Saya tahu bahwa banyak mobil listrik dapat mengubah momentum mobil menjadi energi yang tersimpan dalam baterai, daripada mengubahnya menjadi panas yang tidak berguna di bantalan rem. Bagaimana cara kerjanya? Bagaimana saya bisa menerapkannya sendiri?

Mungkin Anda sudah memilikinya, dan tidak tahu. Jika Anda mengendarai motor dengan setengah jembatan atau H-jembatan dan PWM atau serupa, Anda memiliki pengereman regeneratif. Mari kita pertimbangkan setengah jembatan, karena untuk analisis ini kita akan menjalankan motor hanya dalam satu arah:

Pertama, mari kita pertimbangkan pengereman non-regeneratif. Jika output jembatan tinggi (S1 ditutup, S2 terbuka), motor akan berakselerasi ke kecepatan penuh. Jika jembatan sekarang dialihkan rendah, motor tidak akan berhenti dengan lembut. Ini akan membanting berhenti, seolah-olah seseorang tetapi rem di atasnya. Mengapa?

Motor dapat dimodelkan sebagai induktor seri dan sumber tegangan. Torsi motor sebanding dengan arus. Sumber tegangan disebut back-EMF , dan proporsional dengan kecepatan motor. Inilah sebabnya mengapa motor menarik lebih banyak arus saat dimuat (atau terburuk, terhenti): dengan kecepatan menurun, back-EMF berkurang, dan menentang tegangan suplai lebih sedikit, menghasilkan arus yang lebih tinggi. Mari kita menggambar ulang skema kita dengan model itu, dengan nilai seolah-olah motor kita berputar dengan kecepatan tinggi:

Motor ini berjalan dengan kecepatan penuh. Kami memiliki arus kecil untuk mengatasi gesekan pada motor, dan back-EMF adalah tegangan suplai, lebih sedikit penurunan tegangan pada R1. Tidak banyak arus yang mengalir karena back-EMF membatalkan sebagian besar tegangan suplai, sehingga L1 dan R1 hanya melihat 100mV. Sekarang apa yang terjadi ketika kita mengalihkan jembatan ke sisi rendah?

Awalnya, tidak ada. L1 mencegah perubahan langsung saat ini. Namun, ini tidak berlangsung lama, dan segera (didefinisikan oleh konstanta waktu , tidak lebih dari beberapa biasanya) back-emf (V1) telah membalikkan arus, dan sekarang sedang di yang lain arah. Ini juga cukup besar, karena sekarang L1 dan R1 tidak melihat perbedaan kecil (itu ), tetapi sekarang mereka melihat 9,9V penuh dari V1 saja:$L_1 / R_1$$ms$$V_{B1}-V_1$$100mV$

Kami sekarang memiliki arus besar yang mengalir ke arah yang berlawanan . Torsi sebanding dengan arus, jadi sekarang alih-alih menerapkan gaya searah jarum jam yang lembut, cukup untuk mengatasi gesekan, kami menerapkan gaya berlawanan keras, dan beban mekanis melambat dengan cepat. Ketika kecepatan motor berkurang, begitu pula V1, dan akibatnya demikian pula arus, dan torsi bersamanya, hingga beban tidak lagi berputar.

Kemana perginya energi itu? Energi kinetik dari beban mekanik adalah energi. Itu tidak bisa hilang begitu saja, bukan?

Kanan. Jika Anda melihat sirkuit lagi, kami memiliki 9.9A mengalir melalui R1. . Energi kinetik dari beban diubah menjadi panas pada hambatan belitan motor (dan dalam rangkaian praktis, juga transistor H-bridge). Beberapa motor akan dihancurkan oleh kekuatan tinggi ini. Yang lain mungkin tidak. Arus yang dihasilkan oleh back-EMF sekitar sekuat arus kios motor, jadi jika motor Anda dapat berjalan terhenti tanpa terlalu panas, ia dapat mengerem seperti ini sepanjang hari.$P_{R1} = (9.9A)^2 1\Omega = 98.01W$

Jadi bagaimana cara menyimpan energi, alih-alih mengubahnya menjadi panas?

Mari kita lihat apa yang terjadi sedikit setelah kita mulai mengerem, tetapi sebelum kita berhenti:

Motor telah melambat secara signifikan (back-emf adalah 1V), dan arus telah berkurang dengannya. Sekarang bagaimana jika kita mengalihkan jembatan ke sisi yang tinggi?

Ah ha! Kami sedang mengisi baterai! Tentu saja, jika kita tetap seperti ini sangat lama (sekali lagi, ditentukan oleh konstanta waktu ) maka arah saat ini akan terbalik, dan kita akan melepas baterai kita, dan mempercepat motor kita, bukan mengeremnya.$L_1 / R_1$

Jadi jangan lakukan itu . Selama kita tetap dalam kondisi ini, arus berkurang. Jadi, kita beralih kembali ke keadaan lain, dengan jembatan rendah, sehingga back-emf dapat membangun kembali saat ini. Kemudian kami beralih lagi, dan menembakkannya ke dalam baterai. Ulangi, cepat.

Jika ini terdengar seperti apa yang biasanya dilakukan untuk kontrol motor PWM, itu karena itu. Inilah sebabnya mengapa mungkin Anda sudah memilikinya, dan tidak mengetahuinya.

Setelah Anda memahami prinsip operasi, Anda dapat membuat beberapa penyederhanaan. Ketika motor digerakkan oleh PWM, induktansi motor (L1) bekerja seperti roda gila, rata-rata tegangan yang Anda terapkan ke motor. Seolah-olah Anda memiliki roda gila nyata, dan memutarnya dengan memukulnya dengan palu berulang kali. Jadi dalam contoh ini tegangan suplai kami adalah 10V. Jika siklus tugas PWM kami adalah 80%, kami secara efektif mengendarai motor dengan 8V ( ).$80\% \cdot 10V = 8V$

Kapan pun back-EMF lebih besar dari tegangan ini, Anda mendapatkan pengereman regeneratif. Ini akan terjadi setiap kali siklus kerja PWM berkurang lebih cepat dari kekuatan eksternal (misalnya, gesekan) akan memperlambat motor. Tahanan apa pun di sirkuit mengurangi energi yang dapat Anda pulihkan dari beban mekanis. Dalam kasus paling ekstrem di mana siklus tugas PWM berkurang menjadi 0% dan terminal motor dipersingkat menjadi satu, arus sangat tinggi sehingga kerugian mencapai 100%. ( )$P = I^2 R$

Anda juga dapat membuka semua transistor di jembatan, dan arus induktor akan mati melalui dioda di jembatan. Kemudian bagian belakang-EMF atau baterai tidak akan memiliki jalur untuk menggerakkan arus, dan motor akan freewheel. Kecuali tentu saja, beberapa kekuatan eksternal mempercepat motor untuk mendorong back-EMF lebih tinggi dari tegangan suplai. Kendaraan yang melaju menuruni bukit adalah contoh yang bagus.

Dalam semua kasus lainnya, Anda mengalami pengereman regeneratif.

konsekuensi praktis

Anda harus mempertimbangkan apa yang akan Anda lakukan dengan energi mekanik dari motor. Baterai dapat menyerap energi, tetapi ada batasan berapa banyak, dan seberapa cepat, yang bervariasi pada jenis baterai. Beberapa catu daya (pengatur tegangan linier, misalnya) tidak dapat menyerap energi sama sekali.

Jika Anda tidak menyediakan tempat untuk energi, baterai, atau beban lain di sirkuit, itu akan masuk ke kapasitor decoupling catu daya. Jika Anda memiliki cukup energi yang dikembalikan dari motor dan kapasitansi yang tidak cukup, tegangan rel catu daya akan meningkat hingga ada yang rusak.

Anda harus mendesain sirkuit Anda agar tidak terjadi. Dalam mobil listrik, ada pengontrol baterai yang kompleks yang akan menerapkan rem konvensional jika baterai tidak dapat lagi menyerap energi kinetik mobil. Anda juga dapat menyalakan resistor daya melintasi rel pasokan, atau merancang pengontrol motor Anda untuk mundur pada pengereman jika terlalu banyak.

Pertanyaan-pertanyaan Terkait

• Mengapa saya harus khawatir tentang motor yang menyebabkan tegangan suplai saya melonjak ketika EMF-belakang tidak bisa melebihi tegangan suplai?

• Bagaimana saya bisa mengukur kembali-EMF untuk menyimpulkan kecepatan motor DC?

• jawaban supercat untuk pertanyaan yang sebagian besar tidak terkait

pikiran retoris terkait pertanyaan retoris

Apa yang terjadi jika kita memiliki motor tanpa hambatan berliku, dan kita memiliki cara untuk mengendarainya tanpa menambahkan hambatan tambahan (transistor dan kabel yang ideal)? Ini lebih efisien, tentu saja. Tetapi bagaimana kecepatan motor bervariasi dengan tegangan yang diberikan dan beban mekanis? Petunjuk: jika Anda mencoba mengubah kecepatan motor dengan menambah atau mengurangi beban mekanik, apa yang dilakukan back-emf terhadap arus?