¿Cómo puede aumentar la potencia de un motor de corriente continua cuando disminuye la corriente?

Question

En muchos gráficos del par del motor de CC, la velocidad, la potencia y otras características podemos ver claramente que a medida que aumenta la velocidad del motor, el par disminuye, porque la contrafase aumenta y el par depende de la corriente, que disminuye debido al aumento de la contrafase.

Pero el gráfico también muestra que la potencia aumenta con las rpm a medida que la corriente disminuye. ¿Cómo es posible? Es como si creáramos más potencia utilizando menos energía. Eso no tiene sentido.

En un motor de combustión interna, por ejemplo, cuanta más potencia produce el motor, más combustible utiliza.

¿Me estoy perdiendo algo?

Answer 1

Potencia = Par * RPM

El gráfico de RPM no se muestra, pero sería una pendiente lineal positiva. (X=Y)
El gráfico del par debido a la FEM trasera tiene una pendiente lineal negativa.

El producto de las dos pendientes lineales opuestas comienza en cero y termina en cero con una forma parabólica en el medio.

Answer 2

Cuando el motor no está girando, la corriente es máxima, porque no hay FEM de retorno que se oponga a la tensión en los terminales. Toda la energía que entra en el motor se quema en la resistencia del bobinado.

Como se ve en tu gráfico, cuando el par * RPM está en su máximo, es exactamente cuando la potencia de salida es máxima. En ese momento, el motor tiene un rendimiento de aproximadamente el 50%, lo que significa que para un motor típico, está consiguiendo caliente .

Es justo en el límite de su rango de RPM donde la eficiencia es máxima. Esto es análogo al caso contrario de tu afirmación

En un motor de combustión interna, por ejemplo, cuanta más potencia produce el motor, más combustible utiliza.

A no ser que empieces con el acelerador totalmente abierto y sin carga en el motor. Entonces (suponiendo que no se haya destrozado), si empiezas a cargarlo mecánicamente, se ralentizará, bombeará menos aire y consumirá menos combustible (y, posiblemente, vivirá más).

Answer 3

Odio estos gráficos. La gente los mira y piensa que son gráficos de funcionamiento del motor o algo así. Pero no lo son. Estos gráficos cubren todo el rango desde el rotor parado hasta la sobrecarga y el vacío. Se supone, pero no siempre se indica, que la tensión se mantiene fija. En este caso, la tensión de entrada se mantiene en 12 V.

Además, hay que entender que la potencia mostrada en el gráfico es la potencia de salida del motor. No es la potencia eléctrica de entrada. Los motores sobrecargados no funcionan en régimen de eficiencia.

Lo que ocurre es que en el peor caso de sobrecarga, cuando el rotor está bloqueado, la potencia mecánica de salida del motor es nula porque la velocidad del eje es nula. La mayoría de los motores no pueden sobrevivir indefinidamente en esta condición. Se sobrecalentarán y fallarán en algún punto entre muy rápido y rápido.

A medida que sueltas gradualmente tu agarre en el eje y lo dejas girar lentamente al principio, y luego cada vez más rápido, la corriente disminuye, el par motor disminuye y la velocidad aumenta. Como la velocidad aumenta, la potencia mecánica de salida también lo hace. En algún momento, la potencia mecánica de salida alcanzará un máximo, entonces, si sigues dejando que el eje se acelere, finalmente la potencia mecánica de salida comenzará a bajar de nuevo, y finalmente caerá a cero cuando el eje esté girando libremente (potencia cero porque el par es cero).

Answer 4

Respuesta revisada - Respuesta corta

La cuestión es cómo aumenta la potencia mecánica mientras disminuye la corriente. ¿Violaría esto la conservación de la energía?

Las curvas mostradas en la pregunta eliminan el tiempo de la relación entre la corriente de entrada y la potencia mecánica de salida. Estas curvas eliminan la respuesta temporal transitoria del motor, es decir, las condiciones de arranque o la respuesta dinámica, para dar información sobre la corriente, el par, la velocidad y el rendimiento para cualquier punto de funcionamiento del motor.

La respuesta breve es que la potencia eléctrica es el voltaje por la corriente en el entrehierro del motor, la potencia mecánica es la velocidad angular del eje por el par, y aunque la corriente y el par decaen con el tiempo, la entrada de potencia eléctrica es igual o superior a la salida de potencia mecánica en cualquier momento en que el dispositivo funciona como motor. La potencia se define como la derivada de la energía, el calor y el trabajo con respecto al tiempo, por lo que la integral de la potencia da cantidades de trabajo, calor y energía que no violan la conservación de la energía.

Primera Ley de la Termodinámica

$$ W = Q + \Delta E $$

En el siguiente análisis, la fuente eléctrica desarrolla la potencia como corriente por tensión. Esto realiza un trabajo eléctrico que es la integral de la potencia en función del tiempo. Este trabajo agota la energía de la fuente eléctrica también igual al área bajo la curva de potencia en función del tiempo. El resultado neto es el aumento de la energía cinética asociada a la inercia del rotor y una cantidad de calor que se pierde en el entorno. La disminución de la corriente y del par durante el proceso no viola ninguna ley de la física.

Contabilización de la energía en el espacio aéreo

Para eliminar los factores de conversión de unidades se aplican unidades SI coherentes. Entonces, la potencia eléctrica de entrada y la potencia mecánica de salida se especifican en la unidad SI Watt {W}.

Este vídeo (11 minutos) muestra las ecuaciones del entrehierro:

https://youtu.be/GSvoQ4p3qV0

PARÁMETROS DE LA FUENTE ELÉCTRICA:

\$ V_s \$ Tensión de la fuente

\$ R_s \$ Fuente Resistencia

PARÁMETROS DEL MOTOR:

\$ R_a \$ Resistencia de la armadura

\$ k_e \$ Constante de retroalimentación

\$ k_t \$ Constante de par

\$ J_m \$ Inercia del rotor

\$ B_m \$ Amortiguación del motor

\$ \tau_m \$ Característica Tiempo

VARIABLES DEL SISTEMA:

\$ I_a \$ Corriente de la armadura

\$ T_m \$ Par motor

\$ \omega \$ Velocidad del eje

\$ V_e \$ Tensión de retroceso

ECUACIONES DEL ESPACIO AÉREO:

\$ V_e = k_e \omega \$

\$ T_m = k_t I_a \$

POTENCIA DE LA FALTA DE AIRE:

\$ P_e = I_a V_e \$

\$ P_m = T_m \omega \$

GOLPE DE AIRE IDEAL:

\$ P_e = P_m \$

\$ I_a V_e = T_m \omega \$

Cuando la corriente disminuye en el circuito eléctrico, el par disminuye proporcionalmente en la salida mecánica. Cuando la velocidad del eje aumenta en la salida mecánica, la tensión de retorno aumenta proporcionalmente. Si el entrehierro tiene un rendimiento del 100%, lo que significa que no hay disipación de potencia térmica (la resistencia del inducido no cuenta como pérdida de entrehierro en este modelo), entonces la potencia desarrollada en el motor al girar la inercia del rotor y superar la fricción de amortiguación es igual a la potencia desarrollada en el entrehierro.

Simulación de circuitos

MODELO DE CIRCUITO (FRICCIÓN MECÁNICA CERO)

ESQUEMA DE LA RESPUESTA TEMPORAL DE ENTRADA/SALIDA DE ENERGÍA

Si el motor acelera hasta la velocidad máxima en vacío cuando la fuente proporciona una entrada de tensión escalonada, la potencia de salida de la fuente se muestra mediante una curva de decaimiento exponencial y el agotamiento total de energía de la fuente es el área bajo esta curva. La potencia mecánica desarrollada para acelerar la inercia del rotor hasta su velocidad se muestra en la segunda curva con forma de "joroba". El área bajo esta curva es igual al cambio de energía cinética de la inercia del rotor en función del tiempo. Esta área se muestra como \$ \Delta E \$ . La diferencia entre la salida de energía de la batería y el aumento de energía del sistema mecánico es el área entre las dos curvas mostradas como calor \$ Q \$ . En este modelo simplificado no hay amortiguación mecánica, por lo que el calor se pierde en la resistencia de la fuente y la resistencia del inducido.