Motor: Energie beim Bremsem puffern

[TimBS]

Hallo zusammen,
ich habe eine Frage bezüglich der Pufferung der überschüssigen Energie beim Bremsen bzw. Richtungswechsel eines DC Motors. Mein Problem besteht darin, dass das Netzteil (stabilisiert, 0-60V, max 3.3A) bei Richtungsswechseln bzw. abrupten Bremsungen des Motors abschaltet. Der Motor (Maxon RE40) ist über einen Servoamplifier mit dem Netzteil verbunden. Der Servoamplifier befindet sich im Current Control Mode, das heißt der Strom sollte eigentlich als Führungsgröße konstant gehalten werden. Folglich ist das Einzige, was das Netzteil überlasten könnte eine Überspannung, da der Motor als Generator wirkt.
Wie kann ich diese Überspannung abfangen um das Netzteil nicht zu beschädigen? Als erstes kam mir dabei ein parallelgeschalteter Kondensator in den Sinn. Falls dieser Ansatz richtig ist, wie nach welchen Kriterien muss ich ihn auslegen?
Könnte ein Festspannungsregler wie der LM150 eine Möglichkeit sein? Begrenzt dieser die Spannung nur am Ausgang oder würde eine Überspannung am Ausgang and den Eingang vom LM150 und somit an den Ausgang vom Netzteil weitergeleitet werden?

Datasheets:
Motor: Maxon RE40 148877 http://test.maxonmotor.com/docsx/Download/catalog_2005/Pdf/05_083_e.pdf

Servoamplifier: 4-Q-DC http://test.maxonmotor.com/docsx/Download/catalog_2005/Pdf/05_259_e.pdf

Netzteil: BK Precision 1698 http://www.bkprecision.com/download/documentation/100-1697.pdf

beste Grüße und vielen Dank
Tim

[Neutro]

Hallo TimBS.

Das von dir beschriebene Problem wird wohl die von die schon vermutete Überspannung sein. Ich habe beruflich mit Frequenzumrichtern zu tun, diese Teile haben eine sog. bremchopper eingebaut die die überschüssige Spannung getaktet mit einem Lastwiderstand absenken.
In der Praxis sieht das dann folgendermaßen aus:
Die Spannung muss permanent gemessen werden, am besten per µC. Dieser steuert dann beim überschreiten eines gewissen Spannungspegels einen IGBT oder Leistungs FET an. Allerdings muss der IGBT mit einem Taktimpuls gesteuert werden dessen Impulslänge je nach Spannungshöhe variiert (PWM). Als Lastwiderstand am Emitter des IGBT muss ein ausreichend Leistungsfähiger Widerstand gewählt werden, über den die überschüssige Spannung abgebaut wird.

Gruß

Neutro

[TimBS]

Hallo Neutro,
vielen Dank für die schnelle Antwort. Der von dir vorgeschlagene Lösungsweg klingt sehr elegant und ist vermutlich eine sehr gute Lösung. Problematisch ist, dass ich den beschriebenen Versuchsaufbau im Rahmen eines Studienprojekts nutze. Der Aufbau der Motorversorgung gehört dabei eigentlich eher weniger zu meinen Aufgaben. Hinzu kommt dass ich zur Zeit an einer Uni in Kanada zum Austausch bin und es nurnoch gut einen Monat bis zur Rückreise ist.
Was ich sagen will, gibt es eine vielleicht nicht so elegante Lösung die jedoch schnell umzusetzen ist, damit ich mich erstmal meiner Hauptaufgabe widmen kann und falls doch noch Zeit über ist, die von dir vorgeschlagene Lösung umsetzen würde.

Beste Grüße,
Tim

[ranke]

Der Servoamplifier befindet sich im Current Control Mode, das heißt der Strom sollte eigentlich als Führungsgröße konstant gehalten werden. Folglich ist das Einzige, was das Netzteil überlasten könnte eine Überspannung, da der Motor als Generator wirkt.


Die Generatorspannung eines DC-Motors ist proportional zur Drehzahl und daher leicht zu bestimmen. Sie ist immer niedriger als die Klemmenspannung des Motors (wenn der Leistungsfluß von elektrisch nach mechanisch geht, also im Motorbetrieb). Deshalb kann sie bei schnellen Änderungen der Führungsgröße auch nicht die Klemmenspannung des Netzteils überschreiten.

Ich vermute eher, daß das Netzteil wegen zu hohem Strom abschaltet. Trotz Regelung auf konstanten Strom gibt es naturgemäß Einschwingvorgänge des Reglers, wenn die Führungsgröße schnell geändert wird. Bei Reglern mit D- und/oder I-Anteil ist das sogar so gewollt. Ich vermute, es sind diese Stromschwankungen, die das Netzteil nicht mag.

Das Netzteil ist deutlich zu schwach dimensioniert für den Antrieb (ich weiss allerdings nicht, wie Du den Regler eingestellt hast). Vielleicht steht ein stärkeres zur Verfügung? In der Dokumentation des Netzteils sollte eigentlich auch stehen, unter welchen Bedingungen es abschaltet.

Die Energie in einem Kondensator zu puffern wäre an sich eine gute Idee. Gefühlsmäßig wird das aber ein ziemlich großer Kondensator (also wahrscheinlich doch keine gute Idee).

[Edblum]

Bremsenergie zurückspeisen ist seit der Energiekrise ein beliebtes Thema. Aber wann nützt so etwas? Dafür muss mann beim Grossvorbild, die Bahn sein.

Nur bei lange Strecken wie zB in die Alpen nützt es Bremsenergie zurück zu speisen. Eine Zurückspeisung von einigen Minuten nützt kaum. Weil die Energieströme zu hoch sind um von Batterien bewältigt zu werden. Dafür muss es Kapazität geben. Batterie voll? Kaum Kapazität!

Vorbild:

Eine Elektromotor von zB 100 Watt speist während eine Minute sein maximale Leistung in die Batterie. Nicht mehr als 100 WattStd / 60 macht 1.67 WattStd! Wer bremst schon eine Minute? Es ist meistens kurzer!

Wie gesagt, nur bei lange Bahnstrecken, wobei ein Zug manchmal während eine halbe Stunde bremsen muss nützt es Bremsenergie zurück zu speisen. Aber nur dann wenn es ein steigender Zug gibt. Und dann noch müssen die Wagen zusätzlich bremsen.

Mehr Info:

http://www.seak.ch/Ftxt_Bremsenergie_1.htm

LG,

Ed

[Yossarian]

Hallo
Ein dicker Elko nimmt die "überschüssige" Energie auf. Wie groß er sein muß, hängt von den kinetischen Energien ab, die den Motor zum Generator machen.
Wenn die Bauteile die erzeugte Überspannung vertragen, reicht es unter Umständen, eine Schottky Diode zu verwenden, um die Überspannung nicht ins Netzteil gelangen zu lassen.
Ansonsten wäre da noch der Bremschopper zu empfehlen.

Mit freundlichen Grüßen
Benno

[TimBS]

Hallo zusammen, vielen dank für eure zahlreichen Antworten. Ich habe nochmal den Maxon Service befragt und eine ähnliche Antwort wie von euch bekommen. Entweder Chopper Widerstand oder ein dicker Kondensator.
Maxon bietet sogar schon einen fertigen Chopper Widerstand an, einziges Problem ist wohl, dass der nichtmehr früh genug hier in Kanada ankommen wird. Hier der Link: https://shop.maxonmotor.de/ishop/article/article/235811.xml
Wie sieht es mit dem Kondensator aus, ich habe bei DigiKey.ca die angehängten Kondensatoren gefunden die speziell für den Motorbetrieb gedacht sind. Wie ihr schon sagt wären die wirklich relativ groß, aber das wäre erstmal egal. Würde es jeder von denen tun? Ich gehe davon aus, dass die effektive kinetische Energie die am Motor hängt nicht alzu groß ist da er später über 2 Ritzel mit einer Spindel verbunden ist die ja mehr oder weniger selbsthemmend ist.

beste Grüße und vielen Dank,
Tim

[Neutro]

Zu der Kondensatorlösung kann ich leider keine Angaben machen, da fehlen mir die Erfahrungswerte. Aber vielleicht können Besserwessi oder Picture dir da weiterhelfen, die haben eigentlich immer eine gute Idee parat. Evt. solltest du es mal im Elektronik oder Bauteil Unterforum mit einem Neuen Topic versuchen.

Viele Grüße nach Canada

Neutro