¿Puedo superar la tensión nominal de un motor si limito su intensidad?

Question

Tengo un mini motor de 3 voltios. ¿Significa esto que el 3 es el número de voltios que producirá el amperaje deseado para el motor? ¿Podría hacerlo funcionar técnicamente conectándolo a un circuito de 10.000 voltios y añadiendo resistencia hasta que tenga el mismo amperaje que tendría con 3 voltios?

Answer 1

No, los motores no funcionan así.

En general, la tensión que se aplica a un motor determina la velocidad a la que funciona, pero la corriente que consume depende de la carga mecánica (par) que impulsa.

Si aplicara 10.000 V a un motor de 3 V, incluso a través de una resistencia, intentaría girar demasiado rápido, probablemente destruyéndose.

Answer 2

Aunque en teoría eso funciona, no es práctico... en absoluto.

Digamos que su carga es de 10 ohmios (haciendo esto simple) y está clasificado para 10V. Esto produciría una corriente de 1A. Así que digamos que tengo 10.000V disponibles y quiero 1A para correr a través de mi carga, añadiría digamos una resistencia de 10.000 Ohmios en serie que produce aproximadamente 1A.

Aunque este trabajo, ahora vamos a hablar de poder.

$$P = I \cdot V = I^2R$$

Para la resistencia de 10 Ohm, disiparíamos $P = 1^2 \cdot 10 = 10 \;watts$ . Donde en la resistencia de 10.000 Ohm disiparíamos $P = 1^2 \cdot 10,000 = 10,000 \;watts$ .

Por supuesto, esto no es deseable porque nuestra transferencia de energía es terrible. Queremos que la carga reciba la máxima potencia. Por eso solemos utilizar un transformador para reducir la tensión a un nivel adecuado.

Por supuesto, los motores no son resistencias (cargas reales e imaginarias), pero la demostración sirve para esta pregunta. Los motores están construidos con bobinas, se comportan como una carga inductiva y no pueden tratarse exactamente como una resistencia. De cualquier forma, es mejor entregar la máxima potencia a tu carga o de lo contrario estarás desperdiciando energía valiosa en tu resistencia de 10.000 Ohm.

Espero que le sirva de ayuda. Si tiene más preguntas, no dude en comentarlas.

Answer 3

Respuesta corta: no en la práctica. Respuesta larga:

Efectos de la tensión y la corriente

Los valores nominales de tensión y corriente suelen proteger contra mecanismos de fallo independientes, en la mayoría de los casos respectivamente la rotura del aislamiento (especialmente en el caso de los semiconductores) y los daños debidos a un calentamiento excesivo por Joule.

Entender los motores

Algunos componentes son más flexibles que otros en cuanto a sus valores nominales de tensión y corriente, hasta lo que se denomina valores nominales "máximos absolutos". Los motores de corriente continua son de ese tipo. Si se aumenta la tensión, aumentará la potencia del motor (es decir, más velocidad para un par determinado o más par para una velocidad determinada), siempre que el motor pueda consumir la corriente que necesita. Esto significa que la corriente sólo se limita mediante la limitación de la tensión a través del motor (esto también es cierto para otros dispositivos, se puede ver en las fuentes de alimentación con limitación de corriente).

Podrías hacer funcionar un motor de 3V probablemente a 12V con un disipador gigante para asegurarte de que el calor se va más rápido de lo que calienta los cables (de lo contrario se derretirían); sin embargo, no puedes hacer funcionar un motor de este tipo a 10.000V porque 1) el aislamiento se rompería, aumentando drásticamente la corriente consumida por el motor 2) tanto si el aislamiento se rompe como si no, la corriente será tan alta que los cables se derretirán. Tenga en cuenta que, dependiendo de la alineación del eje y de los cojinetes, una tensión demasiado alta puede generar demasiadas vibraciones y destruir el motor antes de que el calor funda la bobina.

Limitación mediante resistencia de potencia

Ahora, sugieres añadir un dispositivo para bajar el voltaje de 10000V a 3V. Eso haría feliz al motor: mientras reciba 3V a través de él, consumirá corriente hasta su corriente de parada y es de esperar que haya sido diseñado para hacer frente a esa corriente. Sin embargo, estás dejando caer 9997V. Si se consume corriente a través del dispositivo que deja caer ese voltaje, se trata de energía que tiene que disiparse de alguna manera. 9997*I, incluso si I es tan baja como 50mA son 500W... Para ponerlo en perspectiva, las resistencias de aluminio de 5W son del tamaño de un dedo. Ten en cuenta que las resistencias de potencia sólo bajan un voltaje fijo a una corriente dada: cambia la carga mecánica del motor y el voltaje a través del motor cambiará, lo que provocará inestabilidad... Suponiendo una resistencia de 200k para una corriente de diseño de 50mA, +/-15uA tendrá un efecto de +/-3V en el motor. Sin mencionar que se desperdician 500W por 0.15W usados.

Limitación mediante convertidor Buck

Necesitarías un convertidor con mejor eficiencia, como los convertidores DC buck DC. En teoría, no bajan la tensión, sino que conmutan entre tensión plena y ausencia de tensión para alcanzar la tensión media necesaria (en este caso, la inductancia del motor filtra la corriente, que a su vez filtra la tensión a través de la resistencia del motor). Sin embargo, esto significa conmutar a ON el 0,03% del tiempo: la inductancia del motor le indicará cuánto tiempo puede aplicarse la tensión máxima antes de que la corriente sea demasiado alta, y no será mucho tiempo. Por lo tanto, el 0,03% de ese tiempo será muy corto, lo más probable es que ningún convertidor sea capaz de hacerlo. De todos modos, las vibraciones del motor debidas a la elevada ondulación de la corriente probablemente arruinarían el motor y su carga.

Notas a pie de página

Tanto si se trata de una resistencia de potencia como de un convertidor de conmutación, ambos tendrán que tener un aislamiento de 10.000 V, lo que significa que su producto será enorme para respetar las distancias de fuga y los grosores de los aislantes.

¿A menos que te refieras a 10.000 VCA de la red de suministro a 3 VCC? En ese caso, tendrás que utilizar un transformador reductor y luego un rectificador, pero espero de verdad que sepas lo que estás haciendo.

Answer 4

Depende de cuál sea su objetivo. Si quieres una velocidad relativamente constante con cargas variables, lo mejor es una fuente de tensión constante (o incluso una resistencia en serie ligeramente negativa). El motor estará contento a menos que cargue demasiado el eje, siempre que no le dé más de la tensión nominal. Si la carga es excesiva, se sobrecalentará.

Si quieres un par constante con cargas variables, lo mejor es una fuente de corriente constante. El motor estará contento a menos que cargue el eje demasiado ligeramente, siempre que no le dé más que la corriente nominal de funcionamiento. Con una carga demasiado ligera, las RPM aumentarán y podría dañarse (la tensión del motor superará la tensión nominal en esas condiciones). Una resistencia en serie grande se comporta más como una fuente de corriente constante. Una fuente de resistencia >10K es fácil de simular electrónicamente sin el voltaje muy alto y la resistencia loca.

En referencia a tu pregunta original, en ninguno de los dos casos estás superando realmente la tensión nominal en los terminales del motor (lo único que le importa al motor).

Answer 5

Los motores pueden dañarse si se sobrepasa cualquiera de los máximos siguientes:

1. Fuerza mecánica sobre sus componentes (puede provocar un fallo instantáneo)

2. Cantidad de flujo magnético (puede provocar un fallo instantáneo)

3. Velocidad de rotación, vibraciones, etc. (pueden acelerar enormemente el desgaste o, en algunos casos, generar fuerzas que provoquen un fallo instantáneo).

4. Cantidad de calor generado en los devanados (el funcionamiento intermitente puede permitir que el motor tolere más potencia (calor/segundo) que el sostenido).

5. Cantidad de calor generado en los rodamientos (el funcionamiento intermitente puede permitir que el motor tolere una potencia (calor/segundo) superior a la sostenida).

Puede ser posible que un motor de "3 voltios" funcione con seguridad a tensiones más altas en algunas condiciones si éstas reducen el factor de tensión que limitaba el funcionamiento a 3 voltios y no aumentan ningún otro factor de tensión lo suficiente como para causar problemas. Lo importante no es mantener la tensión del motor por debajo del valor nominal, sino asegurarse de que todos los demás factores de tensión se mantienen dentro de sus límites correspondientes.