Использование щеточных двигателей постоянного тока в качестве генераторов

Многие инженеры и конструкторы не знают о преимуществах использования щеточных двигателей постоянного тока в качестве генераторов.

Инженеры-конструкторы знают, что как щеточные, так и бесщеточные двигатели постоянного тока могут работать в качестве генераторов, но многие стараются избегать такого использования щеточных двигателей, поскольку считают это неэффективным. К сожалению, отказываясь от использования щеточных двигателей постоянного тока в качестве генераторов, инженеры обходят вниманием несколько существенных преимуществ.

Например, щеточные двигатели постоянного тока дешевле миниатюрных генераторов, несмотря на то, что оба выполняют одну и ту же функцию. Щеточные двигатели постоянного тока также поддерживают широкий спектр опций для решения конкретных задач. Особенно хорошо такие двигатели подходят для приложений, которые в качестве входного сигнала используют напряжение, но сами не имеют источника питания, таких как дверные замки и небольшие устройства сбора энергии. Если принять во внимание эти преимущества и применить к решению определенные технические концепции, использование щеточных двигателей постоянного тока в качестве генераторов может быть привлекательным и эффективным.

Ниже приведен обзор основных соотношений между частотой вращения, напряжением, крутящим моментом и током при использовании щеточных двигателей постоянного тока в качестве генераторов.

Основы

При вращении ротора двигателя в магнитном поле электродвижущая сила индуцирует напряжение на обмотках ротора. Это называется «противо-ЭДС», и постоянную противо-ЭДС двигателя K_E (указанную в мВ/об/мин) можно найти в его характеристиках. Противо-ЭДС (U_I) прямо пропорциональна угловой скорости вращения вала двигателя ω и рассчитывается по формуле:

(1)

При работе двигателя в качестве генератора вал механически связан с вращающим его внешним источником, что заставляет сегменты обмотки ротора вращаться в синусоидально изменяющемся магнитном потоке в воздушном зазоре. На каждом витке обмотки ротора индуцируется синусоидальное напряжение, величина которого определяется скоростью вращения и потокосцеплением. Например, если обмотка ротора состоит из одного витка, то индуцированная ЭДС имеет форму синусоиды с периодом, равным одному электрическому циклу.

Роторы щеточных двигателей постоянного тока наматывают нечетным числом сегментов (3, 5, 7 и т. д.) и подают питание на обмотки через пару щеток. Когда вал вращается в режиме генерации, генерируемое напряжение противо-ЭДС измеряется на выходных клеммах. В зависимости от характеристик двигателя, в том числе количества сегментов обмотки, пульсации напряжения обычно составляют менее 5% от выходного напряжения.

Выходное напряжение является функцией скорости вращения вала, поэтому при выборе двигателей для использования в качестве генераторов постоянная противо-ЭДС K_E должна удовлетворять формуле (1). Без учета нагрузки постоянная противо-ЭДС обмотки должна быть больше ωU_I. Если достижимая скорость вала не позволяет получить достаточную противо-ЭДС, для увеличения частоты вращения вала двигателя можно добавить подходящий понижающий редуктор, если при этом не будут превышены максимально допустимые параметры скорости двигателя.

Напряжение на выводах, максимальный ток и сопротивление нагрузки

На Рисунке 1 показано, что напряжение U_T, возникающее на выводах двигателя, прямо пропорционально угловой скорости ротора, когда нагрузка R_LOAD не подключена к выводам. В этом состоянии ток через двигатель равен нулю. Когда подключена нагрузка, протекает ток, и напряжение уменьшается в зависимости от общего сопротивления нагрузки. При подключенной нагрузке и протекающем токе I_LOAD напряжение U_T на выводах определяется как:

(2)

или

(3)

где

(4)

По мере увеличения тока нагрузки при фиксированной угловой скорости вала двигателя напряжение на его выводах уменьшается. Когда противо-ЭДС равна резистивному падению напряжения на выводах, напряжение на них становится равным нулю.

Рисунок 1.	Эквивалентная схема двигателя постоянного тока, используемого в качестве генератора.

На Рисунке 2 показана зависимость тока нагрузки от напряжения на выводах идеального щеточного двигателя постоянного тока, используемого в качестве генератора. Когда выводы двигателя не соединены, напряжения U_T и U_I равны, и ток через обмотки ротора не течет. Если выводы закорочены, через цепь протекает максимальный ток, и напряжение U_T становится равным нулю.

Рисунок 2.	Зависимость тока нагрузки от напряжения на выводах.

Максимальный ток цепи может быть рассчитан как:

(5)

По мере увеличения угловой скорости вала двигателя при неизменности всех остальных параметров график смещается вправо, сохраняя наклон с увеличивающимися значениями как U_I, так и I_MAX. В приведенной выше формуле (5) собственное сопротивление обмоток двигателя R_ROTOR является фактором, ограничивающим максимальный ток для генераторного режима. Если сопротивление R_ROTOR велико, чувствительность генератора увеличивается, и изменения результирующего напряжения в зависимости от потребляемого тока делают систему нестабильной. Двигатель с более высокой постоянной противо-ЭДС и более низким сопротивлением, однако, обеспечивает стабильную работу.

Крутящий момент на валу и баланс мощности

Когда двигатель работает в режиме генератора с разомкнутыми выводами, ток в цепи не течет, и механическое трение создает потери в приводном устройстве. Это состояние аналогично работе двигателя без нагрузки.

Формула крутящего момента (М) для двигателя имеет вид

(6)

где

K_T – постоянная вращающего момента (Н•м/A),
I₀ – ток холостого хода двигателя (А).

Генератор должен приводиться в действие устройством с крутящим моментом, способным создать необходимый ток через обмотку при выводах, замкнутых на резистор нагрузки R_LOAD. Выбор двигателя ограничен максимальной величиной крутящего момента, который может быть приложен к валу в режиме генератора. Режим работы коллекторного двигателя постоянного тока ограничен максимальным непрерывным крутящим моментом (тепловым и механическим) и максимальной непрерывной скоростью (механической и электрической). Выбор двигателя для генератора, способного выдержать крутящий момент на валу и управлять максимальным током в своей цепи, подобен процессу выбора двигателей на основе желаемых точек нагрузки.

В установившемся режиме механическая входная мощность генератора может быть представлена как

(7)

Выходная электрическая мощность при любых значениях тока нагрузки и напряжения на выводах может быть представлена площадью прямоугольника под наклонной линией, как показано на Рисунке 2:

(8)

Выходная мощность достигает максимума, когда напряжение U_T составляет половину U_I. В этот момент ток нагрузки I_LOAD равен половине от максимального тока I_MAX. Следовательно,

(9)

Выбор двигателя для генератора не должен основываться исключительно на соображениях мощности. В идеале P_MAX всегда должна быть больше требуемой выходной электрической мощности генератора. В зависимости от величины выходного тока точка нагрузки на графике Рисунок 2 может перемещаться вдоль оси x. Таким образом, фактическая выходная мощность P_ACTUAL может быть меньше P_MAX. При выборе двигателя для использования в качестве генератора следует учитывать мощность P_ACTUAL, а не P_MAX. Это может потребовать выбора двигателя с более высокими значениями номинальных параметров.

КПД генератора можно определить как

(10)

Выбор двигателя для использования в качестве генератора

Пример 1:

В этом примере рассматривается выбор щеточного двигателя постоянного тока серии Portescap Athlonix для применения в генераторах. Константа противо-ЭДС двигателя Athlonix серии 17 DCT с обмоткой 209P составляет 1.17 мВ/об/мин. Характеристики двигателя показаны на Рисунке 3. Если этот двигатель используется в качестве генератора при скорости вращения вала 5,000 об/мин, выходная противо-ЭДС, согласно формуле (1), будет равна 5.85 В.

Рисунок 3.	Рабочий диапазон двигателя Portescap 17 DCT. (Зависимость скорости от вращающего момента).

Максимальный ток нагрузки, протекающий через цепь при коротком замыкании, составит

Такое значение I_MAX превышает максимально допустимый непрерывный ток двигателя (0.55 A). Это может быть приемлемо для прерывистой работы, учитывающей тепловую постоянную времени двигателя и ожидаемый коэффициент заполнения. Однако для непрерывной работы генератора рекомендуется использовать сопротивление нагрузки R_LOAD, выбранное на основании формулы

(11)

где

I_CONT – максимальный непрерывный ток двигателя,
R_ROTOR – собственное сопротивление обмоток двигателя.

Таким образом, если в генераторе используется нагрузка, сопротивление которой превышает 3 Ом, обмотка 209Р подходит для входных скоростей до 5,000 об/мин. Если сопротивление нагрузки не может быть использовано из-за механических или технических ограничений, или если входная скорость выше 5,000 об/мин, следует выбрать другую обмотку. Например, более хорошим выбором для такого требования может быть обмотка 211P.

Пример 2:

Постоянная противо-ЭДС двигателя Portescap 16C18 с обмоткой 205P равна 0.70 мВ/об/мин. На холостом ходу при 10,000 об/мин выходное напряжение на выводах двигателя составляет 7.0 В.

При коротком замыкании максимальный ток, который может протекать через обмотки, равен

что меньше максимального непрерывного тока двигателя I_CONT. Поэтому использование этого двигателя в качестве генератора при частоте вращения вала 10,000 об/мин допустимо без учета внешнего сопротивления нагрузки.

Выходные характеристики двигателя 16C18 при различной частоте вращения вала показаны на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Зависимость напряжения на выводах от тока нагрузки для высокоэффективного бесщеточного двигателя постоянного тока 16C18.

Закрашенным прямоугольником на графике обозначена область непрерывной работы. При прерывистом режиме работы следует учитывать такие факторы, как максимальная температура перегрева, максимальная скорость вращения вала, механические ограничения двигателя и срок службы генератора.

Рисунок 5.	Зависимость выходной мощности от тока нагрузки для двигателя 16C18.

Графики на Рисунках 5 и 6 показывают, что КПД двигателя 16C18 относительно выше при более низком токе генератора. При максимальной выходной мощности КПД близок к 50%. В идеале надо выбирать генератор с рабочей точкой, близкой к точке максимального КПД. Это обеспечивает минимизацию потерь в системе и снижает механическую входную мощность, необходимую для получения желаемых характеристик выходного напряжения и тока.

Рисунок 6.	Зависимость КПД от тока нагрузки для двигателя 16C18.

Многие считают, что щеточный двигатель постоянного тока, работающий в режиме генератора, не так эффективен, как при работе в качестве двигателя. Однако использование подходящего двигателя при выборе соответствующей нагрузки и рабочей скорости обеспечит достаточно высокий КПД. При определении рабочих точек всегда необходимо учитывать электрические и механические факторы.

Словарь терминов

I_CONT – максимальный продолжительный ток двигателя
I_LOAD – ток нагрузки
I_MAX – максимальный ток
I₀ – ток холостого хода двигателя
K_E – постоянная противо-ЭДС двигателя
K_T – постоянная вращающего момента
M – вращающий момент двигателя
P_ACTUAL – фактическая выходная мощность
P_ELEC – электрическая выходная мощность
P_MECH – входная механическая мощность
P_MAX – максимальная выходная мощность
R_ROTOR – собственное сопротивление обмоток двигателя
R_LOAD – сопротивление нагрузки
R_TOTAL – общее сопротивление, сумма сопротивлений ротора и его нагрузки.

Материалы по теме

1. Datasheet Portescap 17DCT Athlonix
2. Datasheet Portescap 16C18