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CARACTERISTICAS DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

1. RESUMEN En la siguiente práctica de laboratorio nos familiarizamos con todo lo que respecta a motores de corriente continua. En este curso es un nuevo tema ya que anteriormente hemos trabajado con motores de corriente continua. Aquí aprendimos sobre los tipos de motores de corriente continua que existen y las características de cada uno de ellos. Finalmente trabajamos con un tipo específico de motor, así realizando medidas de voltaje y corriente, para luego graficar los resultados y hallar las diferentes curvas que se necesiten hallar para este trabajo. 2. PROBLEMA:  ¿Cómo examinar la estructura de un motor de C.C.?  ¿Cómo medir la resistencia de los devanados de un motor de C.C.?  ¿Cómo localizar la posición neutra de las escobillas?  ¿Cómo obtener en forma experimental las curvas características de los motores de C.C.? 3. FUNDAMENTO TEÓRICO  Motor de corriente continua:



El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor DC) es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción que se genera del campo magnético.



Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina, conocidos también con el nombre de polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre un núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones).

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El principal inconveniente de estas máquinas es el mantenimiento, muy caro y laborioso, debido principalmente al desgaste que sufren las escobillas al entrar en contacto con las delgas.

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Algunas aplicaciones especiales de estos motores son los motores lineales, cuando ejercen tracción sobre un riel, o bien los motores de imanes permanentes. Los motores de corriente continua (CC) también se utilizan en la construcción de servomotores y motores paso a paso. Además existen motores de DC sin escobillas llamados brushless utilizados en el aeromodelismo por su bajo torque y su gran velocidad.



Es posible controlar la velocidad y el par de estos motores utilizando técnicas de control de motores CD.

 Principio De Funcionamiento Según la ley de Fuerza simplificada, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha. Es importante recordar que para un generador se usará la regla de la mano derecha mientras que para un motor se usará la regla de la mano izquierda para calcular el sentido de la fuerza.

 F: Fuerza en newtons  I: Intensidad que recorre el conductor en amperios  L: Longitud del conductor en metros  B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas

El rotor tiene varios repartidos por la periferia. A medida que gira, la corriente se activa en el conductor apropiado. Normalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el extremo opuesto del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento.

 Fuerza contraelectromotriz inducida en un motor Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador de pines. La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en bornes del motor. 2

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Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que con la máquina parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se comporta como una resistencia pura del circuito. La fuerza contraelectromotriz en el motor depende directamente de la velocidad de giro del motor y del flujo magnético del sistema inductor.  Número de escobillas Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la zona neutral. Si la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras. En consecuencia, el número total de delgas ha de ser igual al número de polos de la máquina. En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos. En realidad, si un motor de corriente continua en su inducido lleva un bobinado imbricado, se deberán poner tantas escobillas como polos tiene la máquina, pero si en su inducido lleva un bobinado ondulado, como solo existen dos trayectos de corriente paralela dentro de la máquina, en un principio es suficiente colocar dos escobillas, aunque si se desea se pueden colocar tantas escobillas como polos.  Sentido De Giro En máquinas de corriente directa de mediana y gran potencia, es común la fabricación de rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables, como las corrientes de Foucault y las producidas por el fenómeno llamado histéresis.  Reversibilidad Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización. Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar al rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía en el circuito de carga. En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del generador a través del colector delga, el comportamiento de la máquina ahora es de motor, capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en energía mecánica. 3

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En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo inductor principal.

Figura N° 01: generador

Demostración de un motor eléctrico o

 Tipos De Motores De Corriente Continua Los   

motores de corriente directa pueden ser de tres tipos: Serie Paralelo Compound

 Motor Serie: es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la armadura. Este devanado está hecho con un alambre grueso porque tendrá que soportar la corriente total de la armadura. Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de armadura (carga del motor). Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden ac

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Fig. N° 02: Representación Motor Serie

 Motor Shunt O Motor Paralelo: es un motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducidos e inductor auxiliar. Al igual que en las dinamos shunt, las bobinas principales están constituidas por muchas espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.

Fig. N° 03: Representación Motor Paralelo  Motor Compound: es un motor de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar. Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura. El flujo d nte a medida que la corriente d mente proporcional a la carga. El ca era tal que su flujo se añade al flu Los motores compound se conecta a y se denominan como compound idad que no es tan Esto pro "dura" o pla i tan "suave" como la de un motor s un limitado rango de debilitamie el campo puede resultar en exceder el motor sin carga. Los motores de son algunas veces utilizados d a estable de par constante p mplio.

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Fig. N° 04: Representación Motor Compound  Las Partes Fundamentales De Un Motor De Corriente Continua  Estator: Es el que crea el campo magnético fijo, al que le llamamos Excitación. En los motores pequeños se consigue con imanes permanentes. Cada vez se construyen imanes más potentes, y como consecuencia aparecen en el mercado motores de excitación permanente, mayores.

Fig. N° 05: Estator  Rotor: También llamado armadura. Lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator, el par de fuerzas que le hace girar.

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Fig. N° 05: Rotor inducido de C.C.  Escobillas: Normalmente son dos tacos de grafito que hacen contacto con las bobinas del rotor. A medida que éste gira, la conexión se conmuta entre unas y otras bobinas, y debido a ello se producen chispas que generan calor. Las escobillas se fabrican normalmente de grafito, y su nombre se debe a que los primeros motores llevaban en su lugar unos paquetes hechos con alambres de cobre dispuestos de manera que al girar el rotor "barrían", como pequeñas escobas, la superficie sobre la que tenían que hacer contacto.  Colector: Los contactos entre escobillas y bobinas del rotor se llevan a cabo intercalando una corona de cobre partida en sectores. El colector consta a su vez de dos partes básicas:  Delgas: Son los sectores circulares, aislados entre sí, que tocan con las escobillas y a su vez están soldados a los extremos de los conductores que conforman las bobinas del rotor.  Micas: Son láminas delgadas del mismo material, intercaladas entre las delgas de manera que el conjunto forma una masa compacta y mecánicamente robusta.

Fig. N° 05: Vista de muelles, escobillas, delgas y micas Visto el fundamento por el que se mueven los motores de C.C., es fácil intuir que la velocidad que alcanzan éstos dependen en gran medida del equilibrio entre el par motor en el rotor y el par antagonista que presenta la resistencia mecánica en el eje.  Excitación La forma de conectar las bobinas del estator es lo que se define como tipo de excitación. Podemos distinguir entre:  INDEPENDIENTE: Los devanados del estator se conectan totalmente por separado a una fuente de corriente continua, y el motor se comporta exactamente igual que el de imanes permanentes. En las aplicaciones industriales de los motores de C.C. es la configuración más extendida.  SERIE: Consiste en conectar el devanado del estator en serie con el de la armadura. Se emplea cuando se precisa un gran par de arranque, y precisamente se utiliza en los automóviles. Los motores con este tipo de excitación se embalan en ausencia de 7

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carga mecánica. Los motores con esta configuración funcionan también con corriente alterna.  PARALELO: Estator y rotor están conectados a la misma tensión, lo que permite un perfecto control sobre la velocidad y el par.  COMPOUND: Del inglés, compuesto, significa que parte del devanado de excitación se conecta en serie, y parte en paralelo. Las corrientes de cada sección pueden ser aditivas o sustractivas respecto a la del rotor, lo que da bastante juego, pero no es este el lugar para entrar en detalles al respecto.  Relación Par-Potencia La ecuación que relaciona el par P=wΤ Siendo:

(1)

P: Potencia eléctrica w: Velocidad del rotor Τ: Par

La potencia eléctrica está dada por: P = E.Ia

(2)

Sea Va el voltaje medido en los arrollamientos de la armadura de resistencia Ra, luego la ecuación de las tensiones será: E = Va – Ia.Ra (3) Reemplazando (3) en (2): Τ=

(V a – I a . R a) . I a W

(4)

Las curvas características de los motores representan como varían:   

El par Τ con la corriente de armadura Ia. La velocidad del rotor w con la corriente de armadura Ia. La velocidad del rotor w con el par Τ.

4. HIPOTESIS Se determinará las curvas características de los motores de corriente continua, para ello determinamos las diferentes medidas en los motores de serie y páralo, para así con estos datos poder graficas las respectivas gráficas, en un determinado programa o en papel milimetrado. 5. INSTRUMENTOS Y MATERIALES -

Dos motores de corriente continua: Serie y Paralelo

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Figura N° 06: Motor serie

Figura N° 07: Motor

parelelo -

Un multímetro

Figura N° 08: Multímetro -

Un tacómetro

Figura N° 9: Tacómetro. -

Una soga para freno

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Figura N° 9: Soga para freno. -

Una fuente de corriente continua

Figura N° 10: Fuente de corriente continua. -

Un reostato

Figura N° 11: Reost

-

Un rectificador

Figura N° 12:

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FIGURA N° 13: Diseño experimental. 7. REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO Y OBTENCIÓN DE DATOS a) Motor CC en Derivación o Shunt (Paralelo)  Examine la estructura del motor en derivación, e identifique cada una de sus partes.

Figura N° 14: Carcasa Rotor 

Figura N° 15:

Instalar el motor en derivación de la figura 3, y con la fuente CC ponerlo a funcionar. 11

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 

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Mediante la soga, frenar el motor haciendo que la tome diferentes valores, en cada paso medir Ia, Va y w. Utilizando el puente de Wheatstone, medir la resistencia de cada devanado del motor.

b) Motor CC Serie  Examine la estructura del motor en serie, e identifique cada una de sus p

Figura N° 16: Motor serie, devanado y cables de conexión 

Instalar el motor serie de la figura 4, y con la fuente CC ponerlo a funcionar.

Figura N° 17: Instalación del motor en serie

 

Mediante la soga, frenar el motor haciendo que la tome diferentes valores, en cada paso medir Ia, Va y w. Utilizando el puente de Wheatstone, medir la resistencia de cada devanado del motor.

8. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 12

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 Tabla N° 01: Datos experimentales del motor CC en derivación VT (V) Va (V) 22 22 18 18 17 17 16 16 15 15 14.5 14.5 Ra = 0.8 Ω

w (rpm) 2025 2000 1900 1800 1700 1600

w (rad/s) 212.06 209.44 198.97 188.50 184.31 167.55

Ia (A) 2.85 4.20 5.00 6.00 6.60 8.5

T (Nm) 0.2650 0.2936 0.3267 0.3565 0.3604 0.3906

 Tabla N° 01: Datos experimentales del motor CC en serie VT (V) Va (V) 50 47.5 50 45 50 44 50 43 Ra = 5.85 Ω

w (rpm) 9643 7560 6230 5245

w (rad/s) 1009.81 791.68 652.40 549.26

Ia (A) 0.59 0.75 0.92 1.14

T (Nm) 0.0257 0.0385 0.0545 0.0754

En ambas tablas, para determinar el par T se hizo uso de la ecuación (4), con los diferentes datos obtenidos experimentalmente.  CURVAS CARACTERÍSTICAS Motor CC en derivación



Par T (Nm)

Gráfico Par vs Corriente (T vs Ia) 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 2

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Corriente Ia (A)

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Gráfico Velocidad vs Corriente (w vs Ia) Velocidad del rotor w (rad/s)

250 200 150 100 50 0 2

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4

5

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Corriente Ia (A)

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Gráfico Par vs Velocidad (T vs w)

Par T (Nm)

0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 165

170

175

180

185

190

195

200

205

210

215

Velocidad del rotor w (rad/s)

Motor CC en serie



Gráfico Par vs Corriente (T vs Ia) 0.08 0.07

Par T (Nm)

0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0

0.2

0.4

0.6 Corriente Ia (A)

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0.8

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Gráfico Veloc. vs Corriente (w vs Ia) Velocidad del rotor w (rpm)

12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Corriente Ia (A)

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1.1

1.2

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Gráfico Par vs Veloc. (T vs w) 0.08 0.07

Par T (Nm)

0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

9500 10000

Velocidad del rotor w (rpm)

9. CONCLUSIONES Concluimos que pudimos examinar la estructura de un motor C.C., identificando las partes de los diferentes tipos de motor, en este caso sería un motor en derivación y un motor en serie. Para poder medir la resistencia de los devanados en cada tipo de motor C.C. determinado, necesitamos conectar justo en el bobinado con cables de conexión y a través de un ohmímetro pudimos determinar estas resistencias. Finalmente, para poder obtener las curvas características de los motores de C.C. experimentalmente, conectamos en los dos tipos de motores de C.C. mediante cables de conexión a una fuente, también los conectamos a un multímetro y a un voltímetro, para así 17

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determinar el voltaje y la corriente que pasa a través de los cables, y con un tacómetro determinamos la velocidad del rotor. Así pudimos determinar los datos y graficar en Microsoft Excel estos datos, así logramos graficar las curvas características para estos tipos de motor de C.C. 10.

TRANSFERENCIA

A. Distinguir entre par desarrollado y par disponible en la polea.



Par disponible

Cuando un inducido, un volante o cualquier dispositivo similar gira alrededor de un eje se necesita una fuerza tangencial para mantenerlo en movimiento de rotación. Esta fuerza se puede desarrollar dentro de la misma máquina, como en un motor eléctrico o máquina de vapor, o puede aplicarse a un dispositivo transmisor tal como una polea, eje, generador o engranajes de transmisión de las ruedas de un vehículo. El efecto total de la fuerza no queda determinado solamente por su magnitud, sino también por su brazo o distancia del eje de rotación al punto de aplicación de la fuerza. El producto de la fuerza p...