制动直流有刷电机

电器工程 发动机
2022-01-07 08:34:03

如果我在电源断开但仍在空转的情况下将直流电机的端子短接在一起会发生什么?

根据几个消息来源,它会制动电机。这是有道理的。但他们也提到使用一组功率电阻器,而不仅仅是短接端子。如果我只是短接端子会发生什么?

4个回答

他们所说的......加/但是:

当直流电机的端子短路时,转子和任何连接的负载将迅速制动。“快速”取决于系统,但由于制动功率可能略高于电机设计功率峰值,因此制动通常很重要。

在大多数情况下,如果您发现结果有用,这是可以忍受的。

制动力约为I^2R

  • 其中 I = 电机初始短路制动电流(见下文)和

  • R = 形成的电路电阻,包括电机转子电阻 + 接线 + 电刷电阻(如果相关)+ 任何外部电阻。

应用短路可实现最大电机制动,而无需应用外部反向 EMF(某些系统会这样做)。许多紧急停止系统使用转子短路来实现“紧急停止”。产生的电流可能会受到磁芯饱和的限制(除了在使用空芯或非常大的气隙的少数特殊情况下)。由于电机通常设计为合理有效地利用其磁性材料,您通常会发现最大短路由于磁芯饱和而产生的电流不会大大超过最大额定设计工作电流。正如其他人所指出的那样,您可能会遇到可以传递的能量对电机健康不利的情况,但除非您有备用电力机车的电机,否则您不太可能处理这些情况,

您可以使用以下方法“轻松进入”。我为电流测量指定了 1 欧姆,但你可以使用任何适合的东西。

作为测试,尝试使用 1 欧姆电阻器,并在用作电机制动器时观察其两端的电压。电流 = I = V/R 或此处为 V/1,因此 I = V。功耗将为 I^R 或 1 ohm 峰值 功率为峰值安培的平方(或电阻为 1 ohm 电阻的伏特平方。例如 10A 峰值电机电流将暂时产生 100 瓦到 1 欧姆。您通常可以在剩余商店中以非常适中的价格购买额定功率为 250 瓦的电阻器。即使是陶瓷主体的 10 瓦绕线电阻器也应在几秒钟内承受其额定功率的许多倍。这些通常是绕线的,但电感应该足够低,以至于与此应用无关。

电阻元件的另一个极好的来源是镍铬合金或康铜(= 镍铜)或类似的电线 - 无论是来自配电器还是前者来自旧的电加热器元件。电加热器元件线的额定电流通常为 10 安培(当它发出加热器棒樱桃红时)。您可以将多股平行放置以减少阻力。这很难通过正常方式焊接。有很多方法,但“玩”的简单方法是在拧紧接线端子中夹紧长度。

一种可能性是大约正确评级的灯泡。测量其冷电阻并通过 I = Watts_rated/Vrated 确定其额定电流。请注意,耐热性将是耐寒性的数倍至数倍。当电流阶跃(或电流阶跃电压阶跃)施加到灯泡时,它最初会呈现其冷电阻,然后随着温度升高而增加。根据可用的能量和灯泡额定值,灯泡可能会发光到最大亮度或几乎不会闪烁。例如,100 瓦 100 VAC 白炽灯泡的额定功率为 100 瓦/110 VAC ~= 1 安培。它的热阻约为 R = V/I = 110 /1 =~100 欧姆。可以测量它的耐寒性,但可能在 5 到 30 欧姆的范围内。如果灯泡的初始功率是 100 瓦,它会迅速“亮起”。如果最初的功率是 10 瓦,它可能不会超过微光。对灯泡正在做什么的最佳分析是通过 Vbulb 和 I 灯泡的两个通道数据记录器以及随后绘制 V 和 I 并将 VI 乘积求和作为电机制动。小心处理的示波器将给出一个公平的想法,使用两米,非常小心可能就足够了。

当风速对转子来说太快时,一些小型风力涡轮机使用转子短路作为超速制动器。当电机未饱和时,输出功率大约上升为 V x I 或风(或转子)速度的平方。当机器磁饱和并成为近乎恒定的电流源时,功率随转子速度或风速近似线性增加。但是,由于风能与转子速度的立方成正比,显然存在最大转子速度,超过该最大转子速度输入能量超过最大可用制动力。如果您要依靠转子短路来控制超速,那么您真的真的很想在远低于输​​入/输出交叉速度的地方开始转子短路制动。不这样做可能意味着突然的阵风将转子速度推高到临界极限之上,然后它会愉快地逃跑。如果您不拥有它们并且站在非常安全的地方,那么高速风中失控的风力涡轮机可能会很有趣。如果这两个都不适用,请使用大量安全裕度。

可以如下半凭经验确定可能的制动曲线。

  1. 这是困难的部分:-)。计算转子和负载存储的能量。这超出了此答案的范围,但属于标准教科书内容。因素包括质量和转动部件的转动惯量。由此产生的存储能量将具有 RPM^2(可能)和一些其他因素的术语。

  2. 以不同的速度旋转短路的转子并确定给定转速下的损耗。这可以用测功机完成,但一些电流测量和电路特性就足够了。请注意,转子在制动时会发热。这可能很重要,也可能不重要。此外,已经运行了一段时间的电机在制动之前可能有温暖的转子绕组。这些可能性需要包括在内。

  3. 根据上述(更容易)编写一个交互式程序来确定速度/功率损耗曲线,做一个解析解决方案。像 Excel 电子表格这样的东西很容易做到这一点。可以更改时间步以观察结果。

为了最大程度地安全演奏,电机可以连接到一个 1 欧姆(比如说)电阻并使用外部驱动器旋转 - 例如钻床、电池手钻(粗速度控制)等。负载电阻上的电压提供电流。

您的电机将作为发电机工作 - 即所谓的“电气制动”。电路将由电机线圈和连接到它的任何东西组成。电流将取决于该电路电阻。

由于线圈和其他组件是按顺序连接的,因此电路所有部分的电流将相等。如果将电机短路,则电阻将仅取决于线圈电阻。这可能会导致相当高的电流,这取决于确切的电机设计及其在您开始制动时的速度可能会加热电机,从而导致线圈燃烧或熔化。考虑铁路列车——它们必须使用大型电阻器进行电气制动,并且这些电阻器会显着升温。

如果将端子短路,动能将消散在电机部件上。

  • 绕组将被加热
  • 大电流将流过电刷并引起电弧
  • 从长远来看,电刷会腐烂并在换向器环上产生导电灰尘
  • 换向器环最终将成为永久短路点,导致过流
  • 最终电源开关,控制电机将过载并失效(例如:晶体管)

顺便提一句。典型的正常电子再生制动包括几个部件,如 68 欧姆电阻、功率晶体管和一些分压器和齐纳二极管。

考虑如果在电机静止时施加完整的电机电压会发生什么。全电压将出现在电枢电阻上,这将消耗最大功率。随着电机扭矩加速机械负载,电机速度(因此反电动势)上升,而电流(因此电枢中的功率)下降。最终,反电动势几乎等于输入电压,电枢消耗的功率达到空闲水平。

现在考虑移除输入电压并将电枢短路。整个反电动势现在出现在电枢上,其消散几乎与启动时一样多。最终,电机扭矩减慢机械负载,最终电机停止。

因此,在启动或停止时,电枢功耗随时间的变化曲线大致相同。因此,如果您的电机可以在从静止状态施加完整的电机电压的情况下存活下来,那么它可以在其电枢全速短路的情况下存活下来。

正如尖牙所说,在火车上,制动电阻可用于卸载负载功率,但不会从静止状态施加完整的电机电压。我不是最先进的火车设计专家,但在旧的伦敦地铁列车上,镇流电阻器与电枢串联,并随着火车加速而逐渐关闭。