Freinage d'un moteur à balais CC

Que se passe-t-il si je court-circuite les bornes d'un moteur à courant continu pendant que l'alimentation est coupée mais qu'il est toujours en roue libre?

Selon plusieurs sources, cela freinerait le moteur. C'est logique. Mais ils mentionnent également l'utilisation d'un réseau de résistances de puissance et pas seulement le court-circuitage des bornes. Que se passerait-il si je venais de court-circuiter les terminaux?

Ce qu'ils ont dit ... plus / mais:

Lorsqu'un court-circuit est appliqué aux bornes d'un moteur à courant continu, le rotor et toute charge attachée seront freinés rapidement. "Rapidement" dépend du système, mais comme la puissance de freinage peut être légèrement supérieure à la puissance de conception maximale du moteur, le freinage sera généralement important.

Dans la plupart des cas, c'est une chose supportable à faire si vous trouvez le résultat utile.

La puissance de freinage est d'environ I ^ 2R

• où I = courant de freinage initial du court-circuit du moteur (voir ci-dessous) et

• R = résistance du circuit formé, y compris la résistance rotor-moteur + câblage + résistance aux balais le cas échéant + toute résistance externe.

L'application d'un court-circuit permet d'obtenir le freinage moteur maximum que vous pouvez obtenir sans appliquer d'EMF inverse externe (ce que font certains systèmes). De nombreux systèmes d'arrêt d'urgence utilisent un court-circuitage du rotor pour réaliser un «arrêt d'urgence». Le courant résultant sera probablement limité par la saturation du noyau (sauf dans quelques cas spéciaux où un aircore ou de très grands entrefers sont utilisés.) Comme les moteurs sont généralement conçus pour utiliser raisonnablement efficacement leur matériau magnétique, vous constaterez généralement que le maximum court-circuité le courant dû à la saturation du cœur n'est pas largement supérieur au courant nominal de fonctionnement nominal maximal. Comme d'autres l'ont noté, vous pouvez obtenir des situations où l'énergie qui peut être délivrée est mauvaise pour la santé des moteurs, mais il est peu probable que vous vous en occupiez à moins d'avoir un moteur provenant d'une locomotive électrique de rechange,

Vous pouvez "vous faciliter la tâche" en utilisant la méthode ci-dessous. J'ai spécifié 1 ohm pour les mesures actuelles, mais vous pouvez utiliser n'importe quelle combinaison.

En tant que test, essayez d'utiliser une résistance disons de 1 ohm et observez la tension aux bornes lorsqu'elle est utilisée comme frein moteur. Courant = I = V / R ou ici V / 1 donc I = V. La dissipation de puissance sera I ^ R ou pour une puissance de crête de 1 ohm avec des ampères de crête au carré (ou une résistance Volts au carré pour une résistance de 1 ohm. Par exemple, un moteur de crête de 10 A le courant produira temporairement 100 watts sous 1 ohm. Vous pouvez souvent mais des résistances de puissance de 250 watts par exemple dans les magasins excédentaires pour des sommes très modestes. Même une résistance bobinée de 10 watts à corps en céramique devrait supporter plusieurs fois sa puissance nominale pendant quelques secondes. Ceux-ci sont généralement bobinés, mais l'inductance doit être suffisamment faible pour ne pas être pertinente dans cette application.

Une autre excellente source d'élément de résistance est le Nichrome ou le Constantan (= Nickel Cuivre) ou un fil similaire - provenant soit d'un distributeur électrique, soit du premier provenant d'anciens éléments de chauffage électrique. Le fil de l'élément de chauffage électrique est généralement évalué à 10 ampères en continu (lorsqu'il s'allume-barre de chauffage-rouge cerise). Vous pouvez placer plusieurs brins en parallèle pour réduire la résistance. Il est difficile de souder par des moyens normaux. Il existe des moyens, mais faciles à "jouer", c'est de fixer les longueurs dans les borniers à vis.

Une possibilité est une ampoule d'environ cotes correctes. Mesurez sa résistance au froid et établissez son courant nominal par I = Watts_rated / Vrated. Notez que la résistance à chaud sera plusieurs à plusieurs fois supérieure à la résistance au froid. Lorsqu'une étape de courant (ou une matrice de courant à une étape de tension) est appliquée à une ampoule, elle présentera initialement sa résistance au froid qui augmentera ensuite à mesure qu'elle se réchauffe. En fonction de l'énergie disponible et de la puissance de l'ampoule, l'ampoule peut briller jusqu'à sa pleine luminosité ou peut à peine scintiller. Par exemple, une ampoule à incandescence de 100 watts et 100 VCA sera évaluée à 100 watts / 110 VCA ~ = 1 ampère. Sa résistance à chaud sera d'environ R = V / I = 110/1 = ~ 100 Ohms. Sa résistance au froid pourra être mesurée mais peut être de l'ordre de 5 à 30 Ohms. Si la puissance initiale dans l'ampoule est de 100 watts, elle "s'éclairera" rapidement. Si la puissance est initialement de 10 watts, elle ne dépassera probablement pas une lueur. La meilleure analyse de ce que fait une ampoule serait par un enregistreur de données à deux canaux de l'ampoule Vbulb et I et le traçage ultérieur de V & I et la somme du produit VI en tant que freins du moteur. Un oscilloscope soigneusement manipulé donnera une idée juste et une utilisation de deux mètres et un grand soin peut être suffisant.

Certaines petites éoliennes utilisent le court-circuitage du rotor comme frein de survitesse lorsque la vitesse du vent devient trop rapide pour le rotor. Lorsque le moteur n'est pas saturé, la puissance de sortie augmente approximativement en V x I ou en carré de vitesse du vent (ou du rotor). Lorsque la machine sature magnétiquement et devient une source de courant presque constante, la puissance augmente approximativement linéairement avec la vitesse du rotor ou la vitesse du vent. MAIS comme l'énergie éolienne est proportionnelle à la vitesse du rotor au cube, il est évident qu'il y aura une vitesse maximale du rotor au-delà de laquelle l'énergie d'entrée dépasse l'effort de freinage maximal disponible. Si vous allez dépendre du court-circuitage du rotor pour le contrôle de la survitesse, vous voulez vraiment vraiment vraiment commencer le freinage court-circuit du rotor bien en dessous de la vitesse de croisement entrée / sortie. Ne pas le faire peut signifier qu'une rafale soudaine pousse la vitesse du rotor au-dessus de la limite critique et qu'elle s'en ira alors avec plaisir. Les éoliennes en fuite dans des vents à grande vitesse peuvent être amusantes à regarder si vous ne les possédez pas et que vous vous trouvez dans un endroit très sûr. Si les deux ne s'appliquent pas, utilisez beaucoup de marge de sécurité.

Le profil de freinage probable peut être déterminé semi-empiriquement comme suit.

1. C'est la partie difficile :-). Calculez le rotor et chargez l'énergie stockée. Cela dépasse le cadre de cette réponse, mais c'est un truc de manuel standard. Les facteurs comprennent les masses et le moment d'inertie des pièces en rotation. L'énergie stockée résultante aura des termes en RPM ^ 2 (probablement) et certains autres facteurs.

2. faire tourner le rotor court-circuité à différentes vitesses et déterminer les pertes à un régime donné. Cela pourrait être fait avec un dynamomètre mais certaines mesures de courant et caractéristiques du circuit devraient suffire. Notez que le rotor chauffera au freinage. Cela peut être important ou non. De plus, un moteur qui a fonctionné pendant un certain temps peut avoir des enroulements de rotor chauds avant le freinage. Ces possibilités doivent être incluses.

3. Faites une solution analytique basée sur ce qui précède (plus facile) d'écrire un programme interactif pour déterminer la courbe vitesse / perte de puissance. Quelque chose comme une feuille de calcul Excel le fera facilement. Le pas de temps peut être modifié pour observer les résultats.

Pour une sécurité maximale de jeu, le moteur peut être connecté à une résistance de 1 ohm (disons) et tourné à l'aide d'un entraînement externe - par exemple, perceuse à colonne, perceuse à main à batterie (contrôle de vitesse brut), etc. La tension aux bornes de la résistance de charge donne du courant.

Votre moteur fonctionnera comme un générateur - appelé "freinage électrique". Le circuit sera formé de la bobine du moteur et de tout ce que vous y connecterez. Le courant dépendra de cette résistance de circuit.

Étant donné que la bobine et les autres composants sont connectés séquentiellement, le courant sera égal dans toutes les parties du circuit. Si vous court-circuitez le moteur, la résistance dépendra uniquement de la résistance de la bobine. Cela peut conduire à un courant assez élevé qui, selon la conception exacte du moteur et sa vitesse au moment où vous commencez à freiner, peut chauffer le moteur, ce qui peut entraîner la combustion ou la fusion de la bobine. Considérez les trains ferroviaires - ils doivent utiliser des résistances massives pour le freinage électrique et celles-ci chauffent considérablement.

Si vous court-circuitez les bornes, l'énergie cinétique se dissipera sur les pièces du moteur.

• les enroulements seront chauffés
• un courant élevé traversera les brosses et provoquera un arc électrique
• à long terme, les brosses se décomposeront et créeront de la poussière conductrice sur la bague du commutateur
• l'anneau de commutateur deviendra éventuellement un point de court-circuit permanent provoquant une surintensité
• éventuellement les interrupteurs de puissance, la commande du moteur sera surchargée et tombera en panne (par exemple: transistors)

Btw. Une coupure régénérative électronique normale typique comprend quelques pièces comme une résistance de 68 ohms, un transistor de puissance et certains diviseurs de tension et zener.

Considérez ce qui se passe si vous appliquez la pleine tension du moteur lorsque le moteur est au repos. La pleine tension apparaîtra à travers la résistance d'armature qui dissipera la puissance maximale. À mesure que le couple moteur accélère la charge mécanique, la vitesse du moteur, d'où le back-emf, augmente et le courant, d'où la puissance dans l'armature, diminue. Finalement, le back-emf est presque égal à la tension d'entrée et la puissance dissipée par l'armature atteint un niveau de ralenti.

Envisagez maintenant de supprimer la tension d'entrée et de court-circuiter l'armature. Le back-emf complet apparaît maintenant à travers l'armature qui se dissipe presque autant qu'au démarrage. Finalement, le couple moteur ralentit la charge mécanique et finalement le moteur s'arrête.

Ainsi, la dissipation de puissance d'induit suit approximativement la même courbe en fonction du temps lors du démarrage ou de l'arrêt. Donc, si votre moteur peut survivre après avoir appliqué la pleine tension du moteur à partir du repos, il peut survivre si son armature est court-circuitée à pleine vitesse.

Comme dit en dents de scie, dans les trains, des résistances de freinage peuvent être utilisées pour décharger la puissance de la charge, mais la pleine tension du moteur n'est pas appliquée à partir du repos. Je ne suis pas un expert de la conception des trains à la pointe de la technologie, mais sur les anciens trains de tubes de Londres, les résistances de ballast étaient connectées en série avec l'armature et progressivement désactivées à mesure que le train augmentait de vitesse.

Un moteur à balais typique peut être raisonnablement modélisé comme un moteur idéal en série avec une résistance et une inductance. Un moteur idéal apparaîtra électriquement comme une alimentation / pince de tension à résistance nulle (capable de fournir ou de diminuer la puissance) dont la polarité et la tension sont un multiple constant de la vitesse de rotation. Il produira un couple converti en courant et vice versa, le couple étant un multiple constant du courant. Pour comprendre le comportement de freinage, utilisez simplement le modèle avec une résistance égale à la résistance CC du moteur lorsqu'il est calé; l'inductance peut probablement être ignorée, sauf lorsque l'on essaie de mettre en marche et d'arrêter rapidement le courant du moteur (par exemple avec un variateur PWM).

Court-circuiter les fils d'un moteur entraînera un courant égal au rapport entre la tension en circuit ouvert (à sa vitesse actuelle) et la résistance. Cela entraînera un couple de freinage d'une ampleur à peu près égale au couple qui résulterait si cette tension était appliquée de l'extérieur au moteur alors qu'il était au point mort; il dissipera également la même quantité d'énergie dans les enroulements du moteur que ce scénario de décrochage.