En un motor de CC, ¿hay un punto de conmutación que sea óptimo en todos los aspectos?

Esta pregunta reciente me hizo pensar en el tiempo de conmutación y por qué avanzar puede ser deseable. Sin embargo, quería considerar más profundamente los fenómenos subyacentes, y estoy bastante seguro de que mi comprensión es incompleta, así que pensé en probar una nueva pregunta.

Los campos del estator y el rotor se combinan para formar un campo general girado, y algunos motores adelantan el tiempo de conmutación para reducir el arco del conmutador. Aquí hay una ilustración de este artículo sobre sistemas eléctricos submarinos :

La sección donde aparece esto está discutiendo generadores, por lo que la flecha etiquetada "rotación" está hacia atrás si estamos pensando en esto como un motor. Si se tratara de un motor, con las corrientes y el campo dibujados, esperaríamos que girara en la dirección opuesta, en sentido antihorario.

Dado que en la etiqueta de punto "nuevo plano neutro" el rotor no pasa a través de ninguna línea de fuerza magnética, no hay voltaje inducido, por lo que si se realiza la conmutación aquí habrá un arco mínimo.

Pero, al mover el punto de conmutación, ¿hemos sacrificado algún otro parámetro? ¿Hemos reducido el par? ¿Eficiencia? ¿O es este el punto de conmutación óptimo en todos los aspectos?

Tengo entendido que el motor quiere girar en sentido antihorario porque esto representa una energía potencial menor al desenrollar el campo y alinear los campos del estator y el rotor. ¿Es esto correcto?

Gira debido a las fuerzas que actúan alrededor de su eje de rotación. Esas fuerzas crean un par que a su vez crea una aceleración angular del rotor.

Pero si movemos el punto de conmutación hacia allí, ¿no hemos rotado el campo del estator, dando lugar a un nuevo plano neutral nuevo? Si repetimos este ajuste, ¿converge en un punto de conmutación óptimo o seguimos girando por todas partes? ¿Es este punto de conmutación óptimo en todos los aspectos, o hay algunos compromisos que hacer?

Por definición cada vez que se gira uno de los campos que tiene un nuevo plano neutro. El punto de conmutación en un motor entero es mantener el plano neutro en el ángulo al que el par se maximiza.

Siempre he oído que el momento debe ser el más avanzado a mayor velocidad. ¿Pero esto es estrictamente cierto, o es una función de la intensidad de campo bobinado / corriente, que sólo pasa a ser correlacionada con la velocidad en el caso de una carga mecánica constante?

Creo que se está mezclando dos efectos aquí. Consideremos un motor sin escobillas. Dada una corriente que fluye a través de sus bobinas se asentará en su plano neutro. En este punto el par es cero (fricción ignorando). Ahora empieza a girar lentamente con la mano y el gráfico de la posición de par vs. El máximo de ese gráfico es su punto de conmutación "óptima velocidad lenta". Se podría derivar una aproximación muy cercana de ese gráfico usando modelos matemáticos. Yo no diría que este avance de la sincronización. Dependiendo del número de fases y polos sería en algún ángulo fijo desde el plano neutral. En un sistema de circuito cerrado sin escobillas con un codificador de posición y no hay sensores de efecto Hall que normalmente pasan por una secuencia en la que se pone un poco de corriente a través de los bobinados para descubrir la posición del plano neutro.

En una situación dinámica, desea seguir girando el campo bajo su control para mantener la misma fase frente a los imanes fijos. Debido a la inductancia y varios efectos no lineales como la saturación magnética.y la temperatura, el tiempo de control tiene que cambiar en función de la velocidad para tratar de mantener la misma fase entre los campos. Esencialmente hay un retraso entre el momento en que se da una orden y el cambio real en el campo lo que el comando se da antes, "avanzado", para compensar por ello. En un motor con escobillas que sólo puede tener un avance de fase fija por lo que necesita para hacer algún tipo de compromiso si va a funcionar en diferentes velocidades. También hay compromisos estáticos en los motores de cepillado, por ejemplo, el tamaño de los cepillos y la naturaleza de encendido / apagado del control. En algunas situaciones este retraso es de todos modos insignificante.

Es un controlador BLDC sin sensores que detecta la fuerza contraelectromotriz cruces por cero para encontrar el punto de conmutación un ejemplo de un motor de este tipo?

Creo que los cruces por cero de EMF posteriores son insuficientes. Solo reflejan el posicionamiento "estático" descrito anteriormente. Por lo tanto, también necesitaría conocer los parámetros del motor antes de poder optimizar su control (por ejemplo, usando algo como el control orientado al campo )

Tiene razón en que el punto neutral es donde se ubicaría nominalmente el punto de ajuste del pincel. Mientras el rotor gira, los campos no se mueven efectivamente (mucho), ya que el movimiento del rotor hará que se energice el siguiente conjunto de devanados de armadura. Por lo tanto, la imagen de campo en "C" simplemente estará "moviéndose" a medida que se muevan los diferentes devanados del inducido.

Para la producción de par máximo, desea que el flujo de armadura y los flujos de campo estén correctamente alineados y con "fuerza máxima". (ignorar ese par es realmente la interacción de una corriente y un flujo ...)

Tenga en cuenta que hay una constante de tiempo para que la corriente aumente en el devanado del inducido debido a la resistencia e inductancia del devanado. Esto provoca un retraso en el flujo / corriente de la armadura. Si no se compensa esta demora, no se logrará una producción de torque óptima. Avanzar en el ángulo de conmutación es una forma de abordar esto.

El ángulo de avance "correcto" depende de la velocidad del rotor, la constante de tiempo del circuito de armadura y el número de polos de armadura. Dado que la constante de tiempo de armadura es un tiempo fijo, para velocidades de rotor más rápidas, se debe aumentar el ángulo de avance.

El plano neutral no depende de la velocidad, solo de la corriente. El campo magnético del estator (horizontal en la imagen de arriba) y el campo magnético de la armadura (vertical en la imagen de arriba) realmente no "suman" a menos que piense en cada uno de los campos como un vector. Si es así, entonces debería poder ver que el plano neutro puede moverse a medida que los dos campos cambian uno con respecto al otro (por ejemplo, si el campo magnético del estator permanece igual y el campo magnético de la armadura aumenta o disminuye, el plano neutro Se moverá). Debido a esto, puede ver por qué el plano neutral depende de la corriente, no de la velocidad. La corriente a través del estator y / o armadura (que depende de la carga) determina la fuerza de los campos magnéticos, lo que a su vez determina la ubicación del plano neutro.

Los pinceles se pueden desplazar para alinearlos con el plano neutral. Pero dado el hecho de que la ubicación del plano neutral depende de la carga, puede que no haya una posición ideal ("alineada correctamente") para cambiar los cepillos porque la mayoría de las aplicaciones no tienen un solo punto de carga. También es importante tener esto en cuenta si su aplicación requiere rotación en ambas direcciones. En mi experiencia, la mayoría de los diseñadores de motores confían en una combinación de experiencias pasadas y experimentos para determinar la alineación adecuada del cepillo para una aplicación determinada.