¿Qué pasaría si cortocircuito los terminales de un motor de corriente continua mientras la energía está desconectada, pero sigue girando libremente?
Según varias fuentes, frenaría el motor. Esto tiene sentido. Pero también mencionan el uso de una serie de resistencias de potencia y no sólo un cortocircuito en los terminales. ¿Qué pasaría si sólo cortocircuito los terminales?
Lo que dijeron... además / pero:
Cuando se aplica un cortocircuito a los terminales de un motor de corriente continua, el rotor y cualquier carga conectada se frenarán rápidamente. El término "rápidamente" depende del sistema, pero como la potencia de frenado puede ser algo superior a la potencia máxima de diseño del motor, el frenado suele ser significativo.
En la mayoría de los casos es algo soportable si el resultado le resulta útil.
La potencia de frenado es aproximadamente I^2R
donde I = corriente de frenado de cortocircuito inicial del motor (véase más adelante) y
R = resistencia del circuito formado, incluyendo la resistencia del motor-rotor + el cableado + la resistencia de la escobilla, si es el caso, + cualquier resistencia externa.
Aplicando un cortocircuito se consigue el máximo frenado del motor que se puede conseguir sin aplicar un EMF inverso externo (cosa que hacen algunos sistemas). Muchos sistemas de parada de emergencia utilizan el cortocircuito del rotor para lograr una "parada de emergencia". La corriente resultante estará probablemente limitada por la saturación del núcleo (excepto en algunos casos especiales en los que se utiliza un núcleo de aire o espacios de aire muy grandes). Como los motores se diseñan generalmente para hacer un uso razonablemente eficiente de su material magnético, normalmente se encontrará que la corriente máxima en cortocircuito debido a la saturación del núcleo no es muy superior a la corriente nominal máxima de funcionamiento. Como otros han señalado, se pueden dar situaciones en las que la energía que se puede suministrar es perjudicial para la salud de los motores, pero es poco probable que te encuentres con esto a menos que tengas un motor de una locomotora eléctrica de repuesto, una carretilla elevadora o una pieza de equipo generalmente muy grande.
Puedes "facilitarlo" utilizando el método que se indica a continuación. He especificado 1 ohmio para la medición de la corriente, pero puedes usar lo que te convenga.
Como prueba, pruebe a utilizar una resistencia de, digamos, 1 ohmio y observe la tensión a través de ella cuando se utiliza como freno del motor. La disipación de potencia será I^R o para un pico de 1 ohmio, el vataje será el pico de amperios al cuadrado (o los voltios de la resistencia al cuadrado para una resistencia de 1 ohmio). A menudo se pueden encontrar resistencias de potencia de 250 vatios en tiendas de excedentes por cantidades muy modestas. Incluso una resistencia de 10 vatios con cuerpo cerámico y bobinado de alambre debería soportar muchas veces su potencia nominal durante unos segundos. Suelen ser de hilo, pero la inductancia debería ser lo suficientemente baja como para no ser relevante en esta aplicación.
Otra excelente fuente de elementos de resistencia es el alambre de Nichrome o Constantan (= Cobre de Níquel) o similar - ya sea de un distribuidor eléctrico o de los antiguos elementos de calentadores eléctricos. El alambre del elemento de calefacción eléctrica es típicamente clasificado para 10 amperios continuos (cuando brilla el rojo de la barra de calefacción). Puedes colocar varios hilos en paralelo para reducir la resistencia. Esto es difícil de soldar por medios normales. Hay formas, pero lo más fácil para "jugar" es sujetar los tramos en bloques de terminales con tornillos.
Una posibilidad es una bombilla de potencia correcta. Mida su resistencia en frío y establezca su corriente nominal mediante I = Vatios_valorados/Valor nominal. Tenga en cuenta que la resistencia en caliente será varias o muchas veces la resistencia en frío. Cuando se aplica un escalón de corriente (o un dado de corriente a un escalón de tensión) a una bombilla, ésta presentará inicialmente su resistencia en frío, que aumentará a medida que se caliente. Dependiendo de la energía disponible y de la potencia de la bombilla, ésta puede brillar a pleno rendimiento o apenas brillar. Por ejemplo, una bombilla incandescente de 100 vatios y 100 VAC tendrá una potencia nominal de 100 vatios/110 VAC ~= 1 amperio. Su resistencia en caliente será aproximadamente R = V/I = 110 /1 =~100 Ohms. Su resistencia en frío se podrá medir, pero puede estar en el rango de 5 a 30 ohmios. Si la potencia inicial de la bombilla es, por ejemplo, de 100 vatios, se "iluminará" rápidamente. Si la potencia inicial es, por ejemplo, de 10 vatios, es probable que no pase de un destello. El mejor análisis de lo que está haciendo una bombilla sería mediante un registrador de datos de dos canales de Vbulb e I bulbo y el posterior trazado de V & I y la suma del producto VI como los frenos del motor. Un osciloscopio cuidadosamente manejado dará una idea justa y el uso de dos medidores y mucho cuidado puede ser suficiente.
Algunos aerogeneradores PEQUEÑOS utilizan el cortocircuito del rotor como freno de sobrevelocidad cuando la velocidad del viento es demasiado rápida para el rotor. Cuando el motor no está saturado, la potencia de salida aumenta aproximadamente como V x I o el cuadrado de la velocidad del viento (o del rotor). Cuando la máquina se satura magnéticamente y se convierte en una fuente de corriente casi constante, la potencia aumenta aproximadamente de forma lineal con la velocidad del rotor o del viento. PERO como la energía del viento es proporcional a la velocidad del rotor al cubo, es evidente que habrá una velocidad máxima del rotor más allá de la cual la energía de entrada supera el esfuerzo máximo de frenado disponible. Si va a depender del cortocircuito del rotor para el control de la sobrevelocidad, entonces realmente querrá comenzar el frenado por cortocircuito del rotor muy por debajo de la velocidad de cruce de entrada/salida. Si no se hace esto, una ráfaga repentina puede empujar la velocidad del rotor por encima del límite crítico y entonces se escapará alegremente. Los aerogeneradores desbocados en vientos de alta velocidad pueden ser divertidos de ver si no los tienes y estás en un lugar muy seguro. Si ambas cosas no son aplicables, utiliza mucho margen de seguridad.
El perfil de frenado probable puede determinarse de forma semiempírica como sigue.
Esta es la parte difícil :-). Calcular la energía almacenada en el rotor y en la carga. Esto va más allá del alcance de esta respuesta, pero es algo habitual en los libros de texto. Los factores incluyen las masas y el momento de inercia de las piezas giratorias. La energía almacenada resultante tendrá términos en RPM^2 (probablemente) y algunos otros factores.
hacer girar el rotor en cortocircuito a varias velocidades y determinar las pérdidas a determinadas RPM. Esto podría hacerse con un dinamómetro, pero algunas mediciones de la corriente y las características del circuito deberían ser suficientes. Tenga en cuenta que el rotor se calentará al frenar. Esto puede o no ser significativo. Además, un motor que ha funcionado durante algún tiempo puede tener los devanados del rotor calientes antes del frenado. Hay que tener en cuenta estas posibilidades.
Haz una solución analítica basada en lo anterior (más fácil) o escribe un programa interativo para determinar la curva de velocidad/pérdida de potencia. Algo como una hoja de cálculo de Excel lo hará fácilmente. El tiempo puede ser alterado para observar los resultados.
Para la máxima seguridad del juego, el motor se puede conectar a una resistencia de 1 ohmio (digamos) y hacerla girar utilizando un accionamiento externo - por ejemplo, una prensa de taladro, un taladro manual de batería (control de velocidad crudo), etc. El voltaje a través de la resistencia de carga da la corriente.
Un motor de escobillas típico puede modelarse razonablemente como un motor ideal en serie con una resistencia y un inductor. Un motor ideal aparecerá eléctricamente como una fuente de voltaje/abrazadera de resistencia cero (capaz de suministrar o decaer la energía) cuya polaridad y voltaje es un múltiplo constante de la velocidad de rotación. Producirá la conversión de par a corriente y viceversa, siendo el par un múltiplo constante de la corriente. Para averiguar el comportamiento de frenado, simplemente utilice el modelo con una resistencia igual a la resistencia de CC del motor cuando está parado; la inductancia probablemente puede ser ignorada, excepto cuando uno está tratando de conectar y desconectar rápidamente la corriente del motor (por ejemplo, con un accionamiento PWM).
El cortocircuito de los cables de un motor hará que fluya una corriente igual a la relación entre la tensión en circuito abierto (a su velocidad actual) y la resistencia. Esto causará un par de frenado aproximadamente igual en magnitud al par que resultaría si esa tensión se aplicara externamente al motor mientras está parado; también disipará la misma cantidad de energía en los devanados del motor que ese escenario de parada.
Su motor funcionará como un generador, lo que se denomina "frenado eléctrico". El circuito estará formado por la bobina del motor y lo que le conectes. La corriente dependerá de la resistencia de ese circuito.
Como la bobina y los otros componentes están conectados secuencialmente, la corriente será igual en todas las partes del circuito. Si cortocircuita el motor, la resistencia dependerá únicamente de la resistencia de la bobina. Esto puede llevar a una corriente bastante alta que, dependiendo del diseño exacto del motor y de su velocidad en el momento en que se empieza a frenar, puede calentar el motor, lo que puede llevar a que la bobina se queme o se funda. Piensa en los trenes, que tienen que utilizar enormes resistencias para el frenado eléctrico y que se calientan considerablemente.
Si cortocircuita los terminales, la energía cinética se disipará en las piezas del motor.
Por cierto, el típico interruptor regenerativo electrónico incluye algunas piezas como una resistencia de 68 ohmios, un transistor de potencia y algunos divisores de tensión y zener.
Piensa en lo que ocurre si aplicas toda la tensión del motor cuando éste está en reposo. La tensión completa aparecerá a través de la resistencia del inducido, que disipará la máxima potencia. A medida que el par del motor acelera la carga mecánica, la velocidad del motor, y por tanto la contrafase, aumenta y la corriente, y por tanto la potencia en el inducido, disminuye. Finalmente, la contrafase es casi igual a la tensión de entrada y la potencia disipada por el inducido alcanza un nivel de reposo.
Ahora considere la posibilidad de eliminar la tensión de entrada y cortocircuitar el inducido. Ahora aparece toda la contrafase a través del inducido, que se disipa casi tanto como al arrancar. Finalmente, el par del motor frena la carga mecánica y finalmente el motor se para.
Así, la disipación de potencia del inducido sigue aproximadamente la misma curva en función del tiempo al arrancar o parar. Por lo tanto, si su motor puede sobrevivir a la aplicación de toda la tensión del motor desde el reposo, puede sobrevivir a un cortocircuito del inducido a toda velocidad.
Como dice sharptooth, en los trenes se pueden utilizar resistencias de frenado para descargar la potencia de la carga, pero no se aplica toda la tensión del motor desde el reposo. No soy un experto en el diseño de trenes de última generación, pero en los antiguos trenes de metro de Londres, las resistencias de lastre estaban conectadas en serie con la armadura y se desconectaban progresivamente a medida que el tren ganaba velocidad.
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