Enfoque práctico para obtener la máxima potencia de un motor de CC

El 50 % de back-emf se produce a la máxima potencia de salida , momento en el que el motor tiene una eficiencia ligeramente inferior al 50 %.

¿Por qué? Debido a que al 50% de las rpm, la mitad del voltaje que ingresa al motor cae a través de la resistencia de los devanados del inducido, por lo que se desperdicia la mitad de la potencia. Esto se vuelve obvio cuando observa el circuito equivalente de un motor de CC. Aquí hay un ejemplo:-

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Back-emf es causado por el giro de la armadura y la generación de un voltaje que se opone al voltaje de suministro. El resto del voltaje de suministro cae a través de Rm.

En este caso, la fuerza contraelectromotriz es de 3,5 V, por lo que Rm debe tener 7 V-3,5 V = 3,5 V entre ellos. 3,5 V / 0,21 Ω = 16,7 A. 3,5 V * 16,7 A = 58,3 W de pérdida de 'cobre'. 0.75A se consume en pérdidas de 'hierro', dejando 15.95A para producir par y potencia de salida. 3,5 V * 15,95 A = 55,83 W.

Eficiencia = potencia de salida / potencia de entrada. 55,83W / (7V * 16,7A) = 47,9% de eficiencia.

La máxima eficiencia se logra cuando la pérdida de cobre es igual a la pérdida de hierro. Esto generalmente ocurre alrededor del 80-90% de las rpm sin carga. Si conoce Io y Rm, calcular este punto es simple.

Pérdida de hierro = Vm-(Io*Rm) * Io. En este caso, eso funciona a 5.13W. En la eficiencia máxima, la pérdida de cobre es la misma, por lo que Im ² * Rm = 5,13 W. Resolviendo para Im obtenemos 4.94A. Ahora calcule la caída de voltaje en Rm a esta corriente, 4.94A * 0.21Ω = 1.04V. Eso deja 5.96V para back-emf. Ahora calcule la fuerza contraelectromotriz sin carga. La caída de voltaje a través de Rm es 0.75A * 0.21Ω = 0.158V. 7V - 0,158V = 6,84V. 5,96 V/6,84 V = 87 % de rpm sin carga.

Aquí hay una prueba de dinamómetro real del motor simulado arriba. La eficiencia máxima se produjo en 5 A (muy cerca de los 4,94 A que calculamos) a 7360 rpm. Este es el 86% de la velocidad sin carga, 8550 rpm.

No querrá hacer funcionar este motor a máxima potencia durante mucho tiempo porque solo pesa 50 g. Con más de 50 W de calor para deshacerse de él, se quemaría rápidamente. Los motores de CC generalmente funcionan en algún lugar entre la eficiencia máxima y la potencia de salida máxima, ya que esto proporciona el mejor compromiso entre potencia, eficiencia y tamaño.

Los motores de CC con conmutador no se utilizan cuando la eficiencia es una prioridad alta. Se utilizan en situaciones en las que el costo es una prioridad alta y la CC es la fuente de alimentación más disponible. Se utilizan para equipos auxiliares en vehículos, para herramientas y aparatos portátiles, como motores de tracción en vehículos pequeños y económicos como sillas de ruedas y carritos de golf y para juguetes. En muchas aplicaciones en las que se han utilizado motores de CC con conmutador, no hay muchas oportunidades de operar los motores en las condiciones más eficientes porque las aplicaciones requieren que el motor funcione en una amplia gama de velocidades y pares.

Cuando se requieren motores más grandes y es económicamente atractivo optimizar la eficiencia del motor, se utilizan tipos de motores más eficientes. Con controles electrónicos eficientes, la mayoría de los otros tipos de motores son más eficientes que los motores de CC con conmutador. Eso incluye motores síncronos de CC/imán permanente sin escobillas, motores de inducción, motores síncronos de rotor bobinado y motores de reluctancia.

En otras palabras, "el enfoque práctico para obtener la máxima eficiencia de las máquinas de CC" es utilizar otro tipo de máquina.

¡Un enfoque práctico es el empírico! Acople los ejes de dos motores idénticos. Aplique un voltaje de entrada a uno (motor) y una resistencia en el otro (generador). Mida la tensión/corriente de CC de entrada y la tensión/corriente de CC de salida. Pruebe diferentes combinaciones de resistencias y voltajes de entrada (que se correlacionan con la velocidad de torsión, respectivamente). Encuentre el combo con el mejor Pin/Pout y que sea de máxima eficiencia para esa máquina.