Poate un motor BLDC să funcționeze ca generator? Un ghid practic pentru cumpărători și constructori

Învârte manual arborele unui motor trifazat de răcire a aerului prin evaporare și pune un metru peste două dintre firele sale. Veți citi câțiva volți. Cuplați-l la un burghiu și duceți-l la 1.500 rpm și citirea urcă la zeci sau sute de volți, fără derulare, fără modificare și fără controler atașat. Acest singur test pe banc răspunde la întrebarea care îi aduce pe cei mai mulți cumpărători la acest subiect: un motor BLDC este o mașină sincronă cu magnet permanent, iar o mașină sincronă cu magnet permanent nu știe dacă cuplul intră în arbore sau iese din el. Da, funcționează ca generator.

Întrebarea mai utilă nu este dacă poate genera, ci dacă poate genera ceva pe care îl poți folosi de fapt. Un motor BLDC gol va produce volți, dar câți volți, cu ce viteză, în ce sarcină, cu ce reglare și pentru cât timp înainte ca înfășurarea să se încălzească, depinde în întregime de modul în care a fost înfășurată mașina și de cum este condusă. Acestea sunt decizii comerciale la fel de mult ca și cele tehnice și sunt motivul pentru care proiectele generatoare reușesc sau eșuează cu mult înainte ca cineva să deschidă o fișă de date.

Răspunsul scurt: Da, cu trei condiții

Un motor de curent continuu fără perii generează ori de câte ori rotorul său se rotește, deoarece magneții de pe rotor trec pe lângă bobinele statorului și induc o tensiune în ele. Efectul este aceeași lege fizică care produce EMF din spate pe care se bazează propriul motor în timpul deplasării normale. Nu există un „mod generator” special de activat, niciun comutator de firmware și niciun hardware care trebuie adăugat în interiorul mașinii.

Mai trebuie îndeplinite trei condiții înainte ca această tensiune să devină putere utilizabilă:

• Viteză suficientă. Tensiunea indusă este proporțională cu viteza de rotație. Sub un anumit rpm, ieșirea este prea scăzută pentru a împinge curent printr-un redresor, un cablu și o sarcină.
• O modalitate de a converti și de a reglementa. Bornele vă oferă AC trifazat la o frecvență care se schimbă cu viteza. Majoritatea sarcinilor, de la baterii la lămpi la invertoare, au nevoie de ceva mai bun decât atât.
• Înălțime termică. Un motor cu o putere nominală de 850 W în regim motor nu este automat un generator de 850 W. Ventilatorul de răcire, calea fluxului de aer și ciclul de funcționare toate se schimbă atunci când mașina este antrenată de la capătul arborelui de către un motor extern.

Există, de asemenea, o excludere fermă. Motoarele cu electronică integrată, cum ar fi motoarele de ventilatoare EC cu o placă de comutare și control încorporată, nu pot fi utilizate ca generatoare în forma lor standard. Electronica de antrenare este proiectată pentru o singură direcție a fluxului de putere, iar mașina din spatele lor este inaccesibilă dacă placa nu este îndepărtată.

Fizica este simetrică

Într-o mașină fără perii cu magnet permanent, statorul poartă înfășurările, iar rotorul poartă magneții. Când curentul curge în înfășurări, câmpul magnetic rezultat interacționează cu magneții rotorului și produce cuplu. Atunci când un motor extern extern rotește rotorul, câmpul magnetic în mișcare induce o tensiune în aceleași înfășurări. Ambele efecte sunt descrise de aceeași constantă, pe care producătorii o citează de obicei ca constantă EMF inversă, Ke, în volți pe 1.000 rpm, sau ca Kv reciprocă în rpm per volt.

Această constantă este cel mai important număr pentru oricine intenționează să funcționeze un motor ca generator. Vă spune tensiunea în circuit deschis la orice viteză și setează, de asemenea, curentul de care aveți nevoie pentru un anumit cuplu. O mașină cu un Ke scăzut furnizează o tensiune utilă la turații mici, dar are nevoie de curent mare pentru aceeași putere, ceea ce crește pierderile rezistive. O mașină cu un Ke ridicat atinge sute de volți la câteva sute de rpm, ceea ce este convenabil pentru o magistrală redresată direct, dar incomod dacă doriți să încărcați un acumulator de 48 V.

Urmează două consecințe practice. În primul rând, frecvența de ieșire se scalează cu viteza și numărul de poli: o mașină cu opt poli produce 100 Hz de ieșire electrică la 1.500 rpm și 50 Hz la 750 rpm, ceea ce contează pentru transformatoare, filtre și orice hardware de legătură. În al doilea rând, forma de undă nu este o undă sinusoidală curată pe fiecare design. Motoarele bobinate pentru comutație în șase trepte tind să prezinte un EMF trapezoidal, care este bine după rectificare, dar poate deruta instrumentele și echipamentele care se așteaptă la o undă sinusoidală cu distorsiune scăzută.

Ce iese de fapt din cele trei piste

Conectați un osciloscop peste două dintre cele trei cabluri de fază și veți vedea o formă de undă AC trifazată a cărei amplitudine și frecvență cresc odată cu viteza. Nimic despre ieșire nu este stabilizat, deoarece nu există înfășurare de câmp și nici un circuit de excitare de reglat. Magneții furnizează flux constant, astfel încât tensiunea este o funcție directă a rpm și a curentului de sarcină.

Calea obișnuită de conversie este un redresor cu punte trifazat urmat de un condensator de legătură DC și apoi orice reglementare are nevoie aplicația. O regulă aproximativă pentru o punte trifazată alimentată de la o sursă sinusoidală este că ieșirea de curent continuu fără sarcină este de aproximativ 1,35 ori tensiunea RMS de la linie la linie, scăzând pe măsură ce curentul de sarcină crește din cauza rezistenței înfășurării și căderii diodei. În plus, vine ondulația, care apare la șase ori frecvența electrică, motiv pentru care un condensator dimensionat pentru funcționarea la viteză mică în cel mai rău caz este de obicei mai mare decât se așteaptă noii veniți.

• Ieșirea rectificată este nereglementată: scade constant pe măsură ce curentul crește.
• Frecvența ondulației crește odată cu viteza, astfel încât filtrarea dimensionată pentru 600 rpm va fi generoasă la 1.500 rpm.
• Senzorii Hall și ieșirile codificatorului sunt utile doar pentru o unitate, nu pentru o sarcină pasivă.
• O citire în circuit deschis vă spune potențialul înfășurării; nu vă spune ce poate furniza mașina în mod continuu.

Parametrii care decid dacă funcționează

Când un motor este luat în considerare pentru funcționarea generatorului, o listă scurtă de caracteristici determină aproape totul. Cele mai multe dintre ele sunt deja documentate pe plăcuța de identificare sau în fișa tehnică a motorului; restul trebuie solicitat de la producător.

Cuplul de cogging merită o mențiune separată, deoarece este invizibil într-un test auto. Un motor cu încordare pronunțată poate funcționa perfect pe o sursă de alimentare, deoarece unitatea poate împinge prin blocaje, dar o turbină eoliană mică sau un încărcător cu manivelă poate pur și simplu să se blocheze și să nu atingă niciodată viteza la care apare tensiunea utilă. Magneții înclinați și aranjamentele de înfășurare cu fantă fracționată sunt soluțiile obișnuite.

Un motor nu este un generator special construit

Generatoarele cu magnet permanenți construite special sunt optimizate de la început pentru o viteză, o tensiune și un ciclu de funcționare. Un motor reutilizat ca generator este optimizat pentru ieșirea arborelui, ondulația de cuplu scăzută și o anumită tensiune de antrenare. Decalajul dintre cele două nu este teoretic; se manifestă în eficiență, reglementare și cost.

Pentru majoritatea proiectelor sub câțiva kilowați răspunsul practic este un motor de stoc cu o înfășurare re-specificată, deoarece diferența electromagnetică este modestă, iar costul sculelor unui generator dedicat nu este. Mai presus de aceasta, aritmetica începe să favorizeze o mașină special construită.

Unde funcționează de fapt abordarea motor-ca-generator

Abordarea este dovedită în aplicații cu putere modestă, ferestre tolerante de tensiune și un motor principal a cărui viteză este cel puțin previzibilă. Exemplele tipice includ turbinele eoliene mici, instalațiile micro-hidro, instalațiile de exerciții și de testare, frânarea regenerativă pe sistemele de tracțiune mici și încărcătoare portabile cu motor.

• Vânt mic și microhidro: o mașină PM cu cogging scăzut și Ke corect încarcă o bancă de baterii printr-un redresor și un convertor boost.
• Frânare regenerativă: mașina care antrenează roata recuperează și energie, care este exact ceea ce face prin definiție un motor folosit ca generator.
• Banc și platforme de testare: o mașină BLDC încărcată pe o unitate face un dinamometru controlabil și ieftin.
• Iluminare autonomă și încărcare a bateriei: în banda de la 20 W la 500 W, ramele mici de aer și ramele motoarelor ventilatorului sunt puncte de plecare obișnuite, deoarece sunt compacte, ieftine și disponibile în cantitate.

În această bandă de putere redusă, motoarele de răcire a aerului cu rotor extern sunt un candidat natural, deoarece magneții rotorului sunt deja în exteriorul statorului, cadrele sunt scurte, iar înfășurările pot fi respecificate pentru o constantă EMF țintă fără scule noi.

DC149 220V 600W Motor extern pentru răcirea aerului BLDC Motor răcitor de aer BLDC cu rotor extern de 220 V 600 W de putere redusă, cu IP55 și izolație clasa F, potrivit pentru răcirea industrială; verificați constantele de înfășurare înainte de a comanda. Vizualizare produs →

Problema este că acestea sunt unități produse în serie optimizate pentru sarcinile ventilatorului, așa că înainte de a comanda, cereți Ke măsurat, rezistența linie la linie și temperatura maximă admisă a înfășurării, nu doar puterea nominală.

Unde se destramă: moduri practice de eșec

Majoritatea generatoarelor dezamăgitoare eșuează din motive care nu au nicio legătură cu electromagnetica. Cele obișnuite merită enumerate pentru că toate pot fi evitate cu puțină gândire.

• Supratensiune la viteză mare. Tensiunea în circuit deschis este cea mai mare tensiune pe care o produce vreodată mașina. O turbină eoliană care își pierde sarcina într-o rafală poate împinge legătura de curent continuu dincolo de capacitatea condensatorului și a invertorului în câteva secunde.
• Fara reglementare. Ieșirea urmează atât viteza, cât și curentul. Orice lucru care are nevoie de o șină stabilă trebuie să adauge un convertor, o sarcină de descărcare sau o baterie cu capacitate suficientă.
• Supraîncălzire. Curentul continuu este limitat de temperatura înfășurării, iar funcționarea generatorului înseamnă adesea o cale de flux de aer diferită de cea pentru care a fost proiectat capacul ventilatorului.
• Demagnetizare magnetică. Suprasarcina susținută la temperatură ridicată a înfășurării reduce fluxul magnetic, ceea ce scade ieșirea permanent.
• Nepotrivire mecanică. Tensiunea curelei și proeminenta scripetelor încarcă rulmentul frontal într-o direcție pe care suportul original nu a anticipat-o niciodată.
• Așteptări greșite de rotație. Secvența fazelor de ieșire se inversează cu direcția; unui redresor trifazat nu-i pasă, dar unui sistem sincron sau legat la rețea o va face.

Cadrele de putere mai mare se comportă mai bine termic deoarece au o suprafață mai mare pe watt de pierdere, dar produc și o tensiune mai mare la aceeași viteză, ceea ce împinge problema în partea electrică.

DC198 220V 1500W Motor extern de răcire a aerului BLDC Motor BLDC cu rotor extern de mare putere de 220V 1500W pentru răcitoare evaporative de mare putere și ventilație mare, cu izolație F și driver opțional; ține cont de tensiunea de mare viteză. Vizualizare produs →

Pentru orice cadru de peste aproximativ 1 kW, planificați o etapă de convertizor cu o tensiune nominală de intrare care acoperă starea de circuit deschis la cea mai mare viteză pe care o poate atinge motorul principal, nu punctul de funcționare nominal.

Un exemplu de dimensionare lucrat

Cifrele fac compromisurile concrete. Luați un motor BLDC cu rotor extern de 220 V, 850 W cu o constantă EMF inversă de 180 V RMS linie la linie la 1.000 rpm și o rezistență linie la linie de aproximativ 1,1 ohmi. Conduceți-l la 900 rpm cu un motor mic și curea.

• Tensiune între linie în circuit deschis: 0,9 x 180 = 162 V RMS.
• DC rectificat fără sarcină: aproximativ 1,35 x 162 = 219 V.
• La 6 A de curent de sarcină, cădere rezistivă: aproximativ 7 V, dând aproximativ 212 V la borne.
• Pierderea de cupru în înfășurare: aproximativ 3 x (6 / 1,22) pătrat x 0,55, care este aproape de 40 W.

Rezultatul este o putere electrică utilizabilă de 1,27 kW la o viteză confortabilă, cu excepția faptului că aceasta depășește valoarea nominală a cadrului și înfășurarea nu îi va supraviețui continuu. Reduceți curentul la 3 A și numerele devin aproximativ 560 W de ieșire cu aproximativ 10 W de pierderi de cupru, ceea ce este un punct continuu sensibil cu o marjă sănătoasă.

Acum schimbați ținta. Să presupunem că sarcina este o baterie de 48 V în loc de o magistrală de 200 V. Reducerea vitezei la 300 rpm dă un circuit deschis linie la linie de 54 V, care se redresează la aproximativ 73 V, dar scăderea sub 8 A este de aproape 9 V și pierderea de cupru crește la aproximativ 70 W. Tensiunea este acum prea mică și pierderile prea mari pentru puterea dorită, care este semnalul clasic că bobinajul este greșit. Soluția corectă nu este mai multă viteză, ci un stator cu Ke mai scăzut.

DC149 220V 850W Motor extern de răcire a aerului BLDC Motor răcitor de aer BLDC cu rotor extern de 850 W 220 V cu design de ventilator cu antrenare directă și protecție IP55; variantele de înfășurare pot aborda diferite ținte de tensiune și pierderi. Vizualizare produs →

Ce să puneți într-un RFQ la o fabrică de motoare

Deoarece o bobinare re-specificată este de obicei mai ieftină decât o mașină nouă, cea mai rapidă cale de la concept la hardware este o cerere clară de ofertă. Producătorii care construiesc motoare BLDC și cu magneți permanenți în volum pot furniza, de obicei, o variantă cu un număr diferit de spire, un calibre diferit de sârmă și un arbore sau conector modificat fără unelte noi.

• Tensiunea și curentul țintă la o viteză stabilită, plus viteza maximă pe care o poate atinge motorul principal.
• Constanta EMF inversă necesară sau tensiunea în circuit deschis măsurată la o rpm cunoscută.
• Curent continuu și de vârf, cu ciclu de funcționare și temperatură ambientală așteptată.
• Interfață mecanică: diametrul și lungimea arborelui, canal sau plat, flanșă de montare, sens de rotație.
• Cerințe de mediu: rating IP, umiditate, praf, sare sau expunere la spălare.
• Indiferent dacă un set de senzori Hall sau un codificator este necesar pentru control sau numai pentru instrumentare.
• Date de verificare: Ke măsurat, rezistență linie la linie și un test de tensiune în gol la o singură viteză.

Partea de construcție a mașinii contează la fel de mult ca și înfășurarea. Designul rotorului cu magnet permanent, numărul de poli și aranjamentul slotului determină forma de undă EMF și comportamentul de înghețare, iar un furnizor care construiește aceste mașini în mod obișnuit poate explica compromisurile în termeni simpli. O citire de fundal utilă este a ghid pentru construcția motoarelor BLDC și rotoarele cu magnet permanent , care ajută la încadrarea întrebărilor despre gradul magnetului și geometria slotului.

Contextul aplicației contează și el. Dacă generatorul va sta în spatele unui ventilator sau suflante, aceleași familii de motoare utilizate în aplicații pentru ventilatoare industriale reprezintă un punct de plecare rațional, deoarece intervalele lor de viteză, modelele de montare și aranjamentele rulmenților se potrivesc deja cu acel tip de motor principal și profil de sarcină.

Rezumatul sincer este că un motor BLDC este un generator perfect funcțional, atâta timp cât proiectul este proiectat în funcție de natura sa și nu împotriva lui. Nu își va regla propria tensiune, nu va tolera suprasarcina susținută și va funcționa bine doar la viteza pentru care a fost aleasă înfășurarea sa. Obțineți constanta EMF inversă potrivită pentru motorul principal și sarcină, adăugați un redresor și o etapă convertor cu spațiu de tensiune adecvat, respectați limitele termice ale înfășurării, iar mașina se comportă previzibil ani de zile. Găsiți înfășurarea greșită și nicio cantitate de electronică suplimentară nu va recupera eficiența pierdută la un punct de funcționare nepotrivit de tensiune și curent.