Czy silnik BLDC może działać jako generator? Praktyczny przewodnik dla kupujących i konstruktorów

Obróć ręcznie wał trójfazowego silnika chłodnicy wyparnej i umieść miernik na dwóch jego przewodach. Odczytasz kilka woltów. Podłącz go do wiertarki i podnieś do 1500 obr/min, a odczyt wzrośnie do dziesiątek lub setek woltów, bez przewijania, bez modyfikacji i bez podłączonego sterownika. Ten test na jednym stanowisku stanowi odpowiedź na pytanie, które skłania większość kupujących do tego tematu: silnik BLDC jest maszyną synchroniczną z magnesami trwałymi, a maszyna synchroniczna z magnesami trwałymi nie wie, czy moment obrotowy trafia na wał, czy z niego wychodzi. Tak, działa jako generator.

Bardziej użytecznym pytaniem nie jest to, czy może wygenerować, ale czy może wygenerować coś, czego faktycznie możesz użyć. Nieosłonięty silnik BLDC będzie wytwarzał wolty, ale ile woltów, przy jakiej prędkości, przy jakim obciążeniu, z jaką regulacją i na jak długo uzwojenie się nagrzeje, zależy całkowicie od tego, jak maszyna została nawinięta i jak jest napędzana. Są to w równym stopniu decyzje komercyjne, jak i techniczne, i to one decydują o powodzeniu lub niepowodzeniu projektów generatorów na długo przed otwarciem arkusza danych.

Krótka odpowiedź: tak, pod trzema warunkami

Bezszczotkowy silnik prądu stałego wytwarza energię za każdym razem, gdy jego wirnik się obraca, ponieważ magnesy na wirniku omiatają cewki stojana i indukują w nich napięcie. Efektem jest to samo prawo fizyczne, które wytwarza siłę elektromotoryczną, na której opiera się napęd silnika podczas normalnej pracy. Nie ma specjalnego „trybu generatora”, który można włączyć, nie ma konieczności przełączania oprogramowania sprzętowego ani sprzętu, który trzeba dodawać do urządzenia.

Zanim napięcie to stanie się mocą użyteczną, muszą zostać spełnione jeszcze trzy warunki:

• Wystarczająca prędkość. Indukowane napięcie jest proporcjonalne do prędkości obrotowej. Poniżej określonej prędkości obrotowej moc wyjściowa jest zbyt niska, aby przepuścić prąd przez prostownik, kabel i obciążenie.
• Sposób na konwersję i regulację. Zaciski zapewniają trójfazowy prąd przemienny o częstotliwości zmieniającej się wraz z prędkością. Większość obciążeń, od akumulatorów po lampy i falowniki, potrzebuje czegoś lepszego.
• Nadwyżka cieplna. Silnik o mocy 850 W w trybie motoryzacyjnym nie jest automatycznie generatorem o mocy 850 W. Wentylator chłodzący, ścieżka przepływu powietrza i cykl pracy zmieniają się, gdy maszyna jest napędzana od końca wału przez zewnętrzny silnik główny.

Istnieje również jedno mocne wykluczenie. Silniki ze zintegrowaną elektroniką, takie jak silniki wentylatorów EC z wbudowaną tablicą komutacyjną i sterującą, w swojej standardowej formie nie nadają się do stosowania jako generatory. Elektronika napędu jest zaprojektowana dla jednego kierunku przepływu mocy, a maszyna znajdująca się za nimi jest niedostępna, chyba że zostanie wyjęta płytka.

Fizyka jest symetryczna

W maszynie bezszczotkowej z magnesami trwałymi stojan przenosi uzwojenia, a wirnik przenosi magnesy. Kiedy prąd przepływa przez uzwojenia, powstałe pole magnetyczne oddziałuje z magnesami wirnika i wytwarza moment obrotowy. Kiedy zamiast tego zewnętrzny silnik główny obraca wirnik, poruszające się pole magnetyczne indukuje napięcie w tych samych uzwojeniach. Obydwa efekty są opisane tą samą stałą, którą producenci zwykle podają jako stałą tylnego pola elektromagnetycznego Ke w woltach na 1000 obr/min lub jako jej odwrotność Kv w obr/min na wolt.

Ta stała jest najważniejszą liczbą dla każdego, kto planuje eksploatować silnik jako generator. Podaje napięcie jałowe przy dowolnej prędkości, a także ustawia prąd potrzebny dla danego momentu obrotowego. Maszyna o niskim Ke dostarcza użyteczne napięcie przy niskich obrotach, ale potrzebuje wysokiego prądu dla tej samej mocy, co zwiększa straty rezystancyjne. Maszyna o wysokim Ke osiąga setki woltów przy kilkuset obr./min, co jest wygodne w przypadku autobusu z bezpośrednim prostowaniem, ale niewygodne, jeśli chcesz naładować akumulator 48 V.

Następują dwie praktyczne konsekwencje. Po pierwsze, częstotliwość wyjściowa skaluje się wraz z prędkością i liczbą biegunów: ośmiobiegunowa maszyna wytwarza moc elektryczną o częstotliwości 100 Hz przy 1500 obr./min i 50 Hz przy 750 obr./min, co ma znaczenie w przypadku transformatorów, filtrów i wszelkich urządzeń podłączonych do sieci. Po drugie, przebieg nie jest czystą falą sinusoidalną w każdym projekcie. Silniki uzwojone do komutacji sześciostopniowej zwykle wykazują trapezoidalne pole elektromagnetyczne, które po wyprostowaniu jest w porządku, ale może zmylić przyrządy i sprzęt, które oczekują fali sinusoidalnej o niskim zniekształceniu.

Co właściwie wychodzi z trzech leadów

Podłącz oscyloskop do dwóch z trzech przewodów fazowych, a zobaczysz trójfazowy przebieg prądu przemiennego, którego amplituda i częstotliwość rosną wraz z prędkością. Nic na wyjściu nie jest ustabilizowane, ponieważ nie ma uzwojenia wzbudzenia ani obwodu wzbudzenia, który można regulować. Magnesy zapewniają stały strumień, więc napięcie jest bezpośrednią funkcją obrotów i prądu obciążenia.

Typową ścieżką konwersji jest trójfazowy prostownik mostkowy, po którym następuje kondensator obwodu prądu stałego, a następnie regulacja wymagana w danym zastosowaniu. Ogólna zasada dotycząca mostka trójfazowego zasilanego ze źródła sinusoidalnego jest taka, że ​​moc wyjściowa prądu stałego bez obciążenia jest około 1,35 razy większa od napięcia skutecznego międzyfazowego i spada wraz ze wzrostem prądu obciążenia z powodu rezystancji uzwojenia i spadku diody. Do tego dochodzi tętnienie, pojawiające się z sześciokrotną częstotliwością elektryczną, dlatego też kondensator dobrany do pracy przy niskich prędkościach w najgorszym przypadku jest zwykle większy, niż oczekują nowicjusze.

• Wyprostowana moc wyjściowa jest nieregulowana: spada równomiernie wraz ze wzrostem prądu.
• Częstotliwość tętnienia rośnie wraz z prędkością, więc filtrowanie dostosowane do 600 obr./min będzie wystarczające przy 1500 obr./min.
• Czujniki Halla i wyjścia enkodera są przydatne tylko w napędzie, a nie w obciążeniu pasywnym.
• Odczyt w obwodzie otwartym informuje o potencjale uzwojenia; nie mówi, co maszyna może dostarczać w sposób ciągły.

Parametry decydujące o tym, czy to działa

Kiedy silnik rozważany jest do pracy z generatorem, krótka lista charakterystyk decyduje o prawie wszystkim. Większość z nich jest już udokumentowana na tabliczce znamionowej lub w karcie katalogowej silnika; o resztę należy zapytać producenta.

Na osobną wzmiankę zasługuje moment zaczepowy, gdyż w teście samochodowym jest on niewidoczny. Silnik z wyraźnymi zębatkami może doskonale pracować na zasilaniu sieciowym, ponieważ napęd może przepychać się przez zaczepy, ale mała turbina wiatrowa lub ręczna ładowarka mogą po prostu utknąć i nigdy nie osiągnąć prędkości, przy której pojawi się użyteczne napięcie. Typowymi rozwiązaniami są przekrzywione magnesy i uzwojenia z ułamkowymi szczelinami.

Silnik nie jest generatorem zaprojektowanym specjalnie

Specjalnie zaprojektowane generatory z magnesami trwałymi są od początku optymalizowane pod kątem jednej prędkości, jednego napięcia i jednego cyklu pracy. Silnik przystosowany do generatora jest zoptymalizowany pod kątem mocy wyjściowej wału, niskiego tętnienia momentu obrotowego i określonego napięcia napędowego. Różnica między nimi nie jest teoretyczna; przejawia się to w wydajności, regulacjach i kosztach.

W przypadku większości projektów o mocy poniżej kilku kilowatów praktyczną odpowiedzią jest standardowy silnik ze zmienionym uzwojeniem, ponieważ różnica elektromagnetyczna jest niewielka, a koszt oprzyrządowania dedykowanego generatora nie jest taki. Poza tym arytmetyka zaczyna faworyzować maszynę zbudowaną specjalnie.

Gdzie podejście oparte na silniku jako generatorze faktycznie się sprawdza

Podejście to sprawdza się w zastosowaniach o skromnej mocy, tolerancyjnych oknach napięcia i silniku głównym, którego prędkość jest przynajmniej w przybliżeniu przewidywalna. Typowymi przykładami są małe turbiny wiatrowe, mikroinstalacje hydroelektryczne, stanowiska do ćwiczeń i testów, hamowanie regeneracyjne w małych systemach trakcyjnych oraz przenośne ładowarki napędzane silnikiem.

• Mały wiatr i mikrohydraulika: maszyna PM o niskim poziomie obciążenia z odpowiednim Ke ładuje zestaw akumulatorów przez prostownik i konwerter podwyższający.
• Hamowanie regeneracyjne: maszyna napędzająca koło również odzyskuje energię, co z definicji robi silnik używany jako generator.
• Stanowiska badawcze i badawcze: maszyna BLDC obciążona napędem tworzy kontrolowany, niedrogi dynamometr.
• Samodzielne oświetlenie i ładowanie akumulatora: w zakresie mocy od 20 W do 500 W, małe ramy chłodnicy powietrza i silników wentylatorów są częstym punktem wyjścia, ponieważ są kompaktowe, tanie i dostępne w dużych ilościach.

W tym zakresie małej mocy silniki z chłodnicą powietrzną z zewnętrznym wirnikiem są naturalnym kandydatem, ponieważ magnesy wirnika znajdują się już na zewnątrz stojana, ramy są krótkie, a uzwojenia można ponownie określić dla docelowej stałej EMF bez konieczności stosowania nowego oprzyrządowania.

DC149 220 V 600 W Zewnętrzny silnik chłodnicy powietrza BLDC Silnik chłodnicy powietrza BLDC o niskim poborze mocy 220 V i mocy 600 W z zewnętrznym wirnikiem, z IP55 i izolacją klasy F, przystosowany do chłodzenia przemysłowego; sprawdzić stałe uzwojenia przed złożeniem zamówienia. Zobacz produkt →

Problem w tym, że są to jednostki produkowane masowo, zoptymalizowane pod kątem obciążenia wentylatorów, dlatego przed złożeniem zamówienia zapytaj o zmierzony Ke, rezystancję międzyfazową i maksymalną dopuszczalną temperaturę uzwojenia, a nie tylko o moc znamionową.

Gdzie się rozpada: praktyczne tryby awarii

Większość rozczarowujących konstrukcji generatorów zawodzi z powodów, które nie mają nic wspólnego z elektromagnetyką. Warto wymienić te popularne, ponieważ przy odrobinie przezorności można ich uniknąć.

• Przepięcie przy dużej prędkości. Napięcie obwodu otwartego to najwyższe napięcie, jakie kiedykolwiek wytworzyła maszyna. Turbina wiatrowa, która traci obciążenie w wyniku podmuchu, może w ciągu kilku sekund przepchnąć obwód prądu stałego poza parametry kondensatora i falownika.
• Brak regulacji. Wyjście podąża zarówno za prędkością, jak i prądem. Wszystko, co wymaga stabilnej szyny, musi dodać konwerter, obciążenie zrzutowe lub akumulator o wystarczającej pojemności.
• Przegrzanie. Prąd ciągły jest ograniczony temperaturą uzwojenia, a obciążenie generatora często oznacza inną ścieżkę przepływu powietrza niż ta, dla której została zaprojektowana osłona wentylatora.
• Rozmagnesowanie magnesu. Długotrwałe przeciążenie przy wysokiej temperaturze uzwojenia zmniejsza strumień magnesu, co trwale obniża moc wyjściową.
• Niedopasowanie mechaniczne. Napięcie paska i zwis koła pasowego obciążają przednie łożysko w kierunku, którego oryginalne mocowanie nigdy nie przewidywało.
• Błędne oczekiwania dotyczące rotacji. Sekwencja faz wyjściowych odwraca się w zależności od kierunku; prostownik trójfazowy nie ma znaczenia, ale system synchroniczny lub podłączony do sieci tak.

Ramy o większej mocy zachowują się lepiej termicznie, ponieważ mają większą powierzchnię na wat strat, ale wytwarzają również wyższe napięcie przy tej samej prędkości, co przesuwa problem na stronę elektryczną.

DC198 220 V 1500 W Zewnętrzny silnik chłodnicy powietrza BLDC Silnik BLDC o dużej mocy 220 V i mocy 1500 W z wirnikiem zewnętrznym do wytrzymałych chłodnic wyparnych i dużej wentylacji, z izolacją F i opcjonalnym sterownikiem; uwzględnić wysokie napięcie. Zobacz produkt →

W przypadku dowolnej ramy o mocy powyżej około 1 kW należy zaplanować stopień przetwornicy o znamionowym napięciu wejściowym obejmującym stan obwodu otwartego przy najwyższej prędkości, jaką może osiągnąć główny silnik napędowy, a nie nominalny punkt pracy.

Przykładowy wymiar

Liczby sprawiają, że kompromisy są konkretne. Weźmy silnik BLDC o napięciu 220 V i mocy 850 W z wirnikiem zewnętrznym, o stałej sile elektromagnetycznej wstecznej wynoszącej 180 V RMS międzyfazowej na 1000 obr./min i rezystancji międzyfazowej wynoszącej około 1,1 oma. Jedź z prędkością 900 obr/min za pomocą małego silnika i paska.

• Napięcie międzyfazowe w obwodzie otwartym: 0,9 x 180 = 162 V RMS.
• Wyprostowany prąd stały bez obciążenia: około 1,35 x 162 = 219 V.
• Przy prądzie obciążenia 6 A spadek rezystancji: około 7 V, co daje około 212 V na zaciskach.
• Straty miedzi w uzwojeniu: około 3 x (6/1,22) do kwadratu x 0,55, czyli blisko 40 W.

Rezultatem jest użyteczna moc elektryczna wynosząca 1,27 kW przy komfortowej prędkości, z tą różnicą, że przekracza ona parametry znamionowe ramy i uzwojenie nie wytrzyma tego w sposób ciągły. Zmniejsz prąd do 3 A, a liczby wyniosą około 560 W mocy wyjściowej przy około 10 W stratach w miedzi, co jest rozsądnym ciągłym punktem ze zdrowym marginesem.

Teraz zmień cel. Załóżmy, że obciążeniem jest akumulator 48 V zamiast magistrali 200 V. Zmniejszenie prędkości do 300 obr./min daje napięcie międzyfazowe 54 V, które jest prostowane do około 73 V, ale zapad poniżej 8 A wynosi prawie 9 V, a straty w miedzi wzrastają do około 70 W. Napięcie jest teraz zbyt niskie, a straty zbyt duże w stosunku do wymaganej mocy, co jest klasycznym sygnałem, że uzwojenie jest nieodpowiednie do tego zadania. Prawidłowym rozwiązaniem nie jest większa prędkość, ale stojan o niższym Ke.

DC149 220 V 850 W Zewnętrzny silnik chłodnicy powietrza BLDC Silnik chłodnicy powietrza BLDC o mocy 850 W i napięciu 220 V, z zewnętrznym wirnikiem, wentylatorem z napędem bezpośrednim i stopniem ochrony IP55; warianty uzwojenia mogą uwzględniać różne cele w zakresie napięcia i strat. Zobacz produkt →

Co umieścić w zapytaniu ofertowym do fabryki silników

Ponieważ ponownie określone uzwojenie jest zwykle tańsze niż nowa maszyna, najszybszą drogą od koncepcji do sprzętu jest wyraźne zapytanie ofertowe. Producenci, którzy produkują masowo silniki BLDC i silniki z magnesami trwałymi, mogą zazwyczaj dostarczyć wariant z inną liczbą zwojów, inną średnicą drutu i zmodyfikowanym wałem lub złączem bez nowego oprzyrządowania.

• Docelowe napięcie i prąd przy określonej prędkości plus maksymalna prędkość, jaką może osiągnąć główny napęd.
• Wymagana stała elektromagnesu zwrotnego lub napięcie obwodu otwartego mierzone przy jednej znanej liczbie obrotów na minutę.
• Prąd ciągły i szczytowy, z cyklem pracy i oczekiwaną temperaturą otoczenia.
• Interfejs mechaniczny: średnica i długość wału, rowek wpustowy lub płaski, kołnierz montażowy, kierunek obrotu.
• Wymagania środowiskowe: stopień ochrony IP, wilgotność, narażenie na kurz, sól lub zmywanie.
• Niezależnie od tego, czy do sterowania potrzebny jest zestaw czujników Halla lub enkoder, czy tylko do oprzyrządowania.
• Dane weryfikacyjne: zmierzony Ke, rezystancja międzyfazowa i test napięcia bez obciążenia przy jednej prędkości.

Konstrukcja maszyny jest równie ważna jak uzwojenie. Konstrukcja wirnika z magnesami trwałymi, liczba biegunów i rozmieszczenie szczelin określają kształt fali pola elektromagnetycznego i zachowanie zębów, a dostawca, który rutynowo buduje te maszyny, może w prosty sposób wyjaśnić kompromisy. Przydatną lekturą uzupełniającą jest a przewodnik po budowie silników BLDC i wirnikach z magnesami trwałymi , co pomaga w formułowaniu pytań dotyczących klasy magnesu i geometrii szczeliny.

Kontekst aplikacji również ma znaczenie. Jeśli generator będzie umieszczony za wentylatorem lub dmuchawą, zastosowane zostaną te same rodziny silników zastosowania wentylatorów przemysłowych stanowią rozsądny punkt wyjścia, ponieważ ich zakresy prędkości, wzory montażu i układy łożysk już pasują do tego rodzaju głównego napędu i profilu obciążenia.

Szczerze mówiąc, silnik BLDC jest generatorem doskonale nadającym się do użytku, o ile projekt został zaprojektowany zgodnie z jego naturą, a nie przeciwko niemu. Nie będzie regulował własnego napięcia, nie toleruje długotrwałego przeciążenia i będzie dobrze pracował tylko przy prędkościach, dla których zostało wybrane jego uzwojenie. Uzyskaj stałą siłę elektromotoryczną właściwą dla głównego napędu i obciążenia, dodaj prostownik i stopień przetwornicy z odpowiednim zapasem napięcia, przestrzegaj ograniczeń termicznych uzwojenia, a maszyna będzie zachowywać się przewidywalnie przez lata. Jeśli źle dobierzesz uzwojenie, żadna ilość dodatkowej elektroniki nie przywróci sprawności utraconej w wyniku niedopasowania napięcia i aktualnego punktu pracy.