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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E INDUSTRIAS INGENIERÍA MECATRÓNICA

AVANCE DEL PROYECTO RELATIVO AL CÁLCULO Y PÓSTUMA ELABORACIÓN DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN APLICADO A

DIEGO MIRANDA

CIRCUITOS II

QUITO-ECUADOR 2017-2018

*ING. LETY SATAMA

MONTAÑA RUSA PROPULSADA POR MOTOR DE INDUCCIÓN

2

ÍNDICE 2

INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................................3

3

OBJETIVOS...........................................................................................................................................................5

3.1 OBJETIVO GENERAL.................................................................................................................................5 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.........................................................................................................................5 4 PROCEDIMIENTO................................................................................................................................................7

5

4.1.1 PROCEDIMIENTO PARA LA ELABORACIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN...................................................7 4.1.2 PROCEDIMIENTO PARA LA ELABORACIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO Y PARTE ELÉCTRICA.........................8 4.1.3 PROCEDIMIENTO PARA LA ELABORACIÓN DE LA PARTE MECÁNICA DE LA MONTAÑA RUSA..................9 MATERIALES......................................................................................................................................................10

6

DIAGRAMA DE OPERACIONES......................................................................................................................16

7

REGISTRO DE OPERACIONES........................................................................................................................17

7.1 Cálculos........................................................................................................................................................17 7.1.1 Determinación de las fuerzas magnetomotrices a partir del número de espiras de los inductores..........17 7.1.2 Determinación del flujo magnético circulante por las bobinas...............................................................17 7.1.3 Medición del campo magnético...............................................................................................................18 7.1.4 Determinación de voltajes, frecuencia y desfase en el esquemático N°1................................................20 7.1.5 Cálculo de las reactancias del esquemático N°1.....................................................................................21 7.1.6 Cálculo de la potencia activa...................................................................................................................21 7.1.7 Diseño de los rieles para la montaña rusa................................................................................................22 7.2 Simulación en Proteus..................................................................................................................................23 7.3 Resultados....................................................................................................................................................24 8 ESQUEMÁTICO..................................................................................................................................................25 9

10

MARCO TEÓRICO..............................................................................................................................................27 9.1 CAPÍTULO I................................................................................................................................................27 MARCO ADMINISTRATIVO.............................................................................................................................30 10.1 10.2

CONCLUSIONES............................................................................................................................................30 RECOMENDACIONES....................................................................................................................................30

MONTAÑA RUSA PROPULSADA POR MOTOR DE INDUCCIÓN

1

3

INTRODUCCIÓN

Desde tiempos remotos, el deseo e ímpetu humano por la obtención de conocimiento para la innovación y subsecuente mejora de calidad de vida de la especie, ha sido persistente y ha evolucionado en pro de saciar y facilitar nuestra calidad de vida, por ende, dar solución a nuestros problemas; partiendo desde el planteamiento de simples hipótesis arraigadas a la imaginación y mera suposición sin fundamentos o empíricas del ser humano en épocas arcaicas; enfocándonos en el avance de la física, esta se puede evidenciar en vestigios de diversos mecanismos creados; y culminando en planteamientos netamente científicos en la actualidad, que han llevado principalmente a la automatización de los mismos; sin embargo se ha dado un giro de trescientos sesenta grados en métodos investigativos y de educación que actualmente han pasado a ser cien por ciento teóricos, razón por la cual mediante la realización del presente proyecto se pretende llevar a la práctica teoremas aplicados analíticamente, buscando un uso adecuado en pro de saciar las necesidades del ser humano innovando ciertos aspectos como solía realizarse en el pasado vinculando así tanto el empirismo y doctrinas científicas enunciadas.

Así en el presente proyecto se vinculará la teoría y la práctica, tanto mecánica como eléctrica para la elaboración de una montaña rusa propulsada por un motor de inducción conectado a corriente alterna, basando su elaboración en principios físicos de electromagnetismo, circuitos eléctricos y de conservación de energía; específicamente circuitos RLC, fundamentos de campo magnético y energía mecánica, cinética y potencial en el movimiento del vagón; para la elaboración del motor de inducción a partir de una lata, el cual será magnetizado por corriente AC que circulara por dos bobinas, y a la vez DC que circulará por el eje de la misma; esto mediante un transformador y un circuito que será impreso a posteriori para dicha finalidad; el

cual propulsará un mecanismo anclado a las rieles de la montaña para dar movimiento al vehículo que se ponga sobre esta.

MONTAÑA RUSA PROPULSADA POR MOTOR DE INDUCCIÓN

2

2.1

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

• Determinar el fundamento teórico en torno al cual será desarrollada una montaña rusa,

enfocando dicha doctrina en la elaboración de un motor de inducción alimentado y magnetizado por corriente AC, en complemento con DC mediante el desarrollo de un circuito impreso; el cual propulsará un mecanismo con banda a través de rieles de madera para dar movimiento a un vagón.

2.2

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

•Realizar los cálculos analíticos pertinentes para la determinación del circuito RLC y el valor adecuado de sus componentes para transformar corriente alterna de 120 V a directa e impulsar el movimiento rotacional del motor de inducción mediante bobinas que propulsen una lata a través de fuerza magnética a través de AC en complemento con la DC.

• Elaborar un mecanismo de dos engranes y una banda; que servirá para dar movimiento al vagón sobre los rieles de la montaña rusa, al ser propulsado por un motor de inducción; mediante la herramienta virtual Solid Works, para ser impreso a láser posteriormente.

• Elaborar cada uno de los rieles en el programa de diseño asistido por computadora, Solid Works, para ensamblarlas a posteriori; pero no sin previamente haber realizado los cálculos de

conservación de la energía que se ven inmersos en el trayecto de la montaña rusa y sin los cuales sus vagones podrían descarrilarse o no completar el trayecto.

• Imprimir el circuito para el sistema eléctrico de la montaña rusa en baquelita, mediante el uso de percloruro férrico, una impresora láser y una plancha para acentuar las pistas sobre la placa PCB.

• Simular el circuito previo a su desarrollo físico en la herramienta virtual Proteus, para evitar cualquier inconveniente póstumo y gastos onerosos.

MONTAÑA RUSA PROPULSADA POR MOTOR DE INDUCCIÓN

3 3.1.1



7

PROCEDIMIENTO

PROCEDIMIENTO PARA LA ELABORACIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN

Determinar los materiales a emplear y conseguirlos, en este caso puntual, una lata de material magnetizable, dos soportes, un eje, cinta aislante, alambre de cobre esmaltado 22 AWG.



Atravesar la lata con el eje de forma que le sea fácil rotar alrededor del mismo.



Realizar

dos

embobinados

con

el

alambre de cobre tomando en cuenta las dimensiones de la lata, procurando que esté lo más cerca posible de la misma; además se recomienda hacer uso de un balde y una tabla con la medida que se desea tenga la bobina; ya que el alambre tiende a enredarse con facilidad.



Colocar ambas bobinas a través del eje después de la lata, tomando en cuenta que no deben hacer contacto entre sí ni con ele eje, para lo cual se usa cinta aislante.



Quitar el esmalte de las puntas de los cables para realizar cualquier tipo de conexión que se desee.

3.1.2

PROCEDIMIENTO PARA LA ELABORACIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO Y PARTE ELÉCTRICA.



Determinar los materiales a emplear y conseguirlos, en este caso puntual, una baquelita de fibra de vidrio ya que es, más resistente al calor, percloruro férrico, guantes de látex, un taladro, una plancha, una impresora láser, dos capacitores electrolíticos de 2200 uF cada uno, tres borneras, tuercas y pintura antisolder.



Realizar el esquemático del circuito a realizar en la herramienta de simulación virtual Proteus, realizar su plantilla PCB e imprimirla en una impresora láser.



Dejando a un lado por el momento el paso anterior, nos enfocamos en la baquelita, la cual cortaremos adecuándola a las condiciones requeridas.



Colocamos la impresión sobre la baquelita y la introducimos en una plancha esperamos 10 minutos aproximadamente hasta que le circuito haya quedado estampado en la baquelita.



Introducimos la baquelita en percloruro férrico y esperamos varios minutos.



Lijamos la baquelita procurando no dañar sus pistas.



Hacemos los huecos correspondientes para colocar sus componentes.



Por

último

lo

pintamos

con

pintura

antisolder, adecuada para darle mayor resistencia al calor.

3.1.3

PROCEDIMIENTO PARA LA ELABORACIÓN DE LA PARTE MECÁNICA DE LA MONTAÑA RUSA



Determinar los materiales a emplear y conseguirlos, en este caso puntual, madera de balsa en planchas, palos y goma.



Elaborar

un

boceto

de

los

componentes de la montaña rusa en una herramienta de diseño asistido por computadora, en este caso, SolidWorks. 

Elaborar cada una de las piezas necesarias para levantar la estructura, primero las rieles mediante la unión de 4 palos de madera de balsa.



Emplear la imaginación para la subidas y bajadas, se recomienda no hacer curvas muy cerradas.



La banda transportadora se la ensamblará mediante el uso de dos carretes para hilo, a manera de ejes de rotación los cuales serán inducidos magnéticamente por el motor de inducción.

MONTAÑA RUSA PROPULSADA POR MOTOR DE INDUCCIÓN

4

N Cantidad °

Material

MATERIALES

Valor Motor de inducción

1

1 unidad

Envase pintura latón.

2 10 metros Alambre cobre esmaltado

de de

de

3

1

Eje de hierro

4

2

Soportes (Chapa metálica)

8

0,7 mm

Representación Gráfica

5

1

Tabla triplex

6

4

Tornillos

7

4

Tuercas

8

1

Cable de cobre

Dimensiones acordes a los huecos del soporte

Dimensiones acordes a los huecos del soporte

1m

con aislante

9

1

Enchufe

10 A 250 V

Circuito impreso y parte eléctrica

1

2

Capacitores electrolíticos

2

1

Resistor

3

1

Transformador

4

1

Baquelita de fibra de vidrio

5

1 botella

Percloruro férrico

1 litro

6

1

Plancha

-------------------

7

1

Impresora láser

Parte Mecánica de la Montaña Rusa

1

20

Tabla triplex

2

2

Poleas dentadas

1m

3

2

Piñón

5 cm de radio

4

2

Engrane

5 cm de radio

5

1

Cortadora láser

-------------------

de espesor

6

1

Herramienta ------------------de diseño asistido por computadora “SolidWorks”

5

DIAGRAMA DE OPERACIONES

6

REGISTRO DE OPERACIONES

6.1 Cálculos 6.1.1 Determinación de las fuerzas magnetomotrices a partir del número de espiras de los inductores 

Bobina 1: N° de vueltas= 330 vueltas I = 1.89 A



Bobina 2: N° de vueltas= 330 vueltas I= 2.04 A

6.1.2 Determinación del flujo magnético circulante por las bobinas. 

Bobina 1



Bobina 2

6.1.3 Medición del campo magnético 

Campo magnético en L1.



Campo magnético en L2.

6.1.4 Determinación de voltajes, frecuencia y desfase en el esquemático N°1. Haciendo uso de un osciloscopio se comprobó el adecuado paso de corriente, voltaje a una determinada frecuencia y sobre todo y más importante, el desfase de voltajes entre ambos inductores, lo cual teóricamente genera el movimiento del rotor, debido a la asincronía de las dos fuerzas magnetomotrices creadas por cada una de las bobinas respectivamente.

6.1.5 Cálculo de las reactancias del esquemático N°1

Ω

Ω

2

(39.45

Ω

2

(36.95

Ω

6.1.6 Cálculo de la potencia activa

6.1.7 Diseño de los rieles para la montaña rusa

6.2 Simulación en Proteus

+24.0 AC Volts

L2 -2.04

-0.95

Amps

36.95mH

Amps

TR1

L1 +24.0

39.45mH

AC Volts

+28.4 AC Volts

+120 AC Volts

TRAN-2P2S

C1

C2 +1.89

2200uF

AC Amps

2200uF

+2.27

+2.27

AC Volts

AC Volts

Esquemático N°1: Simulación del circuito de desfase de corriente para el funcionamiento de un motor de inducción.

6.3 Resultados N°

Elemento

Valor

I (A)

V (V)

P (W)

1

Capacitor 1 (C1)

4.29

2

Capacitor 2 (C2)

4.29

3

Inductor 1 (L1)

53.68

4

Inductor 2 (L2)

48.96

5

Transformador

72

6

Fuente AC

114

7

ESQUEMÁTICO

TR1

L2 36.95mH

L1 39.45mH

TRAN-2P2S

C1

C2

2200uF

2200uF

Esquemático N°1: Circuito de desfase de corriente para un motor de inducción

PLANTILLA PCB CORRESPONDIENTE AL ESQUEMÁTICO N°1 Esquemático N°1: Circuito de desfase de corriente para un motor de inducción (Plantilla PCB)

Esquemático N°1: Circuito de desfase de corriente para un motor de inducción adecuado para su impresión como PCB.

PLANTILLA PCB 3D CORRESPONDIENTE AL ESQUEMÁTICO N°1

Esquemático N°1: Circuito de desfase de corriente para un motor de inducción (Visualización 3D)

Esquemático N°1: Circuito de desfase de corriente para un motor de inducción (Visualización 3D)

8

MARCO TEÓRICO

8.1

CAPÍTULO I

ELECTROMAGNETISMO: FUERZA MAGNÉTICA

La fuerza magnética es la parte de la fuerza electromagnética total o fuerza de Lorentz que mide un observador sobre una distribución de cargas en movimiento. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. (Serway & Jewett, 2014)

Las fuerzas magnéticas entre imanes y/o electroimanes es un efecto residual de la fuerza magnética entre cargas en movimiento. Esto sucede porque en el interior de los imanes convencionales existen microcorrientes que macroscópicamente dan lugar a líneas de campo magnético cerradas que salen del material y vuelven a entrar en él. Los puntos de entrada forman un polo y los de salida el otro polo. Para determinar la fuerza magnética se debe considerar dos objetos. La magnitud del campo magnético entre ellos depende de cuánta carga en qué tanto movimiento hay en cada uno de ellos y qué tan lejos están el uno del otro. La dirección de la fuerza depende de las direcciones relativas de movimiento de la carga en cada caso.

La manera usual de proceder para encontrar la fuerza magnética está enmarcada en términos de una cantidad fija de carga q que se mueve a una velocidad constante v en un campo magnético uniforme B. Si no conocemos directamente la magnitud del campo magnético, podemos seguir usando este método, pues a menudo podemos calcular el campo magnético con base en la distancia a una corriente conocida. La fuerza magnética está descrita por la ley de la fuerza de Lorentz:

Podemos encontrar la dirección de la fuerza con la regla de la mano derecha. Esta regla describe la dirección de la fuerza como la dirección de una "palmada" con la mano derecha. Como en la regla del agarre de la mano derecha, los dedos apuntan en la dirección del campo magnético y el pulgar apunta en la dirección en la que se mueve la carga positiva. Si la carga es negativa (por ejemplo, un electrón), entonces necesitas invertir la dirección de tu pulgar, pues la fuerza apunta en la dirección opuesta.

En este caso queremos encontrar la fuerza que actúa sobre un alambre por el que pasa una corriente que se encuentra dentro de un campo magnético. Podemos lograrlo al reordenar la expresión previa. Sabiendo que la velocidad es la distancia ...