Frenado de un motor de CC con escobillas

Lo que dijeron … más / pero:

Cuando se aplica un cortocircuito a los terminales de un motor de CC, el rotor y cualquier carga adjunta se frenarán rápidamente. «Rápidamente» depende del sistema pero como la potencia de frenado puede estar algo por encima de la potencia máxima de diseño del motor, el frenado suele ser significativo.

En la mayoría de los casos, esto es algo soportable si encuentra útil el resultado.

La potencia de frenado es aproximadamente I ^ 2R

• donde I = corriente de frenado de cortocircuito inicial del motor (ver más abajo) y

• R = resistencia del circuito formado incluyendo resistencia motor-rotor + cableado + resistencia de escobillas si es relevante + cualquier resistencia externa.

La aplicación de un cortocircuito logra el máximo frenado del motor que puede lograr sin aplicar EMF inverso externo (lo que hacen algunos sistemas). Muchos sistemas de parada de emergencia utilizan un cortocircuito del rotor para lograr una «parada de emergencia». La corriente resultante probablemente estará limitada por la saturación del núcleo (excepto en algunos casos especiales donde se usa un núcleo de aire o espacios de aire muy grandes). Como los motores generalmente están diseñados para hacer un uso razonablemente eficiente de su material magnético, generalmente encontrará que el máximo cortocircuito La corriente debida a la saturación del núcleo no supera en gran medida la corriente de funcionamiento nominal máxima de diseño. Como han señalado otros, puede tener situaciones en las que la energía que se puede entregar es mala para la salud de los motores, pero es poco probable que tenga que lidiar con ellas a menos que tenga un motor de una locomotora eléctrica de repuesto, un montacargas o una pieza de equipo generalmente muy grande. .

Puede «entrar en esto» utilizando el método siguiente. He especificado 1 ohmio para fines de medición de corriente, pero puede usar lo que sea adecuado.

Como prueba, intente usar una resistencia de 1 ohmio y observe el voltaje a través de ella cuando se usa como freno de motor. Corriente = I = V / R o aquí V / 1 por lo que I = V. La disipación de potencia será I ^ R o para un pico de 1 ohmio Vataje con picos de amperios al cuadrado (o voltios de resistencia al cuadrado para un resistor de 1 ohmio. Por ejemplo, la corriente máxima del motor de 10 A se producir 100 vatios en 1 ohmio. A menudo, puede alimentar resistencias de 250 vatios en tiendas excedentes por sumas muy modestas. Incluso una resistencia de alambre bobinado de 10 vatios con cuerpo de cerámica debería resistir muchas veces su potencia nominal durante unos segundos. alambre enrollado, pero la inductancia debe ser lo suficientemente baja como para no ser relevante en esta aplicación.

Otra fuente excelente de elemento de resistencia es nicromo o constantan (= níquel cobre) o un cable similar, ya sea de un distribuidor eléctrico o el primero de los elementos calentadores eléctricos antiguos. El cable del elemento calentador eléctrico es tipo Calificado para 10 amperios continuos (cuando se ilumina en rojo cereza de barra calefactora). Puede colocar varios hilos en paralelo para reducir la resistencia. Esto es difícil de soldar por medios normales. Hay formas, pero fácil de «jugar» es sujetar las longitudes en bloques de terminales atornillados.

Una posibilidad es una bombilla de aproximadamente calificaciones correctas. Mida su resistencia al frío y establezca su corriente nominal por I = Watts_rated / Vrated. Tenga en cuenta que la resistencia al calor será varias veces mayor que la resistencia al frío. Cuando se aplica un paso de corriente (o la corriente muere a un paso de voltaje) a una bombilla, inicialmente presentará su resistencia al frío que luego aumentará a medida que se calienta. Dependiendo de la energía disponible y la clasificación de la bombilla, la bombilla puede iluminarse hasta alcanzar el máximo brillo o apenas brillar. Por ejemplo, una bombilla incandescente de 100 vatios y 100 VCA tendrá una potencia nominal de 100 vatios / 110 VCA ~ = 1 amperio. Su resistencia al calor será de aproximadamente R = V / I = 110/1 = ~ 100 ohmios. Su resistencia al frío podrá medirse, pero puede estar en el rango, por ejemplo, de 5 a 30 ohmios. Si la potencia inicial en la bombilla es digamos de 100 vatios, se «iluminará» rápidamente. Si la potencia inicial es de 10 vatios, probablemente no superará un destello. El mejor análisis de lo que hace una bombilla sería por dos canales registrador de datos de Vbulb y I bulb y posterior trazado de V & I y sumando el producto VI como los frenos del motor. Un osciloscopio cuidadosamente manejado dará una idea justa y el uso de dos medidores y un gran cuidado puede ser suficiente.

Algunas turbinas eólicas PEQUEÑAS usan un cortocircuito del rotor como freno de exceso de velocidad cuando las velocidades del viento son demasiado rápidas para el rotor. Cuando el motor no está saturado, la potencia de salida aumenta aproximadamente como V x I o cuadrado de la velocidad del viento (o del rotor).Cuando la máquina se satura magnéticamente y se convierte en una fuente de corriente casi constante, la potencia aumenta aproximadamente de forma lineal con la velocidad del rotor o la velocidad del viento. PERO como la energía eólica es proporcional a la velocidad del rotor al cubo, es evidente que habrá una velocidad máxima del rotor más allá de la cual la energía de entrada excede el esfuerzo de frenado máximo disponible. Si va a depender del cortocircuito del rotor para el control de exceso de velocidad, entonces realmente realmente desea iniciar el frenado en cortocircuito del rotor muy por debajo de la velocidad de cruce de entrada / salida. No hacer esto puede significar que una ráfaga repentina empuja la velocidad del rotor por encima del límite crítico y luego se escapará felizmente. Las turbinas eólicas fuera de control con vientos de alta velocidad pueden ser divertidas de observar si no las posee y está parado en un lugar muy seguro. Si ambos de estos no se aplican, use mucho margen de seguridad.

Probablemente frenar el perfil se puede determinar de forma semi empírica de la siguiente manera.

1. Esta es la parte difícil :-). Calcular el rotor y cargar la energía almacenada. Esto está más allá del alcance de esta respuesta, pero es un texto estándar material de libro. Los factores incluyen masas y el momento de inercia de las partes giratorias. La energía almacenada resultante tendrá términos en RPM ^ 2 (probablemente) y algunos otros factores.

2. spin corto rotor a varias velocidades y determinar las pérdidas a determinadas RPM. Esto podría hacerse con un dinamómetro, pero algunas mediciones de corriente y características del circuito deberían ser suficientes. Tenga en cuenta que el rotor se calentará al frenar. Esto puede o no ser significativo. Además, un motor que ha funcionado durante algún tiempo puede tener bobinados del rotor calientes antes de frenar. Estas posibilidades deben incluirse.

3. Elija una solución analítica basada en lo anterior (más fácil) o escriba un programa interactivo para determinar la curva de velocidad / pérdida de potencia. Algo como una hoja de cálculo de Excel hará esto fácilmente. El paso de tiempo se puede alterar para observar los resultados.

Para una máxima seguridad de reproducción, el motor se puede conectar a una resistencia de 1 ohmio (digamos) y activarlo usando un disco externo, por ejemplo taladro, taladro manual de batería (control de velocidad bruta), etc. El voltaje a través de la resistencia de carga da corriente.

Su motor funcionará como un generador, el llamado «frenado eléctrico». El circuito estará formado por la bobina del motor y lo que sea que le conecte. La corriente dependerá de la resistencia del circuito.

Dado que la bobina y los otros componentes están conectados secuencialmente, la corriente será igual en todas las partes del circuito. Si cortocircuita el motor, la resistencia dependerá únicamente de la resistencia de la bobina. Esto puede conducir a una corriente bastante alta que, dependiendo del diseño exacto del motor y su velocidad en el punto en que comienza a frenar, puede calentar el motor, lo que puede provocar que la bobina se queme o se derrita. Considere los trenes de ferrocarril: tienen que usar resistencias masivas para el frenado eléctrico y se calientan considerablemente.

Si acorta el terminales, la energía cinética se disipará en las partes del motor.

• los devanados se calentarán
• alta corriente fluirá a través de las escobillas y provocará un arco
• a largo plazo, las escobillas se deteriorarán y crearán polvo conductor en anillo del conmutador
• el anillo del conmutador eventualmente se convertirá en un punto de cortocircuito permanente causando sobrecorriente
• eventualmente los interruptores de energía, el control del motor se sobrecargará y fallará (por ejemplo: transistores)

Por cierto. La ruptura regenerativa electrónica normal típica incluye pocas partes como una resistencia de 68 ohmios, un transistor de potencia y algunos divisores de voltaje y zener.

Comentarios

• Su » BTW » carece de contexto. ¿Puedes expandir eso un poco?
• Resistencias regenerativas que se usan típicamente en servos con > salida de 100W y más. La fuente de alimentación de CC se carga con un puente trifásico y un circuito de regeneración en paralelo. Cuando el voltaje excede el voltaje nominal del bus (digamos 55V > 48V), o la CPU decide frenar, el sensor de sobrevoltaje abre el transistor de potencia y la corriente alta fluye a través del resistor. Por alguna razón, esta área está llena de patentes inútiles, por lo que no es fácil buscar esquemas autoexplicativos en Google.

Considere lo que sucede si aplica el voltaje total del motor cuando el motor está en reposo. El voltaje total aparecerá a través de la resistencia del inducido, lo que disipará la potencia máxima. A medida que el par del motor acelera la carga mecánica, la velocidad del motor, por lo tanto, la fem trasera, aumenta y la corriente, por lo tanto, la potencia en el inducido disminuye. Eventualmente, la back-emf es casi igual al voltaje de entrada y la potencia disipada por el inducido alcanza un nivel inactivo.

Ahora considere quitar el voltaje de entrada y cortocircuitar el inducido. La fuerza contraelectromotriz completa ahora aparece a través de la armadura que se disipa casi tanto como lo hizo al comenzar.Finalmente, el par del motor ralentiza la carga mecánica y, finalmente, el motor se detiene.

Entonces, la disipación de potencia del inducido sigue aproximadamente la misma curva contra el tiempo al arrancar o parar. Entonces, si su motor puede sobrevivir con el voltaje total del motor aplicado desde el reposo, puede sobrevivir con un cortocircuito en el inducido a toda velocidad.

Como dice el diente afilado, en los trenes, las resistencias de frenado se pueden usar para volcar el potencia de carga, pero la tensión total del motor no se aplica desde el reposo. No soy un experto en el diseño de trenes de última generación, pero en los viejos trenes de metro de Londres, las resistencias de balasto se conectaron en serie con la armadura y se apagaron progresivamente a medida que el tren ganaba velocidad.

Un motor de escobillas típico puede modelarse razonablemente como un motor ideal en serie con una resistencia y un inductor. Un motor ideal aparecerá eléctricamente como un suministro / abrazadera de voltaje de resistencia cero (capaz de generar o disminuir energía) cuya polaridad y voltaje es un múltiplo constante de la velocidad de rotación. Producirá convertir el par en corriente y viceversa, siendo el par un múltiplo constante de la corriente. Para averiguar el comportamiento de frenado, simplemente use el modelo con una resistencia igual a la resistencia de CC del motor cuando está bloqueado; la inductancia probablemente se puede ignorar, excepto cuando uno está tratando de encender y apagar rápidamente la corriente del motor (por ejemplo, con un variador PWM ).

Cortar los cables de un motor hará que la corriente fluya igual a la relación entre el voltaje de circuito abierto (a su velocidad actual) y la resistencia. Esto causará un par de frenado aproximadamente igual en magnitud al par Eso resultaría si ese voltaje se aplicara externamente al motor mientras estaba parado; también disipará la misma cantidad de energía en los devanados del motor que en ese escenario de parada.