Al controlar un motor de corriente continua que está nominalmente a 5V teóricamente puedo conducir el motor de estas maneras:
¿Hay alguna diferencia entre ambas? ¿Usar la opción 2/3 acortará la vida del motor? ¿Cambiar la frecuencia PWM mejoraría la vida útil del motor? La razón para hacer esto es que es posible accionar el motor mucho más despacio con un voltaje más alto.
Sí, esto es muy diferente. El accionamiento por PWM y el accionamiento por tensión por separado no significan gran cosa, pero si se combinan de esta forma se obtiene un rendimiento muy diferente.
Eléctricamente, se puede modelar un motor como un inductor (bobinados), una resistencia y una fuente de tensión (el CEM, proporcional a la velocidad del motor). Cuando aplicas una tensión menor en comparación con una tensión mayor, lo harás:
Con PWM y un voltaje más alto, podrá alcanzar velocidades máximas más altas y, a menudo, un par mucho mayor a velocidades iguales.
No hay ninguna razón real para que un motor se dañe al aplicar tensiones más altas. El daño del motor es causado por:
Además, el sobrecalentamiento o el funcionamiento de un motor a corrientes muy altas provocará una reducción (significativa) del par debido a la saturación magnética.
Si puedes garantizar que mantienes tu motor dentro de los límites de velocidad, par y fuerza, así como refrigerarlo adecuadamente, no hay inconveniente en hacerlo funcionar a voltajes más altos con PWM.
Un motor accionado por PWM es un convertidor Buck . En la medida en que su circuito y el motor hacen un bien buck converter, no hay diferencia entre cada una de sus opciones.
Algunas cosas a tener en cuenta:
A un voltaje mucho más alto, tal vez alrededor de \$1000V\$ el aislamiento de los devanados fallará. \$20V\$ es demasiado bajo para que esto sea preocupante.
Si su frecuencia PWM es demasiado baja para la inductancia del bobinado del motor, la corriente en cada ciclo PWM cambiará significativamente, tendrá una alta ondulación de par, y ya no tendrá un bien convertidor buck. El rendimiento y la eficiencia se verán afectados. En el caso extremo puede que ni siquiera consiga que el motor gire .
Al igual que un convertidor Buck, un convertidor PWM implica transistores y otros circuitos que necesariamente introducen pérdidas adicionales. Además, el diseño de un convertidor PWM es más complejo, más difícil de conseguir que funcione correctamente, más caro de implementar, etc. Algunas de estas pérdidas (por ejemplo, las pérdidas por histéresis) se producen en el interior del motor y provocan un aumento de la temperatura del motor, que suele ser el parámetro que limita el rendimiento del motor. Sin embargo, se necesitaría un diseño muy pobre para que estas pérdidas se acercaran a las pérdidas que ya tiene en CC, como las pérdidas resistivas en los bobinados, por lo que la diferencia entre la eficiencia del accionamiento PWM y CC no es mucha.
Hay un par de cosas que hay que tener en cuenta cuando se utiliza PWM.
En primer lugar, la tensión PWM que verá tu motor tendrá armónicos de alta frecuencia. Estos armónicos introducirán pérdidas en tu motor que no estarían allí si estuvieras usando voltaje DC. Esto significa que el motor se calentará más con PWM que con CC (en igualdad de condiciones). Cómo afecta esto a la vida de tu motor depende de muchas cosas. Hay una regla muy cruda en el mundo de los motores que dice que por cada 10 °C de aumento en la temperatura de la bobina del motor, se reduce la vida del aislamiento del motor a la mitad. Tendría que hacer una prueba de potencia en el motor con el accionamiento PWM que está utilizando para reducir la potencia del motor o para saber cuánto más se calentaría utilizando PWM a la potencia nominal. La mayoría de la gente está realmente equipada para hacer esta prueba, sin embargo.
En segundo lugar, suponiendo que se trate de tensiones bajas como las de tu ejemplo (5V-20V), el aumento de la tensión en sí probablemente no tendrá mucho efecto sobre la vida útil del aislamiento. Obviamente depende del motor, pero en general el aislamiento de los motores puede soportar tensiones de hasta al menos 1000 V durante cortos periodos de tiempo. Teniendo en cuenta los picos de tensión debidos al PWM, esto significa que no hay que preocuparse realmente por la reducción de la vida útil del aislamiento hasta que no se trate de motores con una tensión nominal de ~ 400V-600V o superior. Las tensiones más altas con PWM podría tener un efecto sobre la vida útil de las escobillas, pero es muy difícil saberlo sin hacer pruebas.
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