Estoy desarrollando motores sin escobillas en Impulsor. Recientemente, a menudo nos contactan para desarrollar un motor / generador que actúe como un freno. En este artículo hablaré sobre las características de esta aplicación de motores, cuáles son las ventajas y desventajas y cómo implementar dicho modo de operación.
Beneficios y Usos
Usar el motor como freno proporciona una serie de ventajas y parámetros que no se pueden lograr con otros tipos de frenos disponibles actualmente. Sin embargo, este enfoque también tiene desventajas.
Ventajas:
- Ajuste rápido de encendido / apagado y par de frenado.
- Amplia gama de revoluciones de trabajo. Es posible hacer un freno de exceso de revoluciones (hasta 100,000 rpm), y viceversa, es muy lento.
- Instalación suave de la carga, la falta de la posibilidad de bloqueo accidental del eje.
- Falta de polvo y materiales de desecho del freno. Se puede usar en interiores o en espacios reducidos.
- Se puede usar como generador.
Desventajas
- Limitaciones en la temperatura de funcionamiento de hasta 150, 200 grados. Es posible elevar un poco la temperatura, pero al mismo tiempo el precio del producto aumenta mucho.
- Un freno ordinario de un disco y pastillas en las mismas dimensiones será más efectivo.
- Fuertes límites de torque a bajas revoluciones y la incapacidad de bloquear completamente el eje. Esta limitación se puede evitar utilizando un controlador de alimentación externo.
- La presencia constante de un pequeño par de frenado.
Debido a su velocidad, precisión y limpieza, dicho freno es indispensable en laboratorios y dispositivos de interior. Un análogo cercano del freno de motor es un freno de pólvora. Es igual de rápido, no crea polvo, pero no puede funcionar a altas velocidades y la mayoría de los modelos existentes están completamente limitados a 1500-3000 rpm. Un freno de disco convencional no puede proporcionar la misma precisión y estabilidad.
Modos de funcionamiento
Hay 3 modos de frenado disponibles para el freno electromagnético, difieren en el destino de la energía del frenado:
- Circuito y modo de liberación de calor directamente en el motor.
- Generación de calor en una carga externa, resistencia o transistor bipolar.
- Recuperación y carga de la batería.
A continuación, hablaré más sobre estos modos para motores síncronos con imanes permanentes BLDC, esto también se aplica a DC ordinario.
1. Modo circuito
Este es el modo más fácil. En él, los contactos del motor simplemente se cierran y la potencia de frenado se asigna a la resistencia del devanado del motor. Los motores fueron diseñados originalmente con una pendiente para enfriar, y además, tienen una capacidad de masa y calor suficientemente grande. Esto le permite utilizar este modo de manera bastante intensiva sin modificaciones en el motor / generador.
Para implementar este modo, un puente de diodos y una llave mecánica (botón, interruptor de cuchilla o relé) o electrónica (MOSFET, IGBT) son suficientes. Para ajustar la fuerza de frenado, se utiliza PWM, que establece el ciclo de trabajo de la apertura de la llave. El diagrama de conexión es el siguiente:
Este modo tiene una característica interesante. Con el aumento de la velocidad, el par de frenado máximo caerá. Esto se debe al hecho de que el devanado del motor tiene una inductancia significativa y, al aumentar la velocidad, también aumenta la frecuencia de las corrientes. Como resultado, la reactancia del devanado excederá la activa y la pérdida de potencia será inferior al máximo posible para este motor. La dependencia característica del par de frenado máximo de las revoluciones se muestra en el siguiente gráfico:
A pesar del hecho de que cualquier motor listo para usar se puede usar inmediatamente en este modo, este modo no permitirá revelar todo el potencial del producto. Sin embargo, el rendimiento del freno en este modo se puede aumentar significativamente, originalmente está diseñado como un freno.
Este modo tiene otro inconveniente importante. Debido al cierre y apertura rápidos y repentinos de los devanados, se producirá una fuerte interferencia electromagnética. Además, el puente de diodos debe estar diseñado para grandes corrientes pulsadas.
2. Con carga externa
En este modo, la principal fuente de calor del frenado es la resistencia externa. Este modo es mucho más efectivo, ya que la potencia de frenado ya no está limitada por el disipador de calor del calor del motor, y el radiador de resistencia puede hacerse arbitrariamente grande. Además, si el valor de resistencia se ajusta correctamente, el par de frenado máximo será mayor que solo al cerrar y cuanto mayor sea la velocidad, más significativo se manifestará.
Para implementar este modo, también se requiere un puente de diodos, pero después se enciende un reóstato mecánico o un transistor bipolar con un circuito de control de corriente o resistencia (circuito de carga electrónico). El diagrama de conexión es el siguiente:
Con una pequeña cantidad de resistencia externa en relación con la resistencia del motor, la naturaleza del par de frenado estará cerca del primer modo. Al aumentar la resistencia, el punto de torque máximo cambiará a altas revoluciones y aumentará la potencia máxima de frenado. La dinámica del par de frenado al aumentar la resistencia de carga se muestra en el siguiente gráfico:
Este modo le permite obtener el rango deseado de revoluciones de operación, el área en la cual el par de frenado aumenta con las revoluciones crecientes. Este modo de operación es extremadamente exitoso, ya que le permite estabilizar la velocidad o limitarlos. Se forma un sistema de retroalimentación estable.
3. Recuperación
Este modo es el más difícil de implementar. Requiere un controlador (ESC) similar a los utilizados para controlar los motores sin escobillas BLDC. Pero al mismo tiempo, este modo es el más efectivo. Es capaz de eliminar la mayoría de las desventajas de este tipo de freno. Entonces, por ejemplo, el controlador le permitirá bloquear completamente el eje del motor, le permitirá usar el freno simultáneamente en el modo de generación y frenado controlado, y en este modo puede lograr momentos de frenado significativamente más altos que en el 2x anterior.
En este artículo, no describiré en detalle el dispositivo controlador y sus algoritmos de operación, como Este tema es para un artículo separado, y posiblemente no para uno. Para aquellos que quieran entender este problema, pueden estudiar el principio del controlador en vehículos eléctricos (bicicletas, scooters) y cómo implementan los algoritmos de frenado y recuperación.
Conclusión
El motor y los generadores son opciones económicas y simples para un freno eléctrico con parámetros únicos. Tal freno no es universal y no permitirá reemplazar los frenos de disco clásicos, pero para algunas tareas está más allá de la competencia.