Probablemente ya lo tengas y no lo sepas. Si estás accionando un motor con un medio puente o puente H y PWM o similar, tienes frenado regenerativo. Consideremos un medio puente, ya que para este análisis haremos funcionar el motor en una sola dirección:
![simple half-bridge]()
En primer lugar, consideremos el frenado no regenerativo. Si la salida del puente es alta (S1 cerrado, S2 abierto), el motor acelerará hasta la velocidad máxima. Si el puente se conmuta a bajo, el motor no se detendrá suavemente. Lo hará slam hasta detenerse, como si alguien le pusiera un freno. ¿Por qué?
Un motor puede modelarse como un inductor en serie y una fuente de tensión. El par motor es proporcional a la corriente. La fuente de tensión se llama back-EMF y es proporcional a la velocidad del motor. Por eso un motor consume más corriente cuando está cargado (o, peor aún, parado): al disminuir la velocidad, disminuye la contrafuerza y se opone menos a la tensión de alimentación, lo que da lugar a una mayor corriente. Volvamos a dibujar nuestro esquema con ese modelo, con valores como si nuestro motor estuviera girando a alta velocidad:
![motor running forward]()
Este motor está funcionando a toda velocidad. Tenemos una pequeña corriente para superar la fricción en el motor, y la FEM de retorno es la tensión de alimentación, menos la caída de tensión sobre R1. No fluye mucha corriente porque la FEM de retorno cancela la mayor parte de la tensión de alimentación, por lo que L1 y R1 sólo ven 100mV. Ahora, ¿qué sucede cuando cambiamos el puente al lado de baja?
![just switched bridge]()
Al principio, nada. La L1 impide un cambio inmediato de la corriente. Sin embargo, esto no dura mucho, y muy pronto (definido por la constante de tiempo de \$L_1 / R_1\$ No más de un par \$ms\$ típicamente) la contrafase (V1) ha invertido la corriente, y ahora va en la otra dirección. También es bastante grande, ya que ahora L1 y R1 no ven la pequeña diferencia de \$V_{B1}-V_1\$ (fue \$100mV\$ ), pero ahora ven los 9,9V completos de V1 solo:
![braking current]()
Ahora tenemos un grande corriente que fluye en el frente a dirección. El par es proporcional a la corriente, por lo que ahora, en lugar de aplicar una fuerza suave en el sentido de las agujas del reloj, lo suficiente para superar la fricción, estamos aplicando una fuerza dura en sentido contrario a las agujas del reloj, y la carga mecánica se desacelera rápidamente. A medida que la velocidad del motor disminuye, también lo hace V1, y en consecuencia también lo hace la corriente, y el par con ella, hasta que la carga deja de girar.
¿A dónde se fue la energía? La energía cinética de la carga mecánica es energía. No puede desaparecer, ¿verdad?
Sí. Si miras el circuito de nuevo, tenemos 9.9A fluyendo a través de R1. \$P_{R1} = (9.9A)^2 1\Omega = 98.01W\$ . La energía cinética de la carga se convirtió en calor en la resistencia del bobinado del motor (y en un circuito práctico, también en los transistores del puente H). Algunos motores serán destruidos por esta alta potencia. Otros no. La corriente generada por el back-EMF es tan fuerte como la corriente de parada del motor, así que si tu motor puede funcionar parado sin sobrecalentarse, puede frenar así todo el día.
Entonces, ¿cómo almacenar la energía, en lugar de convertirla en calor?
Veamos lo que ocurre un poco después de que hayamos empezado a frenar, pero antes de que nos hayamos detenido:
![braking mid-way]()
El motor se ha ralentizado significativamente (la contrafase es de 1V), y la corriente ha disminuido con ella. Ahora, ¿qué pasa si cambiamos el puente al lado alto?
![battery charging]()
¡Ah, ja! ¡Estamos cargando la batería! Por supuesto, si nos quedamos así mucho tiempo (de nuevo, definido por la constante de tiempo \$L_1 / R_1\$ ) entonces el sentido de la corriente se invertirá, y estaremos descargando nuestra batería, y acelerando nuestro motor, no frenándolo.
Así que no lo hagas . Mientras permanezcamos en este estado, la corriente disminuye. Por lo tanto, cambiamos de nuevo al otro estado, con el puente bajo, para que la contrafase pueda volver a aumentar la corriente. Entonces cambiamos de nuevo, y disparamos parte de ella a la batería. Repite, rápido.
Si esto suena como lo que uno hace normalmente para el control de motores PWM, es porque lo es. Por eso probablemente ya lo tienes, y simplemente no lo sabías.
Una vez comprendido el principio de funcionamiento, se pueden hacer algunas simplificaciones. Cuando un motor está siendo accionado por PWM, la inductancia del motor (L1) funciona como un volante de inercia, promediando el voltaje que aplicas al motor. Es como si tuvieras un volante de inercia real, y lo hicieras girar golpeándolo con un martillo repetidamente. Así que en este ejemplo nuestra tensión de alimentación es de 10V. Si nuestro ciclo de trabajo PWM es del 80%, estamos conduciendo efectivamente el motor con 8V ( \$80\% \cdot 10V = 8V\$ ).
![simplified model]()
Siempre que la contrafuerza es mayor que esta tensión, se produce un frenado regenerativo. Esto ocurrirá siempre que el ciclo de trabajo del PWM disminuya más rápido que las fuerzas externas (fricción, por ejemplo) frenen el motor. Cualquier resistencia en el circuito reduce la energía que puede recuperar de la carga mecánica. En el caso más extremo en el que el ciclo de trabajo PWM disminuye hasta el 0% y los terminales del motor están en cortocircuito, la corriente es tan alta que las pérdidas alcanzan el 100%. ( \$P = I^2 R\$ )
También puede abrir todo los transistores del puente, y la corriente del inductor se extinguirá a través de los diodos del puente. Entonces, ni la FEM de fondo ni la batería tendrán un camino para conducir una corriente, y el motor girará libremente. A menos, por supuesto, que alguna fuerza externa acelere el motor lo suficiente como para que la FEM de retorno sea mayor que la tensión de alimentación. Un vehículo rodando por una colina es un buen ejemplo.
En todos los demás casos, se obtiene la frenada regenerativa.
consecuencia práctica
Usted debe considera lo que harás con la energía mecánica del motor. Las baterías pueden absorber energía, pero hay un límite en cuanto a la cantidad y la rapidez, que varía según el tipo de batería. Algunas fuentes de alimentación (reguladores de tensión lineales, por ejemplo) no pueden absorber energía en absoluto.
Si no se proporciona un lugar para que la energía vaya, ya sea una batería, o alguna otra carga en el circuito, irá a los condensadores de desacoplamiento de la fuente de alimentación. Si tienes suficiente energía devuelta por el motor y no hay suficiente capacitancia, el voltaje del riel de la fuente de alimentación aumentará hasta que algo se rompa.
Debes diseñar tu circuito para que no pueda ocurrir. En un coche eléctrico, hay complejos controladores de batería que aplicarán los frenos convencionales si las baterías no pueden absorber más energía cinética del coche. También puedes activar una resistencia de potencia a través de los raíles de alimentación, o diseñar tu controlador de motor para que se frene si llega a ser demasiado.
preguntas relacionadas
pregunta retórica relacionada con el alucinante
¿Qué pasa si tenemos un motor sin resistencia en el bobinado, y tenemos una forma de conducirlo sin añadir ninguna resistencia adicional (transistores y cables ideales)? Es más eficiente, obviamente. Pero, ¿cómo varía la velocidad del motor con la tensión aplicada y la carga mecánica? Sugerencia: si intentas cambiar la velocidad del motor aumentando o disminuyendo la carga mecánica, ¿qué hace la contrafase con la corriente?
