UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. LABORATORIO DE CONVERSIÓN ELECTROMAGNÉTICA. PREINFORME PRÁCTICAS VIRTUALES 1 Y 2 1

PREINFORME PRÁCTICAS VIRTUAL 1 y 2:LOAD TEST AND SPEED CONTROL ON

SEPARATELY EXCITED DC MOTORElkin D. Reyes M, Juan S. Riveros Ch, Camilo A. Martinez M, Jose M. Pinto G, Laura S. Rosero Z.

Abstract—Este documento contiene la teoría y los proced-imientos básicos para realizar la Prueba de Carga y controlde velocidad en un Motor DC excitado separadamente. Sedesarrollará la explicación y funcionamiento del Motor DC con elfin de establecer el procedimiento para simular ambas pruebas.

Index Terms—Motor DC, Prueba de Carga, conexiones, Con-trol de Velocidad.

I. INTRODUCCIÓN

EL motor DC con excitado separadamente es ampliamenteusado en la industria como actuador debido a que ofrece

amplias ventajas como: un tamaño reducido, alta velocidad,baja fricción y menor costo de construcción comparado conun motor trifásico. Además, como se verá más adelante, sumodelo es más simple comparado con el AC.

II. OBJETIVOS

• Conocer el modelo del Motor DC con excitación sepa-rada.

• Desarrollar el procedimiento para realizar la simulaciónde la prueba de carga para el Motor DC con excitaciónseparada.

• Estudiar el control de velocidad para un motor conexcitación independiente.

• Resolver el test virtual.

III. ALCANCE

Dar a conocer y profundizar sobre el funcionamiento delMotor DC con excitación separada.

IV. TEORÍA

Un Motor DC de este tipo tiene un devanado de campo, undevanado de armadura, un yugo, un conmutador y escobillas.En la Figura 1 se puede observar las partes de éste Motor.

El principio por el cual el Motor DC funciona se debe ala inducción de una fuerza electromagnética debido a unacorriente que fluye por el conductor. La dirección de éstafuerza se puede conocer siguiendo la Ley de la mano derecha.Se tienen corrientes tanto en el devanado de armadura como enel de campo. La mayoría del flujo producido en la máquina esproducido en el devanado de campo. El arreglo del conmutadory las escobillas permiten cambiar la dirección de las corrientes.En el Motor DC la corriente en el devanado de armadura inter-actua con el flujo principal, produciendo un torque constante

Figure 1. Construcción de una Máquina DC [1]

y unidireccionar. El flujo inducido está en dirección opuestaa la tensión aplicada, más sin embargo la corriente tiene lamisma dirección, esta es una de las principales característicasa diferencia del generador, lo cual se verá reflejado en laecuación de la tensión de salida VT .

A. Modelo

Un Motor DC excitado separadamente o con excitaciónindependiente es aquel el cual el circuito de campo es alimen-tado por una fuente separada de tensión constante. El circuitoequivalente se puede observar en la Figura 2, de éste modelopodemos comprobar que efectivamente su alimentación esindependiente y tiene como salida VT . Las ecuaciones 1, 2y 3 muestran el comportamiento de éste Motor DC para elcual la corriente de línea es igual a la corriente de armadura[2].

Figure 2. Modelo de una Máquina DC con excitación separada [2]

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IF =VFRF

(1)

VT = EA + IARA (2)

IL = IA (3)

B. Prueba de carga.

La prueba de carga consiste en la conexión de una impedan-cia (generalmente resistiva) en la salida VT del Motor. Gen-eralmente se espera la curva de característica externa o lacurva de regulación. Para la primera se arranca el motor DCy con un generador sincrónico se alcanza la frecuencia desincronismo, después se comienza el proceso de excitacióncon corriente continua en el rotor o variando la resistencia decampo. Entonces se agrega la carga y se realizan medicionesde tensión en los terminales manteniendo constante la corrientede excitación del generador.

C. Control de velocidad.

Conociendo las ecuaciones que modelan la velocidad yel torque de los motores DC (4 y 5), podemos determinarlas maneras por las cuales podemos realizar el control de lavelocidad en éstos.

n =Vf − IaRa

KΦ(4)

τ = IAΦ (5)

1) Variación de campo de excitación: Tanto en motoresde derivación, como estos motores de excitación inde-pendiente, el control de la velocidad se puede realizarcambiando la resistencia del circuito de campo. Unadisminución de esta resistencia, llevará a un aumentoen la corriente de campo, que a su vez aumentará laintensidad del campo producido por el rotor. Al menorvalor de esta resistencia, corresponde el mayor valor dela velocidad del motor.Por otro lado, el torque resultante varía inversamente a lavelocidad de motor, es decir, a medida que la velocidaddisminuye, el torque de ésta aumenta.

2) Variación de tensión en los terminales de amadura:Un cambio en la tensión de los terminales de armaduraresulta en un cambio en la velocidad con excitaciónconstante. Por lo general, la potencia disponible estensión AC constante , por lo que se requiere un equipoauxiliar en forma de rectificador para proporcionar latensión de inducido controlado para al motor. En estemodo el par desarrollado por el motor es casi igual alpar nominal a cualquier velocidad de cero a la velocidadnominal. En este motor la región de operación está enel modo de par constante.

V. PRE-TEST:

1) La potencia mecánica desarrollada por la armaduradel Motor DC es igual a:a) La corriente de armadura multiplicada por la FEM:ésto se debe a que la potencia mecánica se encuentra enel lado de la armadura, por lo tanto la potencia mecánicase puede calcular como la tensión de salida inducida porla corriente de armadura.

2) El torque del eje de un Motor DC es menor que eltorque de su armadura debido a:d) Pérdidas rotacionales: las cuales se presentan en lasimpedancia del devanado de excitación.

3) La relación Eb/V del Motor DC son un índice de su:c) Eficiencia: efectivamente esta relación puede ser con-siderada una medida de eficiencia ya que es la relaciónentre la entrada de tensión a la máquina y la tensión desalida.

4) Si la corriente en un motor DC aumenta, suvelocidad:b) Se reduce levemente: esto se debe a que el controlde velocidad se hace por medio de una relación queinvolucra a la resistencia de armadura 4 por lo tantocuando aumenta la corriente su velocidad tendrá quedisminuir, pero como se verá en el desarrollo de lapráctica, ésta variación es pequeña.

Control de velocidad

1) Un motor DC en serie no debe arracancarse enausencia de carga, porque:c) La velocidad se torna demasiado alta: Como biensabemos, al iniciar un motor DC se utiliza un reostatode arranque, lo que significa que la corriente inicial es0, valor que, en consecuencia, también toma el flujo Φ.Haciendo que al aplicar la ecuación 4, el valor de lavelocidad se torne demasiado alta.

2) La regla de la mano izquieda de Fleming, es aplicablea:D) Motor DC: La regla de la mano izquierda, oregla de Fleming es una ley mnemotécnica utilizada enelectromagnetismo que determina el movimiento de unconductor que está inmerso en un campo magnético oel sentido en el que se genera la fuerza dentro de él.Porlo tanto, está ley es aplicable unicamente a los MotoresDC, dado que es en éstos donde el conductor del rotor(el que ejerce el movimiento) se encuentra dentro de uncampo magnético.

3) Un conductor está rotando al interior de un campomagnético. ¿A que posición se obtiene la tensiónmaxima?:A) A lo largo del eje del campo magnético: Como biensabemos, la tensión inducida en un conductor que giraal interior de un campo magnético, está dada por laecuación 6, donde Θ es el angulo entre la velocidady el campo magnético.Por lo tanto, para lograr la tensíon máxima, éste ángulo,debe ser 900 es decir, a ser la velociad perpendicular a

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eind = (vxB) ∗ leind = vBl sin Θ (6)

4) El conmutador en una máquina DC puede convertir:B) DC en AC: Un conmutador, es una característicacomún en máquinas rotativas de corriente continua.Al revertir el sentido de la corriente en la bobina enmovimiento de la armadura de un motor, una fuerzaconstante rotativa (torque) es producido. De manerasimilar, en un generador, revirtiendo la conexión de labobina al circuito externo provee de corriente directaunidireccional al circuito externo. La primera máquinade corriente directa con conmutador fue creada porHippolyte Pixii en 1832, basado en una sugerencia deAndré-Marie Ampère.

VI. PROCEDIMIENTOA continuación se mostrará el procedimiento a seguir para

realizar la simulación.

A. Prueba de carga

1) Cerrar el switch DPST (Double Pole Single Throw)conectando la fuente al devanado de campo del MotorDC con excitación separada.

2) Aumentar la tensión de campo del motor a su valornominal de 220V.

3) Usar un dispositivo de control de tensión para aumentaro disminuir la alimentación.

Figure 3. Control de tensión [Tomado de la Guía]

4) Cerrar el switch conectado la alimentación al devanadode armadura del Motor.

5) Aumentar la tensión de armadura del motor a su valornominal de 440V.

6) Como el Motor DC está conectado mecánicamentecon el generador DC con excitación separada entoncesse puede observar la velocidad del generador con untacómetro digital.

Figure 4. Tacómetro [Tomado de la Guía]

7) Ahora incrementar la excitación del generador hasta220V.

8) Conectar la carga cerrando el switch como se muestraen la Figura 5

Figure 5. Switch [Tomado de la Guía]

9) Fijarse en la disminución de la tensión del generadory el aumento en su corriente. Mientras que la carga vaaumentando, la velocidad y la tensión de armadura delgenerador disminuyen.

10) Almacenar los datos obtenidos presionando "Start Stor-ing Data"

11) Para mantener la tensión del generador constante bajo lacarga dada, ajustar la excitación de campo del generador.

12) Ahora nuevamente aumentar la carga cerrando otroswitch de la carga.

13) Almacenar los datos nuevamente.14) Repetir estos últimos pasos hasta que todas las cargas

estén conectadas.15) Finalmente mostrar los datos presionando "Show data".16) Seleccionar una de las gráficas de todas las gráficas

disponibles y usar "Generate graph" para plotear.17) Mientras se desconecte, reducir la excitación del gener-

ador a un valor baja para luego remover la carga.18) Igualar a cero la excitación del Motor al igual que la

tensión de armadura.19) La velocidad del motor decrecerá hasta que eventual-

mente será cero, después retirar la excitación del motor.

B. Control de velocidad:

1) Cerrar el switch DPST (Double Pole Single Throw) en elcircuito de campo del motor, aumentar la tensión hastael valor nominal, hacer esto por pasos.

2) Cerrar el switch DPST (Double Pole Single Throw) enel circuito de armadura del motor, aumentar la tensiónhasta el valor nominal, hacer esto por pasos.Metodo de control de armadura:

3) Mantener la tensión de campo constante, variar la ten-sión de armadura del motor DC. Observar las lecturasde velocidad del tacómetro.

4) La velocidad variará de manera directamente propor-cional a la tesión de armadura.Metodo de control de campo:

5) Ahora, mantener la tensión de armadura constante y re-ducir la tensión aplicada al circuito de campo del motorDC. Observar las lecturas de velocidad del tacómetro.

6) A medida que avanzamos en la reducción de la tensiónde campo, la velocidad del motor seguirá aumentando.Esta relación observa proporción inversa.

7) Almacenar estos datos haciendo clic en "Inicio Almace-namiento de datos"

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8) Así que para mantener la tensión de la constante degenerador en condición de carga ajustar la excitacióndel campo del generador.Ahora volverá a aumentar la carga cerrando otro inter-ruptor de carga.

9) Almacenar los datos obtenidos presionando "Start Stor-ing Data"

10) Ir en repetir este procedimiento hasta que todas lascargas están conectadas y se almacenan los datos.

11) Finalmente mostrar los datos presionando "Show data".12) Después de la experimentación, reducir la tensión del

inducido a cero por pasos, entonces abrir el switch DPST(Double Pole Single Throw) en el circuito de armaduradel motor.

13) A continuación, reduzca la tenión de campo paso yluego abrir el switch DPST (Double Pole Single Throw)cuando se alcanza el valor cero.

REFERENCES

[1] A.E. Fitzgerald, C. Kingsly, Jr., and S.D. Umans, Electrical Machines,5th edition, McGraw-Hill New York, 1990.

[2] Stephen J. Chapman, Electric Machinery Fundamentals, 5th edition,McGraw-Hill New York.