Bremsen eines DC-Bürstenmotors

Was würde passieren, wenn ich die Klemmen eines Gleichstrommotors kurzschließen würde, während die Stromversorgung unterbrochen ist, dieser aber noch frei läuft?

Nach mehreren Quellen würde es den Motor bremsen. Das macht Sinn. Sie erwähnen aber auch die Verwendung einer Reihe von Leistungswiderständen und nicht nur den Kurzschluss der Klemmen. Was würde passieren, wenn ich nur die Terminals kurzschließen würde?

Was sie gesagt haben ... plus / aber:

Wenn an den Klemmen eines Gleichstrommotors ein Kurzschluss auftritt, werden der Rotor und alle anhängenden Lasten schnell gebremst. "Schnell" ist systemabhängig, aber da die Bremsleistung etwas über der maximalen Motorauslegungsleistung liegen kann, ist die Bremsleistung normalerweise erheblich.

In den meisten Fällen ist dies erträglich, wenn Sie das Ergebnis nützlich finden.

Die Bremsleistung beträgt ungefähr I ^ 2R

• wobei I = anfänglicher Kurzschlussbremsstrom des Motors (siehe unten) und

• R = Widerstand des gebildeten Stromkreises einschließlich Motor-Rotor-Widerstand + Verkabelung + Bürstenwiderstand, falls relevant + externer Widerstand.

Durch Anwenden eines Kurzschlusses wird die maximale Motorbremsung erreicht, die Sie erreichen können, ohne eine externe Umkehr-EMK anzuwenden (was bei einigen Systemen der Fall ist). Viele Not-Aus-Systeme verwenden einen Rotor-Kurzschluss, um einen "Crash-Stop" zu erreichen. Der resultierende Strom wird wahrscheinlich durch die Kernsättigung begrenzt (außer in einigen speziellen Fällen, in denen ein Luftkern oder sehr große Luftspalte verwendet werden). Da Motoren im Allgemeinen so ausgelegt sind, dass sie ihr magnetisches Material einigermaßen effizient nutzen, werden Sie normalerweise feststellen, dass das Maximum kurzgeschlossen ist Der Strom aufgrund der Kernsättigung übersteigt den maximalen Bemessungsbetriebsstrom nicht wesentlich. Wie andere angemerkt haben, können Sie Situationen bekommen, in denen die Energie, die geliefert werden kann, schlecht für die Gesundheit der Motoren ist, aber es ist unwahrscheinlich, dass Sie damit umgehen, es sei denn, Sie haben einen Motor von einer elektrischen Ersatzlokomotive.

Sie können dies mit der folgenden Methode "vereinfachen". Ich habe 1 Ohm für Strommesszwecke angegeben, aber Sie können jeden Anzug verwenden.

Versuchen Sie als Test, einen 1-Ohm-Widerstand zu verwenden, und beobachten Sie die Spannung darüber, wenn Sie ihn als Motorbremse verwenden. Strom = I = V / R oder hier V / 1, also I = V. Die Verlustleistung beträgt I ^ R oder für 1 Ohm Spitzenleistung mit quadratischen Spitzenverstärkern (oder Widerstand Volt im Quadrat für einen 1 Ohm Widerstand, z. B. 10 A Spitzenmotor) Strom erzeugt vorübergehend 100 Watt bei 1 Ohm. In Überschussgeschäften können Sie häufig Leistungswiderstände mit einer Nennleistung von beispielsweise 250 Watt für sehr bescheidene Summen verwenden. Selbst ein 10-Watt-Drahtwiderstand mit Keramikgehäuse sollte einige Sekunden lang ein Vielfaches seiner Nennleistung aushalten. Diese sind normalerweise drahtgewickelt, aber die Induktivität sollte niedrig genug sein, um in dieser Anwendung nicht relevant zu sein.

Eine weitere ausgezeichnete Quelle für Widerstandselemente ist Nichrome oder Constantan (= Nickelkupfer) oder ein ähnlicher Draht - entweder von einem elektrischen Verteiler oder der erstere von alten elektrischen Heizelementen. Der Draht des elektrischen Heizelements ist in der Regel für 10 Ampere Dauerbetrieb ausgelegt (wenn er in der Heizleiste kirschrot leuchtet). Sie können mehrere Stränge parallel platzieren, um den Widerstand zu verringern. Dies ist mit normalen Mitteln schwer zu löten. Es gibt Möglichkeiten, aber einfach zum "Spielen" ist es, Längen in verschraubten Klemmenblöcken festzuklemmen.

Eine Möglichkeit ist eine Glühbirne mit etwa korrekten Bewertungen. Messen Sie den Kältewiderstand und stellen Sie den Nennstrom mit I = Watts_rated / Vrated fest. Beachten Sie, dass der Heißwiderstand ein Vielfaches des Kaltwiderstands beträgt. Wenn eine Stromstufe (oder ein Stromstempel für eine Spannungsstufe) an eine Glühbirne angelegt wird, zeigt sie zunächst ihren Kältewiderstand, der sich dann beim Aufwärmen erhöht. Abhängig von der verfügbaren Energie und der Lampenleistung kann die Lampe bis zur vollen Helligkeit leuchten oder kaum schimmern. Beispielsweise wird eine 100-Watt-100-VAC-Glühlampe mit 100 Watt / 110 VAC ~ = 1 Ampere bewertet. Der Heißwiderstand beträgt ungefähr R = V / I = 110/1 = ~ 100 Ohm. Der Kältewiderstand kann gemessen werden, kann jedoch im Bereich von 5 bis 30 Ohm liegen. Wenn die anfängliche Leistung der Glühbirne 100 Watt beträgt, wird sie schnell "aufleuchten". Wenn die Leistung anfangs 10 Watt beträgt, wird sie wahrscheinlich nicht über einen Schimmer hinausgehen. Die beste Analyse dessen, was eine Glühbirne tut, wäre ein Zweikanal-Datenlogger für eine Glühbirne und eine Glühbirne sowie eine anschließende Darstellung von V & I und eine Summierung des VI-Produkts als Motorbremse. Ein sorgfältig handhabbares Oszilloskop gibt eine gute Vorstellung und Verwendung von zwei Metern, und große Sorgfalt kann gut genug sein.

Einige kleine Windkraftanlagen verwenden einen Kurzschluss des Rotors als Überdrehzahlbremse, wenn die Windgeschwindigkeit für den Rotor zu schnell wird. Wenn der Motor nicht gesättigt ist, steigt der Stromausfall ungefähr als V x I oder Quadrat der Windgeschwindigkeit (oder Rotordrehzahl) an. Wenn die Maschine magnetisch gesättigt ist und zu einer nahezu konstanten Stromquelle wird, steigt die Leistung ungefähr linear mit der Rotordrehzahl oder der Windgeschwindigkeit an. ABER da die Windenergie proportional zur gewürfelten Rotordrehzahl ist, ist es offensichtlich, dass es eine maximale Rotordrehzahl gibt, ab der die Eingangsenergie die maximal verfügbare Bremskraft überschreitet. Wenn Sie bei der Überdrehzahlregelung auf einen Kurzschluss des Rotors angewiesen sind, möchten Sie das Bremsen des Kurzschlusses des Rotors deutlich unterhalb der Eingangs- / Ausgangsüberkreuzungsgeschwindigkeit starten. Wenn Sie dies nicht tun, kann eine plötzliche Böe die Rotordrehzahl über die kritische Grenze drücken und sie läuft dann glücklich davon. Runaway Windturbinen bei Hochgeschwindigkeitswinden können Spaß machen, wenn Sie sie nicht besitzen und an einem sehr sicheren Ort stehen. Wenn beide nicht zutreffen, verwenden Sie viel Sicherheitsspielraum.

Das wahrscheinliche Bremsprofil kann semi-empirisch wie folgt bestimmt werden.

1. Das ist der schwierige Teil :-). Berechnen Sie den Rotor und laden Sie die gespeicherte Energie. Dies würde den Rahmen dieser Antwort sprengen, ist jedoch Standardmaterial für Lehrbücher. Zu den Faktoren gehören Massen und das Trägheitsmoment rotierender Teile. Die resultierende gespeicherte Energie hat Terme in RPM ^ 2 (wahrscheinlich) und einige andere Faktoren.

2. Kurzschlussrotor bei verschiedenen Drehzahlen drehen und Verluste bei gegebener Drehzahl bestimmen. Dies könnte mit einem Dynamometer erfolgen, aber einige Strommessungen und Schaltungseigenschaften sollten ausreichen. Beachten Sie, dass sich der Rotor beim Bremsen erwärmt. Dies kann signifikant sein oder auch nicht. Außerdem kann ein Motor, der einige Zeit gelaufen ist, vor dem Bremsen warme Rotorwicklungen aufweisen. Diese Möglichkeiten müssen einbezogen werden.

3. Führen Sie entweder eine analytische Lösung basierend auf dem oben Gesagten (einfacher) durch, um ein interaktives Programm zu schreiben, um die Geschwindigkeits- / Leistungsverlustkurve zu bestimmen. So etwas wie eine Excel-Tabelle wird dies leicht tun. Der Zeitschritt kann geändert werden, um die Ergebnisse zu beobachten.

Für maximale Sicherheit beim Spielen kann der Motor an einen 1-Ohm-Widerstand (z. B.) angeschlossen und mit einem externen Antrieb hochgefahren werden - z. B. Bohrmaschine, Batterie-Handbohrmaschine (grobe Drehzahlregelung) usw. Die Spannung am Lastwiderstand gibt Strom.

Ihr Motor arbeitet als Generator - das sogenannte "elektrische Bremsen". Der Stromkreis besteht aus der Motorspule und allem, was Sie daran anschließen. Der Strom hängt von diesem Schaltungswiderstand ab.

Da die Spule und die anderen Komponenten nacheinander verbunden sind, ist der Strom in allen Teilen der Schaltung gleich. Wenn Sie den Motor kurzschließen, hängt der Widerstand ausschließlich vom Spulenwiderstand ab. Dies kann zu einem ziemlich hohen Strom führen, der abhängig von der genauen Motorkonstruktion und seiner Drehzahl zu dem Zeitpunkt, zu dem Sie mit dem Bremsen beginnen, den Motor erwärmen kann, was zum Verbrennen oder Schmelzen der Spule führen kann. Betrachten Sie Eisenbahnzüge - sie müssen massive Widerstände zum elektrischen Bremsen verwenden und diese erwärmen sich erheblich.

Wenn Sie die Klemmen kurzschließen, wird die kinetische Energie an den Motorteilen abgeführt.

• Wicklungen werden erwärmt
• Ein hoher Strom fließt durch die Bürsten und verursacht Lichtbögen
• Langfristig zerfallen die Bürsten und erzeugen leitfähigen Staub auf dem Kommutatorring
• Der Kommutatorring wird schließlich zu einem dauerhaften Kurzschlusspunkt, der einen Überstrom verursacht
• eventuell werden Leistungsschalter, die den Motor steuern, überlastet und fallen aus (zum Beispiel: Transistoren)

Übrigens. Eine typische normale elektronische Regenerationsunterbrechung umfasst wenige Teile wie einen 68-Ohm-Widerstand, einen Leistungstransistor sowie einige Spannungsteiler und einen Zener.

Überlegen Sie, was passiert, wenn Sie im Ruhezustand des Motors die volle Motorspannung anlegen. Die volle Spannung erscheint über dem Ankerwiderstand, wodurch die maximale Leistung abgeführt wird. Wenn das Motordrehmoment die mechanische Last beschleunigt, steigt die Motordrehzahl, also die Gegen-EMK, und der Strom, daher fällt die Leistung im Anker. Schließlich ist die Gegen-EMK fast gleich der Eingangsspannung und die vom Anker abgegebene Leistung erreicht einen Leerlaufpegel.

Entfernen Sie nun die Eingangsspannung und schließen Sie den Anker kurz. Die volle Gegen-EMK erscheint jetzt über dem Anker, der sich fast genauso stark auflöst wie beim Starten. Schließlich verlangsamt das Motordrehmoment die mechanische Belastung und schließlich stoppt der Motor.

Die Verlustleistung des Ankers folgt also beim Starten oder Stoppen ungefähr der gleichen Kurve gegen die Zeit. Wenn Ihr Motor also überleben kann, wenn die volle Motorspannung aus dem Ruhezustand angelegt wird, kann er überleben, wenn sein Anker bei voller Drehzahl kurzgeschlossen ist.

Wie Sharptooth sagt, können in Zügen Bremswiderstände verwendet werden, um die Lastleistung abzulassen, aber die volle Motorspannung wird nicht aus dem Ruhezustand angelegt. Ich bin kein Experte für modernstes Zugdesign, aber in alten Londoner U-Bahnen wurden Ballastwiderstände in Reihe mit dem Anker geschaltet und nach und nach ausgeschaltet, als der Zug an Geschwindigkeit gewann.

Ein typischer Bürstenmotor kann vernünftigerweise als idealer Motor in Reihe mit einem Widerstand und einer Induktivität modelliert werden. Ein idealer Motor erscheint elektrisch als spannungsfreie Spannungsversorgung / -klemme (die Strom beziehen oder senken kann), deren Polarität und Spannung ein konstantes Vielfaches der Drehzahl ist. Es wird ein Drehmoment in Strom umgewandelt und umgekehrt, wobei das Drehmoment ein konstantes Vielfaches des Stroms ist. Um das Bremsverhalten herauszufinden, verwenden Sie einfach das Modell mit einem Widerstand, der dem Gleichstromwiderstand des Motors im Stillstand entspricht. Die Induktivität kann wahrscheinlich ignoriert werden, es sei denn, man versucht, den Motorstrom schnell ein- und auszuschalten (z. B. mit einem PWM-Antrieb).

Durch Kurzschließen der Leitungen eines Motors fließt Strom, der dem Verhältnis der Leerlaufspannung (bei ihrer gegenwärtigen Drehzahl) zum Widerstand entspricht. Dies führt zu einem Bremsmoment, das in etwa dem Drehmoment entspricht, das sich ergeben würde, wenn diese Spannung im Stillstand von außen an den Motor angelegt würde. Es wird auch die gleiche Menge an Leistung in den Motorwicklungen verbrauchen wie in diesem Blockierszenario.