Travando um motor escovado CC

O que aconteceria se eu curto os terminais de um motor DC enquanto a energia estiver desconectada, mas ainda estiver girando livremente?

Segundo várias fontes, ele freia o motor. Isso faz sentido. Mas eles também mencionam o uso de uma série de resistores de potência e não apenas o curto-circuito dos terminais. O que aconteceria se eu apenas abreviasse os terminais?

O que eles disseram ... mais / mas:

Quando um curto-circuito é aplicado aos terminais de um motor CC, o rotor e qualquer carga acoplada são travados rapidamente. "Rapidamente" depende do sistema, mas como a potência de frenagem pode estar um pouco acima da potência de pico do projeto do motor, a frenagem geralmente é significativa.

Na maioria dos casos, isso é algo suportável se você achar o resultado útil.

O poder de frenagem é de cerca de I ^ 2R

• onde I = corrente de frenagem de curto-circuito inicial do motor (veja abaixo) e

• R = resistência do circuito formado, incluindo resistência do motor-rotor + fiação + resistência à escova, se relevante + resistência externa.

A aplicação de um curto-circuito alcança a frenagem máxima do motor que você pode obter sem aplicar EMF reverso externo (o que alguns sistemas fazem). Muitos sistemas de parada de emergência usam o curto-circuito do rotor para obter uma "parada de colisão". A corrente resultante provavelmente será limitada pela saturação do núcleo (exceto em alguns casos especiais em que é utilizado um aircore ou intervalos de ar muito grandes.) Como os motores são geralmente projetados para fazer uso razoavelmente eficiente de seu material magnético, você geralmente encontrará o máximo em curto A corrente devido à saturação do núcleo não excede em muito a corrente operacional máxima de projeto. Como outros observaram, você pode obter situações em que a energia que pode ser fornecida é ruim para a saúde dos motores, mas é improvável que você lide com eles, a menos que tenha um motor de uma locomotiva elétrica sobressalente,

Você pode "facilitar isso" usando o método abaixo. Especifiquei 1 ohm para fins de medição atual, mas você pode usar qualquer que seja a roupa.

Como teste, tente usar um resistor de 1 ohm e observe a tensão ao usá-lo como freio de motor. Corrente = I = V / R ou aqui V / 1, então I = V. A dissipação de energia será I ^ R ou para pico de 1 ohm Potência com pico de ampere ao quadrado (ou resistor Volts ao quadrado para um resistor de 1 ohm, por exemplo, motor de pico 10A a corrente produzirá temporariamente 100 Watt em 1 ohm. Você pode, com frequência, resistores de potência de até 250 Watt em lojas excedentes por somas muito modestas. Mesmo um resistor enrolado de 10 Watt com corpo em cerâmica deve suportar muitas vezes sua potência nominal por alguns segundos. Geralmente são enrolados com fio, mas a indutância deve ser baixa o suficiente para não ser relevante nesta aplicação.

Outra excelente fonte de elemento resistor é Nichrome ou Constantan (= cobre níquel) ou fio similar - de um distribuidor elétrico ou do antigo de elementos antigos de aquecedores elétricos. O fio do elemento do aquecedor elétrico é normalmente classificado para 10 Amperes contínuos (quando brilha aquecedor-barra-vermelho-cereja). Você pode colocar vários fios em paralelo para reduzir a resistência. É difícil de soldar por meios normais. Existem várias maneiras, mas fácil de "tocar" é prender comprimentos em terminais de parafuso.

Uma possibilidade é uma lâmpada com as classificações corretas. Meça sua resistência ao frio e estabeleça sua corrente nominal em I = Watts_rated / Vrated. Observe que a resistência a quente será várias a muitas vezes a resistência ao frio. Quando um passo de corrente (ou corrente morre para um passo de tensão) é aplicado a uma lâmpada, ela apresenta inicialmente sua resistência ao frio, que aumentará à medida que se aquece. Dependendo da energia disponível e da classificação da lâmpada, a lâmpada pode brilhar até o brilho máximo ou dificilmente brilhar. por exemplo, uma lâmpada incandescente de 100 Watt 100 VAC será classificada em 100 Watt / 110 VAC ~ = 1 Amp. Sua resistência a quente será de cerca de R = V / I = 110/1 = ~ 100 Ohms. Sua resistência ao frio poderá ser medida, mas pode estar na faixa de 5 a 30 Ohm. Se a potência inicial da lâmpada for de 100 Watt, ela "brilhará" rapidamente. Se a potência inicialmente é de 10 Watts, provavelmente não ficará acima de um vislumbre. A melhor análise do que uma lâmpada está fazendo seria pelo registrador de dados de dois canais das lâmpadas Vbulb e I e subsequente plotagem de V&I e pela soma do produto VI à medida que o motor freia. Um osciloscópio com manuseio cuidadoso dará uma boa idéia e o uso de dois metros e um grande cuidado podem ser bons o suficiente.

Algumas pequenas turbinas eólicas usam o curto-circuito do rotor como freio de velocidade excessiva quando as velocidades do vento ficam muito rápidas para o rotor. Quando o motor não está saturado, a saída de energia aumenta aproximadamente como V x I ou quadrado da velocidade do vento (ou rotor). Quando a máquina satura magneticamente e se torna uma fonte de corrente quase constante, a potência aumenta aproximadamente linearmente com a velocidade do rotor ou a velocidade do vento. MAS, como a energia eólica é proporcional à velocidade do rotor em cubos, é evidente que haverá uma velocidade máxima do rotor além da qual a energia de entrada excede o esforço máximo de frenagem disponível. Se você vai depender do curto-circuito do rotor para controlar a velocidade excessiva, realmente deseja realmente iniciar a frenagem em curto-circuito do rotor bem abaixo da velocidade de cruzamento de entrada / saída. Não fazer isso pode significar que uma rajada repentina empurra a velocidade do rotor acima do limite crítico e, em seguida, fica feliz em fugir. Turbinas eólicas descontroladas em ventos de alta velocidade podem ser divertidas, caso você não as possua e esteja em algum lugar muito seguro. Se ambos não se aplicarem, use muita margem de segurança.

O perfil provável de frenagem pode ser determinado semi-empiricamente da seguinte maneira.

1. Esta é a parte difícil :-). Calcule o rotor e carregue a energia armazenada. Isso está além do escopo desta resposta, mas é material padrão de livros de texto. Fatores incluem massas e o momento de inércia das peças rotativas. A energia armazenada resultante terá termos em RPM ^ 2 (provavelmente) e alguns outros fatores.

2. gire o rotor em curto a várias velocidades e determine as perdas em determinadas RPM. Isso pode ser feito com um dinamômetro, mas algumas medições de corrente e características do circuito devem ser suficientes. Observe que o rotor aquecerá na frenagem. Isso pode ou não ser significativo. Além disso, um motor que funcione por algum tempo pode ter enrolamentos quentes do rotor antes da frenagem. Essas possibilidades precisam ser incluídas.

3. Faça uma solução analítica baseada no acima (mais fácil) de escrever um programa interativo para determinar a curva de velocidade / perda de potência. Algo como uma planilha do Excel fará isso facilmente. O timestep pode ser alterado para observar os resultados.

Para segurança máxima de operação, o motor pode ser conectado a um resistor de 1 ohm (por exemplo) e girado usando um inversor externo - por exemplo, prensa, furadeira manual com bateria (controle de velocidade bruta) etc. A tensão no resistor de carga fornece corrente.

O seu motor estará funcionando como gerador - a chamada "frenagem elétrica". O circuito será formado pela bobina do motor e o que você conectar. A corrente dependerá da resistência do circuito.

Como a bobina e os outros componentes estão conectados seqüencialmente, a corrente será igual em todas as partes do circuito. Se você curto o motor, a resistência dependerá unicamente da resistência da bobina. Isso pode levar a uma corrente bastante alta que, dependendo do projeto exato do motor e de sua velocidade no ponto em que você inicia a frenagem, pode aquecer o motor, o que pode levar à queima ou ao derretimento da bobina. Considere os trens ferroviários - eles precisam usar resistores maciços para a frenagem elétrica e esses aquecem consideravelmente.

Se você curto os terminais, a energia cinética será dissipada nas peças do motor.

• enrolamentos serão aquecidos
• alta corrente fluirá através das escovas e causará arco
• em termos longos, as escovas se deterioram e criam poeira condutora no anel do comutador
• o anel do comutador acabará se tornando um ponto de curto permanente causando sobrecorrente
• eventualmente, interruptores de energia, o controle do motor será sobrecarregado e falhará (por exemplo: transistores)

Btw. A ruptura regenerativa eletrônica normal típica inclui poucas peças como resistor de 68 Ohm, transistor de potência e alguns divisores de tensão e zener.

Considere o que acontece se você aplicar a tensão total do motor quando o motor estiver em repouso. A tensão total aparecerá através da resistência da armadura, que dissipará a potência máxima. À medida que o torque do motor acelera a carga mecânica, a velocidade do motor, daí a contra-fem, aumenta e a corrente, portanto, a potência na armadura diminui. Eventualmente, o back-emf é quase igual à tensão de entrada e a energia dissipada pela armadura atinge um nível inativo.

Agora considere remover a tensão de entrada e causar curto-circuito na armadura. A fem de volta completa agora aparece na armadura, que se dissipa quase tanto quanto quando se iniciava. Eventualmente, o torque do motor diminui a carga mecânica e, eventualmente, o motor para.

Portanto, a dissipação da energia da armadura segue aproximadamente a mesma curva em relação ao tempo ao iniciar ou parar. Portanto, se o seu motor puder sobreviver com a tensão total do motor aplicada em repouso, ele poderá sobreviver com a armadura em curto a toda velocidade.

Como o sharptooth diz, em trens, os resistores de frenagem podem ser usados ​​para descarregar a carga, mas a tensão total do motor não é aplicada em repouso. Não sou especialista em design de trens de última geração, mas em trens antigos de metrô de Londres, os resistores de lastro eram conectados em série à armadura e progressivamente trocados à medida que o trem ganhava velocidade.

Um motor de escova típico pode ser razoavelmente modelado como um motor ideal em série com um resistor e um indutor. Um motor ideal aparecerá eletricamente como uma braçadeira / fonte de tensão de resistência zero (capaz de fornecer ou absorver energia) cuja polaridade e tensão são um múltiplo constante da velocidade de rotação. Ele produzirá torque de conversão para corrente e vice-versa, com o torque sendo um múltiplo constante da corrente. Para descobrir o comportamento da frenagem, basta usar o modelo com um resistor igual à resistência CC do motor quando parado; a indutância provavelmente pode ser ignorada, exceto quando alguém está tentando ligar e desligar rapidamente a corrente do motor (por exemplo, com um inversor PWM).

O curto-circuito dos fios de um motor fará com que a corrente flua igual à razão entre a tensão de circuito aberto (na sua velocidade atual) e a resistência. Isso fará com que o torque de frenagem seja aproximadamente igual em magnitude ao torque que resultaria se a tensão fosse aplicada externamente ao motor enquanto ele estava parado; também dissipará a mesma quantidade de energia nos enrolamentos do motor que o cenário de estol.