Frenado de un motor DC cepillado

¿Qué pasaría si cortocircuito los terminales de un motor de CC mientras la alimentación está desconectada pero todavía está girando libremente?

Según varias fuentes, frenaría el motor. Esto tiene sentido. Pero también mencionan el uso de una variedad de resistencias de potencia y no solo el cortocircuito de los terminales. ¿Qué pasaría si acortara las terminales?

Lo que dijeron ... más / pero:

Cuando se aplica un cortocircuito a los terminales de un motor de CC, el rotor y cualquier carga conectada se frenarán rápidamente. "Rápidamente" depende del sistema, pero como la potencia de frenado puede estar algo por encima de la potencia de diseño máxima del motor, la frenada generalmente será significativa.

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

El poder de frenado se trata de I ^ 2R

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

• R = resistencia del circuito formado, incluida la resistencia del rotor del motor + cableado + resistencia del cepillo si es relevante + cualquier resistencia externa.

La aplicación de un cortocircuito logra el máximo frenado del motor que puede lograr sin aplicar un EMF inverso externo (lo que hacen algunos sistemas). Muchos sistemas de parada de emergencia usan cortocircuito del rotor para lograr una "parada de choque". La corriente resultante probablemente estará limitada por la saturación del núcleo (excepto en algunos casos especiales en los que se utiliza un núcleo de aire o espacios de aire muy grandes). Como los motores están generalmente diseñados para hacer un uso razonablemente eficiente de su material magnético, generalmente encontrará ese máximo en cortocircuito La corriente debido a la saturación del núcleo no excede en gran medida la corriente operativa nominal máxima de diseño. Como otros han señalado, puede obtener situaciones en las que la energía que se puede suministrar es perjudicial para la salud de los motores, pero es poco probable que se enfrente a ellas a menos que tenga un motor de una locomotora eléctrica de repuesto,

Puede "facilitar esto" utilizando el siguiente método. He especificado 1 ohmio para fines de medición actuales, pero puede usar cualquier traje.

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, entonces I = V. La disipación de potencia será I ^ R o para un pico de 1 ohmio Potencia con pico de amperios al cuadrado (o resistencia Voltios al cuadrado para una resistencia de 1 ohmio, por ejemplo, motor de pico de 10 A la corriente producirá temporalmente 100 vatios en 1 ohmio. A menudo puede utilizar resistencias de hasta 250 vatios en tiendas excedentes por sumas muy modestas. Incluso una resistencia de alambre de cerámica de 10 vatios debe resistir muchas veces su potencia nominal durante unos segundos. Por lo general, son de 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 Nichrome o Constantan (= Nickel Copper) o un cable similar, ya sea de un distribuidor eléctrico o del primero de elementos antiguos de calentadores eléctricos. El cable del elemento calentador eléctrico generalmente tiene una capacidad nominal de 10 amperios continuos (cuando se ilumina con la barra calentadora-rojo cereza). Puede colocar múltiples hilos en paralelo para reducir la resistencia. Esto es difícil de soldar por medios normales. Hay maneras, pero fácil de "jugar" es sujetar longitudes en bloques de terminales atornillados.

Una posibilidad es una bombilla de aproximadamente las clasificaciones 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 de varias a muchas veces la resistencia al frío. Cuando se aplica un paso de corriente (o un dado de corriente a un paso de voltaje) a una bombilla, inicialmente presentará su resistencia al frío, que luego aumentará a medida que se caliente. Dependiendo de la energía disponible y la clasificación de la bombilla, la bombilla puede brillar hasta alcanzar un brillo total o apenas puede brillar. por ejemplo, una bombilla incandescente de 100 vatios y 100 VCA tendrá una potencia 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 se podrá medir, pero puede estar en el rango de 5 a 30 ohmios. Si la potencia inicial en la bombilla es de 100 vatios, se "iluminará" rápidamente. Si la potencia inicial es de unos 10 vatios, probablemente no superará un destello. El mejor análisis de lo que está haciendo una bombilla sería mediante el registrador de datos de dos canales de bombilla Vbulb e I y el 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 metros y un gran cuidado puede ser lo suficientemente bueno.

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

El perfil de frenado probable se puede determinar semi empíricamente de la siguiente manera.

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

2. Haga girar el rotor en cortocircuito a varias velocidades y determine las pérdidas a las RPM dadas. 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 un tiempo puede tener bobinados calientes del rotor antes de frenar. Estas posibilidades deben ser incluidas.

3. Realice una solución analítica basada en lo anterior (más fácil) de escribir un programa interactivo para determinar la curva de velocidad / pérdida de potencia. Algo así como una hoja de cálculo de Excel lo hará fácilmente. Timestep puede modificarse para observar resultados.

Para una máxima seguridad de reproducción, el motor se puede conectar a una resistencia de 1 ohmio (por ejemplo) y girar mediante un accionamiento externo, por ejemplo, prensa de taladro, taladro manual de batería (control de velocidad bruto), etc. El voltaje a través de la resistencia de carga proporciona corriente.

Su motor funcionará como un generador, denominado "frenado eléctrico". El circuito estará formado por la bobina del motor y lo que sea que le conecte. La corriente dependerá de la resistencia de ese 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 y provocar que la bobina se queme o se derrita. Considere los trenes de ferrocarril: tienen que usar resistencias masivas para el frenado eléctrico y estos se calientan considerablemente.

Si cortocircuita los terminales, la energía cinética se disipará en las partes del motor.

• los devanados se calentarán
• Una alta corriente fluirá a través de los cepillos y causará arcos
• a largo plazo, los cepillos se deteriorarán y crearán polvo conductor en el anillo del conmutador
• el anillo del conmutador eventualmente se convertirá en un punto de cortocircuito permanente causando sobrecorriente
• eventualmente, los interruptores de alimentación, que controlan el motor, se sobrecargarán y fallarán (por ejemplo: transistores)

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

Considere lo que sucede si aplica el voltaje completo del motor cuando el motor está en reposo. El voltaje completo aparecerá a través de la resistencia de la armadura que disipará la potencia máxima. A medida que el par motor acelera la carga mecánica, la velocidad del motor, por lo tanto, la fem de retorno, aumenta y la corriente, por lo tanto, la potencia en la armadura cae. Finalmente, la fem inversa es casi igual al voltaje de entrada y la potencia disipada por la armadura alcanza un nivel inactivo.

Ahora considere eliminar el voltaje de entrada y cortocircuitar la armadura. El back-emf completo ahora aparece a través de la armadura, que se disipa casi tanto como al comenzar. Finalmente, el par motor reduce la carga mecánica y finalmente el motor se detiene.

Por lo tanto, la disipación de potencia de la armadura sigue aproximadamente la misma curva contra el tiempo cuando se inicia o se detiene. Entonces, si su motor puede sobrevivir con la tensión del motor completa aplicada desde el reposo, puede sobrevivir si su armadura está en cortocircuito a toda velocidad.

Como dice Sharptooth, en los trenes, las resistencias de frenado se pueden usar para descargar la potencia de carga, pero el voltaje completo del motor no se aplica desde el reposo. No soy un experto en diseño de trenes de última generación, pero en los viejos trenes de metro de Londres, las resistencias de balasto se conectaban en serie con la armadura y se desconectaban progresivamente a medida que el tren ganaba velocidad.

Un motor de cepillo 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 obtener o hundir energía) cuya polaridad y voltaje es un múltiplo constante de la velocidad de rotación. Producirá un par de conversión a corriente y viceversa, siendo el par un múltiplo constante de la corriente. Para determinar el comportamiento de frenado, simplemente use el modelo con una resistencia igual a la resistencia de CC del motor cuando esté parado; la inductancia probablemente se puede ignorar, excepto cuando se intenta encender y apagar rápidamente la corriente del motor (por ejemplo, con un variador PWM).

Cortocircuitar los cables de un motor hará que la corriente fluya igual a la relación de voltaje de circuito abierto (a su velocidad actual) a resistencia. Esto provocará un par de frenado de una magnitud aproximadamente igual al par que 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 ese escenario de parada.