En teoría, una máquina de CC alcanza su potencia máxima cuando la frecuencia de retorno es igual a la mitad del voltaje aplicado.
¿Por qué esta condición no se cumple en la práctica?
¿Cuál es el enfoque práctico para obtener la máxima potencia de las máquinas de CC?
50% back-emf ocurre con un máximo de potencia de salida , en cuyo punto el motor tiene un poco menos de 50% de eficiencia.
¿Por qué? Debido a que a 50% de rpm, la mitad de la tensión que entra en el motor se está cayendo a través de la resistencia de los devanados de la armadura, por lo que se pierde la mitad de la potencia. Esto se vuelve obvio cuando se mira el circuito equivalente de un motor de CC. Aquí hay un ejemplo: -
Back-emf es causado por el giro de la armadura y la generación de una tensión que se opone a la tensión de alimentación. El resto de la tensión de alimentación se cae a través de Rm.
En este caso, back-emf es 3.5V, por lo que Rm debe tener 7V-3.5V = 3.5V a través de él. 3,5 V / 0,21 & ohm; = 16.7A. 3.5V * 16.7A = 58.3W de pérdida 'cobre'. 0.75A se usa en pérdidas de 'hierro', dejando 15.95A para producir un par de salida y potencia. 3.5V * 15.95A = 55.83W.
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 ocurre generalmente alrededor del 80-90% de las rpm sin carga. Si sabes Io y Rm, entonces 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 = 5.13W. Resolviendo para Im obtenemos 4.94A. Ahora calcule la caída de voltaje en Rm a esta corriente, 4.94A * 0.21 & ohm; = 1.04V. Eso deja 5.96V para back-emf. Ahora calcule el back-emf sin carga. La caída de voltaje en Rm es 0.75A * 0.21 & ohm = 0.158V. 7V - 0.158V = 6.84V. 5.96V / 6.84V = 87% de rpm sin carga.
Aquí hay una prueba de dinamómetro real del motor simulado anteriormente. La eficiencia máxima se produjo en 5A (muy cerca de los 4.94A que calculamos) a 7360 rpm. Esto es el 86% de la velocidad sin carga, 8550 rpm.
No querría hacer funcionar este motor a la máxima potencia por mucho tiempo porque solo pesa 50 g. Con más de 50W de calor, deshacerse de él se quemaría rápidamente. Los motores de CC generalmente se operan en algún lugar entre eficiencia pico y máxima potencia de salida, ya que esto proporciona el mejor compromiso entre potencia, eficiencia y tamaño.
Los motores de conmutación de CC no se utilizan cuando la eficiencia es una prioridad alta. Se usan en situaciones en las que el costo es una prioridad alta y DC es la fuente de energía más fácilmente 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 donde se han usado motores de CC de conmutador, no hay muchas oportunidades de operar los motores en las condiciones más eficientes porque las aplicaciones requieren que el motor funcione a 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 conmutación de CC. Esto incluye motores síncronos de escobillas / imanes permanentes 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! Acoplar los ejes de dos motores idénticos juntos. Aplique y entre la tensión en uno (motor) y una resistencia en el otro (generador). Mida la tensión / corriente CC de entrada y la tensión / corriente CC de salida. Pruebe diferentes combinaciones de resistencias y voltajes de entrada (que se correlacionan con la velocidad de torsión, respectivamente). Encuentra el combo con el mejor Pin / Pout y eso es la máxima eficiencia para esa máquina.
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