Motor DC - PWM vs Voltaje

Cuando controlo un motor de CC que tiene una potencia nominal de 5 V, en teoría, puedo conducir el motor de estas maneras:

5V con 100% de ciclo de trabajo PWM.
10V con 50% de ciclo de trabajo PWM.
20V con 25% de ciclo de trabajo PWM.

¿Hay diferencia entre los dos? ¿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 conducir el motor mucho más lento con un voltaje más alto.

motor pwm

— Gilad
fuente

No estoy seguro de seguir la última declaración de por qué crees que puedes conducir el motor más lento con un voltaje más alto.

— PeterJ

El 25% de las veces aplicará 4 veces la tensión nominal. Tendrá picos de corriente más grandes junto con el voltaje más alto y ambos podrían dañar su motor incluso si solo se aplican el 25% del tiempo.

— EwokNightmares

Es posible que desee considerar lo que realmente está sucediendo: el voltaje es solo un medio para impulsar la corriente a través de su motor, siendo el producto de los dos la potencia real. El control de voltaje es una forma muy vaga de controlar un servomotor de CC.

— John U

Creo que también es posible que también tengas más ondulación de torque como resultado.

— EwokNightmares

¿Cuál es tu frecuencia de trabajo? Hay más impacto si fuera 1Hz, en lugar de 1kH :-)

— shuckc

Respuestas:

Sí, esto es muy diferente. La unidad PWM y la unidad de voltaje por separado realmente no significan mucho, pero cuando se combinan de esta manera obtendrá un rendimiento significativamente diferente.

Eléctricamente, puede modelar un motor como inductor (bobinados), resistencia y fuente de voltaje (EMF, proporcional a la velocidad del motor). Cuando aplica un voltaje más bajo en comparación con un voltaje más alto, usted:

obtenga una más lenta a través de los bobinados del motor, reduciendo el par $dI/dt$
tener una velocidad máxima más baja debido a EMF posterior

Con PWM y un voltaje más alto, podrá lograr velocidades pico más altas y, a menudo, un torque mucho más alto a velocidades iguales.

No hay una razón real de que un motor se dañe al aplicar voltajes más altos. El daño motor es causado por:

Sobrecarga del rodamiento (p. Ej., Empujar de lado sobre el eje de un eje de rodamiento de empuje)
Sobrevelocidad del rodamiento (depende principalmente del aceite utilizado)
Cepillado en arco (causado por altas velocidades y, en mucha menor medida, también por una mayor corriente)
deformación y delaminación de estructuras internas debido al sobrecalentamiento

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 puede garantizar que mantiene su motor dentro de los límites de velocidad, par y fuerza, así como enfriarlo adecuadamente, no hay inconveniente en operarlo a voltajes más altos con PWM.

— usuario36129
fuente

d I / d t

$dI/dt$

d I / d t

$dI/dt$

¿Está seguro de que DCM es la norma para el control del motor (bien diseñado)? Wikipedia dice que las frecuencias de control del motor PWM van desde "desde unos pocos kilohercios (kHz) hasta decenas de kHz para un motor"; Esto no es lo que yo llamaría "extremadamente bajo", y con la mayoría de los motores con los que he trabajado, en la región de operación del CCM.

— Phil Frost

Esto depende completamente de su aplicación. Asumí las típicas aplicaciones de motores de CC pequeños: cosas de hobby, aviones RC, etc. Para ese dominio, DCM es la norma. Por lo general, funcionan como máximo a un par de kHz, con inductancias motoras muy bajas (a menudo <1 mH). A medida que aumenta el tamaño actual y físico, es difícil hacer DCM y CCM es todo lo que la gente hace. Y por frecuencia extremadamente baja, me refiero a la región audible. Debería haber cuantificado eso.

— user36129

Gracias por una respuesta detallada. Mi objetivo es conducir el motor lo más lento posible y ya tengo una marcha de 1: 1000. Estoy usando un pequeño motor. El motor funciona bien, pero me preocupa su vida útil.

— Gilad

Un motor impulsado por PWM es un convertidor reductor . En la medida en que su circuito y motor sean un buen convertidor de inversión, no hay diferencia entre cada una de sus opciones.

Algunas cosas para tener en mente:

$1000V$ $20V$

Si su frecuencia PWM es demasiado baja para la inductancia de bobinado del motor, la corriente sobre cada ciclo PWM cambiará significativamente, tendrá una ondulación de par alta y ya no tendrá un buen convertidor reductor. El rendimiento y la eficiencia sufrirán. En el caso extremo, es posible que ni siquiera haga girar el motor .

Al igual que con un convertidor reductor, un variador PWM involucra transistores y otros circuitos que necesariamente introducen pérdidas adicionales. El variador PWM también es más complejo de diseñar, más difícil de lograr que funcione correctamente, es más costoso de implementar, etc. Algunas de estas pérdidas (por ejemplo, pérdidas por histéresis) están dentro del motor y darán como resultado una temperatura del motor más alta, que es generalmente el parámetro limitante para el rendimiento del motor, y una temperatura más alta en general reducirá la vida útil del motor. Sin embargo, necesitaría un diseño muy pobre para hacer que estas pérdidas se aproximen a las pérdidas que ya tiene en CC, como las pérdidas resistivas en los devanados, por lo que la diferencia entre la eficiencia del variador PWM y CC no es mucha.

— Phil Frost
fuente

Hay un par de cosas que debe tener en cuenta cuando usa PWM.

Primero, el voltaje PWM que verá su motor tendrá armónicos de alta frecuencia. Estos armónicos introducirán pérdidas en su motor que no estarían allí si estuviera usando voltaje de CC. Lo que esto significa es que su motor se calentará más con PWM vs. DC (todas las demás cosas son iguales). La forma en que esto afecta la vida de su motor depende de muchas cosas. Existe una regla general muy cruda en el mundo del motor que dice que por cada aumento de 10 ° C en la temperatura de la bobina del motor, se reduce a la mitad la vida útil del aislamiento del motor. Tendría que hacer una prueba de clasificación en el motor con el variador PWM que está utilizando para reducir el motor o para decirle cuánto más caliente se pondría usando PWM en la clasificación de la placa de identificación. Sin embargo, la mayoría de las personas están realmente equipadas para hacer esta prueba.

En segundo lugar, suponiendo que está hablando de voltajes bajos como su ejemplo (5V-20V), el aumento de voltaje en sí mismo probablemente no tendrá mucho efecto en la vida útil del aislamiento. Obviamente depende del motor, pero en general el aislamiento en los motores puede soportar voltajes de hasta al menos 1000 V por cortos períodos de tiempo. Dados los picos de voltaje debido al PWM, esto significa que realmente no tiene que preocuparse por la reducción de la vida útil del aislamiento hasta que esté hablando de motores que tienen una potencia de ~ 400V-600V o superior. Los voltajes más altos con PWM podrían tener un efecto en la vida útil del cepillo, pero es realmente difícil de decir sin pruebas.

— Eric
fuente