Működhet-e a BLDC motor generátorként? Gyakorlati útmutató vásárlóknak és építőknek

Forgassa meg kézzel egy háromfázisú párolgási levegőhűtő motor tengelyét, és helyezzen egy métert a két vezetékére. Néhány voltot fog olvasni. Csatlakoztassa egy fúróhoz, és állítsa 1500 ford./percre, és a leolvasás több tíz vagy száz voltra emelkedik anélkül, hogy visszatekerné, nincs módosítása és nincs csatlakoztatva vezérlő. Ez az egyetlen próbapadi teszt választ ad arra a kérdésre, amely a legtöbb vásárlót ehhez a témához juttatja: a BLDC motor egy állandó mágneses szinkrongép, az állandó mágneses szinkrongép pedig nem tudja, hogy a nyomaték a tengelybe kerül-e vagy kijön belőle. Igen, generátorként működik.

A hasznosabb kérdés nem az, hogy képes-e generálni, hanem az, hogy tud-e olyasmit generálni, amit valóban használni tud. Egy csupasz BLDC motor feszültséget termel, de az, hogy hány voltot, milyen sebességgel, milyen terhelésre, milyen szabályozással és mennyi ideig melegszik fel a tekercs, az teljesen attól függ, hogy a gépet hogyan tekercselték és hogyan hajtják. Ezek éppúgy kereskedelmi, mint technikai döntések, és ezek az okai annak, hogy a generátorprojektek sikeresek vagy kudarcot vallanak, jóval azelőtt, hogy bárki megnyitna egy adatlapot.

A rövid válasz: Igen, három feltétellel

A kefe nélküli egyenáramú motor mindig generál, amikor forgórésze forog, mivel a forgórészen lévő mágnesek elsöpörnek az állórész tekercsei mellett, és feszültséget indukálnak bennük. A hatás ugyanaz a fizikai törvény, amely előidézi azt a hátsó EMF-et, amelyre a motor saját hajtása támaszkodik a normál motorozás során. Nincs speciális "generátor mód", amely engedélyezhető, nincs firmware kapcsoló, és nincs hardver, amelyet hozzá kell adni a géphez.

Három feltételnek még teljesülnie kell ahhoz, hogy a feszültség használhatóvá váljon:

• Elég sebesség. Az indukált feszültség arányos a forgási sebességgel. Egy bizonyos fordulatszám alatt a kimenet túl alacsony ahhoz, hogy áramot nyomjon át egy egyenirányítón, egy kábelen és egy terhelésen.
• Az átalakítás és a szabályozás módja. A kapcsok háromfázisú váltakozó áramot biztosítanak a sebességgel változó frekvencián. A legtöbb terheléshez, az akkumulátoroktól a lámpákon át az inverterekig, ennél jobbra van szükség.
• Termikus fejtér. A 850 W-os motor motoros üzemben nem automatikusan 850 W-os generátor. A hűtőventilátor, a légáramlás útja és a munkaciklus mind megváltoznak, amikor a gépet a tengelyvégről egy külső erőgép hajtja meg.

Van egy határozott kizárás is. Az integrált elektronikával rendelkező motorok, mint például a beépített kommutációs és vezérlőkártyával rendelkező EC ventilátormotorok szabványos formájukban nem használhatók generátorként. A hajtáselektronikát egyirányú áramáramlásra tervezték, és a mögöttük lévő géphez nem lehet hozzáférni, hacsak nem távolítják el a táblát.

A fizika szimmetrikus

Egy állandó mágneses kefe nélküli gépben az állórész hordozza a tekercseket, a forgórész pedig a mágneseket. Amikor áram folyik a tekercsekben, a keletkező mágneses mező kölcsönhatásba lép a rotor mágneseivel, és nyomatékot hoz létre. Amikor egy külső erőgép forgatja a forgórészt, a mozgó mágneses tér feszültséget indukál ugyanabban a tekercsben. Mindkét hatást ugyanazzal az állandóval írják le, amelyet a gyártók általában a vissza-EMF-állandóként, Ke-ként adnak meg volt/1000 ford./perc-ben, vagy ennek reciprok Kv-ja rpm/V-ban.

Ez az állandó az egyetlen legfontosabb szám mindenki számára, aki motort generátorként kíván működtetni. Bármilyen fordulatszámon megmondja a nyitott feszültséget, és beállítja az adott nyomatékhoz szükséges áramerősséget is. Az alacsony Ke-értékkel rendelkező gép alacsony fordulatszámon hasznos feszültséget ad le, de ugyanazon teljesítményhez nagy áramra van szüksége, ami növeli az ellenállási veszteségeket. A magas Ke-értékkel rendelkező gépek több száz voltos feszültséget érnek el néhány száz fordulat/percnél, ami kényelmes egy direkt egyenirányított busznál, de kényelmetlen, ha 48 V-os akkumulátorcsomagot szeretne tölteni.

Ebből két gyakorlati következmény következik. Először is, a kimeneti frekvencia skálázása sebességgel és pólusszámmal: egy nyolcpólusú gép 100 Hz-es elektromos kimenetet produkál 1500 ford./percnél és 50 Hz-et 750 ford./percnél, ami a transzformátorok, szűrők és bármilyen rácskötési hardver esetében számít. Másodszor, a hullámforma nem tiszta szinuszhullám minden kialakításnál. A hatlépéses kommutációra tekercselt motorok általában trapéz alakú EMF-et mutatnak, ami egyenirányítás után rendben van, de összezavarhatja azokat a műszereket és berendezéseket, amelyek alacsony torzítású szinuszhullámra számítanak.

Mi sül ki valójában a három vezetőből

Csatlakoztasson egy oszcilloszkópot a három fázisvezeték közül kettőre, és egy háromfázisú váltakozó áramú hullámformát lát, amelynek amplitúdója és frekvenciája egyaránt emelkedik a sebességgel. A kimeneten semmi sem stabilizálódik, mert nincs tértekercs és nincs szabályozható gerjesztő áramkör. A mágnesek állandó fluxust szolgáltatnak, így a feszültség a fordulatszám és a terhelési áram közvetlen függvénye.

A szokásos átalakítási út egy háromfázisú híd-egyenirányító, majd egy egyenáramú körkondenzátor, majd az alkalmazás által igényelt szabályozás. A szinuszos forrásból táplált háromfázisú híd durva szabálya az, hogy a terhelés nélküli egyenáram körülbelül 1,35-szöröse a vonal-vonal RMS feszültségének, és a terhelési áram növekedésével csökken a tekercsellenállás és a diódaesés miatt. Ráadásul az elektromos frekvenciának hatszorosán megjelenő hullámzás, ezért a legrosszabb esetekre méretezett kis sebességű kondenzátor általában nagyobb, mint az újoncok elvárják.

• Az egyenirányított teljesítmény szabályozatlan: az áram növekedésével folyamatosan csökken.
• A hullámzási frekvencia a sebességgel növekszik, így a 600 rpm-re méretezett szűrés bőséges lesz 1500 ford./percnél.
• A Hall szenzorok és a jeladó kimenetek csak a hajtásnál hasznosak, passzív terhelésnél nem.
• A nyitott áramkörű leolvasás megmondja a tekercs potenciálját; nem mondja meg, hogy a gép mit tud folyamatosan szállítani.

A paraméterek, amelyek eldöntik, hogy működik-e

Amikor egy motort generátorként használnak, a jellemzők rövid listája szinte mindent meghatároz. A legtöbbjük már dokumentálva van az adattáblán vagy a motor adatlapján; a többit a gyártótól kell kérni.

A fogaskeréknyomaték külön említést érdemel, mert egy motoros teszten láthatatlan. A markáns fogazású motor tökéletesen működhet hálózatról, mert a hajtás átnyomja a reteszeket, de egy kis szélturbina vagy egy kézi indítós töltő egyszerűen leállhat, és soha nem éri el azt a sebességet, amelynél a hasznos feszültség megjelenik. A ferde mágnesek és a töredékhornyos tekercselés a szokásos javítások.

A motor nem egy célra épített generátor

Az erre a célra épített állandó mágneses generátorokat a kezdetektől fogva egy sebességre, egy feszültségre és egy munkaciklusra optimalizálták. A generátorként újrahasznosított motor tengelyteljesítményre, alacsony nyomatékhullámra és meghatározott hajtásfeszültségre van optimalizálva. A kettő közötti szakadék nem elméleti; a hatékonyságban, a szabályozásban és a költségekben mutatkozik meg.

A legtöbb, néhány kilowatt alatti projektre a gyakorlati megoldás egy gyári motor, újra meghatározott tekercseléssel, mivel az elektromágneses különbség szerény, a dedikált generátor szerszámköltsége pedig nem. Ezen felül az aritmetika egy erre a célra épített gépet kezd favorizálni.

Ahol a motor, mint generátor megközelítés valójában működik

A megközelítés bevált olyan alkalmazásokban, ahol szerény teljesítmény, toleráns feszültségablakok és legalább nagyjából megjósolható fordulatszámú hajtómotor. Tipikus példák közé tartoznak a kis szélturbinák, a mikro-hidroberendezések, a gyakorló- és tesztberendezések, a regeneratív fékezés kis vontatási rendszereken és a hordozható motorral hajtott töltők.

• Kis szél és mikrovíz: egy alacsony fogaskerekű PM gép a megfelelő Ke-vel egyenirányítón és egy boost konverteren keresztül tölti az akkumulátor bankot.
• Regeneratív fékezés: a kereket meghajtó gép energiát is visszanyer, amit egy generátorként használt motor definíció szerint pontosan csinál.
• Pad és próbapadok: a hajtásnak megterhelt BLDC gép vezérelhető, olcsó dinamométert ad.
• Önálló világítás és akkumulátor töltés: a 20 W-tól 500 W-ig terjedő sávban a kisméretű léghűtő és ventilátormotor vázak gyakori kiindulópontok, mivel kompaktak, olcsók és mennyiségben kaphatók.

Ebben a kis teljesítményű sávban a külső forgórészes léghűtős motorok természetes jelöltek, mert a forgórész mágnesei már az állórész külső oldalán vannak, a keretek rövidek, a tekercsek pedig új szerszámok nélkül újra megadhatók egy cél back-EMF állandóra.

DC149 220V 600W külső BLDC léghűtő motor Kis teljesítményű, 220 V-os 600 W-os külső rotoros BLDC léghűtő motor IP55-ös és F osztályú szigeteléssel, ipari hűtésre alkalmas; rendelés előtt ellenőrizze a tekercselési állandókat. Termék megtekintése →

A bökkenő az, hogy sorozatgyártású, ventilátorterhelésre optimalizált egységekről van szó, ezért rendelés előtt ne csak a névleges teljesítményt, hanem a mért Ke-t, a vonal-vezeték ellenállást és a maximálisan megengedett tekercselési hőmérsékletet is kérd meg.

Hol esik szét: gyakorlati hibamódok

A legtöbb csalódást keltő generátorépítés olyan okok miatt hibásodik meg, amelyeknek semmi közük az elektromágnesességhez. A gyakoriakat érdemes felsorolni, mert egy kis átgondolással mindegyik elkerülhető.

• Túlfeszültség nagy fordulatszámon. A nyitott áramköri feszültség a gép által valaha termelt legmagasabb feszültség. Az a szélturbina, amely egy széllökésben veszít terheléséből, másodperceken belül túllépheti a DC-kört a kondenzátor és az inverter névleges értékén.
• Nincs szabályozás. A kimenet követi a sebességet és az áramerősséget is. Mindenhez, amihez stabil sínre van szükség, hozzá kell adni egy átalakítót, egy dömpert vagy egy kellő kapacitású akkumulátort.
• Túlmelegedés. A folyamatos áramot a tekercs hőmérséklete korlátozza, és a generátor működése gyakran más légáramlási útvonalat jelent, mint amelyre a ventilátorburkolatot tervezték.
• Mágnes lemágnesezés. A tartós túlterhelés magas tekercselési hőmérsékleten csökkenti a mágneses fluxust, ami tartósan csökkenti a teljesítményt.
• Mechanikai eltérés. A szíjfeszesség és a szíjtárcsa túlnyúlása olyan irányba terheli az elülső csapágyat, amelyre az eredeti rögzítés soha nem számított.
• Rossz rotációs elvárások. Kimeneti fázissorrend az iránnyal megfordul; egy háromfázisú egyenirányító nem érdekel, de egy szinkron vagy hálózatra kötött rendszer igen.

A nagyobb teljesítményű keretek termikusan jobban viselkednek, mert nagyobb felületük van wattonkénti veszteségben, de ugyanakkora sebesség mellett nagyobb feszültséget is termelnek, ami az elektromos oldalra tolja a problémát.

DC198 220V 1500W külső BLDC léghűtő motor Nagy teljesítményű, 220 V-os, 1500 W-os külső rotoros BLDC motor nagy teljesítményű párolgási hűtőkhöz és nagy szellőzéshez, F szigeteléssel és opcionális meghajtóval; nagy sebességű feszültséget figyelembe venni. Termék megtekintése →

Minden durván 1 kW feletti kerethez tervezzen olyan átalakító fokozatot, amelynek névleges bemeneti feszültsége lefedi a nyitott áramköri állapotot a legnagyobb fordulatszámon, amelyet a főhajtómű elérhet, nem a névleges működési pontot.

Kidolgozott méretezési példa

A számok konkrétvá teszik a kompromisszumokat. Vegyünk egy 220 V-os, 850 W-os külső forgórészes BLDC motort, amelynek vissza-EMF állandója 180 V vonal-vonal RMS/1000 ford./perc, és vonal-vonal ellenállása körülbelül 1,1 ohm. Kis motorral és szíjjal 900 ford./perc sebességgel vezesd.

• Nyitott áramkörű vonal-vonal feszültség: 0,9 x 180 = 162 V RMS.
• Egyenirányított üresjárati egyenáram: körülbelül 1,35 x 162 = 219 V.
• 6 A terhelőáramnál, ellenállásesés: nagyjából 7 V, ami kb. 212 V-ot ad a kapcsokon.
• Rézveszteség a tekercsben: körülbelül 3 x (6 / 1,22) négyzet x 0,55, ami közel 40 W.

Az eredmény egy használható 1,27 kW elektromos teljesítmény kényelmes sebesség mellett, azzal a különbséggel, hogy ez meghaladja a váz névleges értékét, és a tekercs nem bírja folyamatosan. Vágja le az áramerősséget 3 A-re, és a számok nagyjából 560 W-os kimenő teljesítményt kapnak körülbelül 10 W-os rézveszteséggel, ami egy értelmes folytonos pont egészséges tartalékkal.

Most változtassa meg a célt. Tegyük fel, hogy a terhelés egy 48 V-os akkumulátor a 200 V-os busz helyett. A fordulatszám 300 ford./percre csökkentése 54 V-os vonalak közötti szakadást ad, ami kb. 73 V-ra egyenirányít, de a 8 A alatti megereszkedés közel 9 V, és a rézveszteség nagyjából 70 W-ra emelkedik. A feszültség túl alacsony, a veszteségek pedig túl nagyok a kívánt teljesítményhez, ami a klasszikus jel, hogy a tekercselés nem megfelelő a munkához. A helyes megoldás nem nagyobb sebesség, hanem egy alacsonyabb Ke-értékű állórész.

DC149 220V 850W külső BLDC léghűtő motor 850 W 220 V külső rotoros BLDC léghűtő motor közvetlen meghajtású ventilátorral és IP55 védelemmel; a tekercselési változatok különböző feszültség- és veszteségcélokat képesek kezelni. Termék megtekintése →

Mit tegyen egy motorgyári ajánlatkérésben

Mivel az újra meghatározott tekercselés általában olcsóbb, mint egy új gép, a koncepciótól a hardverig a leggyorsabb út az egyértelmű árajánlatkérés. Azok a gyártók, akik BLDC és állandó mágneses motorokat gyártanak nagy mennyiségben, jellemzően különböző fordulatszámmal, eltérő huzalmérővel és módosított tengellyel vagy csatlakozóval rendelkező változatot tudnak szállítani új szerszámok nélkül.

• Célfeszültség és áram egy megadott sebesség mellett, plusz az a maximális fordulatszám, amelyet a főhajtómű elérhet.
• Szükséges vissza-EMF-állandó, vagy egy ismert fordulatszámon mért nyitott áramköri feszültség.
• Folyamatos és csúcsáram, munkaciklussal és várható környezeti hőmérséklettel.
• Mechanikai interfész: tengely átmérője és hossza, reteszhorony vagy lapos, rögzítőkarima, forgásirány.
• Környezetvédelmi követelmények: IP-besorolás, páratartalom, por, só vagy mosószer.
• Függetlenül attól, hogy Hall szenzorkészletre vagy kódolóra van szükség a vezérléshez vagy csak a műszerezéshez.
• Ellenőrző adatok: mért Ke, vonal-vonal ellenállás és üresjárati feszültség teszt egy fordulatszámon.

A gép felépítési oldala legalább annyira számít, mint a tekercselés. Az állandó mágneses forgórész kialakítása, a pólusszám és a rés elrendezése meghatározza az EMF hullámformát és a fogaszási viselkedést, és az ezeket a gépeket rutinszerűen építő beszállító egyszerűen el tudja magyarázni a kompromisszumokat. Hasznos háttérolvasás a útmutató a BLDC motorépítéshez és az állandó mágneses rotorokhoz , amely segít a mágneses fokozattal és a nyílásgeometriával kapcsolatos kérdések megfogalmazásában.

Az alkalmazási környezet is számít. Ha a generátor egy ventilátor vagy fúvó mögé ül, ugyanazok a motorcsaládok, amelyeket használtak ipari ventilátor alkalmazások ésszerű kiindulópont, mivel a fordulatszám-tartományuk, a rögzítési mintáik és a csapágyelrendezésük már megfelel az ilyen típusú indítómotoroknak és terhelési profiloknak.

Az őszinte összefoglalás az, hogy a BLDC motor tökéletesen üzemképes generátort ad mindaddig, amíg a projektet a természete szerint tervezték, nem pedig ellene. Nem szabályozza saját feszültségét, nem tolerálja a tartós túlterhelést, és csak olyan sebességgel működik jól, amelyre a tekercset választották. Állítsa be a vissza-EMF állandót az erőgéphez és a terheléshez, adjon hozzá egyenirányítót és egy átalakító fokozatot megfelelő feszültségmagassággal, tartsa be a tekercselés hőkorlátait, és a gép éveken át kiszámíthatóan viselkedik. Rossz a tekercselés, és semmilyen extra elektronika nem fogja helyreállítani a nem megfelelő feszültség és áram működési pontja miatt elvesztett hatékonyságot.