Ein Nachteil von Gleichstrommotoren ist der hohe Anlauf- oder Einschaltstrom. Beim Betrieb erzeugt ein Gleichstrommotor eine interne Gegen-EMK (elektromagnetische Kraft), die den gesamten Antriebsstrom reduziert. Diese Gegen-EMK ergibt sich aus dem Faraday'schen Induktionsgesetz und ist der Motorkonstruktion inhärent, die einem Generator sehr ähnlich ist. Die erzeugte Gegen-EMK ist der Antriebs-EMK entgegengesetzt, und die Differenz stellt die nützliche Arbeit dar, die vom Motor verrichtet werden kann.
Medizinische Stromversorgung für DC-Motorantriebe
23.08.2024
In vielen medizinischen Anwendungen werden leistungsstarke DC-Motoren benötigt. Zum Heben, Drehen oder Kippen von Krankenbetten und Operationstischen, zum Manövrieren von Präzisions-Chirurgie Robotern oder zur Steuerung des Luftdrucks in Beatmungsgeräten. Gleichstrommotoren haben den Vorteil eines sehr hohen Leistungsgewichts und Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen sowie einer hohen Zuverlässigkeit, sodass sie sich ideal für den Einbau in Roboterarme oder Bettmechanismen eignen und - mit einem geeigneten Getriebe - auch zum sehr genauen Pumpen von Flüssigkeiten in Dialyse- und Transfusionsgeräten eingesetzt werden können.
Im Stillstand bietet ein stehender Rotor jedoch keine Generatorfunktion und der Motorantriebsstrom wird nur durch den Gleichstromwiderstand der Wicklungen begrenzt. Der Einschaltstrom kann leicht das Dreifache des Betriebsstroms betragen, wenn auch nur für eine sehr kurze Zeit, bis der Motor hochdreht (Abbildung 1).
Eine Möglichkeit zur Verringerung des Spitzenstroms beim Einschalten des Motors besteht darin, einen PTC-Widerstand (positiver Temperaturkoeffizient) in Reihe mit dem Motor zu schalten. PTCs sind Bauelemente, die in kaltem Zustand einen höheren Widerstand haben als in heißem Zustand, sodass sie den hohen Einschaltstrom zunächst drosseln, bis sie sich erwärmen und dann den Nennstrom mit minimaler Impedanz durchlassen.
Für das folgende Beispiel wird folgender Motor verwendet 24 VDC, 125W mit einem dreimal höheren Einschaltstrom für 200ms und versuchen, den Spitzenstrom um 50% zu reduzieren (grüne Kurve in Abb. 1).
Eine Möglichkeit zur Verringerung des Spitzenstroms beim Einschalten des Motors besteht darin, einen PTC-Widerstand (positiver Temperaturkoeffizient) in Reihe mit dem Motor zu schalten. PTCs sind Bauelemente, die in kaltem Zustand einen höheren Widerstand haben als in heißem Zustand, sodass sie den hohen Einschaltstrom zunächst drosseln, bis sie sich erwärmen und dann den Nennstrom mit minimaler Impedanz durchlassen.
Für das folgende Beispiel wird folgender Motor verwendet 24 VDC, 125W mit einem dreimal höheren Einschaltstrom für 200ms und versuchen, den Spitzenstrom um 50% zu reduzieren (grüne Kurve in Abb. 1).
Die notwendige Spezifikation für den PTC ergibt sich aus den folgenden Beziehungen:
Schritt 1: Ermittlung von Nennstrom und Einschaltstrom.
Schritt 2: Berechnen Sie den Energiewert des PTCs:
Schritt 3: Berechnen Sie den Widerstand des PTC, der erforderlich ist, um den Einschaltspitzenstrom um 50% zu reduzieren:
Ein geeigneter Einschaltstrombegrenzer wäre ein 3-Ohm-NTC mit einer Nennleistung von mindestens 100 J und einem Dauerstrom von 6A oder mehr. Auch wenn der Einschaltspitzenstrom auf nur 50% des Einschaltspitzenstroms begrenzt ist, muss die Stromversorgung diesen kurzzeitigen Einschaltstrom liefern können.
Anstelle eines 125-W-Netzteils, das für die gleichmäßige Leistungsaufnahme benötigt wird, wäre also ein 200-W-Netzteil erforderlich, um den hohen Einschaltstrom zu liefern. Die Verwendung eines PTC mit höherem Widerstand zur weiteren Verringerung des Einschaltstroms ist keine gute Variante, da der erhöhte Serienwiderstand die Leistung des Motors beeinträchtigt und die Gefahr besteht, dass er unter hohen Lastbedingungen abgestellt wird. Eine bessere Alternative zur Überdimensionierung des Netzteils, nur um den Einschaltstrom zu bewältigen, wäre die Wahl eines Netzteils, das den vorübergehend hohen Einschaltstrom liefern kann und dennoch bei Lastfehlern kurzschlussfest ist.
Die neue RACM140E-Serie von RECOM ist ein solches Netzteil. Diese Serie kann 140W Dauerleistung und 210W Boost-Leistung für bis zu 10 Sekunden liefern, was leicht ausreicht, um die Anlaufspitzen und jeden kurzzeitigen Motorstillstandstrom zu bewältigen. Darüber hinaus verfügt es über einen umfassenden Schutz gegen Kurzschluss und Überstrom am Dauerausgang. Ein weiteres mögliches Problem mit der von Gleichstrommotoren erzeugten Gegen-EMK besteht darin, dass die kinetische Energie des Motors und des Getriebes den Motor unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. einer plötzlichen Abschaltung der Last oder einer starken Abbremsung, in einen Generator verwandelt und die Gegen-EMK die Antriebs-EMK übersteigt und die Spannung am Motor ansteigt.
Schritt 1: Ermittlung von Nennstrom und Einschaltstrom.
Schritt 2: Berechnen Sie den Energiewert des PTCs:
Schritt 3: Berechnen Sie den Widerstand des PTC, der erforderlich ist, um den Einschaltspitzenstrom um 50% zu reduzieren:
Ein geeigneter Einschaltstrombegrenzer wäre ein 3-Ohm-NTC mit einer Nennleistung von mindestens 100 J und einem Dauerstrom von 6A oder mehr. Auch wenn der Einschaltspitzenstrom auf nur 50% des Einschaltspitzenstroms begrenzt ist, muss die Stromversorgung diesen kurzzeitigen Einschaltstrom liefern können.
Anstelle eines 125-W-Netzteils, das für die gleichmäßige Leistungsaufnahme benötigt wird, wäre also ein 200-W-Netzteil erforderlich, um den hohen Einschaltstrom zu liefern. Die Verwendung eines PTC mit höherem Widerstand zur weiteren Verringerung des Einschaltstroms ist keine gute Variante, da der erhöhte Serienwiderstand die Leistung des Motors beeinträchtigt und die Gefahr besteht, dass er unter hohen Lastbedingungen abgestellt wird. Eine bessere Alternative zur Überdimensionierung des Netzteils, nur um den Einschaltstrom zu bewältigen, wäre die Wahl eines Netzteils, das den vorübergehend hohen Einschaltstrom liefern kann und dennoch bei Lastfehlern kurzschlussfest ist.
Die neue RACM140E-Serie von RECOM ist ein solches Netzteil. Diese Serie kann 140W Dauerleistung und 210W Boost-Leistung für bis zu 10 Sekunden liefern, was leicht ausreicht, um die Anlaufspitzen und jeden kurzzeitigen Motorstillstandstrom zu bewältigen. Darüber hinaus verfügt es über einen umfassenden Schutz gegen Kurzschluss und Überstrom am Dauerausgang. Ein weiteres mögliches Problem mit der von Gleichstrommotoren erzeugten Gegen-EMK besteht darin, dass die kinetische Energie des Motors und des Getriebes den Motor unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. einer plötzlichen Abschaltung der Last oder einer starken Abbremsung, in einen Generator verwandelt und die Gegen-EMK die Antriebs-EMK übersteigt und die Spannung am Motor ansteigt.
Die überschüssige Energie kann von einem über dem Motor angeordneten Kondensator (C1) absorbiert werden, der jedoch auch den negativen Effekt hat, dass er den Einschaltstrom beim Anlaufen des Motors erhöht, weshalb er nicht zu viel Kapazität haben darf. Eine bessere Lösung wäre es, die Gegen-EMK-Spannung in einem Bremswiderstand abzuleiten, der über dem Motor angeordnet ist und nur dann von Q1 in den Stromkreis geschaltet wird, wenn die Motorspannung die Steuerspannung übersteigt (Abbildung 2).
Die AC/DC-Stromversorgung muss in der Lage sein, die durch die Gegen-EMK erzeugte Motorspannung entweder mit einem einfachen Motorkondensator oder mit einer komplexeren Lösung mit geschaltetem Bremswiderstand zu bewältigen.
Die RACM140E-Serie verfügt über einen Ausgangsüberspannungsschutz, der deutlich höher als die Nennausgangsspannung eingestellt ist, sodass er sicher mit den vom Motor erzeugten Gegen-EMK-Spannungen umgehen kann (siehe Tabelle 1).
Das „M" im Namen RACM140E-K steht für „Medical", da diese Serie für den Einsatz in medizinischen Anwendungen zertifiziert ist, d.h. sie verfügt über eine verstärkte 2MOPP-Isolierung (zwei Mittel zum Schutz des Patienten) gemäß den medizinischen Sicherheitsnormen EN/IEC 60601-1 und ANSI/AAMI ES 60601-1 und entspricht der medizinischen EMV-Norm EN 60601-1-2. Der Ausgangsableitstrom gegen Erde liegt unter 300µA und ist somit für Body Floating (BF) Patientenanschlüsse geeignet. Weiters ist anzuführen, dass der Berührungsstrom im Normalbetrieb unter 100µA liegt.
Die AC/DC-Stromversorgung muss in der Lage sein, die durch die Gegen-EMK erzeugte Motorspannung entweder mit einem einfachen Motorkondensator oder mit einer komplexeren Lösung mit geschaltetem Bremswiderstand zu bewältigen.
Die RACM140E-Serie verfügt über einen Ausgangsüberspannungsschutz, der deutlich höher als die Nennausgangsspannung eingestellt ist, sodass er sicher mit den vom Motor erzeugten Gegen-EMK-Spannungen umgehen kann (siehe Tabelle 1).
| Parameter | Modell | Ausgangsspannung | OVP-Ebene |
|---|---|---|---|
| Überspannungsschutz (Hiccup-Modus) |
RACM140E-12SK | 12V | 30V |
| RACM140E-15SK | 15V | 30V | |
| RACM140E-24SK | 24V | 40V | |
| RACM140E-36SK | 36V | 48V | |
| RACM140E-48SK | 48V | 65V |
Tabelle 1: Überspannungsschutz (OVP) am Ausgang der Serie RACM140E
Das „M" im Namen RACM140E-K steht für „Medical", da diese Serie für den Einsatz in medizinischen Anwendungen zertifiziert ist, d.h. sie verfügt über eine verstärkte 2MOPP-Isolierung (zwei Mittel zum Schutz des Patienten) gemäß den medizinischen Sicherheitsnormen EN/IEC 60601-1 und ANSI/AAMI ES 60601-1 und entspricht der medizinischen EMV-Norm EN 60601-1-2. Der Ausgangsableitstrom gegen Erde liegt unter 300µA und ist somit für Body Floating (BF) Patientenanschlüsse geeignet. Weiters ist anzuführen, dass der Berührungsstrom im Normalbetrieb unter 100µA liegt.
Das RACM140E-Netzteil ist mit Molex-Steckern, Push-In-Anschlüssen oder Kabelschuhen erhältlich und kann im Schaltschrank oder im Gehäuse montiert werden. Die geringe Höhe von 40mm oder weniger bedeutet, dass sie auch in 1HE-Rack-Gehäuse passen. Neben der medizinischen Zertifizierung ist das RACM140E auch nach den Sicherheits- und EMV-Normen für den Haushalt und die Industrie mit der Überspannungskategorie OVC III in bis zu 2000m Höhe oder OVC II für den Betrieb in bis zu 5000m Höhe zertifiziert.
Abmessungen:
Um die Systemintegration zu vereinfachen, verfügt die RACM140E-Serie über einen großen Spielraum zur Einhaltung der EMV-Grenzwerte nach EN55032 'Klasse B' mit erhöhtem Schutz vor Überspannungen und Burst-Immunität. Der Eingangsspannungsbereich ist universell, von 80-264VAC oder 120-370VDC, und die nominalen Ausgangsspannungen von 12, 15, 24, 36 oder 48VDC können über ein eingebautes Trimmpotentiometer um bis zu +20% eingestellt werden.
Dank der kompakten Größe, die kostengünstigen Bauweise, der hohen Spitzenlastfähigkeit und der umfassenden Palette an Sicherheits- und EMV-Zertifizierungen für Medizin, Haushalt und Industrie findet der RACM140E neben der Versorgung von Gleichstrommotoren viele weitere Einsatzmöglichkeiten, z. B. in der Gebäude- und Heimautomatisierung, bei medizinischen Robotern, in der Daten- und Telekommunikation, in der Industrieautomatisierung, in der Intralogistik sowie bei Prüf- und Messanwendungen.
Abmessungen:
- Enclosed: 147 x 81,5 x 40mm
- Open Frame: 147 x 81,5 x 38mm
Um die Systemintegration zu vereinfachen, verfügt die RACM140E-Serie über einen großen Spielraum zur Einhaltung der EMV-Grenzwerte nach EN55032 'Klasse B' mit erhöhtem Schutz vor Überspannungen und Burst-Immunität. Der Eingangsspannungsbereich ist universell, von 80-264VAC oder 120-370VDC, und die nominalen Ausgangsspannungen von 12, 15, 24, 36 oder 48VDC können über ein eingebautes Trimmpotentiometer um bis zu +20% eingestellt werden.
Dank der kompakten Größe, die kostengünstigen Bauweise, der hohen Spitzenlastfähigkeit und der umfassenden Palette an Sicherheits- und EMV-Zertifizierungen für Medizin, Haushalt und Industrie findet der RACM140E neben der Versorgung von Gleichstrommotoren viele weitere Einsatzmöglichkeiten, z. B. in der Gebäude- und Heimautomatisierung, bei medizinischen Robotern, in der Daten- und Telekommunikation, in der Industrieautomatisierung, in der Intralogistik sowie bei Prüf- und Messanwendungen.
Anwendungen
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RACM140E-K
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