Moteur à courant continu - PWM vs tension

Lors du contrôle d'un moteur à courant continu évalué à 5 V, je peux théoriquement conduire le moteur de ces manières:

1. 5V avec 100% de rapport cyclique PWM.
2. 10 V avec 50% de rapport cyclique PWM.
3. 20V avec un facteur de marche de 25% PWM.

Y a-t-il une différence entre les deux? L'utilisation de l'option 2/3 raccourcira-t-elle la durée de vie du moteur? La modification de la fréquence PWM améliorerait-elle la durée de vie du moteur? La raison en est qu'il est possible de faire tourner le moteur beaucoup plus lentement avec une tension plus élevée.

Oui, c'est très différent. Le variateur PWM et le variateur de tension séparément ne signifient pas vraiment grand-chose, mais lorsqu'ils sont combinés de cette manière, vous obtiendrez des performances sensiblement différentes.

Électriquement, vous pouvez modéliser un moteur comme une inductance (enroulements), une résistance et une source de tension (l'EMF, proportionnelle à la vitesse du moteur). Lorsque vous appliquez une tension inférieure à une tension supérieure, vous:

• obtenir un plus lent à travers les enroulements du moteur, réduisant le couple$dI/dt$
• avoir une vitesse maximale inférieure en raison de l'EMF arrière

Avec PWM et une tension plus élevée, vous pourrez atteindre des vitesses de pointe plus élevées et souvent un couple beaucoup plus élevé à des vitesses égales.

Il n'y a aucune raison réelle qu'un moteur s'endommage lors de l'application de tensions plus élevées. Les dommages au moteur sont causés par:

• Surcharge des roulements (par exemple, pousser latéralement sur l'arbre d'un essieu de butée)
• Survitesse du roulement (dépend principalement de l'huile utilisée)
• Arcs au pinceau (causés par des vitesses élevées et dans une mesure beaucoup, beaucoup moins importante également un courant plus élevé)
• déformation et délaminage des structures internes dues à une surchauffe

De plus, une surchauffe ou le fonctionnement d'un moteur à des courants très élevés entraînera une réduction (significative) du couple en raison de la saturation magnétique.

Si vous pouvez garantir que vous gardez votre moteur dans les limites de vitesse, de couple et de force ainsi que le refroidir correctement, il n'y a aucun inconvénient à le faire fonctionner à des tensions plus élevées avec PWM.

Un moteur entraîné par PWM est un convertisseur abaisseur . Dans la mesure où votre circuit et votre moteur font un bon convertisseur buck, il n'y a pas de différence entre chacune de vos options.

Quelques points à garder à l'esprit:

À une tension beaucoup plus élevée, peut-être autour $1000V$, l'isolation des enroulements échouera. $20V$ est beaucoup trop faible pour que cela soit une préoccupation.

Si votre fréquence PWM est trop faible pour l'inductance d'enroulement du moteur, le courant sur chaque cycle PWM changera considérablement, vous aurez une ondulation de couple élevée et vous n'aurez plus un bon convertisseur abaisseur. Les performances et l'efficacité en souffriront. Dans le cas extrême, vous ne pouvez même pas faire tourner le moteur .

Tout comme avec un convertisseur abaisseur, un variateur PWM implique des transistors et d'autres circuits, ce qui entraîne nécessairement des pertes supplémentaires. La commande PWM est également plus complexe à concevoir, plus difficile à faire fonctionner correctement, est plus coûteuse à mettre en œuvre, etc. Certaines de ces pertes (par exemple, les pertes d'hystérésis) se trouvent à l'intérieur du moteur et entraîneront une température plus élevée du moteur, généralement le paramètre limitant pour la performance du moteur, et une température plus élevée réduira globalement la durée de vie du moteur. Cependant, vous auriez besoin d'une conception très médiocre pour que ces pertes s'approchent des pertes que vous avez déjà au courant continu, telles que les pertes résistives dans les enroulements, de sorte que la différence entre le PWM et l'efficacité du variateur CC n'est pas beaucoup.

Il y a quelques choses que vous devez faire attention lorsque vous utilisez PWM.

Tout d'abord, la tension PWM que votre moteur verra aura des harmoniques haute fréquence. Ces harmoniques introduiront des pertes dans votre moteur qui ne seraient pas là si vous utilisiez une tension continue. Cela signifie que votre moteur deviendra plus chaud avec PWM vs DC (toutes choses étant égales par ailleurs). Comment cela affecte la vie de votre moteur dépend de beaucoup de choses. Il existe une règle empirique très grossière dans le monde du moteur qui dit que pour chaque augmentation de 10 ° C de la température de la bobine du moteur, vous réduisez de moitié la durée de vie de l'isolation du moteur. Vous devriez faire un test de puissance sur le moteur avec le variateur PWM que vous utilisez pour déclasser le moteur ou pour vous dire combien il ferait plus chaud en utilisant PWM à la puissance nominale. La plupart des gens sont vraiment équipés pour faire ce test.

Deuxièmement, en supposant que vous parlez de basses tensions comme votre exemple (5V-20V), l'augmentation de la tension elle-même n'aura probablement pas beaucoup d'effet sur la durée de vie de l'isolation. Évidemment, cela dépend du moteur, mais généralement l'isolation des moteurs peut supporter des tensions allant jusqu'à au moins 1000 V pendant de courtes périodes. Étant donné les pointes de tension dues au PWM, cela signifie que vous n'avez pas vraiment à vous soucier de la réduction de la durée de vie de l'isolation jusqu'à ce que vous parliez de moteurs qui sont évalués à ~ 400V-600V ou plus. Les tensions plus élevées avec PWM pourraient avoir un effet sur la durée de vie de la brosse, mais c'est vraiment difficile à dire sans test.