MOTORES DE CORRIENTE CONTÍNUA

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1 MOTORES DE CORRIENTE CONTÍNUA PRÁCTICA 1 ESTUDIO Y CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE UN MOTOR DE CC El motor que se va a utilizar en las prácticas que se proponen a continuación es el C, de minimotors (12V, 7W) que lleva incorporado una reductora de 14:1 y un encoder magnético de 180 pulsos/vuelta 09/BP14 y dos canales de salida: FASE A y FASE B. En el apéndice I se adjuntan las características de cada uno de los elementos (motor de cc, encoder y reductora). También en el mencionado apéndice se adjunta información básica para entender la definición de cada uno de los parámetros que aparecen en las hojas de características suministradas por el fabricante y además dos ejemplos de cálculo, uno de Minimotors y otro de Maxon. Se adjunta también la definición que de las características anteriormente mencionadas realiza la firma Maxon. CÁLCULOS PREVIOS SOBRE EL MOTOR A partir del estudio de las características del motor, en función de los parámetros suministrados por el fabricante, contesta a las siguientes cuestiones: 1.- Demuestra la igualdad numérica de las constantes K C (constante de par) y K V (constante de velocidad) del motor en el sistema internacional de unidades. 2.- Tensión necesaria para que el motor comience a girar. 1

2 3.- Corriente de arranque (I A ) y corriente que absorbe el motor sin carga (I O ) conectada a su eje, cuando se le aplica una tensión de 5 y de 12V. Calcula los valores de la corriente de arranque, según los valores indicados por el fabricante. 4.- Potencia máxima teórica que absorbe el motor cuando, alimentada su armadura con 12V, se le aplica un par externo máximo. 2

3 5.- Repite, para el motor que se va a utilizar en nuestra práctica los cálculos que se indican en el capítulo Aplicación de las ecuaciones usando ejemplos de cálculo de la documentación de Maxon. 3

4 MEDIDA DE LOS PARÁMETROS DEL MOTOR Partiendo del motor de CC bajo estudio, realizar los ensayos en el laboratorio que conduzcan a obtener los siguientes valores prácticos, evitando en todo momento superar la tensión nominal de alimentación. Una vez medidos los parámetros indicados, compararlos con los dados por el fabricante. Resistencia entre bornes R a NOTA: debido a que el valor de esta resistencia es muy pequeño, se sugiere realizar dicha medida con el medidor Wavelett disponible en el laboratorio, así como restar a la medida obtenida la resistencia de los cables utilizados para la realizar la medida. R a MEDIDA FABRICANTE Además, hay que tener en cuenta, que el valor de la resistencia del devanado que suministra como dato el fabricante (incluye la resistencia de las escobillas y la resistencia del devanado), se da a 25ºC, por tanto hay que hacer la medida de forma rápida evitando el calentamiento del devanado de armadura, para que el valor de la resistencia no sufra cambios importantes con la temperatura. Como se puede comprobar, la medida de la resistencia de armadura depende de la posición del rotor. Explica porqué. Si no se dispone de un óhmetro de precisión, también se puede medir, alimentando al motor de forma que la corriente que este absorba no sea mayor de ¼ de la corriente nominal y conectando al eje del motor, otro motor que haga girar al motor bajo test a baja velocidad, de forma que la fuerza contraelectromotriz sea lo más pequeña posible. Si no se dispone del motor motriz, se puede medir la velocidad de giro del motor mediante el encoder, y a partir de esta medida calcular la fuerza contraelectromotriz, y así obtener la resistencia según: 4

5 e = K ω, fuerza contraelectromotriz. v V va = Ra Ia + ev, Donde v a es la tensión con la que se alimenta el motor, e I a es la corriente que absorbe. va = Ra Ia + KV ω R a v = a KV ω I a Este método, supone el conocimiento con exactitud del valor de la constante de velocidad K V. Dicho valor se obtiene posteriormente. MEDIDA FABRICANTE R a El circuito propuesto para realizar este ensayo es el siguiente: El objetivo es medir tanto la corriente absorbida como la tensión aplicada al motor cuando el osciloscopio comience a detectar los pulsos procedentes del encoder óptico. ES MUY IMPORTANTE, QUE EL ALUMNO NO SE EQUIVOQUE AL CONECTAR EL ENCODER, EN ESPECIAL, EN LOS BORNES DE ALIMENTACIÓN, RAZÓN POR LA CUAL, ANTES DE SUMINISTRARLE ALIMENTACIÓN DEBERÁ SER REVISADO INEXCUSABLEMENTE POR EL PROFESOR!!! Mínima tensión de armadura (U a ) y mínima corriente (I O ) para que el motor comience a girar. 5

6 MEDIDA FABRICANTE U a I 0 El circuito propuesto para realizar este ensayo es el mismo que en el apartado anterior: El objetivo es medir tanto la corriente absorbida como la tensión aplicada al motor cuando el osciloscopio comience a detectar los pulsos procedentes del encoder óptico. ES MUY IMPORTANTE, QUE EL ALUMNO NO SE EQUIVOQUE AL CONECTAR EL ENCODER, EN ESPECIAL, EN LOS BORNES DE ALIMENTACIÓN, RAZÓN POR LA CUAL, ANTES DE SUMINISTRARLE ALIMENTACIÓN DEBERÁ SER REVISADO INEXCUSABLEMENTE POR EL PROFESOR!!! Obtención del par de fricción seca (C= C fricción ). A partir de la corriente medida en el apartado anterior, se puede obtener el par de fricción seca, según: C = K I fricción _seca C 0 U a =12V I 0 C fricción =K C I 0 Corriente de vacío que absorbe el motor cuando se le aplica la tensión nominal (12V) I 0 a tensión nominal = 6

7 Con los parámetros obtenidos calcular la expresión de la corriente instantánea en función de la tensión de excitación del motor. Calcula la corriente que soportaría el devanado de armadura cuando se bloquea el rotor y se le aplica una tensión de 3V. Completa la siguiente tabla V a (V) ω (rpm) en vacío Para obtener la velocidad en rpm, tienes que medir los pulsos generados por uno de los canales del encoder y tener en cuenta que: 1 ω ( rpm) ( número _ pulsos _ vuelta) = N pulsos / seg. 60 N ( pulsos / seg.) T ( seg.) = C pulsos Siendo T(seg) el período de tiempo de observación en el osciloscopio. En función de la tabla anterior, cuál es la constante de velocidad del motor K V. K V = 7

8 Comprueba su linealidad y compárala con el dato suministrado por el fabricante. A partir del valor obtenido de la constante de velocidad K V, calcula el valor de la constante de par del motor K C y compárala con el dato suministrado por el fabricante. K C = Si embargo, la mejor forma de medir la constante de velocidad K V es haciendo que el motor funcione como generador, para lo cual es necesario acoplarle a su eje un motor motriz que le imponga un giro, de tal forma que la tensión en bornes del motor bajo test es la fem inducida, definida por: e = K ω v V La velocidad la podemos medir mediante el encoder acoplado al eje del motor, y por tanto podríamos determinar con exactitud el valor de la constante de velocidad K V, y por tanto, el valor de la constante de par K C. 8

9 ENCODER ÓPTICO Y ENCODER MAGNÉTICO A continuación se adjuntan unas figuras representativas de los encoders utilizados en los motores del laboratorio: encoders ópticos y magnéticos, así como la salida digital que se obtiene a su salida. El canal I que se presenta en dichas figuras es el índice que genera un pulso por cada vuelta completa del eje del motor (no disponible en nuestros encoders). 9

10 1.- Mide la frecuencia de la señal generada por uno de los canales del encoder cuando se le aplica al motor una tensión de armadura de 12V, y compárala con el valor que da el fabricante de la velocidad de vacío. Frecuencia(Hz) Velocidad del motor (rpm) MEDIDA FABRICANTE 2.- Si la frecuencia máxima de trabajo del encoder es de 50KHz, cuál será la máxima velocidad del motor, caso de que éste pueda conseguirla, capaz de medir sin errores? 10

11 EFECTO DE LA CONMUTACIÓN DE LAS ESCOBILLAS A continuación se adjunta una serie de ilustraciones donde se puede observar el efecto de la conmutación en las escobillas sobre la corriente de armadura, en diferentes tipos de motores [Maxon-01] así como la corriente de arranque del motor bajo prueba medida mediante una sonda de corriente. Forma de onda de la conmutación con escobillas de metal precioso Forma de onda de la conmutación con escobillas de grafito 11

12 Forma de onda de la corriente de arranque ante un impulso escalón de tensión (sensibilidad de la sonda 100mV/A) El alumno deberá de comprobar este efecto, para lo cual se ayudará del siguiente montaje, en donde el canal 2 del osciloscopio debe de invertirse y además debe de realizarse la suma de los dos canales, de forma que lo que se visualice en el osciloscopio sea la tensión en bornes de la resistencia de 0.22 ohmios, lo cual nos permitirá visualizar la corriente absorbida por el motor, y por tanto el efecto de la conmutación en las escobillas: V V = V CH.1 CH.2 RES 12

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