laboratorio 1, 2 y 3 actuadores
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UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA
INFORMES DE LABORATORIOCamilo Andres Diaz, Fabian Rodriguez, Sara Sanchez Fique
Facultad Ingeniería Mecatrónica, Universidad Militar Nueva Granada
Bogotá D.C., Colombia
e-mail: [email protected] e-mail: [email protected] e-mail: [email protected]
INTRODUCCION
Los siguientes informes de laboratorio presentan el desarrollo de prácticas relacionadas con motores DC y AC y sus diferentes tipos de configuraciones, así como la teoría necesaria para comprender las temáticas en las que se entrara a hablar.
1. OBJETIVO GENERAL
Reconocer las partes de cada tipo de motor (DC y AC), teniendo en cuenta los diferentes tipos de conexión, poniendo en funcionamiento la máquina para analizar su comportamiento ante las variaciones de voltaje, velocidad y el tipo de arranque dependiendo del tipo de montaje que se realice.
Identificar las diferencias entre cada montaje para así saber en qué tipo de espacio es recomendable trabajar cada una de las maquinas.
2. MARCO TEORICO
2.1 MOTOR DC:
El motor DC tiene como principio de funcionamiento un embobinado y un imán en el cual se produce el campo magnético que en conjunto con la corriente eléctrica son básicas para generar el movimiento del eje de dicho motor. Este tipo de motor posee dos bobinados
diferentes: el bobinado de campo y el bobinado de armadura que es donde se genera la fuerza. [1]
Figura 1. Partes de un motor DC.
De acuerdo al tipo de conexión los motores DC se pueden clasificar en: motor en serie y motor en paralelo.
2.2 MOTOR DC EN PARALELO:
Este tipo de configuración se utiliza para mantener la velocidad constante o variable con el fin de mantener un mejor rango de control. El par generado por el motor no es tan bueno como el de un motor conectado en serie. [2]
2.3 MOTOR DC EN SERIE:
En este tipo de configuración las bobinas están conectadas en serie en donde la corriente absorbida es la misma para la bobina de armadura y en la de carga. Si disminuye la carga del motor disminuye la corriente consumida y aumenta la velocidad del mismo.
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2.4 MOTOR AC:
El motor AC síncronos es un motor eléctrico el cual tiene una velocidad constante, que funciona al par con la frecuencia. La velocidad está determinada por el número de polos el cual la da fabricante y siempre es una relación de la línea de frecuencia, siendo esta proporcional al número de polos. [1]
Figura 2. Partes de un motor AC.
2.5 MOTOR DE JAULA DE ARDILLA
Un motor de rotor de jaula de ardilla, también es conocido como rotor en cortocircuito, es el más sencillo y el más utilizado actualmente. Este tiene barras en el devanado que van conectadas a unos anillos conductores denominados anillos extremos. El bobinado así dispuesto tiene forma de jaula de ardilla. Uno de los problemas de los motores de jaula de ardilla es que en el arranque absorbe una corriente muy alta y a la vez tiene una potencia muy baja, logrando así un toque pequeño. La baja resistencia del rotor hace que los motores de jaula de ardilla tengan excelentes características para marchas a velocidad constante. [2]
Figura 2. Partes de un motor jaula de ardilla.
2.6 MOTOR AC ESTRELLA:
La conexión en estrella se caracteriza por manejar corrientes pequeñas y voltajes altos, este sistema se recomienda conectarlo de tal forma que este en equilibrio, es decir que sus voltajes y corrientes de línea sean las mismas, para el buen funcionamiento, para esto conectamos un neutro y estabilizamos las tres líneas. [2]
2.7 MOTOR AC TRIANGULO:
La conexión triangulo maneja corrientes altas y voltajes bajos, de este acoplamiento se puede deducir que es un acoplamiento seguro ya que no genera ningún exceso de carga por lo que no es necesario conectarle una tierra.
2.8 VOLTAJE DE LÍNEA:
Voltaje de una fase con respecto a un voltaje de otra fase.
2.9 CORRIENTE DE LÍNEA:
Es la corriente de cada voltaje de fase, se mide con un multímetro de la fuente a la fase de la cual se desea conocer su corriente.
2.10 PWM:
La modulación por ancho de pulso o (PWM) por su nombre en ingles (pulse with modulation) es una técnica la cual consiste en coger una señal periódica, ya sea cuadrada o senoidal y modificar su ciclo de trabajo para asi controlar un voltaje inducido en un sistema.
Ejemplo:
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Figura 3 señal PWM
Esta señal equivale a un 50% de la tensión nominal, en el caso de un motor, ira a al 50% de la velocidad máxima.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:
D : es el ciclo de trabajo.
τ : es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso).
T : es el período de la función.
D= τT
2.11 OPTOACOPLADORES:
La principal función de un optoacoplador es transmitir una señal desde un circuito a otro, sin que exista conexión eléctrica entre ambos. [1]
Figuran 4. Optoacoplador.
2.12 ARDUINO:
Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.[2]
2.13 GENERADOR CC:
Un generador CC es una sistema que modifica energía mecánica en energía eléctrica, lleva la misma estructura que un motor solo que funciona de forma inversa. Consiste en lo siguiente: la armadura gira entre mínimo dos polos de campo, pero la corriente en la armadura se mueve en una dirección y al llegar a la mitad de la revolución se mueve en otro sentido, para corregir esto y mantenerla en una sola dirección se utiliza un conmutador; los generadores funcionan principal mente con un voltaje bajo para evitar chispas en las escobillas.[3]
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MOTOR DC, CARACTERISTICAS Y FUNCIONAMIENTO
1. OBJETIVOS ESPECIFICOS:
1.1 Analizar las variaciones de corriente del motor con respecto al voltaje para cada tipo de conexión.
1.2 Analizar las variaciones de velocidad del motor con respecto al voltaje para cada tipo de conexión.
3. PROCEDIMIENTO
Para empezar es necesario reconocer algunos de los parámetros del motor con los que se piensa trabajar, tales como como:
a) Corriente de arranque:Se mide con un multímetro conectado en serie con la resistencia de armadura. Se empieza con un valor de voltaje pequeño que sea apenas capaz de mover el eje del motor, y a partir de dicho voltaje se comienza la medición.
b) Velocidad desarrollada:Se mide con un tacómetro la velocidad del eje del motor para cada voltaje en el que se mida la corriente.
Después de montar los circuitos de la figura 2 y la figura 3 en cada uno se mide la corriente con el multímetro conectado en serie con la fuente y la velocidad angular con un tacómetro en el eje del motor, las cuales varían en función del voltaje.
Luego de hacer las mediciones pertinentes ya es posible proceder a organizar la información en tablas de datos y en gráficos que nos permitirán entender el comportamiento del motor en cada una de las conexiones.
4. PLANOS
4.1. PLANO DEL MOTOR DC EN PARALELO
Figura 2. Motor conectado en paralelo.
4.2. PLANO DEL MOTOR DC EN SERIE
Figura 3. Motor conectado en serie.
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5. SIMULACION
Figura 4. Motor paralelo con alimentación independiente.
Observando la simulación realizada es posible decir que el voltaje medido en el motor es el mismo que el voltaje que entrega la fuente, además la velocidad depende del voltaje que le coloquemos al motor.
6. RESULTADOS
6.1. CONEXIÓN EN PARALELO
VOLTAJE(V)
VELOCIDAD(RPM)
CORRIENTE(mA)
10 610 0,4420 808 0,3430 874 0,3240 910 0,3250 942 0,3460 980 0,3770 1030 0,4180 1082 0,4590 1051 0,49
Se realizaron mediciones de velocidad y corriente con el motor conectado en paralelo y se recolectaron datos empezando con un voltaje de 10V y aumentando hasta 90V ya que la fuente de voltaje proporcionaba máximo dicho valor.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
200
400
600
800
1000
1200
Voltaje
RPM
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Voltaje
Corr
ient
e
La segunda grafica confronta el comportamiento de la corriente en función del voltaje, que en un comienzo es alta para vencer la propia carga del motor. La primera grafica permite ver el comportamiento de la velocidad con relación al voltaje inducido. En teoría debería ser directamente proporcional, pero al observar la gráfica vemos que algunos datos no permiten la linealidad de la curva que relaciona las variables, lo cual se puede deber a que al realizar la medición con el tacómetro se ejerció demasiada presión en el eje del motor y esto afecto la medición de o datos.
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6.2. CONEXIÓN EN SERIE
VOLTAJE(V)
VELOCIDAD(RPM)
CORRIENTE(mA)
5 121 0,3710 482 0,4315 797 0,4620 1080 0,4625 1345 0,4630 1606 0,46
33,5 1800 0,46
Se realizaron mediciones de velocidad y corriente con el motor conectado en serie y se recolectaron datos empezando con un voltaje de 5V y aumentando hasta 33,5V; se comenzó con valores de voltaje bajos para que el motor no se desboque y se llevó hasta 33,5V ya que se alcanzó la velocidad nominal de motor.
0 5 10 15 20 25 30 35 400
200400600800
100012001400160018002000
Voltaje
RPM
0 5 10 15 20 25 30 35 400
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Voltaje
Corie
nte
La primera grafica permite ver el comportamiento de la velocidad con relación al voltaje inducido que son directamente proporcionales, siendo evidente que la velocidad varía en gran medida ante variaciones pequeñas de voltaje. La segunda grafica confronta el comportamiento de la corriente en función del voltaje que al comienzo es baja ya que se comienzan con mediciones pequeñas de voltaje, hasta que la corriente se estabiliza en 0,46mA.
7. CONCLUSIONES
Teniendo en cuenta las partes del motor DC, así como ciertos conocimientos previos acerca del mismo y sus diferentes tipos de conexión, se observaron y analizaron las variaciones de corriente y velocidad que dependen completamente del voltaje inducido. El reconocimiento de los comportamientos de cada conexión permite pensar las diferentes aplicaciones industriales en las cuales estos podrían ser empleados.
8. REFERENCIAS
[1] Gilberto Enríquez Harper. EL ABC DEL CONTROL ELECTRÓNICO DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS. Editorial LIMUSA. México 2003.
[2] Theodore Widi. MAQUINA ESLECTRICAS Y SISTEMAS DE POTENCIA. Editorial PEARSON. ISBN: 9789702608141
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MOTOR AC, ARRANQUE DE MOTOR TRIFASICO
1. OBJETIVOS ESPECIFICOS:
1.1 Analizar las variaciones de corriente de línea del motor con respecto al tipo de conexión.
1.2 Analizar la velocidad del motor con respecto al voltaje.
5. PROCEDIMIENTO
Para comenzar a hacer las mediciones de corriente es necesario tener en cuantas ciertas cosas. A nivel comercial las bobinas del motor AC cumplen con una normativa para la clasificación de sus entradas, aunque existe una normativa un poco más antigua:
-U1 en la norma antigua es U-V1 en la norma antigua es V-W1 en la norma antigua es W-U2 en la forma antigua es X-V2 en la norma antigua es Y-W2 en la norma antigua es Z
En la figura 3 podemos apreciar que nombre lleva cada una de estas entradas:
Figura 3. Entradas motor AC.
Después de montar los circuitos de la figura 2 y la figura 3 en cada uno se miden las corrientes de arranque con la cual el motor empieza a funcionar en arranque suave y en arranque directo, esta corriente se mide en cada fase para así conocer su comportamiento.
Luego de hacer las mediciones pertinentes ya es posible proceder a organizar la información en tablas de datos y en gráficos que nos permitirán entender el comportamiento del motor en cada una de las conexiones.
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6. PLANOS
8.1. PLANO DEL MOTOR AC EN ESTRELLA
Figura 2. Motor conectado en estrella.
8.2. PLANO DEL MOTOR AC EN TRIANGULO
Figura 3. Motor conectado en triangulo.
9. SIMULACION
Figura 4. Motor AC conexión estrella.
Figura 5. Motor AC conexión triangulo..
Observando la simulación realizada es posible decir que el motor en configuración estrella consume más potencia que el motor en triangulo y que su velocidad es mayor.
10. RESULTADOS
Resultados configuración estrella:
estrellavoltaje (V) corriente (A) velocidad (RPM)
25 0,5 393,730 0,4 835,740 0,35 141650 0,3 155360 0,3 163070 0,3 167180 0,3 169290 0,35 1711
100 0,4 1735110 0,4 1738110 2,3
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De la tabla de arriba el último dato de voltaje a 110v y corriente 2,3A nos indica la corriente que consume el motor en arranque directo, esta corriente es alta ya que el motor tiene que vences su propia inercia.
También podemos observar que el motor en conexión estrella no consume tanta corriente y no varía mucho al aumentar su velocidad
Resultados configuración triangulo:
VOLTAJE VELOCIDAD120 1792100 179280 178770 178660 177950 177240 176120 139310 0
En esta configuración podemos observar que el motor AC en configuración triangulo, llega a su velocidad nominal muy rápido, ya que no consume mucho voltaje, lo que si consume es mucha corriente, en nuestros cálculos nos consumió 3.25A.
11. CONCLUSIONES
Analizando las partes del motor AC, viendo su funcionamiento y teniendo ya un conocimiento previo acerca de este mismo y sus tipos de conexión, al ver su diferente respuesta como el torque ante voltaje y corriente consumida, podemos llegar a la conclusión de que tipo de motor AC usar según la aplicación que necesitemos, por ejemplo, si necesitamos una velocidad constante es más útil un motor en conexión tipo estrella
12. REFERENCIAS
[1] Consultado de: http://www.unicrom.com/Tut_MotorAC.asp.
[2] Consultado de: http://platea.pntic.mec.es/~jgarrigo/SAP/archivos/1eva/introduccion_motores_ca.pdf
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VARIACION DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DC MEDIANTE PWM
1. OBJETIVOS ESPECIFICOS:
1.1 Seleccionar el circuito de potencia para el control de un motor DC.
1.2 Reconocer la señal con la cual opera un PWM y ver cómo trabaja esta para el control del motor.
1.3 Analizar el funcionamiento de un motor DC como generador, viendo cuánto consume en relación de cuanto genera.
7. PROCEDIMIENTO
Para comenzar es necesario realizar el control del motor mediante PWM. Se decide hacer el control utilizando arduino, se empieza con la programación para la señal correspondiente que depende de la variación de un potenciómetro que modula el ciclo de trabajo de la señal.
El código es el siguiente:
int inputPin = A0; // set input pin for the potentiometer
int inputValue = 0; // potentiometer input variable
int ledPin = 3; // set output pin for the LED
void setup() {
// declare the ledPin as an OUTPUT:
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
void loop() {
// read the value from the potentiometer:
inputValue = analogRead(inputPin);
// send the square wave signal to the LED:
analogWrite(ledPin, inputValue/4);
}
En el cual se puede ver que la señal de entrada del potenciómetro entra por el pin A0 y la señal PWM sale por el pin 3, en la figura(…..) se puede apreciar mejor.
Después de tener la parte de control de la señal pasamos a la parte de potencia, para esto se diseñó y se montó el circuito de la figura(……..) en el cual es posible distinguir dos etapas, la de control del PWM la cual entra por el diodo del optoacoplador y la siguiente parte, la etapa de potencia la cual maneja un voltaje más alto, por esta razón es necesario separar estas dos etapas, el diodo que va en paralelo con el motor en la simulación, que en la práctica ira con la armadura,
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se utiliza para controlar la contracorriente que puede generar el motor y así proteger el MOSFET, el arduino y el computador.
Luego de tener el circuito correspondiente para el control del motor DC y tomar los datos correspondientes de su velocidad con respecto a la señal PWM, se prosigue a conectarle una carga, la cual será un generador CC, este generador se conecta en modo estrella y se mide su velocidad y con respecto a su carga.
8. PLANOS
12.1. PLANO DEL CIRCUITO DE POTENCIA
Figura 5 Circuito de potencia.
12.2. PLANO DEL CIRCUITO DEL PWM CON ARDUINO
Figura 4. Circuito del control PWM.
13. SIMULACION
Figura 5. Circuito de potencia simulado.
Observando la simulación realizada es posible decir que el motor reacciona con mayor velocidad a un ciclo de trabajo mayor.
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14. RESULTADOS
Salida PWM:
resistencia (ohm) valor análogo
salida PWM
0 0 0
500 99,8 25
1000 200,4 50,5
1500 300,5 74,7
2000 380,7 100,6
2500 500,6 130,5
3000 607,3 151
3500 709,3 180,8
4000 810,3 207,3
4500 914,4 225,5
5000 1015 257,3Tabla 1. Valor PWM
0 2000 4000 60000
100
200
300
salida pwm
salida pwm
-En la gráfica se ve el valor pwm en función de la resistencia donde se puede apreciar que el comportamiento es lineal y directamente proporcional al valor de la resistencia.
Velocidad motor con respecto al PWM:
valor pwm velocidad(RPM)0 0
25 13550,5 26074,7 378
100,6 510130,5 640
151 785180,8 907207,3 1025225,5 1160257,3 1284
Tabla 2. Velocidad vs PWM
0 100 200 3000
500
1000
1500
velocidad(RPM)
velocidad(RPM)
-En esta grafica se observa el comportamiento de la velocidad con respecto al pwm y se puede ver que al 50% de ciclo de trabajo el motor está al 50% de su velocidad nominal.
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-Carga resistiva en generador sincrónico:
carga resistiva
voltaje generador (AC)
Corriente
1200 55 1,53400 65,3 0,62
171,428 80,2 0,18sin carga 83,5 0,12
Tabla 3. Carga vs Corriente y voltaje
0 1 2 3 4 50
50
100
voltaje generador (AC)
voltaje gen-erador (AC)
0 1 2 3 4 50
0.51
1.52
Corriente
Corriente
-Aquí vemos que al aumentar la carga sobre el generador síncrono la corriente exigida aumenta de forma lineal.
15. CONCLUCIONES
El PWM es una manera muy eficaz de controlar un motor DC ya que no hay necesidad de manejar el voltaje nominal de esta no meternos con su circuito, lo mas importante es tener muy bien diseñada la parte de potencia, para proteger tanto el motor como el circuito de control.
16. REFERENCIAS
[1] consultado en: http://www.neoteo.com/optoacopladores-electronica-basica/
[2] consultado en:http://www.somoslibres.org/modules.php?name=News&file=article&sid=5581
[3]consultado en:http://cvonline.uaeh.edu.mx/Cursos/TecEduc/Intro_grupos_electrogenos/generador_de_cc.html
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CONCLUCION GENERAL:
Es muy importante como ingeniero mecatronico conocer los tipos de actuadores como lo es el motor, ya que necesitamos saber escoger que implementos vamos a usar según la necesidad de nuestra aplicación, por ejemplo si necesitamos buen torque a velocidad constante como en una banda transportadora, por estas razones tenemos que saber diferenciar el tipo de motor con el cual necesitamos trabajar, sus diferentes partes y como controlarlo.