• por “Elettrico? Sì, grazie” de Luca Cassioli

    2014-07-07

    El circuito lógico, conocido como “controlador”, se ocupa de la creación de una forma de onda de la corriente adecuada para que pueda conducir el “conductor” el motor; sin embargo, esta corriente es muy pequeña, del orden de unos mA (miliamperios), totalmente insuficiente para alimentar el motor: en su lugar, recibe la corriente más potente (decenas de amperios, por lo tanto, decenas de miles de mA) del “conductor”, un circuito compuesto, fundamentalmente, por un cierto número de “interruptores”que se “encienden” y se “apagan” en la secuencia apropiada según lo ordenado por la forma de onda recibida del “controlador”. No se trata, obviamente, de interruptores electromecánicos, sino de transistores de potencia: BJT, MOSFET o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) dependiendo de la cantidad de corriente que deban proporcionar.

     

    La forma de onda construida por el “controlador” es compleja y varía dependiendo de cada motor sin escobillas.

     

    Si es muy interesante saber es que esta forma de onda tiene un ciclo de trabajo (duty cycle), de la que depende la velocidad alcanzada por el motor y la energía consumida. Por ciclo de trabajo (duty cycle) se entiende el porcentaje de tiempo, durante un periodo determinado, durante el que fluye la corriente al motor. Si suponemos que tenemos cuatro períodos de tiempo durante el cual el motor recibe la forma de onda generada por el “controlador/conductor”, tendremos que en cada uno de estos períodos, la corriente puede fluir todo el tiempo, o sólo para un porcentaje de ella:

    Para visualizar este concepto, podemos imaginarnos una silla giratoria clásica. Si le damos un impulso en un reposabrazos, la silla comenzará a girar. Cuando la silla haya completado un círculo completo, podemos empujar de nuevo el reposabrazos para mantener o aumentar la velocidad: lo que podemos hacer es impulsar por más tiempo o empujar más fuerte o más rápido. En el primer caso, variamos nuestro ciclo de trabajo (duty cycle), mientras que en el segundo, aplicamos una fuerza mayor, y puesto que en un motor eléctrico, fuerza, par y potencia están correlacionados, es como si, en un motor sin escobillas, proporcionáramos más corriente.


    Del ajuste de la duración del impulso y de su intensidad es de lo que se ocupa el acelerador de un vehículo eléctrico, que no está conectado directamente al motor si no a la unidad de control (“controlador/conductor”), que dependiendo de la posición del mando y la forma en que la misma unidad de control (“controlador/conductor”) está programada, así como de la resistencia encontrada en el motor y muchos otros parámetros, decidirá cuánto aumentar el ciclo de trabajo (duty cycle) y la corriente suministrada al motor, variando de esta manera el comportamiento del vehículo.


    Los motores sin escobillas, en lugar de las escobillas, tienen imanes permanentes (de ahí que también se les denomine motores de imanes permanentes), que reciben impulsos de electroimanes, es decir, imanes en los que el campo magnético varía en función de la intensidad de la corriente que reciben, por lo tanto, lo que hace el “conductor” es proporcionar a estos electroimanes una corriente adecuadamente modulada por el “controlador” para hacer rotar el motor.  


    La velocidad a la que gira el motor debe ser conocida en todo momento por el “controlador”, para que pueda “decidir” cómo modular la forma de onda. Para ello, puede utilizar dos métodos, el primero detectar la posición y la velocidad de los imanes permanentes del motor con sensores hall o el segundo medir la fuerza controelectromotriz producida por el motor. Se trata de una tensión que el motor comienza a producir cuando se empieza a mover y se opone a la proporcionada por el “controlador/conductor”. Es precisamente la existencia de esta “tensión inversa” (unida, obviamente, a la fricción) la que evita que el motor pueda alcanzar una velocidad infinita: aumentando proporcionalmente a la velocidad (a través de una constante Kv -kilovoltio- indicada en la ficha técnica del motor), la fuerza controelectromotriz (BEMF en inglés) finalmente, esta última llega a un valor igual a la tensión suministrada desde el “controlador”, que es asimismo la de las baterías y en este punto, el motor ya no puede acelerar, ya ha alcanzado su velocidad máxima, que por lo tanto está vinculada a la tensión proporcionada.


    Si esta tensión se incrementara aún más, entonces, el motor podría continuar aumentando su velocidad, pero se deben tener en cuenta algunas limitaciones: las eléctricas, las mecánicas y las legales.


    De hecho, aumentando la tensión, dado que la resistencia interna del motor permanece constante, debe aumentar inevitablemente la corriente (V = R x I → I = V/R), con el riesgo de que una corriente excesiva pueda quemar el motor. Aquí es donde interviene la unidad de control para limitar la corriente.


    Por tanto, en teoría, debería ser posible “pasar de vueltas” un motor sin escobillas, es decir, proporcionar una tensión mayor de la prevista, sin dañarlo, si esta tensión está suministrada desde el “controlador” manteniendo la corriente dentro de los límites establecidos. Se trataría, por lo tanto, de conectar baterías a tensiones más altas con el “controlador”, que debería ser capaz de:


    • Aceptar voltajes de entrada mayor.

    • Mantener la corriente de salida bajo el mismo límite resultante de la aplicación de la tensión estándar.


    Sería necesario que la tensión y la corriente recibidas y emitidas por el “controlador” fueran regulables por separado y asi poder hacer en un vehículo eléctrico los cambios necesarios que permitieran aumentar la velocidad. Con respecto a los límites mecánicos, debe tenerse en cuenta que aumentando la velocidad, también aumenta la fricción del eje y la fuerza centrífuga: el primero aumenta el calentamiento del motor, mientras que la segunda aumenta la tensión. Si ambos aumentan en exceso, podrían dañar el motor.


    Y por último, respecto a los límites legales: cada vehículo está homologado para una velocidad máxima a la que ha sido testado y matriculado como equivalente a 50cc, equivalente a 125cc o equivalente a 150cc en el caso del scooter, como cuadriciclo ligero, pesado o como un coche en el caso de vehículos de cuatro ruedas. Las diversas categorizaciones dependen precisamente de la velocidad máxima. Por lo tanto, debemos considerar dos límites legales:


    • Un vehículo no puede circular más rápido que la velocidad para la que fue homologado, para la que fue probado en pista y para la que está autorizado a circular de forma genérica en carreteras públicas.

    • Un vehículo homologado se matricula de manera diferente dependiendo de la velocidad máxima que pueda alcanzar: 45 km/h para los ciclomotores y cuatriciclos ligeros, entre 80 y 110 km/h para motocicletas de 125cc y cuadriciclos pesados, y más de 80 km/h para los automóviles.

    Fuente: La función del controlador en los motores sin escobillas

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