Caracterización experimental de un motor de corriente continua, Study Guides, Projects, Research of Electrical and Electronics Engineering

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CARACTERIZACIÓN DE UN MOTOR DE CD

CONTENIDO

• INTRODUCCIÓN
• MARCO TEÓRICO
  • MÁQUINAS ELÉCTRICAS
  • MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
• DESARROLLO - 1. MATERIALES A UTILIZAR - 2. Primera caracterización - 3. Barrido de Frecuencia - 4. Encontrando el ciclo de trabajo - 5. Medición de RPM con los valores óptimos - 6. Gráficas - 7. Simulaciones
• TABLAS DE RESULTADOS
• ANALISIS DE RESULTADOS
• DISCUSIÓN, RESULTADOS Y CONCLUSIÓN
• FOTOS DE EVIDENCIA
• BIBLIOGRAFÍA

MARCO TEÓRICO

MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Las máquinas eléctricas son el resultado de una aplicación inteligente de los principios del

electromagnetismo y en particular de la ley de inducción de Faraday. Las máquinas eléctricas

se caracterizan por tener circuitos eléctricos y magnéticos entrelazados. Durante todo el

proceso histórico de su desarrollo desempeñaron un papel rector, que determinaba el

movimiento de toda la ingeniería eléctrica, merced a su aplicación en los campos de la

generación, transporte, distribución y uso de la energía eléctrica. Las máquinas eléctricas

realizan una conversión de energía de una forma a otra, una de las cuales, al menos, es

eléctrica. En base a este punto de vista, estrictamente energético, es posible clasificarlas en

tres tipos fundamentales:

1. Generador: transforma la energía mecánica en eléctrica. La acción se desarrolla por el

movimiento de una bobina en un campo magnético, resultando una f.e.m. inducida

que al aplicarla a un circuito externo produce una corriente que interacciona con el

campo y desarrolla una fuerza mecánica que se opone al movimiento. En

consecuencia, el generador necesita una energía mecánica de entrada para producir

la energía eléctrica correspondiente.

2. Motor: transforma la energía eléctrica en mecánica. La acción se desarrolla

introduciendo una corriente en la máquina por medio de una fuente externa, que

interacciona con el campo produciendo un movimiento de la máquina; aparece

entonces una f.e.m. inducida que se opone a la corriente y que por ello se denomina

fuerza contra electromotriz. En consecuencia, el motor necesita una energía eléctrica

de entrada para producir la energía mecánica correspondiente.

3. Transformador: transforma una energía eléctrica de entrada (de CA) con determinadas

magnitudes de tensión y corriente en otra energía eléctrica de salida (de CA) con

magnitudes diferentes. Los generadores y motores tienen un acceso mecánico y por

ello son máquinas dotadas de movimiento, que normalmente es de rotación; por el

contrario, los transformadores son máquinas eléctricas que tienen únicamente

accesos eléctricos y son máquinas estáticas.

Cada máquina en particular cumple el principio de reciprocidad electromagnética, lo cual

quiere decir que son reversibles, pudiendo funcionar como generador o como motor (en la

práctica, existe en realidad alguna diferencia en su construcción, que caracteriza uno u otro

modo de funcionamiento).

MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

Un motor CC está compuesto principalmente por el rotor y el inductor que a su vez se

componen de:

• Un imán fijo que constituye el inductor
• Un bobinado denominado inducido que es capaz de girar en el interior del primero, cuando

recibe una CC.

• Escobillas: cuya función es la de transmitir la corriente proveniente de la fuente CC al

colector o conmutador. Las escobillas son de grafito, material menos duro que el del

conmutador, con el fin de evitar el desgaste del mismo. Debido a que el acercamiento de las

escobillas al conmutador debe ser continuo para evitar las chispas entre una conmutación y

otra, las escobillas poseen un sistema de resortes que proveen la presión suficiente para

generar un contacto adecuado entre estas y el conmutador.

• El colector o conmutador es un conjunto de láminas (delgas) que van montadas sobre el

rotor, separadas entre sí y del eje por medio de materiales aislantes para evitar el contacto

eléctrico con estos. Su función es la de mantener la corriente que viene de las escobillas en

un flujo unidireccional y comunicándola de esta manera al inducido.

• Eje que tiene como responsabilidad ser la parte móvil del rotor y sobre el que van

montados: el inducido, el colector o conmutador y el núcleo del inducido. Para facilitar su

movimiento giratorio está soportado sobre cojinetes.

Figura 1. Partes de un motor de CD

DESARROLLO

1. MATERIALES A UTILIZAR

Motor de CD

Tacómetro

Bascula digital

Multímetro

Fuente de poder

Acople

Base para colocar el motor

2. Primera caracterización

Lo primero que se llevó a cabo fue fijar nuestro motor a una base, esto para trabajar mejor y

para obtener mejores resultados. Las primeras mediciones que se hicieron fueron las de las

revoluciones por minutos, el voltaje y la corriente sin carga, esto se muestra en la figura 3.

Figura 3. Montaje para le medición de rpm, corriente sin carga y voltaje.

Los resultados se mostrarán en una tabla en la sección correspondiente.

Una vez obtenidas estas mediciones, se tomarán las mediciones de la masa que levanta este

motor, para ellos nos apoyaremos de la estructura que se muestra en la figura 4.

Donde se colocará una bascula digital para posteriormente calcular la fuerza, el torque y las

potencias mecánica y eléctrica.

Estos resultados se mostrarán en una tabla al final de este documento.

Figura 5. Ejemplo de como se llevaron a cabo las mediciones.

3. Barrido de Frecuencia

Una vez medidos los parámetros y obtenido el torque máximo, nos toca obtener la frecuencia

ideal para nuestro motor. Para ello lo que haremos es fijar el ciclo de trabajo al valor de 50%

e ir variando la frecuencia en intervalos de 50 en 50 hz hasta hallar el valor del torque medio

(el valor del torque máximo dividido entre dos, porque estamos trabajando el ciclo de trabajo

a 50%)

Se procede a volver conectar el motor a la base de apoyo, el voltaje se dejará fijo a 12 V y

para poder variar la frecuencia nos apoyaremos de un generador de funciones, y para

establecer el ciclo de trabajo nos apoyaremos de un puente H. Este procedimiento se

muestra en la figura 6.

Figura 6. Procedimiento para el barrido de frecuencia

También se continúa midiendo la masa, para poder calcular el torque con los datos obtenidos

en el barrido de frecuencia.

𝑚𝑎𝑥

Como se mencionó anteriormente se irá variando la frecuencia hasta hallar el valor del torque

medio:

𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜

Al ir variando la frecuencia trataremos de obtener el valor más cercano al torque medio, pero teniendo

en cuenta que, entre mayor frecuencia, mayor vibración presentará el motor, por lo que debemos de

elegir tomando en cuenta la frecuencia que mayor se aproxime al torque medio, pero que igual no sea

tan elevado el valor. Los resultados se muestran en la tabla 4.

Con los resultados obtenidos observamos que la frecuencia optima para el motor de DC que estoy

trabajando es de 150 hz.

5. Medición de RPM con los valores óptimos

Finalmente, se miden los rpm fijando la frecuencia que encontramos para el motor y variando

el ciclo de trabajo nuevamente en intervalos de 5 en 5, la medición se hace sin carga. En la

figura 7, se muestra evidencia del trabajo.

Figura 8. Medición de los rpm con la frecuencia optima y variando el ciclo de trabajo.

Los resultados se muestran en la tabla 6.

6. Gráficas

Ahora con los datos obtenidos obtendremos algunas graficas para verificar nuestros

resultados, la primera grafica que se muestra es la de torque-corriente.

Grafica 1. Torque-Corriente

0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.

GRÁFICA TORQUE-CORRIENTE

La siguiente grafica será la de ciclo de trabajo-rpm

Grafica 2. RPM-Ciclo de trabajo

7. Simulaciones

Para comprobar resultados se utilizó el software Matlab simulink para emular nuestro sistema

y poder observar gráficamente los resultados de nuestra caracterización. El sistema

implementado se muestra en la figura 9.

Figura 9. Circuito en simulink

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

RPM-CICLO DE TRABAJO

TABLAS DE RESULTADOS

En la primera tabla se muestra todos los parámetros medidos

RADIO (m) VOLTAJE

CORRIENTE SIN

CARGA (A)

CORRIENTE CON

CARGA (A)

MASA (kg)

Tabla 1. Parámetros medidos en la primera caracterización

En la segunda tabla se muestra como se calcula la fuerza, el torque y los HP

VOLTAJE FUERZA ( 𝐦𝐠 ) TORQUE ( 𝐫𝐅 𝐬𝐢𝐧 𝛉 )

HP (

𝛕×𝐫𝐩𝐦

𝟓𝟐𝟓𝟐

1 2.2563 0.022563 2.14804E- 05

2 3.97305 0.0397305 6.65705E- 05

Tabla 2. Cálculo de fuerza, torque y de los HP en la primera caracterización

Y en la última tabla se muestra como se calcularon las potencias mecánicas, eléctricas y la

eficiencia calculada con los HP y calculada con la potencia mecánica/potencia eléctrica:

VOLTAJE

EFICIENCIA

CON LOS HP

POTENCIA

MECÁNICA

POTENCIA

ELÉCTRICA

SIN CARGA

POTENCIA

ELÉCTRICA

CON CARGA

EFICIENCIA

𝐏

𝐨𝐮𝐭

𝐏

𝐢𝐧𝐭

𝐏

𝐦𝐞𝐜

𝐏

𝐞𝐥𝐞𝐜

Tabla 3. Cálculo de la eficiencia y de las potencias

VOLTAJE FRECUENCIA MASA CORRIENTE FUERZA (mg)*

TORQUE

Tabla 4. Resultados del Barrido de Frecuencia

ANALISIS DE RESULTADOS

En esta caracterización del motor de cd obtuvimos el proceso de linealización para este

motor, como observamos en las graficas 1 y 2 la línea tiende a ser recta a excepción de

algunas partes que pueden ser error de nuestras tomas de medición o de los instrumentos

que se utilizaron, pero obtuvimos los resultados esperados.

DISCUSIÓN, RESULTADOS Y CONCLUSIÓN

En esta practica se llevo a cabo el procedimiento para caracterizar y linealizar un motor de

manera experimental. Como observamos en nuestras graficas el motor tiende a linealizarse

lo que quiere decir que nuestros resultados son correctos.

El porque es importante llevar a cabo una linealización experimental de un motor es porque

en las industrias muchos de los motores que se utilizan ya tienen años de que fueron

adquiridos y muchos de sus parámetros han disminuido o los datos se han perdido por lo que

se buscaran soluciones ante estos problemas y este método experimental es muy eficiente y

aunque ahora se utilizo para un motor de un voltaje no muy alto, el procedimiento es el

mismo para los demás motores de cd.