Двигатель постоянного тока - ШИМ против напряжения

При управлении двигателем постоянного тока с номинальным напряжением 5 В теоретически я могу управлять двигателем следующими способами:

1. 5 В со 100% рабочим циклом ШИМ.
2. 10 В с 50% рабочим циклом ШИМ.
3. 20 В с рабочим циклом 25%.

Есть ли разница между ними? Сократит ли использование опции 2/3 срок службы двигателя? Повлияет ли изменение частоты ШИМ на срок службы двигателя? Причиной этого является то, что при более высоком напряжении двигатель может работать намного медленнее.

Да, это очень разные. ШИМ-привод и привод напряжения по отдельности не так уж много значат, но при таком сочетании вы получите существенно различную производительность.

Электрически вы можете смоделировать двигатель как индуктор (обмотки), резистор и источник напряжения (ЭДС, пропорциональная скорости двигателя). Когда вы подаете более низкое напряжение по сравнению с более высоким, вы будете:

• получить более медленный через обмотку двигателя, что снижает крутящий момент$dI/dt$
• иметь более низкую максимальную скорость из-за обратной ЭДС

С ШИМ и более высоким напряжением вы сможете достичь более высоких пиковых скоростей и часто гораздо более высокого крутящего момента при одинаковых скоростях.

Нет реальной причины, по которой двигатель будет поврежден при подаче более высокого напряжения. Повреждение двигателя вызвано:

• Подшипник перегрузки (например, толкая вбок на валу упорного подшипника оси)
• Превышение скорости подшипника (зависит в основном от используемого масла)
• Искрение щетки (вызвано высокими скоростями и, в гораздо меньшей степени, также большим током)
• деформация и расслаивание внутренних структур из-за перегрева

Кроме того, перегрев или работа двигателя при очень высоких токах приведет к (значительному) снижению крутящего момента из-за магнитного насыщения.

Если вы можете гарантировать, что ваш двигатель не выходит за пределы скорости, крутящего момента и силы, а также надлежащим образом охлаждает его, то нет никаких недостатков в работе его при более высоких напряжениях с ШИМ.

Двигатель с ШИМ-приводом является понижающим преобразователем . В той степени, в которой ваша схема и двигатель представляют собой хороший понижающий преобразователь, нет разницы между каждым из ваших вариантов.

Некоторые вещи, которые нужно иметь в виду:

$1000V$$20V$

Если ваша частота ШИМ слишком мала для индуктивности обмотки двигателя, ток в каждом цикле ШИМ будет значительно меняться, у вас будет сильная пульсация крутящего момента, и у вас больше не будет хорошего понижающего преобразователя. Производительность и эффективность пострадают. В крайнем случае вы можете даже не заставить мотор вращаться .

Как и в случае понижающего преобразователя, в ШИМ-приводе используются транзисторы и другие схемы, что неизбежно приводит к дополнительным потерям. Привод ШИМ также более сложен в разработке, труднее в правильной работе, дороже в реализации и т. Д. Некоторые из этих потерь (например, потери гистерезиса) находятся внутри двигателя и приводят к более высокой температуре двигателя, которая обычно это ограничивающий параметр для производительности двигателя, а более высокая температура в целом сокращает срок службы двигателя. Однако вам потребуется очень плохая конструкция, чтобы эти потери приближались к потерям, которые у вас уже есть на постоянном токе, например, к резистивным потерям в обмотках, поэтому разница между КПД ШИМ и КП постоянного тока невелика.

Есть несколько вещей, на которые нужно обратить внимание при использовании ШИМ.

Во-первых, напряжение ШИМ, которое будет видеть ваш двигатель, будет иметь высокочастотные гармоники. Эти гармоники приведут к потерям в вашем двигателе, которых не было бы, если бы вы использовали постоянное напряжение. Это означает, что ваш двигатель будет нагреваться при использовании PWM и DC (при прочих равных условиях). Как это влияет на жизнь вашего мотора, зависит от многих вещей. В мире двигателей существует очень грубое правило, согласно которому при каждом увеличении температуры катушки двигателя на 10 ° C срок службы изоляции двигателя уменьшается вдвое. Вам нужно будет провести тест на номинальные характеристики двигателя с ШИМ-приводом, который вы используете, чтобы либо снизить номинальные характеристики двигателя, либо сказать, насколько горячее он станет при использовании ШИМ с номинальной табличкой. Однако большинство людей действительно готовы для этого теста.

Во-вторых, если вы говорите о низких напряжениях, таких как ваш пример (5–20 В), само повышенное напряжение, вероятно, не окажет большого влияния на срок службы изоляции. Очевидно, что это зависит от двигателя, но, как правило, изоляция в двигателях может выдерживать напряжения не менее 1000 В в течение коротких периодов времени. Учитывая скачки напряжения из-за ШИМ, это означает, что вам не нужно беспокоиться об уменьшении срока службы изоляции, пока вы не говорите о двигателях с номинальным напряжением ~ 400В-600В или выше. Более высокое напряжение с ШИМ может повлиять на срок службы щетки, но это действительно трудно сказать без тестирования.