Potencia, fuerza, torque y esas cosas

Es muy común el uso de los términos fuerza y potencia como si fueran sinónimos. Pero lo cierto es que no es así.

El torque y la potencia son dos indicadores del funcionamiento del motor, nos dicen cuanta fuerza puede producir y con qué rapidez puede trabajar.

Al torque también se le refiere como PAR, pero en esta publicación le seguiremos llamando TORQUE

La fuerza que producen los cuerpos en rotación es eso que llamamos torque. El torque es una fuerza que tiende a rotar o hacer que las cosas giren, por ejemplo, al girar una llave en la cerradura o al atornillar una tuerca, uno está aplicando un torque. En el SI (Sistema Internacional de Unidades) se representan con las unidades newton-metro, kilográmetro y en el sistema inglés se utilizan las Libras-pie, que son medidas de fuerza y distancia respectivamente.

Para medir el torque, utilizamos un banco ó freno dinamométrico, es una instalación en la que el motor puede girar a toda su capacidad conectando, mediante un eje, a un freno o balanza que lo frena en forma gradual y mide la fuerza de frenando.

El torque se calcula multiplicando la fuerza por la distancia, lo cual también aplica para un automóvil, ya que el efecto es el mismo. Existe una fuerza aplicada a una distancia determinada que produce el conocido “torque de los vehículos”.

Mientras mayor sea el torque máximo de un motor, más fuerte es. Esto es interesante al momento de comparar motores ya que sin importar el tamaño, el tipo, el sistema de encendido ó el de inyección, un motor tendrá más fuerza que otro cuando su torque máximo sea mayor. La tendencia mundial es lograr motores con el torque más alto posible en todas las revoluciones y principalmente al arrancar.

La potencia indica la rapidez con que puede trabajar el motor. La potencia máxima es el mayor número obtenido de multiplicar el torque del motor por la velocidad de giro en que lo genera.

Mucho se debate entre qué más importante en un motor, el torque o la potencia. Para poderlo decidir es importante saber la diferencia. El torque da la capacidad de arrancar rápidamente después de detenerlo, es decir, “se siente un fuerte empujón”. En cambio, la potencia proporciona la capacidad de acelerar a altas velocidades.

El torque y la potencia son indicadores de lo que el motor puede hacer.

Los valores de torque y potencia que publican los fabricantes cumplen normas internacionales las cuales pueden variar según el origen del motor, y lo que leemos en las especificaciones se trata de los valores máximos.

El torque es la fuerza del motor ya que la entrega en forma de giro.

La potencia se obtiene a partir del torque y las revoluciones.

Un motor tiene torque máximo y potencia máxima y en los motores de combustión interna estos no se presentan a las mismas revoluciones y en los motores electricos el torque es casi constante desde el primer giro.

Comprender la ecuación de par y la relación entre velocidad y torque es una parte importante de la selección y el funcionamiento de un motor de CC.

Los motores de CC son máquinas relativamente simples: cuando la carga en el motor es constante, la velocidad es proporcional a la tensión de alimentación. Y cuando la tensión de alimentación es constante, la velocidad es inversamente proporcional a la carga del motor. Esta segunda relación, entre la velocidad y la carga (o el torque), generalmente se muestra en la curva de torque-velocidad del motor.

La relación inversa entre velocidad y torque significa que un aumento en la carga (torque) en el motor causará una disminución en la velocidad. Esto se puede demostrar mediante la ecuación de par del motor de CC:

Motor Serie

Cuentan con devanados de armadura y campo conectados en serie, de modo que las corrientes de armadura y campo son iguales. Los motores en serie generan torques de arranque muy altos, velocidad extremadamente variable dependiendo de la carga, y gran velocidad cuando la carga es pequeña.

Los motores en serie grandes pueden fallar catastróficamente cuando se descargan súbitamente debido a la fuerza dinámica a altas velocidades, a esto se le llama sin control.

La curva torque-velocidad para un motor en serie tiene forma hiperbólica, lo que implica una relación inversa entre el torque y la velocidad, con una potencia casi constante.

Motores de Imán Permanente (PM)

En este tipo de motores, los campos del estator son generados mediante imanes permanentes que no requieren fuente de alimentación externa y por lo tanto no producen un calentamiento. Los motores PM son más ligeros y pequeños en comparación con otros motores de CD con algunas características equivalentes ya que la intensidad del campo del imán permanente es alta. También resulta sencillo invertir el sentido de giro al conmutar la dirección del voltaje aplicado, ya que la corriente y el campo cambian de dirección sólo en el rotor.

El motor de imán permanente es ideal en aplicaciones de control por computadora debido a su linealidad torque-velocidad, aunque únicamente se utilizan en aplicaciones de baja potencia pues su potencia nominal usualmente es limitada.

Los motores CD de imán permanente pueden ser motores con escobillas, sin escobillas o de pasos.

Percepción.

A menudo escucho a los evangelistas de vehículos eléctricos que los motores producen todo el torque desde el primer giro.

En los motores eléctricos, el torque es proporcional a la corriente. Esto es independiente de la velocidad, por lo que funciona igual de bien desde alto total hasta avanzar a toda velocidad en la autopista. La corriente se controla mediante la producción de pulsos a través de un transistor que puede hacer esto cientos de miles de veces por segundo. Existe cierto retraso para acumular más corriente debido a la inductancia de los devanados del motor, pero este retraso es del orden de microsegundos, como máximo de milisegundos y muy por debajo del rango de percepción humana. Recuerde que las personas tienen dificultades para detectar un retraso inferior a unos 50 ms.