Môže BLDC motor fungovať ako generátor? Praktická príručka pre kupujúcich a staviteľov

Rukou otočte hriadeľom motora trojfázového odparovacieho vzduchového chladiča a umiestnite meter cez dva z jeho vodičov. Budete čítať niekoľko voltov. Pripojte ho k vŕtačke a otočte na 1 500 otáčok za minútu a údaj sa bude pohybovať v desiatkach alebo stovkách voltov, bez prevíjania, bez úprav a bez pripojeného ovládača. Tento jediný test na skúšobnej stolici odpovedá na otázku, ktorá privádza väčšinu kupujúcich k tejto téme: BLDC motor je synchrónny stroj s permanentným magnetom a synchrónny stroj s permanentným magnetom nevie, či krútiaci moment ide do hriadeľa alebo z neho vychádza. Áno, funguje ako generátor.

Užitočnejšou otázkou nie je, či dokáže generovať, ale či dokáže generovať niečo, čo môžete skutočne použiť. Holý BLDC motor bude produkovať volty, ale koľko voltov, pri akej rýchlosti, do akej záťaže, s akou reguláciou a ako dlho, kým sa vinutie zahreje, závisí výlučne od toho, ako bol stroj navinutý a ako je poháňaný. Sú to komerčné rozhodnutia, rovnako ako technické, a sú dôvodom, prečo projekty generátorov uspejú alebo zlyhajú dlho predtým, ako niekto otvorí datasheet.

Krátka odpoveď: Áno, s tromi podmienkami

Bezkomutátorový jednosmerný motor generuje vždy, keď sa jeho rotor otáča, pretože magnety na rotore sa pohybujú okolo cievok statora a indukujú v nich napätie. Výsledkom je rovnaký fyzikálny zákon, ktorý vytvára spätné EMF, na ktoré sa spolieha vlastný pohon motora počas normálnej jazdy. Neexistuje žiadny špeciálny „režim generátora“, ktorý by sa dal aktivovať, žiadny prepínač firmvéru a žiadny hardvér, ktorý je potrebné pridať do zariadenia.

Aby sa napätie stalo použiteľným výkonom, musia byť splnené tri podmienky:

• Dostatočná rýchlosť. Indukované napätie je úmerné rýchlosti otáčania. Pod určitými otáčkami je výstup príliš nízky na to, aby pretlačil prúd cez usmerňovač, vedenie kábla a záťaž.
• Spôsob konverzie a regulácie. Svorky vám poskytnú trojfázový striedavý prúd s frekvenciou, ktorá sa mení s rýchlosťou. Väčšina záťaží, od batérií cez lampy až po invertory, potrebuje niečo lepšie.
• Tepelná svetlá výška. Motor s menovitým výkonom 850 W v motorovej prevádzke nie je automaticky generátorom s výkonom 850 W. Chladiaci ventilátor, dráha prúdenia vzduchu a pracovný cyklus sa menia, keď je stroj poháňaný z konca hriadeľa externým hnacím strojom.

Existuje aj jedno pevné vylúčenie. Motory s integrovanou elektronikou, ako sú EC motory ventilátorov so zabudovanou komutáciou a riadiacou doskou, nie sú v štandardnej forme použiteľné ako generátory. Elektronika pohonu je navrhnutá pre jeden smer toku energie a stroj za ňou je neprístupný, pokiaľ nie je odstránená doska.

Fyzika je symetrická

V bezkomutátorovom stroji s permanentnými magnetmi nesie stator vinutia a rotor nesie magnety. Keď prúd tečie vo vinutí, výsledné magnetické pole interaguje s magnetmi rotora a vytvára krútiaci moment. Keď externý hnací stroj otáča rotor namiesto toho, pohybujúce sa magnetické pole indukuje napätie v rovnakých vinutiach. Oba efekty sú opísané rovnakou konštantou, ktorú výrobcovia zvyčajne uvádzajú ako konštantu spätného EMF, Ke, vo voltoch na 1 000 ot./min., alebo ako jeho recipročné Kv v otáčkach za minútu na volt.

Táto konštanta je najdôležitejším číslom pre každého, kto plánuje prevádzkovať motor ako generátor. Povie vám napätie naprázdno pri akejkoľvek rýchlosti a tiež nastaví prúd, ktorý potrebujete pre daný krútiaci moment. Stroj s nízkym Ke dodáva užitočné napätie pri nízkych otáčkach, ale potrebuje vysoký prúd na rovnaký výkon, čo zvyšuje odporové straty. Stroj s vysokým Ke dosahuje stovky voltov pri niekoľkých stovkách otáčok za minútu, čo je vhodné pre priamy usmernený autobus, ale nepohodlné, ak chcete nabíjať 48 V batériu.

Z toho vyplývajú dva praktické dôsledky. Po prvé, výstupná frekvencia sa škáluje s rýchlosťou a počtom pólov: osempólový stroj produkuje 100 Hz elektrického výkonu pri 1 500 ot./min a 50 Hz pri 750 ot./min., čo je dôležité pre transformátory, filtre a akýkoľvek spojovací hardvér. Po druhé, priebeh nie je čistou sínusoidou na každom dizajne. Motory navinuté pre šesťstupňovú komutáciu majú tendenciu vykazovať lichobežníkový EMF, ktorý je po usmernení v poriadku, ale môže zmiasť prístroje a zariadenia, ktoré očakávajú sínusoidu s nízkym skreslením.

Čo v skutočnosti vychádza z troch zvodov

Pripojte osciloskop cez dva z troch fázových vodičov a uvidíte trojfázovú krivku striedavého prúdu, ktorej amplitúda aj frekvencia stúpajú s rýchlosťou. Na výstupe nie je nič stabilizované, pretože nie je potrebné nastavovať žiadne budiace vinutie ani budiaci obvod. Magnety dodávajú konštantný tok, takže napätie je priamou funkciou otáčok a záťažového prúdu.

Obvyklou konverznou cestou je trojfázový mostíkový usmerňovač, za ktorým nasleduje kondenzátor jednosmerného medziobvodu a potom akákoľvek regulácia, ktorú aplikácia potrebuje. Hrubým pravidlom pre trojfázový mostík napájaný zo sínusového zdroja je, že výstup jednosmerného prúdu naprázdno je približne 1,35-násobok medzifázového RMS napätia a klesá so zvyšujúcim sa zaťažovacím prúdom v dôsledku odporu vinutia a poklesu diódy. Okrem toho prichádza zvlnenie, ktoré sa objavuje pri šesťnásobku elektrickej frekvencie, a preto je kondenzátor dimenzovaný na najhoršiu prevádzku pri nízkej rýchlosti zvyčajne väčší, než očakávajú nováčikovia.

• Usmernený výstup nie je regulovaný: so stúpajúcim prúdom neustále klesá.
• Frekvencia zvlnenia stúpa s rýchlosťou, takže filtrovanie s veľkosťou 600 otáčok za minútu bude veľkorysé pri 1 500 ot./min.
• Hallove senzory a výstupy kodéra sú užitočné len pre pohon, nie pre pasívnu záťaž.
• Údaj o otvorenom okruhu vám povie potenciál vinutia; nepovie vám, čo môže stroj nepretržite dodávať.

Parametre, ktoré rozhodujú o tom, či to funguje

Keď sa motor zvažuje pre výkon generátora, krátky zoznam charakteristík určuje takmer všetko. Väčšina z nich je už zdokumentovaná na typovom štítku alebo v údajovom liste motora; zvyšok si treba vyžiadať od výrobcu.

Ozubený krútiaci moment si zaslúži samostatnú zmienku, pretože je v motoristickom teste neviditeľný. Motor s výrazným ozubením môže perfektne bežať na sieťovom napájaní, pretože pohon sa môže pretlačiť cez zarážky, ale malá veterná turbína alebo ručná nabíjačka sa jednoducho zastaví a nikdy nedosiahnu rýchlosť, pri ktorej sa objaví užitočné napätie. Zvyčajnými opravami sú šikmé magnety a usporiadanie vinutia s frakčnými štrbinami.

Motor nie je účelový generátor

Účelové generátory s permanentnými magnetmi sú od začiatku optimalizované pre jednu rýchlosť, jedno napätie a jeden pracovný cyklus. Motor prerobený ako generátor je optimalizovaný pre výkon hriadeľa, nízke zvlnenie krútiaceho momentu a špecifické hnacie napätie. Rozdiel medzi nimi nie je teoretický; prejavuje sa v efektívnosti, regulácii a nákladoch.

Pre väčšinu projektov pod niekoľko kilowattov je praktickou odpoveďou sériový motor s re-špecifikovaným vinutím, pretože elektromagnetický rozdiel je mierny a náklady na nástroje určeného generátora nie. Nad tým začína aritmetika uprednostňovať účelový stroj.

Kde vlastne funguje prístup motor ako generátor

Tento prístup je overený v aplikáciách so skromným výkonom, tolerantnými napäťovými oknami a hnacím motorom, ktorého rýchlosť je aspoň približne predvídateľná. Typické príklady zahŕňajú malé veterné turbíny, mikro-vodné inštalácie, cvičebné a testovacie zariadenia, regeneratívne brzdenie na malých trakčných systémoch a prenosné motorom poháňané nabíjačky.

• Malý vietor a mikro-hydro: stroj PM s nízkym ozubením s pravým Ke nabíja batériovú banku cez usmerňovač a zosilňovací menič.
• Regeneračné brzdenie: stroj, ktorý poháňa koleso, tiež rekuperuje energiu, čo je presne to, čo motor používaný ako generátor podľa definície robí.
• Lavička a testovacie zariadenia: stroj BLDC zaťažený pohonom vytvára ovládateľný, lacný dynamometer.
• Samostatné osvetlenie a nabíjanie batérie: v pásme 20 W až 500 W sú malé rámy vzduchových chladičov a motorov ventilátorov bežnými východiskovými bodmi, pretože sú kompaktné, lacné a dostupné v množstve.

V tomto pásme s nízkym výkonom sú motory vzduchového chladiča s vonkajším rotorom prirodzeným kandidátom, pretože magnety rotora sú už na vonkajšej strane statora, rámy sú krátke a vinutia je možné znovu špecifikovať na cieľovú konštantu spätného EMF bez nových nástrojov.

DC149 220V 600W externý motor BLDC vzduchového chladiča Nízkoenergetický 220V 600W motor BLDC vzduchového chladiča s vonkajším rotorom s IP55 a izoláciou triedy F, vhodný pre priemyselné chladenie; pred objednávkou overte konštanty vinutia. Zobraziť produkt →

Háčik je v tom, že ide o sériovo vyrábané agregáty optimalizované na záťaž ventilátorov, preto sa pred objednávkou pýtajte na nameraný Ke, odpor medzi vedeniami a maximálnu prípustnú teplotu vinutia, nielen na menovitý výkon.

Kde sa to rozpadá: Praktické režimy zlyhania

Väčšina neuspokojivých zostáv generátorov zlyhá z dôvodov, ktoré nemajú nič spoločné s elektromagnetickými poľami. Tie bežné stojí za vymenovanie, pretože všetkým sa dá s trochou rozmyslu vyhnúť.

• Prepätie pri vysokej rýchlosti. Napätie naprázdno je najvyššie napätie, aké kedy stroj produkuje. Veterná turbína, ktorá pri náraze stratí svoju záťaž, môže v priebehu niekoľkých sekúnd pretlačiť jednosmerný medziobvod za kapacitu kondenzátora a meniča.
• Žiadna regulácia. Výstup sleduje rýchlosť aj prúd. Všetko, čo potrebuje stabilnú koľajnicu, musí pridať prevodník, vyklápacie zaťaženie alebo batériu s dostatočnou kapacitou.
• Prehrievanie. Nepretržitý prúd je obmedzený teplotou vinutia a prevádzka generátora často znamená inú dráhu prúdenia vzduchu, než pre ktorú bol navrhnutý kryt ventilátora.
• Magnetická demagnetizácia. Trvalé preťaženie pri vysokej teplote vinutia znižuje tok magnetu, čím sa trvalo znižuje výstup.
• Mechanický nesúlad. Napnutie remeňa a presah remenice zaťažujú predné ložisko v smere, v akom sa pôvodne nepočítalo.
• Nesprávne očakávania rotácie. Postupnosť výstupných fáz sa obráti so smerom; trojfázovému usmerňovaču je to jedno, ale synchrónnemu alebo sieťovému systému áno.

Rámy s vyšším výkonom sa správajú lepšie tepelne, pretože majú väčšiu plochu na watt straty, ale tiež produkujú vyššie napätie pri rovnakej rýchlosti, čo posúva problém na elektrickú stránku.

DC198 220V 1500W Externý motor vzduchového chladiča BLDC Vysokovýkonný 220V 1500W BLDC motor s externým rotorom pre vysokovýkonné odparovacie chladiče a veľké vetranie, s F izoláciou a voliteľným driverom; počítať s vysokorýchlostným napätím. Zobraziť produkt →

Pre každý rám nad približne 1 kW naplánujte stupeň meniča s menovitým vstupným napätím, ktoré pokrýva stav otvoreného obvodu pri najvyššej rýchlosti, ktorú môže hnací motor dosiahnuť, nie nominálny pracovný bod.

Spracovaný príklad veľkosti

Čísla robia kompromisy konkrétnymi. Vezmite 220 V, 850 W BLDC motor s vonkajším rotorom s konštantou spätného EMF 180 V RMS medzi jednotlivými linkami na 1 000 otáčok za minútu a odporom medzi linkami asi 1,1 ohmu. S malým motorom a remeňom ho jazdite na 900 otáčok.

• Sieťové napätie naprázdno: 0,9 x 180 = 162 V RMS.
• Usmernený jednosmerný prúd naprázdno: približne 1,35 x 162 = 219 V.
• Pri zaťažovacom prúde 6 A odporový pokles: približne 7 V, čo dáva asi 212 V na svorkách.
• Strata medi vo vinutí: približne 3 x (6 / 1,22) na druhú x 0,55, čo je takmer 40 W.

Výsledkom je využiteľných 1,27 kW elektrického výkonu pri komfortných otáčkach, až na to, že tento presahuje rámové hodnotenie a navíjanie to nepretržite neprežije. Znížte prúd na 3 A a čísla sa stanú zhruba 560 W výkonu s asi 10 W straty medi, čo je rozumný súvislý bod so zdravou rezervou.

Teraz zmeňte cieľ. Predpokladajme, že záťaž je 48 V batéria namiesto 200 V zbernice. Zníženie rýchlosti na 300 ot./min. dáva 54 V medzi linkami otvorený obvod, ktorý sa napraví na približne 73 V, ale pokles pod 8 A je takmer 9 V a strata medi stúpne na približne 70 W. Napätie je teraz príliš nízke a straty príliš vysoké na požadovaný výkon, čo je klasický signál, že vinutie nie je vhodné pre danú úlohu. Správna oprava nie je vyššia rýchlosť, ale nižší Ke stator.

DC149 220V 850W externý motor BLDC vzduchového chladiča 850W 220V motor BLDC vzduchového chladiča s vonkajším rotorom s ventilátorom s priamym pohonom a krytím IP55; varianty vinutia môžu riešiť rôzne ciele napätia a strát. Zobraziť produkt →

Čo vložiť do RFQ do továrne na motory

Pretože re-špecifikované vinutie je zvyčajne lacnejšie ako nový stroj, najrýchlejšia cesta od konceptu k hardvéru je jasnou požiadavkou na cenovú ponuku. Výrobcovia, ktorí vyrábajú BLDC motory a motory s permanentnými magnetmi v objeme, môžu zvyčajne dodať variant s iným počtom otáčok, iným prierezom drôtu a upraveným hriadeľom alebo konektorom bez nových nástrojov.

• Cieľové napätie a prúd pri uvedenej rýchlosti plus maximálna rýchlosť, ktorú môže hnací stroj dosiahnuť.
• Požadovaná konštanta spätného EMF alebo napätie naprázdno merané pri jednej známej otáčke za minútu.
• Trvalý a špičkový prúd s pracovným cyklom a očakávanou teplotou okolia.
• Mechanické rozhranie: priemer a dĺžka hriadeľa, drážka pre pero alebo plochá, montážna príruba, smer otáčania.
• Požiadavky na prostredie: IP hodnotenie, vlhkosť, prach, soľ alebo vystavenie sa umývaniu.
• Či je potrebná súprava Hallovho snímača alebo kódovač na ovládanie alebo len na prístrojové vybavenie.
• Overovacie údaje: namerané Ke, odpor medzi vedením a test napätia naprázdno pri jednej rýchlosti.

Na konštrukčnej stránke stroja záleží rovnako ako na vinutí. Konštrukcia rotora s permanentným magnetom, počet pólov a usporiadanie štrbín určujú tvar vlny EMF a chovanie ozubenia a dodávateľ, ktorý tieto stroje bežne vyrába, môže vysvetliť kompromisy v jednoduchých termínoch. Užitočné čítanie na pozadí je a sprievodca konštrukciou BLDC motora a rotorov s permanentnými magnetmi , ktorý pomáha pri zostavovaní otázok o triede magnetu a geometrii drážky.

Dôležitý je aj kontext aplikácie. Ak bude generátor sedieť za ventilátorom alebo dúchadlom, použijú sa rovnaké rodiny motorov aplikácie priemyselných ventilátorov sú rozumným východiskovým bodom, pretože ich rozsahy otáčok, montážne vzory a usporiadania ložísk už zodpovedajú danému typu hlavného ťahača a profilu zaťaženia.

Úprimné zhrnutie je, že BLDC motor vytvára dokonale prevádzkyschopný generátor, pokiaľ je projekt navrhnutý skôr podľa jeho povahy ako proti nemu. Nebude regulovať svoje vlastné napätie, nebude tolerovať trvalé preťaženie a bude dobre fungovať len pri rýchlosti, pre ktorú bolo zvolené vinutie. Získajte konštantu spätného EMF správneho pre hnací stroj a záťaž, pridajte usmerňovač a stupeň meniča s primeranou napäťovou výškou, rešpektujte tepelné limity vinutia a stroj sa bude roky správať predvídateľne. Pokazte vinutie a žiadne množstvo ďalšej elektroniky neobnoví stratu účinnosti v dôsledku nesprávneho pracovného bodu napätia a prúdu.