Voiko BLDC-moottori toimia generaattorina? Käytännön opas ostajille ja rakentajille

Pyöritä kolmivaiheisen haihtuvan ilmanjäähdyttimen akselia käsin ja aseta mittari sen kahden johdon yli. Luet muutaman voltin. Yhdistä se poraan ja nosta se 1 500 rpm:iin ja lukema nousee kymmeniin tai satoihin voltteihin ilman kelausta, ilman muutoksia tai ohjainta. Tuo yksittäinen penkkitesti vastaa kysymykseen, joka tuo useimmat ostajat tähän aiheeseen: BLDC-moottori on kestomagneettisynkroninen kone, ja kestomagneettisynkroninen kone ei tiedä, meneekö vääntömomentti akseliin vai tuleeko siitä ulos. Kyllä se toimii generaattorina.

Hyödyllisempi kysymys ei ole, voiko se tuottaa, vaan voiko se tuottaa jotain, jota voit todella käyttää. Paljas BLDC-moottori tuottaa voltteja, mutta kuinka monta volttia, millä nopeudella, mihin kuormaan, millä säädöllä ja kuinka kauan ennen kuin käämi kuumenee, riippuu täysin siitä, miten kone on käämitty ja miten sitä ajetaan. Nämä ovat niin kaupallisia kuin teknisiäkin päätöksiä, ja ne ovat syy siihen, että generaattoriprojektit onnistuvat tai epäonnistuvat kauan ennen kuin kukaan avaa tietolomakkeen.

Lyhyt vastaus: Kyllä, kolmella ehdolla

Harjaton tasavirtamoottori tuottaa aina, kun sen roottori pyörii, koska roottorin magneetit pyyhkäisevät staattorikäämien ohi ja aiheuttavat niihin jännitteen. Vaikutus on sama fysikaalinen laki, joka tuottaa taka-EMF:n, johon moottorin oma käyttö perustuu normaalin moottoriajon aikana. Mitään erityistä "generaattoritilaa" ei voi ottaa käyttöön, ei laiteohjelmistokytkintä eikä laitteistoa, joka on lisättävä koneen sisään.

Kolmen ehdon on vielä täytyttävä, ennen kuin tästä jännitteestä tulee käyttökelpoista tehoa:

• Nopeutta riittää. Indusoitu jännite on verrannollinen pyörimisnopeuteen. Tietyn kierrosluvun alapuolella lähtö on liian alhainen työntämään virtaa tasasuuntaajan, kaapelin ja kuorman läpi.
• Tapa muuntaa ja säädellä. Liittimet antavat sinulle kolmivaiheisen vaihtovirran taajuudella, joka muuttuu nopeuden mukaan. Useimmat kuormat, akuista lamppuihin ja inverttereihin, tarvitsevat jotain parempaa.
• Lämpötila. Moottori, jonka teho on 850 W, ei ole automaattisesti 850 W:n generaattori. Jäähdytyspuhallin, ilmavirtausreitti ja käyttösuhde muuttuvat, kun konetta ajetaan akselin päästä ulkoisella voimanlähteellä.

On myös yksi selvä poissulkeminen. Integroidulla elektroniikalla varustetut moottorit, kuten EC-puhallinmoottorit, joissa on sisäänrakennettu kommutointi- ja ohjauskortti, eivät ole käytettävissä generaattoreina niiden vakiomuodossa. Käyttöelektroniikka on suunniteltu yhteen suuntaan, ja niiden takana olevaan koneeseen ei pääse käsiksi, ellei korttia irroteta.

Fysiikka on symmetristä

Kestomagneettiharjattomassa koneessa staattori kantaa käämit ja roottori magneetteja. Kun virta kulkee käämeissä, tuloksena oleva magneettikenttä on vuorovaikutuksessa roottorin magneettien kanssa ja tuottaa vääntömomentin. Kun ulkoinen voimanlähde kääntää roottoria sen sijaan, liikkuva magneettikenttä indusoi jännitteen samoihin käämeihin. Molempia vaikutuksia kuvataan samalla vakiolla, jonka valmistajat yleensä ilmoittavat takaisin-EMF-vakioksi, Ke, voltteina 1000 rpm tai sen käänteisarvona Kv rpm per voltti.

Tämä vakio on tärkein yksittäinen luku jokaiselle, joka aikoo käyttää moottoria generaattorina. Se kertoo avoimen piirin jännitteen millä tahansa nopeudella, ja se myös asettaa virran, jota tarvitset tietylle vääntömomentille. Kone, jonka Ke-arvo on alhainen, tuottaa hyödyllisen jännitteen alhaisilla kierrosluvuilla, mutta tarvitsee suuren virran samalle teholle, mikä lisää resistiivisiä häviöitä. Kone, jolla on korkea Ke, saavuttaa satoja voltteja muutamalla sadalla kierroksella, mikä on kätevää suoralle tasasuuntaiselle väylälle, mutta hankalaa, jos haluat ladata 48 V akkua.

Tästä seuraa kaksi käytännön seurausta. Ensinnäkin lähtötaajuus skaalautuu nopeudella ja napojen lukumäärällä: kahdeksannapainen kone tuottaa 100 Hz sähkötehoa 1500 rpm:llä ja 50 Hz 750 rpm:llä, millä on merkitystä muuntajille, suodattimille ja kaikille verkkoliitoslaitteille. Toiseksi aaltomuoto ei ole puhdas siniaalto jokaisessa mallissa. Kuusivaiheiseen kommutointiin käämityt moottorit osoittavat yleensä puolisuunnikkaan muotoista EMF:ää, joka on hyvä oikaisun jälkeen, mutta voi sekoittaa instrumentit ja laitteet, jotka odottavat vähäsäröistä siniaaltoa.

Mitä kolmesta johdosta todellisuudessa syntyy

Yhdistä oskilloskooppi kahteen kolmesta vaihejohdosta ja näet kolmivaiheisen AC-aaltomuodon, jonka amplitudi ja taajuus kasvavat nopeuden myötä. Mikään lähdössä ei ole stabiloitunut, koska siinä ei ole kenttäkäämiä eikä säädettävää herätepiiriä. Magneetit syöttävät vakiovuon, joten jännite on suora kierrosluvun ja kuormitusvirran funktio.

Tavallinen muunnospolku on kolmivaiheinen siltatasasuuntaaja, jota seuraa DC-välipiirin kondensaattori ja sitten mikä tahansa sovellus tarvitsee säätelyn. Karkea sääntö kolmivaihesillalle, joka syötetään sinimuotoisesta lähteestä, on, että kuormittamaton DC-lähtö on noin 1,35 kertaa linja-linjan RMS-jännite, mikä laskee kuormitusvirran kasvaessa käämivastuksen ja diodin pudotuksen vuoksi. Tämän lisäksi tulee aaltoilua, joka esiintyy kuusinkertaisella sähkötaajuudella, minkä vuoksi pahimman tapauksen hitaita toimintaa varten mitoitettu kondensaattori on yleensä suurempi kuin uudet tulokkaat odottavat.

• Tasasuuntautunut teho on säätelemätön: se laskee tasaisesti virran kasvaessa.
• Ripple-taajuus kasvaa nopeuden myötä, joten 600 rpm:n suodatus on runsas nopeudella 1500 rpm.
• Hall-anturit ja anturilähdöt ovat hyödyllisiä vain taajuusmuuttajalle, eivät passiiviselle kuormitukselle.
• Avoimen piirin lukema kertoo käämin potentiaalin; se ei kerro, mitä kone pystyy toimittamaan jatkuvasti.

Parametrit, jotka ratkaisevat, toimiiko se

Kun moottoria harkitaan generaattorikäyttöön, lyhyt luettelo ominaisuuksista määrittää melkein kaiken. Suurin osa niistä on jo dokumentoitu tyyppikilpeen tai moottorin tietolehteen; loput on pyydettävä valmistajalta.

Hammastusmomentti ansaitsee erillisen maininnan, koska se on näkymätön moottoritestissä. Voimakkaasti pyörivä moottori voi toimia täydellisesti verkkovirralla, koska taajuusmuuttaja voi työntää rajoittimien läpi, mutta pieni tuuliturbiini tai käsikäyttöinen laturi voi yksinkertaisesti pysähtyä eikä koskaan saavuta sitä nopeutta, jolla hyödyllinen jännite ilmaantuu. Vinomagneetit ja murto-urakäämitys ovat tavallisia korjauksia.

Moottori ei ole tarkoitukseen rakennettu generaattori

Tarkoitusta varten rakennetut kestomagneettigeneraattorit on optimoitu alusta alkaen yhdelle nopeudelle, yhdelle jännitteelle ja yhdelle käyttöjaksolle. Generaattoriksi uudelleen käytettävä moottori on optimoitu akselin ulostulolle, alhaiselle vääntömomentille ja tietylle käyttöjännitteelle. Näiden kahden välinen ero ei ole teoreettinen; se näkyy tehokkuudessa, sääntelyssä ja kustannuksissa.

Useimpiin alle muutaman kilowatin projekteihin käytännöllinen vastaus on varastomoottori, jossa on uusi käämitys, koska sähkömagneettinen ero on vaatimaton ja erillisen generaattorin työkalukustannukset eivät ole. Sen yläpuolella aritmetiikka alkaa suosia tarkoitukseen rakennettua konetta.

Missä moottori-generaattori-lähestymistapa todella toimii

Lähestymistapa on todistettu sovelluksissa, joissa teho on vaatimaton, jänniteikkunat sietävät ja voimanlähde, jonka nopeus on ainakin karkeasti ennustettavissa. Tyypillisiä esimerkkejä ovat pienet tuuliturbiinit, mikrovesilaitteistot, harjoitus- ja testilaitteet, pienten vetojärjestelmien regeneratiivinen jarrutus ja kannettavat moottorikäyttöiset laturit.

• Pieni tuuli ja mikrohydro: alhainen PM-kone, jossa on oikea Ke, lataa akkupankkia tasasuuntaajan ja tehostinmuuntimen kautta.
• Regeneratiivinen jarrutus: pyörää käyttävä kone ottaa myös energiaa talteen, mitä generaattorina käytettävä moottori määritelmän mukaan tekee.
• Penkki ja testilaitteet: käyttölaitetta vasten ladattu BLDC-kone tekee ohjattavan, edullisen dynamometrin.
• Itsenäinen valaistus ja akun lataus: 20 W - 500 W kaistalla pienet ilmajäähdytin- ja tuuletinmoottorien rungot ovat yleisiä lähtökohtia, koska ne ovat kompakteja, halpoja ja niitä on saatavana.

Tällä pienitehokaistalla ulkoroottoriset ilmanjäähdytinmoottorit ovat luonnollinen ehdokas, koska roottorimagneetit ovat jo staattorin ulkopuolella, rungot ovat lyhyitä ja käämit voidaan määrittää uudelleen tavoite-EMF-vakiolle ilman uusia työkaluja.

DC149 220V 600W ulkoinen BLDC ilmanjäähdytinmoottori Pienitehoinen 220 V 600 W ulkoroottorinen BLDC-ilmanjäähdytin, IP55 ja luokan F eristys, sopii teollisuusjäähdytykseen; tarkista käämitysvakiot ennen tilaamista. Näytä tuote →

Huono asia on siinä, että kyseessä on massatuotantoyksikkö, joka on optimoitu puhallinkuormitukselle, joten ennen tilaamista kysy mitattu Ke, linjavastus ja suurin sallittu käämin lämpötila, ei vain nimellistehoa.

Missä se hajoaa: Käytännön vikatilat

Useimmat pettymys aiheuttavat generaattorit epäonnistuvat syistä, joilla ei ole mitään tekemistä sähkömagneettisten kanssa. Yleisimmät ovat luettelemisen arvoisia, koska ne ovat kaikki vältettävissä pienellä ennakkoratkaisulla.

• Ylijännite suurella nopeudella. Avoimen piirin jännite on korkein jännite, jonka kone koskaan tuottaa. Tuulivoimala, joka menettää kuormituksensa puuskassa, voi työntää DC-välipiirin kondensaattorin ja invertterin nimellisarvojen ohi sekunneissa.
• Ei sääntöä. Lähtö seuraa sekä nopeutta että virtaa. Kaikkeen, joka tarvitsee vakaata kiskoa, on lisättävä muuntaja, kaatokuorma tai riittävän kapasiteetin akku.
• Ylikuumeneminen. Jatkuvaa virtaa rajoittaa käämin lämpötila, ja generaattorin käyttö tarkoittaa usein erilaista ilmavirtausta kuin tuuletinkoppa on suunniteltu.
• Magneetin demagnetisointi. Jatkuva ylikuormitus korkeassa käämityslämpötilassa vähentää magneettivirtaa, mikä alentaa tehoa pysyvästi.
• Mekaaninen yhteensopimattomuus. Hihnan kireys ja hihnapyörän ylitys kuormittavat etulaakeria suuntaan, jota alkuperäinen asennus ei koskaan odottanut.
• Väärät kierto-odotukset. Lähtövaihejärjestys vaihtuu suunnan kanssa; kolmivaiheinen tasasuuntaaja ei välitä, mutta synkroninen tai verkkoon sidottu järjestelmä kyllä.

Tehokkaammat kehykset käyttäytyvät paremmin termisesti, koska niissä on enemmän pinta-alaa wattia kohden, mutta ne tuottavat myös korkeampaa jännitettä samalla nopeudella, mikä työntää ongelman sähköpuolelle.

DC198 220V 1500W ulkoinen BLDC ilmanjäähdytinmoottori Tehokas 220 V:n 1500 W:n ulkoroottorinen BLDC-moottori raskaille haihtumisjäähdyttimille ja suurelle ilmanvaihdolle, F-eristyksellä ja valinnaisella ohjaimella; ottaa huomioon nopean jännitteen. Näytä tuote →

Suunnittele jokaiselle noin 1 kW:n ylittävälle rungolle muuntajaporras, jonka tulojännite kattaa avoimen piirin tilan suurimmalla nopeudella, jonka voimanlähde voi saavuttaa, ei nimellistä toimintapistettä.

Esimerkki toimivasta mitoituksesta

Numerot tekevät kompromissista konkreettisia. Otetaan 220 V:n, 850 W:n ulkoroottorilla varustettu BLDC-moottori, jonka vasta-EMF-vakio on 180 V rivin välinen RMS / 1 000 rpm ja linjan välinen resistanssi noin 1,1 ohmia. Aja sitä 900 rpm pienellä moottorilla ja hihnalla.

• Avoin piiri verkkojännite: 0,9 x 180 = 162 V RMS.
• Tasasuuntautunut kuormittamaton tasavirta: noin 1,35 x 162 = 219 V.
• 6 A kuormitusvirralla, resistiivinen pudotus: noin 7 V, mikä antaa noin 212 V liittimissä.
• Kuparihäviö käämissä: noin 3 x (6 / 1,22) neliö x 0,55, mikä on lähellä 40 W.

Tuloksena on käyttökelpoinen 1,27 kW sähköteho mukavalla nopeudella, paitsi että tämä ylittää rungon nimellisarvon ja käämi ei kestä sitä jatkuvasti. Katkaise virta 3 A:iin ja luvuista tulee noin 560 W teho noin 10 W kuparihäviöllä, mikä on järkevä jatkuva piste terveellä marginaalilla.

Vaihda nyt kohdetta. Oletetaan, että kuorma on 48 V akku 200 V väylän sijaan. Nopeuden pudottaminen 300 rpm:iin antaa 54 V linjasta linjaan avoimen piirin, joka tasaa noin 73 V:iin, mutta 8 A:n painuminen on lähes 9 V ja kuparihäviö nousee noin 70 W:iin. Jännite on nyt liian alhainen ja häviöt liian suuret haluttuun tehoon, mikä on klassinen signaali käämityksen väärästä työstä. Oikea korjaus ei ole suurempi nopeus, vaan alhaisempi Ke-staattori.

DC149 220V 850W Ulkoinen BLDC-ilmajäähdytinmoottori 850 W:n 220 V:n ulkoroottorilla varustettu BLDC-ilmanjäähdytinmoottori suoravetopuhaltimella ja IP55-suojauksella; käämitysvaihtoehdot voivat käsitellä erilaisia ​​jännite- ja häviökohteita. Näytä tuote →

Mitä laittaa tarjouspyyntöön moottoritehtaalle

Koska uusittu käämi on yleensä halvempi kuin uusi kone, nopein reitti konseptista laitteistoon on selkeä tarjouspyyntö. Valmistajat, jotka rakentavat BLDC- ja kestomagneettimoottoreita tilavuudeltaan, voivat tyypillisesti toimittaa muunnelman, jossa on erilainen kierrosluku, erilainen johdinmitta ja muokattu akseli tai liitin ilman uusia työkaluja.

• Tavoitejännite ja -virta ilmoitetulla nopeudella sekä suurin nopeus, jonka voimanlähde voi saavuttaa.
• Vaadittu takaisin-EMF-vakio tai avoimen piirin jännite mitattuna yhdellä tunnetulla rpm:llä.
• Jatkuva ja huippuvirta, käyttöjakso ja odotettu ympäristön lämpötila.
• Mekaaninen liitäntä: akselin halkaisija ja pituus, kiilaura tai litteä, asennuslaippa, pyörimissuunta.
• Ympäristövaatimukset: IP-luokitus, kosteus, pöly-, suola- tai pesuainealtistus.
• Tarvitaanko Hall-anturisarjaa tai anturia ohjaukseen vai vain instrumentointiin.
• Varmistustiedot: mitattu Ke, linja-linjavastus ja tyhjäkäyntijännitetesti yhdellä nopeudella.

Koneen rakennepuoli on yhtä tärkeä kuin käämitys. Kestomagneettiroottorin rakenne, napaluku ja rakojen järjestely määräävät EMF-aaltomuodon ja jarrutuskäyttäytymisen, ja näitä koneita rutiininomaisesti rakentava toimittaja voi selittää kompromissit selkeästi. Hyödyllinen taustaluku on a opas BLDC-moottorin rakentamiseen ja kestomagneettiroottoreihin , joka auttaa kehystämään kysymyksiä magneetin laadusta ja raon geometriasta.

Sovelluskontekstilla on myös merkitystä. Jos generaattori istuu tuulettimen tai puhaltimen takana, samat moottoriperheet ovat käytössä teolliset tuuletinsovellukset ovat järkevä lähtökohta, koska niiden nopeusalueet, kiinnityskuviot ja laakerijärjestelyt sopivat jo sellaiseen vetokoneeseen ja kuormitusprofiiliin.

Rehellinen yhteenveto on, että BLDC-moottori on täysin huollettava generaattori, kunhan projekti on suunniteltu sen luonteen mukaan, ei sitä vastaan. Se ei säätele omaa jännitettään, se ei siedä jatkuvaa ylikuormitusta ja toimii hyvin vain sillä nopeudella, jolle sen käämitys on valittu. Hanki back-EMF-vakio oikea voimanlähteelle ja kuormalle, lisää tasasuuntaaja ja muunninporras, jossa on riittävä jännitekorkeus, kunnioita käämin lämpörajoja ja kone käyttäytyy ennustettavasti vuosia. Jos käämitys on väärä, mikään ylimääräinen elektroniikka ei saa takaisin tehokkuutta, joka menetetään väärän jännitteen ja virran toimintapisteen vuoksi.