Estoy en un escenario sensible al consumo de energía, así que no quiero simplemente colocar unas resistencias de potencia grandes en línea para reducir la tensión hacia ellos. También he investigado sobre filtros pasa bajos RC para suavizar la tensión PWM para que esté dentro de las especificaciones de los ventiladores, pero necesitaría una resistencia muy pequeña y básicamente un banco de capacitores cerámicos de 10 µF.

¿Cuál es una buena solución en este escenario? ¿Hay alguna?

Answer 1

Añadido:

Este es un problema intrigante PORQUE es relativamente simple una vez que se conocen todos los hechos PERO cuanto más se mira, más se ve que aún no se conocen todos los hechos potencialmente relevantes. No voy a profundizar en todos los agujeros de conejo en esta etapa, ya que Ray puede agregar fácilmente la información adicional si lo desea y esperaré hasta que lo haga. Pero, así es como se ven algunas de las entradas de madriguera.

Ray dijo " ... A 28 V estoy fuera de especificación para los ventiladores ...".
Eso podría significar que el voltaje es demasiado alto o que consumen demasiada energía allí o ...
Qué es importa.

Ray dijo que los ventiladores consumen un 36% más de energía a 28V en comparación con 24V. Esto sería cierto para un resistor (ya que P = V ^ 2 / R) pero es menos probable que sea cierto para un ventilador, pero puede serlo. ¿Esto se midió o se asumió?

Ray afirmó que Itotal es de 10.6 A a 24V y que eso era aceptable. ¿Cuánto menor es a eg 22V y el flujo de aire sigue siendo aceptable entonces?

PWM sin filtrar con un ciclo de trabajo del 85,7% (llámelo 86%) y 26V de entrada, produce efectivamente 24V promedio de salida.

PWM sin filtrar impone pulsos de 28V y "pulsos" de 0- V en el motor. Esto PUEDE hacer que los ventiladores consuman pulsos de corriente como si tuvieran 28V aplicados durante el 86% del tiempo, por lo que la corriente promedio Ifan puede ser mayor que si se aplicara 24V CC. Esto depende de la tecnología del ventilador y otros factores.

Algunos ventiladores estarán felices con PWM aplicado, aunque muchos "preferirían" un diodo de rueda libre. Algunos ventiladores se volverán locos con PWM aplicado y con algunos puede depender de la frecuencia de PWM.

Si filtra PWM con un filtro RC para hacer un CC suave, perderá potencia en la resistencia del filtro R como si fuera un separador puro R. El valor aparente de R simplemente se multiplica por R/Ciclo_de_trabajo (si no hay efectos de segundo orden relacionados con PWM).

Si filtra con un filtro LC, necesita un diodo de rueda libre de entrada para cuando el PWM está apagado y tiene un convertidor reductor. Esto puede funcionar bien, pero la eficiencia puede ser menos mejorada que con un separador R recto de lo que se esperaba.

SI ... más agujeros de conejo ....

Entonces:

• ¿Qué significa " ... A 28 V estoy fuera de especificación para los ventiladores ..."?

• ¿Qué tecnología usa el ventilador? -> Motor de escobillas, CC sin escobillas, ...?

• Si PWM el ventilador a un ciclo de trabajo de 24/28 = 85,7% encendido, y 28V de entrada, a velocidades de marco de PWM de por ejemplo 100 / 1000 / 10000 ... Hz sin suavizado, ¿el controlador del ventilador actuará como si "viera" 24V o 28V pulsojo ?

• ¿Cuál es la corriente del ventilador MEDIDA a eg 22 24 26 28 V? Cuáles son las corrientes medidas.

• ¿Es aceptable el flujo de aire a 22 VCC en el ventilador?

Dado Si fan a 24V = 10.6A = "I24", Vin = 28V.

Potencia con resistencia de caída = 28 x I24

Potencia con convertidor reductor del 90% de eficiencia = 24 x I24 / 0.90 = 26.7 x I24

Potencia con convertidor reductor del 95% eficiente = 24 x I24 / 0.95 = 25.3 x I24

Las ganancias se muestran en la tabla a continuación. Para obtener la reducción de potencia de aproximadamente alrededor del 5% requiere el suministro de un interruptor calificado de 20A +, 30V +, una fuente PWM, un inductor capaz de 12A, un diodo de 10A y un capacitor de salida O una resistencia clasificada de 100 vatios (idealmente). La tabla muestra las diversas pérdidas y ganancias relevantes. Si el costo y el esfuerzo valen la pena implementar un convertidor reductor del 90% de eficiencia o tratar aún más de obtener un 95% de eficiencia, es decisión de Ray.

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Original - aún relevante:

Dices que la operación a 28V requiere un 36% más de energía que a 24V.
Eso sería cierto con una carga puramente resistiva como \$ potencia = V^2 / R \$ por lo que aumenta con \$ voltaje^2 \$ y \$(28/24)^2 = 1.36\$. Dependiendo de la tecnología del ventilador, esto podría no ser cierto, ya que la fuerza contraelectromotriz del motor del ventilador aumenta con la velocidad.

Sin embargo, si esto es cierto, reducir la tensión del ventilador a 24V reducirá la corriente y la potencia, por lo que si luego dejas caer resistivamente la tensión de 28V todavía es mejor que usar 28V directamente en el ventilador.

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Si PWM el ventilador directamente, necesita poder tolerar los picos de 28V y la tecnología utilizada necesita estar "feliz" con la modulación PWM. Si suavizas el PWM con un filtro RC, pierdes aproximadamente la misma potencia que si usas un separador resistivo. es decir, completamente suave (imposible) es la misma pérdida de potencia que una resistencia pura y un suavizado mínimo = sin pérdidas resistivas PERO las características del motor afectarán cómo cambia la potencia del ventilador.

Agregar una serie L que no se sature y un diodo 'de reflujo' después del interruptor PWM efectivamente produce un convertidor reductor.

Tenga en cuenta que un regulador lineal o un separador de voltaje tendrán una eficiencia de 24V/28V = 85.7%
Si bien puedes obtener mejor que eso con un convertidor reductor, debes decidir si la ganancia vale la pena.

A 90% obtendrías 90/85.7 = 5.02% más de tiempo de ejecución por energía utilizada.
A 95% obtendrías 95/85.7 = 10.9% más de tiempo de ejecución por energía utilizada.

24v x 10.6A = 254 Vatios 28V x 10.6A = 296.8 Vatios La energía perdida en un separador puramente resistivo es de 42.8 Vatios = 14.42% (como se esperaba) de un total de 297W.

Usar un convertidor reductor es improbable que ahorre más de quizás otros 20 Vatios, reduciendo a la mitad las pérdidas a alrededor de 20 Vatios. Incluso con un convertidor excepcionalmente bueno, probablemente solo ahorrarías unos 10 Vatios adicionales.

Es bastante probable que un separador resistivo sea suficiente.

Si puedes hacer funcionar el ventilador digamos a 22V, es posible que disipes más potencia en el separador pero uses menos energía en general. Un buen conocimiento de las características de Voltaje / corriente / flujo de aire del ventilador y las necesidades reales ayudarán a la optimización.

Answer 2

Dos soluciones fáciles.

1. Un convertidor de corriente adecuado. Es probable que estés viendo una eficiencia del 90%.

2. PWM. Ajusta tu PWM para que tu tasa máxima sea del 85% en lugar del 100%. Esto dará como resultado un promedio de 23.8V (más la caída de voltaje de los mosfets) en tu período PWM.

Answer 3

El control PWM de una etapa de potencia tipo Buck con ciclo de trabajo feedforward (es decir, sin retroalimentación), podría ser una opción. (fuente de la imagen eetimes)

Solo establece el ciclo de trabajo en 24/28/0.9 = 0.95 y la salida será de ~24V para una entrada de 28V.

Es completamente no regulado porque no hay retroalimentación, pero para un ventilador debería funcionar. Es posible que quieras prestar atención al encenderlo para aumentar gradualmente el ciclo de trabajo del 0% al 95% para prevenir corrientes de entrada elevadas.

Answer 4

Mi empresa fabrica controladores de velocidad de ventiladores CC para equipos de movimiento de tierras muy grandes. Cada ventilador consume 6 - 7A @ 24Vcc y hay 10 ventiladores en el sistema. Dos ventiladores por etapa de potencia, 5 etapas de potencia en la caja.

La empresa cliente ha utilizado varias marcas diferentes de ventiladores CC a lo largo de los años y todos responden muy bien al PWM. Debido a que nos preocupa no interferir con sus comunicaciones por radio, tenemos un gran filtro LC en la salida de cada una de las etapas de PWM. Eso convierte la etapa de PWM en un convertidor de buck para las unidades que construimos. Sin embargo, los ventiladores funcionan muy bien sin el filtro LC.

Otro usuario mencionó que es importante aumentar lentamente el ciclo de trabajo al iniciar. Afortunadamente, el control PWM hace que esto sea fácil.