Métodos para controlar la velocidad de un motor de CC

El control de velocidad es una de las características de rendimiento más importantes de un motor de corriente continua , y es una razón clave por la que los motores de CC siguen utilizándose ampliamente en aplicaciones que exigen un movimiento preciso, ajustable y con capacidad de respuesta. A diferencia de los motores de CA, cuya velocidad está estrechamente ligada a la frecuencia de la fuente de alimentación, la velocidad de un motor de CC se puede ajustar de forma suave y económica mediante varios métodos bien establecidos. Comprender estos métodos permite a los ingenieros y diseñadores de productos seleccionar el enfoque más adecuado para una aplicación determinada, equilibrando factores como el costo, la eficiencia, los requisitos de torque y la complejidad del control.

La velocidad de un motor de CC se rige por la relación entre el voltaje del inducido, la fuerza contraelectromotriz, la resistencia del inducido y el flujo magnético producido por el campo. Al manipular cualquiera de estos factores, se puede aumentar o disminuir la velocidad de rotación del motor. En la práctica, esto se logra principalmente a través de tres métodos de control eléctrico, mientras que un cuarto enfoque, puramente mecánico, que utiliza una caja reductora (que ahora es un método fundamental y fundamental en el diseño de soluciones de motores) proporciona regulación de velocidad sin ninguna modificación en el sistema eléctrico del motor.

Control de voltaje de armadura

El control de voltaje de armadura es el método más común y ampliamente aplicado para ajustar la velocidad del motor de CC. Dado que la velocidad del motor es aproximadamente proporcional al voltaje aplicado a través del devanado del inducido, aumentar el voltaje de suministro hace que el motor gire más rápido, mientras que disminuirlo lo desacelera. Esta relación hace que el control del voltaje del inducido sea un medio intuitivo y altamente efectivo para lograr un ajuste de velocidad continuo y suave.

En aplicaciones modernas, el voltaje de la armadura generalmente se regula mediante modulación de ancho de pulso (PWM), donde el voltaje promedio entregado al motor varía encendiendo y apagando rápidamente el suministro en un ciclo de trabajo controlado. Este enfoque ofrece una eficiencia excelente, una respuesta rápida y un amplio rango de ajuste de velocidad, al tiempo que genera relativamente poco calor en comparación con los métodos resistivos. El control de voltaje de armadura es particularmente adecuado para aplicaciones por debajo de la velocidad nominal del motor, donde mantiene una salida de par relativamente constante en todo el rango de velocidad ajustable, lo que lo convierte en la opción preferida para unidades de precisión, equipos automatizados y dispositivos alimentados por baterías.

Control de flujo de campo

Para los motores con escobillas de CC, la fuerza electromotriz inversa está determinada por el flujo magnético y la velocidad de rotación. El voltaje del inducido es el total de la fuerza contraelectromotriz y la caída de voltaje en los devanados del inducido. Dado que la caída de tensión del devanado es muy pequeña en funcionamiento normal, la tensión del inducido es aproximadamente equivalente a la fuerza contraelectromotriz.

Cuando el voltaje del inducido y el par de carga se mantienen constantes, la velocidad del motor es inversamente proporcional al flujo magnético. Una reducción en el flujo magnético reducirá la fuerza electromotriz, aumentará la diferencia de voltaje del circuito de la armadura y aumentará la corriente de la armadura. La corriente más alta compensa la pérdida de torque debido al flujo magnético debilitado y mantiene un torque de salida estable. Finalmente, el motor funciona más rápido con un flujo magnético menor y más lento con un flujo magnético mayor.

Para motores de CC con devanados de campo, el flujo magnético se puede ajustar variando la corriente de campo. Una resistencia variable conectada en serie dentro del circuito de potencia de la bobina de campo permite la regulación: reducir la resistencia aumentará la corriente de campo, fortalecerá el campo magnético y aumentará el flujo magnético.

Los motores de CC de imanes permanentes no están equipados con devanados de campo y su campo magnético es suministrado por imanes permanentes. Para aumentar el flujo magnético, se pueden utilizar imanes con mayor rendimiento magnético. Además, el anillo de retención magnético es un componente de alta permeabilidad magnética. Restringe el flujo magnético perdido de los imanes y optimiza el circuito magnético interno. La instalación de un anillo de retención magnético reduce la pérdida magnética y aumenta el flujo magnético efectivo para la conversión de energía electromecánica.

Control de resistencia de armadura

El control de la resistencia del inducido logra una reducción de la velocidad insertando una resistencia variable en serie con el circuito del inducido. A medida que aumenta la resistencia, aumenta la caída de voltaje a través de la resistencia, lo que deja menos voltaje disponible para accionar el motor y da como resultado una velocidad más baja. Por el contrario, reducir la resistencia permite que llegue más voltaje a la armadura, aumentando la velocidad hasta el valor nominal del motor.

Si bien este método es simple, de bajo costo y fácil de implementar, tiene desventajas notables. Una parte importante de la energía de entrada se disipa en forma de calor en la resistencia, lo que resulta en una menor eficiencia general, particularmente a velocidades reducidas. Además, este método sólo permite una reducción de la velocidad por debajo de la velocidad nominal y proporciona un control relativamente aproximado en comparación con los métodos electrónicos. Como resultado, el control de la resistencia del inducido generalmente se limita a aplicaciones de menor potencia, sistemas de control básicos o situaciones en las que el ajuste de velocidad ocasional y no crítico es suficiente y las soluciones de accionamiento electrónico no se justifican por el costo.

Agregar un reductor de caja de cambios

Además de los métodos de control eléctrico descritos anteriormente, la velocidad de salida también se puede ajustar mecánicamente acoplando el motor de CC a una caja reductora. Una caja de cambios reduce la velocidad de rotación entregada por el eje del motor mientras aumenta proporcionalmente el par disponible en el eje de salida, de acuerdo con la relación de reducción de engranajes seleccionada para la aplicación.

Este enfoque es especialmente valioso cuando una aplicación requiere una velocidad de salida fija y predecible que es significativamente menor que el rango de operación natural del motor, o cuando se necesita un par alto a baja velocidad sin imponer demandas eléctricas excesivas al motor mismo. Debido a que el motor puede continuar funcionando cerca de su rango óptimo de velocidad y eficiencia mientras la caja de cambios maneja la reducción de velocidad, esta combinación a menudo ofrece una mejor eficiencia y durabilidad general que depender únicamente de métodos eléctricos para lograr velocidades de salida muy bajas. Los reductores de caja de cambios se utilizan ampliamente junto con motores de CC con escobillas en aplicaciones de robótica, automatización industrial, electrodomésticos y herramientas eléctricas, y se pueden combinar con cualquiera de los métodos de control de velocidad eléctrica anteriores para un mayor ajuste de la velocidad de salida final.

Conclusión

El control de velocidad de los motores de CC es fundamental para optimizar el rendimiento del sistema, mejorar la eficiencia energética y lograr las funciones diseñadas. Al elegir una solución adecuada, es esencial tener plenamente en cuenta las demandas reales de las aplicaciones, los objetivos de eficiencia energética y los presupuestos de costes. Los motores de CC con escobillas de Hongyang Motor presentan un diseño flexible y son compatibles con varias soluciones de control de velocidad para satisfacer las distintas necesidades de los clientes. Ofrecemos configuraciones integrales de productos y soporte técnico profesional para ayudar a que el equipo alcance su mejor estado operativo.