¿Cómo puedo implementar el frenado regenerativo de un motor de CC?

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Sé que muchos automóviles eléctricos pueden convertir el impulso del automóvil en energía almacenada en baterías, en lugar de convertirlo en calor inútil en las pastillas de freno. ¿Como funciona esto? ¿Cómo puedo implementarlo yo mismo?

Phil Frost
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Respuestas:

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Probablemente ya lo tienes, y simplemente no lo sabías. Si conduce un motor con medio puente o puente H y PWM o similar, tiene frenado regenerativo. Consideremos un medio puente, ya que para este análisis correremos el motor en una sola dirección:

medio puente simple

Primero, consideremos el frenado no regenerativo. Si la salida del puente es alta (S1 cerrado, S2 abierto), el motor acelerará a toda velocidad. Si el puente ahora está bajo, el motor no se detendrá suavemente. Se detendrá de golpe , como si alguien más frenase. ¿Por qué?

Un motor puede ser modelado como un inductor en serie y una fuente de voltaje. El par motor es proporcional a la corriente. La fuente de voltaje se llama back-EMF , y es proporcional a la velocidad del motor. Esta es la razón por la cual un motor consume más corriente cuando está cargado (o peor, parado): con la velocidad disminuida, el EMF de retorno disminuye y se opone menos al voltaje de suministro, lo que resulta en una corriente más alta. Redibujemos nuestro esquema con ese modelo, con valores como si nuestro motor girara a alta velocidad:

motor funcionando hacia adelante

Este motor funciona a toda velocidad. Tenemos una pequeña corriente para superar la fricción en el motor, y el EMF de retorno es el voltaje de suministro, menos la caída de voltaje sobre R1. No fluye mucha corriente porque el EMF de retorno cancela la mayor parte del voltaje de suministro, por lo que L1 y R1 solo ven 100mV. ¿Qué sucede cuando cambiamos el puente al lado bajo?

acaba de cambiar el puente

L1/R1msVB1V1100mV

corriente de frenado

Ahora tenemos una gran corriente que fluye en la dirección opuesta . 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 como para superar la fricción, estamos aplicando una fuerza fuerte en el sentido contrario a las agujas del reloj, y la carga mecánica se desacelera rápidamente. A medida que disminuye la velocidad del motor, también lo hace V1, y en consecuencia también lo hace la corriente y el par con él, hasta que la carga ya no gira.

¿A dónde se fue la energía? La energía cinética de la carga mecánica es energía. No puede simplemente desaparecer, ¿verdad?

PR1=(9.9A)21Ω=98.01W

Entonces, ¿cómo almaceno la energía, en lugar de convertirla en calor?

Echemos un vistazo a lo que sucede un poco después de haber comenzado a frenar, pero antes de haber parado:

frenado a mitad de camino

El motor se ha desacelerado significativamente (la fem posterior es de 1V) y la corriente ha disminuido con él. ¿Y si cambiamos el puente al lado alto?

Bateria cargando

L1/R1

Entonces no hagas eso . Mientras permanezcamos en este estado, la corriente está disminuyendo. Entonces, volvemos al otro estado, con el puente bajo, para que el back-emf pueda construir la copia de seguridad actual. Luego cambiamos de nuevo y disparamos un poco a la batería. Repita, rápido.

Si esto suena como lo que normalmente se hace para el control del motor PWM, es porque lo es. Es por eso que probablemente ya lo tienes, y simplemente no lo sabías.

80%10V=8V

modelo simplificado

P=I2R

También puede abrir todos los transistores en el puente, y la corriente del inductor se extinguirá a través de los diodos en el puente. Entonces, ni el EMF ni la batería tendrán una ruta para conducir una corriente, y el motor girará libremente. A menos que, por supuesto, alguna fuerza externa acelere el motor lo suficiente como para empujar el EMF posterior más alto que el voltaje de suministro. Un vehículo rodando cuesta abajo es un buen ejemplo.

En todos los demás casos, obtienes frenado regenerativo.

consecuencia práctica

Usted debe considerar lo que va a hacer con la energía mecánica del motor. Las baterías pueden absorber energía, pero hay un límite de cuánto y qué tan rápido varía según el tipo de batería. Algunas fuentes de alimentación (reguladores de voltaje lineal, por ejemplo) no pueden absorber energía en absoluto.

Si no proporciona un lugar para que vaya la energía, ya sea una batería o alguna otra carga en el circuito, irá a los condensadores de desacoplamiento de la fuente de alimentación. Si tiene suficiente energía devuelta por el motor y no tiene suficiente capacitancia, el voltaje del riel de la fuente de alimentación aumentará hasta que algo se rompa.

Debe diseñar su circuito para que no pueda suceder. En un automóvil eléctrico, existen controladores de batería complejos que aplicarán los frenos convencionales si las baterías no pueden absorber más la energía cinética del automóvil. También puede encender una resistencia de potencia a través de los rieles de suministro, o diseñar su controlador de motor para que retroceda en el frenado si llega a ser demasiado.

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¿Qué sucede si tenemos un motor sin resistencia de bobinado y tenemos una forma de conducirlo sin agregar resistencia adicional (transistores y cables ideales)? Es más eficiente, obviamente. Pero, ¿cómo varía la velocidad del motor con el voltaje aplicado y la carga mecánica? Sugerencia: si intenta cambiar la velocidad del motor aumentando o disminuyendo la carga mecánica, ¿qué le hace el back-emf a la corriente?

Phil Frost
fuente
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Los supercondensadores generalmente pueden aceptar la entrada de energía a niveles muchas veces más altos que la mayoría de las baterías. Por lo general, tienen un bajo contenido de energía máxima y, por lo tanto, son útiles solo como "amortiguador" en este contexto. NREL USA ha estado desarrollando nuevas formas de la antigua NiFe o "batería Edison". Han logrado algo así como tiempos de carga de 1 minuto. La densidad de energía es baja en comparación con casi cualquier otra química moderna de la batería, pero como una celda de amortiguación puede tener un lugar.
Russell McMahon
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El sumidero de energía tampoco necesita almacenar la energía. Las locomotoras eléctricas diesel modernas tienen resistencias de potencia con aletas muy grandes en el techo del motor para ayudar a disipar la energía regenerada. Si bien no hay ahorro de combustible, ya que simplemente se descarga al calor, reducen el desgaste de los frenos de fricción al usar los motores de tracción para disipar parte de la energía cinética al reducir la velocidad.
HikeOnPast
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@JohnU gschem
Phil Frost
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@ N.Srinivasan Funciona porque es un convertidor de impulso . Los 9 voltios adicionales necesarios para obtener una fuente de 1V para impulsar la corriente a través de una batería de 10V provienen del inductor.
Phil Frost
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Muy buen artículo, Phil! Su publicación me inspiró a hacer un video corto que demuestra estos principios: youtu.be/QW3PmRp7EK8
ConvexMartian