Un motor de Corriente Directa (CD) es un mecanismo que convierte la energía eléctrica en mecánica, mediante el uso de principios básicos de electromagnetismo.
Cuando pasa una corriente, que como la práctica lo dice, es de corriente directa, en su interior es inducido con una fuerza magnética que hace girar el motor. Dependiendo del sentido de la polarización que recibe el motor, será el sentido del giro. Comúnmente existen motores que funcionan con 5, 7.5, 9 o 12 volts.
Aunque existe una gran variedad de motores de corriente directa, en esta sesión se hablará sobre los más sencillos únicamente.
Objetivo:
Comprender el funcionamiento de estos motores, sus componentes, principios de operación, ventajas y desventajas de su uso y diferentes métodos para controlar su velocidad.
Marco Teórico:
El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor CD) es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción del campo magnético.
Un motor de corriente directa está compuesto básicamente de un rotor, electroimanes, imanes permanentes, un conmutador, estator y cepillos.
En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación.
Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con una sola bobina y dos delgas en el rotor. Se muestra el motor en tres posiciones del rotor desfasadas 90º entre sí. 1, 2: Escobillas;
A, B: Delgas;
Para que el motor funcione deben energizarse sus terminales, las cuales conducen al conmutador. El conmutador a su vez hace contacto con los cepillos, cable que rodea al rotor, convirtiéndolo así en un electroimán.
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.
Los motores también pueden ser usados para transformar la energía mecánica en energía eléctrica. En este caso se usaría al motor como un “generador”, se gira el eje del motor, que a su vez mueve al rotor produciendo un campo electromagnético y obteniendo así energía en sus terminales.
Cuando el motor está siendo usado, ocurre este efecto y el voltaje generado por el motor se conoce como “Contra- FEM”, usualmente no hay problema porque esta Contra- Fem es mucho menor al voltaje aplicado. El problema surge cuando se “apaga” el motor, es decir, no se le aplica ningún voltaje ya que en ese instante la inercia del motor provoca que el eje sigua girando y generando la contra-fem, que en ese instante sería mayor que el voltaje nulo aplicado al motor, produciendo así que el circuito reciba voltaje donde debería de entregarlo, pudiendo resultar esto en daños al circuito.
El voltaje interno generado por un motor esta dado por la siguiente ecuación:
La velocidad angular de estos motores es proporcional al voltaje aplicado, mientras que a la fuerza la define la intensidad de la corriente.
Para lograr manipular la velocidad de estos motores se debe controlar el voltaje de entrada. Para lograr este control existen 3 métodos ampliamente usados:
• Divisor de Voltaje
• PWM (Modulación por Ancho de Pulso) • Control Ward-Leonard
Divisor de Voltaje
El divisor de voltaje es un método sencillo, consiste en reducir la cantidad de voltaje en la entrada del motor mediante resistencias para así controlar su velocidad, pero presenta el inconveniente de que el voltaje consumido por las resistencias es energía desperdiciada.
Cálculo de las resistencias:
Las resistencias del divisor de voltaje se calculan analizando el circuito.
A continuación se muestran los valores de resistencia para un motor de 4 V y una fuente de alimentación de 5 V.
Para obtener un voltaje variable se deben usar como salidas únicamente 2 terminales contiguas del potenciómetro. A pesar de que se puede usar solamente un potenciómetro como divisor de voltaje, al girar la perilla hacia un extremo, el potenciómetro puede dañarse.
PWM (Modulación por Ancho de Pulso)
La modulación por ancho de pulso es un método más eficiente, porque no desperdicia energía. Esta técnica consiste en hacerle llegar al motor una señal de onda que no sea continua, para así disminuir su voltaje promedio y por consecuencia su velocidad.
Por ejemplo, cuando el pulso está activo la mitad del período de la señal o el parámetro duty cycle está al 50%, el voltaje efectivo es la mitad del voltaje total de entrada. Se debe tener en cuenta que no se deben de usar frecuencias de onda muy bajas, ya que el motor se detendría por completo entre cada transición de onda, teniendo que vencer en cada arranque a la inercia.
Control Ward-Leonard
El control Ward-Leonard es el control de velocidad de un motor usando otro como generador. Funciona usando en primer lugar un motor como generador para producir voltaje, con el cual alimentaremos a un segundo motor, el voltaje que produce el generador puede limitarse utilizando un divisor de voltaje si así se desea. A simple vista este sistema resulta muy ineficiente, pero al analizarlo con más detalle se observa que puede usarse para aprovechar energía mecánica desperdiciada de un sistema y convertirla en electricidad.
Control de sentido de giro
Para que un motor gire en sentido contrario electrónicamente, es necesario invertir la polaridad del voltaje de entrada, esto se logra con un “Puente H”. A continuación mostrado.
Listado de material. • Generador de funciones • Osciloscopio • Resistencia 330 Ω • Potenciómetro 1 KΩ • Motor CD 4V aprox. Desarrollo:
1. Conectar las terminales del osciloscopio a las del generador de funciones.
2. Encender el generador de funciones, seleccionar onda cuadrada y la opción DC OFFSET, encender el osciloscopio.
3. Seleccionar diferentes rangos de frecuencia, de menor a mayor, así como diferentes porcentajes de Duty Cycle del generador de funciones. Ajustar la perilla VERTICAL POSITION del CH1 del osciloscopio hasta que el valor mínimo de la onda coincida con el “eje x” central y anotar como
responde el osciloscopio a los cambios en la frecuencia y en el Duty Cycle. El botón de Duty Cycle debe estar presionado. (Ver botón 17 de la Fig. 1.5).
4. Reemplazar el osciloscopio por el motor.
5. Conectar la terminal negativa del generador de funciones a cualquier terminal del motor y la terminal positiva del generador a la terminal restante del motor.
6. Adecuar el voltaje de la señal de salida de acuerdo a la capacidad de nuestro motor y colocar en el eje del motor un dispositivo que nos permita apreciar de manera óptica los cambios en la velocidad del motor.
7. Seleccionar diferentes rangos de frecuencia de menor a mayor, así como diferentes porcentajes de Duty Cycle del generador de funciones, es importante que las variaciones de frecuencia y Duty Cycle sean las mismas que en el paso 3.
8. Anotar como responde el motor a estas variaciones.
NOTA: Se pide en primer lugar que se realicen las variaciones y se midan con el osciloscopio, para que el alumno conozca el valor del voltaje de salida del generador de funciones con el fin de conocer.
Etapa 2
1. Diseñar un divisor de voltaje de acuerdo a la capacidad de nuestro motor, guiado por la figura 6.2.
2. Variar la resistencia del potenciómetro aproximadamente a una tercera parte de su capacidad de giro, después dos terceras partes y por último a su capacidad máxima.
3. Documentar como responde el motor a estos cambios. 4. Remover el motor y colocar el Vólmetro en su lugar.
5. Variar la resistencia del potenciómetro aproximadamente a una tercera parte de su capacidad de giro, después dos terceras partes y por último a su capacidad máxima.
6. Llenar la tabla 6.1 con los valores del ángulo de giro y el Voltaje en el Vólmetro. 7. Realizar la gráfica de comportamiento del ángulo de giro contra el voltaje medido en el Vólmetro.
8. Observando cómo reaccionó el motor y el comportamiento de la gráfica, concluya la relación entre ambas y la razón a la que se debe.
NOTA: Para realizar la gráfica es necesario medir el ángulo máximo de giro del potenciómetro para convertir los tercios de ángulo máximo en grados.
Procedimiento
Primero se utilizo el osciloscopio y el generador de funciones y así descubrir los tipos de onda que nos presenta el generador.
Una vez establecido el tipo de onda cuadrada que necesitaremos para la práctica, desconectamos el osciloscopio del generador de funciones y conectamos el generador con el motor.
Terminando lo anterior lo que seguiría es poder variar las diferentes rangos de frecuencia y mover los controles para obtener una mejor información sobre el efecto que tiene cada control sobre nuestro motor.
El voltaje máximo que nos podía suministrar el generador de funciones era de 10 volts por lo que nuestro motor al suministrarle todo este voltaje, gira a una gran velocidad, pero como consecuencia de un uso prolongado de este voltaje que excede el recomendado para el motor, se empezaba a calentar con el tiempo y podía llegar al momento en que se quemase. Con las perillas de OFFSET DC y DUTY CYCLE podemos variar la cantidad de voltaje suministrado. Con el OFFSET DC variábamos directamente el voltaje suministrado por el generador de funciones mientras que en el DUTY CYCLE variábamos el voltaje suministrado pero en sentido de la polaridad con que llegaba el voltaje al motor. Dicho de otra forma, el DUTY CYCLE cambiaba la polaridad del voltaje del generador de funciones, y esta función estaba muy relacionada con la frecuencia, ya que a mayores frecuencias elcambio de polaridad era más rápido y notorio.
Ahora como extra medimos la forma de onda que se produce al tener conectado el generador al motor, donde tiene una forma puntiaguda, donde se puede notar que conserva parte de la forma cuadrada de la onda original, a continuación se muestra la imagen con dicha forma de onda.
Ahora para empezar a hacer la segunda parte
Implementamos el circuito en la protoboard para posteriormente efectuar las mediciones del voltaje en el motor de acuerdo a la resistencia del potenciómetro.
Una vez elaborado el circuito, procedemos a encender el NI Elvis y utilizar la función del multímetro. Con la mediciones obtenidas en el multímetro se graficaran los valores obtenidos y se tabularan para su mejor compresión.