Co to jest prąd utyku i wolny prąd silników?

Jakie są utknięcie i wolne prądy silnika elektrycznego? Na przykład ten silnik Vex wyświetla swoje utknięcie i wolne prądy na dole strony.

Myślę, że rozumiem ogólny pomysł, ale pomocny byłby szczegółowy opis.

Krótka odpowiedź

• Prąd utyku jest maksymalnym pobranym prądem ¹ , gdy silnik przykłada maksymalny moment obrotowy, albo dlatego, że uniemożliwia mu całkowite poruszanie się, albo dlatego, że nie może już przyspieszyć, biorąc pod uwagę obciążenie, pod którym się znajduje.

• Wolny prąd to prąd pobierany, gdy silnik obraca się swobodnie z maksymalną prędkością, bez obciążenia ² poza siłami tarcia i siły wstecznej w samym silniku.

^{1: W normalnych warunkach, tzn. Nie jest pytany silnik, przejdź od maksymalnej prędkości w jednym kierunku do maksymalnej prędkości w drugim .
2: Zakłada się, że silnik nie jest napędzany siłami zewnętrznymi .}

Długa odpowiedź

Stall Current

Ze strony Wikipedii na temat Stall Torque :

Moment obrotowy utyku to moment obrotowy wytwarzany przez urządzenie, gdy wyjściowa prędkość obrotowa wynosi zero. Może to również oznaczać obciążenie momentu obrotowego, które powoduje, że wyjściowa prędkość obrotowa urządzenia staje się zerowa - tj. Powoduje zablokowanie . Utykanie jest stanem, w którym silnik przestaje się obracać. Ten stan występuje, gdy moment obciążenia jest większy niż moment obrotowy wału silnika, tj. Warunek momentu przebicia. W tym stanie silnik pobiera maksymalny prąd, ale silnik się nie obraca. Prąd ten nazywa się prądem utknięcia.

...

Silniki elektryczne

Silniki elektryczne nadal zapewniają moment obrotowy, gdy utkną w miejscu. Jednak silniki elektryczne pozostawione w stanie utknięcia są podatne na przegrzanie i możliwe uszkodzenie, ponieważ przepływ prądu jest maksymalny w tych warunkach.

Maksymalny moment obrotowy, który silnik elektryczny może wytworzyć w długim okresie, gdy utknie bez powodowania uszkodzenia, nazywany jest maksymalnym ciągłym momentem przeciągnięcia .

Tak więc ze specyfikacji tego silnika

Stall Torque:  8.6 in-lbs
Stall Current: 2.6 A

widzimy, że jeśli silnik musi przyłożyć moment obrotowy większy niż 8,6 funta, silnik przestanie się poruszać (lub przyspieszy, jeśli działa przeciw tarciu) i pobierze maksymalny prąd 2,6 A.

Chociaż nie mówi, jaki to jest silnik, spodziewałbym się, że będzie to silnik elektryczny szczotkowanego prądu stałego, biorąc pod uwagę jego interfejs dwużyłowy.

Gdy nieobciążony silnik prądu stałego wiruje, wytwarza on siłę elektromotoryczną przepływającą wstecz, która jest odporna na prąd przykładany do silnika. Prąd przepływający przez silnik spada wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, a silnik o swobodnym wirowaniu ma bardzo mały prąd. Dopiero po przyłożeniu obciążenia do silnika, który spowalnia wirnik, zwiększa się prąd pobierany przez silnik.

Ze strony wikipedii Counter electromotive force :

W sterowaniu silnikiem i robotyce termin „Back-EMF” często odnosi się do wykorzystania napięcia generowanego przez obracający się silnik w celu ustalenia prędkości obrotowej silnika.

Pamiętaj jednak, jak wyjaśnia DrFriedParts , to tylko część historii. Maksymalny ciągły moment obrotowy stoisko mogą być znacznie niższe niż maksymalnego momentu obrotowego , a tym samym prąd. Na przykład, jeśli zmienisz pełny moment obrotowy w jednym kierunku na pełny moment obrotowy w drugim. W takim przypadku pobierany prąd może być dwukrotnością ciągłego prądu utyku. Rób to wystarczająco często, przekraczając cykl pracy silnika, a możesz spalić silnik.

Bezpłatny prąd

Ponownie, patrząc na specyfikację:

Free Speed:     100 rpm
Free Current:   0.18 A

Tak więc, pracując swobodnie, bez obciążenia, gwałtownie przyspieszy do 100 obr / min, gdzie pobierze zaledwie 180 mA, aby utrzymać tę prędkość, biorąc pod uwagę tarcie i emisje wsteczne.

Ponownie jednak, jak wyjaśnia DrFriedParts , jest to tylko część historii. Jeśli silnik jest napędzany siłą zewnętrzną (faktycznie obciążenie ujemne), a zatem silnik zamienia się w generator, pobierany prąd może zostać anulowany przez prąd wytwarzany przez siłę zewnętrzną.

Prąd utknięcia to ilość, którą silnik będzie ciągnął, gdy utknie, tzn . Utknie . Wolny prąd to ilość prądu, którą pobiera, gdy silnik nie ma obciążenia, tzn. Może się swobodnie obracać . Jak można się spodziewać, im większe obciążenie silnika, tym więcej prądu będzie pobierał, aby się poruszać; prąd utyku i prąd swobodny są odpowiednio maksimum i minimum.

Od samego początku silnik zacznie najpierw pobierać prąd w pobliżu utknięcia, a następnie spadnie do prądu wymaganego do utrzymania prędkości, przy której działa.

@Ian i @Mark oferują niesamowite (i poprawne) odpowiedzi. Dodam jeszcze jeden punkt za kompletność ...

Wydaje się, że wśród mniej doświadczonych projektantów istnieje tendencja do zakładania, że ​​prąd utyku i prąd swobodny są równe maksymalnym i minimalnym prądom, jakie może napotkać silnik.

Oni nie.

Są to skuteczne wartości nominalne . Możesz przekroczyć te limity w stosunkowo częstych okolicznościach, jeśli nie będziesz ostrożny.

Przekraczanie minimum

Jak zauważyli @Ian i @Mark. Silnik może zmienić się w generator (Google „hamowanie regeneracyjne”), gdy zewnętrzne źródło lub zdarzenie powoduje, że silnik porusza się szybciej niż przyłożony prąd / napięcie. Na przykład Ian zjeżdża ze wzgórza lub ktoś ręcznie kręci silnikiem.

Prąd w takich sytuacjach może być nie tylko mniejszy niż prąd swobodny, ale w rzeczywistości staje się ujemny (idź w przeciwnym kierunku - działa raczej jak źródło, a nie obciążenie).

Jeśli myślisz o tym z perspektywy pracy (energii), powiedz, że popychasz pudełko ubrań korytarzem. Nie wymaga to wiele wysiłku, ale jeśli twój kumpel zacznie naciskać z tobą, to jednak wysiłek, który poświęcisz, zostanie zmniejszony. To jest przypadek, gdy silnik spadnie nieznacznie.

Przekraczanie maksimum

Drugorzędną konsekwencją funkcji generowania silnika jest to, że po nabyciu pędu kontynuuje przekształcanie tej energii w siłę elektromotoryczną (napięcie), gdy moc przestanie być przyłożona.

Ciekawym przypadkiem jest cofanie wskazówek. Jeśli obrócisz silnik do przodu, a następnie natychmiast zmienisz kierunek, napięcie na cewce silnika jest chwilowo około dwa razy większe niż poprzednie napięcie zasilające, ponieważ elektromechanizm zwrotny silnika jest teraz szeregowo z zasilaniem. Wynika to, zgodnie z prawem Ohma, z prądem przewyższającym prąd utknięcia.

Praktyczne rozwiązanie

Z tych powodów praktyczne dwukierunkowe obwody sterowania silnikiem zawierają na rysunku diody „swobodnego obrotu” (D1-D4), aby zapewnić ścieżkę powrotną prądów związanych z emfem wstecznym, a tym samym zacisnąć napięcie w szynach zasilających + / - napięcie przedniej diody. Jeśli budujesz własne sterowanie silnikiem, powinieneś je również uwzględnić.

Wszystkie bardzo dobre odpowiedzi, ale jako nauczyciel fizyki martwię się o niektóre niepoprawne odpowiedniki, które mogą prowadzić tylko do zamieszania.

Jedną formę [energii] [1], np. [Chemiczną energię potencjalną] [2], można przekształcić w inne formy energii (np. [Elektryczna energia potencjalna] [3], [energia kinetyczna] [4], [energia dźwięku ] [5], [energia cieplna] [6]). W [układzie SI] [7], który jest zdecydowanie najłatwiejszy do zrozumienia i najbardziej spójny, energia jest skalarną wielkością fizyczną mierzoną w [dżulach] [8]. [Napięcie] [9] to nie to samo, co energia. Napięcie mierzone jest w [woltach] [10]. Jeden wolt jest zdefiniowany jako jeden dżul na [kulomb] [11]. Dlatego energii (mierzonej w dżulach) nigdy nie można zamienić na wolty (mierzone w dżulach na kulomb).

[Siły elektromotoryczne] [12] (EMF) w dowolnym układzie elektromechanicznym (którego przykładem jest silnik elektryczny) są mierzone w woltach. [Prądy elektryczne] [13] są mierzone w [amperach] [14]. [Ładunek elektryczny] [15] mierzy się w kulombach. Jeden kulomb to jedna ampera sekunda, tzn. Ładunek przepływający przez punkt prądu jednego ampera przez jedną sekundę.

Dla każdego układu elektromechanicznego należy wiedzieć [impedancja elektryczna] [16] części elektrycznej układu i [bezwładność] [17] lub [moment bezwładności] [18] części mechanicznej układu . Trzeba także znać zewnętrzny [moment] netto [19] napędzający cały system w dowolnym momencie. (Gdy nie ma momentu sam w sobie (ponieważ nie ma [momentu] [20]), wówczas trzeba znać tylko zewnętrzną [siłę] netto [21] działającą przez [środek masy] [22]).

W dowolnym momencie impedancja elektryczna, Z, dowolnego układu elektrycznego jest pierwiastkiem kwadratowym kwadratu [reaktancji elektrycznej] układu [23], X, plus kwadrat [oporu elektrycznego] układu [24], R. Reaktancja elektryczna układu jest różnicą między [reaktancją indukcyjną] [25], X (L) i [reaktancją pojemnościową] [26], X (C), gdzie X = X (L) - X (C)

(Uwaga: początkowo próbowałem Wikilink każdego z dwudziestu sześciu kluczowych pojęć w mojej odpowiedzi, ale system poinformował mnie, że nie mogę dołączyć więcej niż dwóch linków, dopóki nie zdobędę co najmniej dziesięciu punktów.)