Entendiendo la ineficiencia en motores, controladores y cajas de cambio.



¿Qué es la ineficiencia?

La ineficiencia es la pérdida de energía que se produce al completar un proceso predeterminado. En pocas palabras, es la diferencia entre la energía puesta en un proceso y la energía que sale del proceso. La pérdida que se produce al completar el proceso se denomina ineficiencia de ese proceso o componente en particular.



¿Cuáles son las causas típicas de ineficiencia?

Existe una amplia gama de causas de ineficiencia en el motor y la electrónica de control. Algunos de los más comunes se describen a continuación;

Fricción

Quizás el más común es la fricción: la fricción ocurre en los cojinetes del motor y entre los engranajes (si se ha agregado una caja de cambios). En los motores de CC con escobillas se produce entre el rotor y las escobillas. Esta fricción invariablemente convierte parcialmente la entrada de energía en energía térmica que luego se escapa. De hecho, el calor es quizás el síntoma más común de ineficiencia en motores y electrónica de control.

Mala elección del motor o sobrecarga.

Si se utiliza la elección incorrecta de motor en una aplicación, esto puede causar una mayor ineficiencia. Normalmente, esto implicaría sobrecargar un motor o caja de cambios que no es capaz de funcionar en una aplicación en particular. Esto luego conduce a un mayor consumo de corriente a través de los cables e imanes en el motor, lo que puede comenzar a exceder la capacidad de manejo de corriente de estos cables e imanes. Cuando se extrae un exceso de corriente, se convertirá en calor y la ineficacia del sistema aumentará aún más. En casos extremos, el calor puede aumentar hasta tal punto que comenzará a desmagnetizar el motor y dejar el sistema completamente inservible.

Mala calidad de construcción

Esto está directamente relacionado con la fricción en muchos aspectos, pero la mala calidad de construcción puede aumentar significativamente la fricción en los cojinetes o las cajas de engranajes, lo que aumenta la ineficiencia.

Cargas excéntricas en los ejes del motor

Como se mencionó anteriormente, este es en última instancia un caso de fricción, pero es una causa común de fricción que a menudo se pasa por alto. Las cargas excéntricas en los ejes colocan una carga desigual en los rodamientos que pueden exceder las tolerancias recomendadas y, finalmente, desgastar los rodamientos. Un mayor desgaste conduce a una mayor ineficacia.

Mala selección de componentes en la electrónica de control

Los componentes mal especificados pueden ser una causa importante de ineficiencia en la electrónica de control del motor. Los ejemplos típicos incluyen mosfets que, si están mal especificados, pueden comenzar a sobrecargarse y convertir la energía en calor. En otros casos, las propiedades físicas de la placa en sí pueden tener un impacto: las placas de cobre livianas donde se necesita cobre más grueso pueden generar calor a través de la resistencia inherente de la placa. Este calor puede ser doblemente ineficaz al reducir el rendimiento de otros componentes del controlador. Por lo tanto, comprender y gestionar esta ineficiencia es una parte importante de la creación de una electrónica de control de motores eficiente.

Configuración incorrecta de un controlador

Este se aplica más comúnmente a los motores paso a paso donde el consumo de corriente es completamente independiente de la salida de par. En estos casos, la configuración de corriente en un controlador puede ser significativamente más alta de lo que se requiere para lograr el rendimiento mecánico necesario del motor. El resultado: un motor funcionando ruidosamente y caliente y una mayor ineficiencia.


Ineficiencia en una aplicación típica de control de motores

En esta sección veremos algunas de las diversas opciones en relación con el control del motor y la ineficiencia y proporcionaremos algunos ejemplos estándar de cómo esto puede ocurrir. Estos ejemplos son casos simplificados destinados a proporcionar una ilustración clara de los problemas involucrados.

Ejemplo 1: un motor paso a paso y un controlador

En este ejemplo, tomaremos un motor paso a paso típico y un controlador que está bien adaptado y especificado correctamente para la aplicación en la que está operando. Como regla general, un motor paso a paso será 50% eficiente si está bien configurado. El hecho de que la potencia de entrada sea independiente del par de salida (la potencia de salida depende de la carga del motor) es una parte clave de esto. Por lo tanto, tenemos un motor que funciona con una eficiencia aproximada del 50% y un controlador que (por el bien del argumento, diremos que tiene una eficiencia del 90%. Por lo tanto, si pusiéramos 48 W de energía eléctrica en el controlador (24 V y 2 A), lo haríamos obtener la siguiente potencia de salida mecánica;

Pérdidas del controlador = 48W x 0.9 = 43.2W

Pérdidas del motor = 43,2 W x 0,5 = 21,6 W

Por lo tanto, podemos decir que el paquete que tenemos aquí tiene una eficiencia de alrededor del 45%.

Ejemplo 2: agregar una caja de cambios a nuestro motor paso a paso y controlador

En este ejemplo, tomamos nuestra configuración como la anterior y simplemente le agregamos una caja de cambios. Dado que una caja de cambios planetaria típica tiene una eficiencia de alrededor del 73%, simplemente podemos agregar esto a nuestro cálculo y decir que;

Pérdidas del controlador = 48W x 0.9 = 43.2W

Pérdidas del motor = 43,2 W x 0,5 = 21,6 W

Pérdidas de la caja de cambios = 21,6 W x 0,73 = 15,8 W

Por lo tanto, el paquete combinado total de motor, caja de cambios y controlador que tenemos ahora tiene una eficiencia del 33%.

Ejemplo 3: un motor y controlador de CC sin escobillas y sin sensores

En este ejemplo, estamos usando un motor y controlador de CC sin escobillas y sin sensores. El controlador se ha optimizado cuidadosamente para el motor para garantizar un arranque y un funcionamiento eficientes. Un motor de CC sin escobillas típico tiene una eficiencia de alrededor del 90% con un controlador optimizado y bien adaptado que se acerca al 95% de eficiencia.

Si tomamos la misma potencia de entrada que el motor paso a paso anterior, podemos decir que;

Pérdidas del controlador = 48 W x 0,95 = 45,6 W

Pérdidas del motor = 45,6 W x 0,9 = 41,4 W

Por lo tanto, se puede decir que el paquete combinado que tenemos aquí es 86% eficiente. Esto significa que el 86% de la energía eléctrica introducida en el controlador se ha convertido directamente en energía mecánica rotativa en el motor. El otro 14% se habrá perdido como calor y ruido.


Reducir la ineficiencia en los motores: cosas en las que pensar

Quizás el punto de partida más obvio cuando se habla de la reducción de la ineficiencia en aplicaciones de control y motor es comenzar con los requisitos de par y velocidad que tiene y los requisitos de rendimiento que tiene y seleccionar un motor a partir de ahí. No se puede escapar del hecho de que los motores paso a paso son técnicamente más versátiles que los motores de CC sin escobillas y los motores de CC con escobillas, pero igualmente no se puede escapar del hecho de que los motores paso a paso pueden ser muy ineficientes en su funcionamiento. Por lo tanto, es muy importante asegurarse de haber tomado la mejor decisión posible para su proyecto o aplicación.

A continuación, hay una serie de pasos básicos en los que hay que pensar. Agregar una caja de cambios tiene varios beneficios importantes, pero también se puede ver que aumentará significativamente la ineficiencia. ¿Podría ser mejor cambiar el tipo y la potencia del motor en lugar de depender de una caja de cambios? Esto no siempre es posible, pero ciertamente es algo para explorar.

Del mismo modo, existen problemas básicos de configuración que se pueden seguir para ayudar a reducir la ineficiencia. Asegurar una carga radial equilibrada en el eje del motor asegurará un desgaste uniforme de los cojinetes. La compra de un motor de buena calidad aumentará aún más la eficiencia, ya que los estándares de fabricación serán más altos. Otros métodos son igualmente simples pero muy efectivos. Montar el controlador lo más cerca posible del motor reducirá la resistencia y las pérdidas que se producen en cables de gran longitud. Hacer coincidir el controlador con el motor correctamente para garantizar suficiente ‘espacio libre’ y reducir el exceso de trabajo del controlador también es muy importante. Asegurar cables de conexión del tamaño correcto también puede reducir aún más la resistencia y, por lo tanto, las pérdidas.


Conclusión: un factor cada vez más importante que debe abordarse cuidadosamente en todas las aplicaciones de control de motores.

No hay forma de evitar el hecho de que todos en el mundo necesitan trabajar duro para reducir su uso de energía y su impacto en el medio ambiente y las aplicaciones de control de motores no son diferentes. Es de esperar que se pueda ver que, si bien no hay respuestas generales a esta pregunta, hay una gran cantidad de medidas potenciales que se pueden tomar para mejorar la eficiencia. Estos comienzan justo en el punto de especificación y terminan con la calidad de construcción y ensamblaje del producto final.

Nuestro equipo siempre está feliz de discutir estos problemas y cómo pueden afectar el rendimiento, por lo que si tiene una pregunta o un proyecto que le gustaría discutir, comuníquese con nosotros y estaremos encantados de ayudarle.