Laboratorio

Práctica con un motor de corriente continua: velocidad, corriente y bloqueo

Objetivo
Descubrir en un simulador cómo funciona un motor eléctrico de corriente continua (motor DC): medir cómo cambian su velocidad y su corriente con el voltaje y con la carga, ver qué pasa al invertir la batería y explicar por qué un motor bloqueado consume tanta corriente.
Nivel
Bachillerato y primeros cursos universitarios
Tiempo
45 minutos
Temas
Motores DC, fuerza contraelectromotriz, velocidad y voltaje, par y corriente, corriente de bloqueo, potencia (P = I²R), fusibles
Vista previa de DC Motor Speed, Current and Stall Lab
Abrir en el laboratorio Insertar La simulación se ejecuta en modo demo y se pausa a los dos minutos; ábrela en el laboratorio para continuar.

Pasos

  1. Observa el circuito: una batería de 12 V, un interruptor, un fusible de 15 A y un motor DC en serie, un amperímetro (A) en el cable de retorno y un voltímetro (V) conectado entre los bornes del motor. El motor usa el modelo Generic: 12 V nominales, 3000 rpm sin carga y 20 A con el rotor inmovilizado (la corriente de bloqueo). Su «Load (%)» (carga) está en 0.
  2. Ejecuta el circuito en esta página o pulsa «Abrir en el laboratorio». La copia de esta página se pausa a los dos minutos; para seguir, inicia sesión y pulsa «Abrir en el laboratorio». El motor se acelera en una fracción de segundo. Completa la primera fila de la tabla: la velocidad en la etiqueta de arriba del motor, la corriente y la fuerza contraelectromotriz (EMF) en la etiqueta de abajo, la lectura del voltímetro y la del amperímetro, que coincide con la corriente del motor.
  3. Haz clic en la batería y cambia su «Voltaje» a 9 V, luego a 6 V y luego a 3 V. Espera a que la velocidad se estabilice y anota una fila cada vez. Después de un cambio, el amperímetro puede quedarse mostrando un valor promediado con la marca RMS, así que a partir de aquí lee la corriente en la etiqueta del motor. Vuelve a poner la batería en 12 V.
  4. Invierte la batería: haz clic en el interruptor para abrirlo y espera a que el motor se detenga (unos 10 segundos), haz clic en la batería y pulsa la tecla F («Voltear»), y vuelve a cerrar el interruptor. Anota la velocidad, el sentido de la flecha y el signo de las lecturas. Después vuelve a voltear la batería de la misma forma.
  5. Haz clic en el motor y pon «Load (%)» (carga) en 25 y luego en 50. Anota la velocidad y la corriente cada vez y vuelve a dejarla en 0. No pases de 50 %: la pregunta 5 te pide predecir qué pasa con 75 %.
  6. Pon la batería en 6 V, haz clic en el motor y marca «Locked rotor» (rotor bloqueado). La etiqueta de arriba muestra STALL (bloqueado) y la corriente. Anota las lecturas y observa durante 30 segundos. El simulador sigue el calor del bobinado, y la carcasa del motor solo se pone roja cuando se acerca a su límite; a 6 V se queda muy por debajo, así que apenas se enrojece o nada, y el motor nunca se quema. Desmarca «Locked rotor».
  7. Demostración del fusible, una sola vez y solo para observar: pon la batería en 12 V y marca «Locked rotor». Lee enseguida la corriente en la etiqueta del motor: el fusible se funde en pocos segundos y el motor se para. Recarga la página para recuperar el circuito original.

Tabla de datos

Ajuste (V de la batería, carga %, bloqueado) Voltímetro (V) Velocidad (rpm) y flecha Corriente en la etiqueta del motor (A) Fuerza contraelectromotriz (V) Qué observaste
           
           
           
           
           
           
           
           
           

Preguntas

  1. ¿Cómo depende la velocidad sin carga del voltaje de la batería? Calcula las rpm por voltio de cada fila.
  2. A 12 V, la resistencia del bobinado es solo R = 12 V ÷ 20 A = 0.6 Ω, y sin embargo la corriente es de 1 A, no de 12 V ÷ 0.6 Ω = 20 A. Usa V = I × R + fuerza contraelectromotriz para explicar tus lecturas a 12 V.
  3. ¿Qué cambió al invertir la batería y qué se mantuvo igual? ¿Por qué hay que parar el motor antes de invertirlo?
  4. ¿Por qué baja la velocidad y sube la corriente cuando aumentas la carga?
  5. Predice la corriente y la velocidad con «Load (%)» en 75 a 12 V. ¿Qué hará el fusible de 15 A? Si tu profesor está de acuerdo, pruébalo y luego recarga la página.
  6. Con el rotor bloqueado, ¿qué corriente leíste a 6 V y a 12 V? ¿Cuánta potencia se convierte en calor en el bobinado en cada caso, y por qué es importante el fusible a 12 V?
Para docentes

Clave de respuestas

  1. Medido: 749 rpm a 3 V, 1498 rpm a 6 V, 2246 rpm a 9 V y 2995 rpm a 12 V, unas 250 rpm por voltio en todos los casos, así que la velocidad es proporcional al voltaje. Un motor sin carga se acelera hasta que su fuerza contraelectromotriz casi iguala el voltaje de la batería, y esa fuerza es proporcional a la velocidad (11.4 V a 2995 rpm, unos 3.8 mV por rpm). El doble de voltaje da el doble de velocidad. La corriente también sube con el voltaje, de unos 0.2 A a 1.0 A en la etiqueta del motor, porque el rozamiento crece con la velocidad.
  2. Medido a 12 V: 0.998 A en el amperímetro (1.0 A en la etiqueta del motor), fuerza contraelectromotriz de 11.4 V y 11.98 V en el voltímetro. I × R = 0.998 A × 0.6 Ω ≈ 0.6 V, y 0.6 V + 11.4 V = 12.0 V, lo mismo que marca el voltímetro. Al girar, el motor funciona también como generador contra la batería, así que solo la pequeña diferencia, unos 0.6 V, empuja la corriente por el bobinado. Ese 1 A es lo que necesita el motor para vencer su propio rozamiento (el 5 % de la corriente de bloqueo en este modelo).
  3. La flecha giró en sentido contrario y las lecturas pasaron a ser negativas (−1.0 A y EMF −11.4 V en la etiqueta del motor, −11.98 V en el voltímetro), mientras que la velocidad siguió en 2995 rpm. Al invertir la corriente se invierte la fuerza sobre el bobinado, y el motor gira al revés. Si lo invirtieras a toda velocidad, durante un instante la fuerza contraelectromotriz se sumaría a la batería: (12 V + 11.4 V) ÷ 0.6 Ω ≈ 39 A (calculado), muy por encima de los 15 A del fusible. Parar primero evita ese pico.
  4. Medido a 12 V: 2221 rpm y 5.7 A con 25 %, 1448 rpm y 10.5 A con 50 % (corrientes tal como las muestra la etiqueta del motor). El par del motor es proporcional a su corriente, así que una carga mayor necesita más corriente. Más corriente significa más caída I × R en el bobinado (5.7 A × 0.6 Ω ≈ 3.4 V), y queda menos voltaje para la fuerza contraelectromotriz, así que el motor se estabiliza a menor velocidad. Calculado con el modelo Generic, sin contar el cableado: 2250 rpm y 5.75 A, 1500 rpm y 10.5 A. El laboratorio da algo menos porque la batería y el fusible suman unos 0.02 Ω.
  5. Cada 25 % de carga añade unos 5 A (la cuarta parte de los 20 A de bloqueo), así que con 75 % hacen falta unos 15.25 A a unas 750 rpm (calculado). Eso supera los 15 A del fusible, que se funde. En el laboratorio la etiqueta del motor marcó 15.2 A a 674 rpm y el fusible se fundió a los pocos segundos. El fusible del simulador es ideal: se funde a los pocos segundos de pasar de su valor nominal, por pequeño que sea el exceso. Un fusible real aguanta una sobrecarga pequeña mucho más tiempo, así que en un circuito de motor real se elige un fusible o un interruptor automático que corte antes de que el bobinado se sobrecaliente.
  6. Bloqueado no hay fuerza contraelectromotriz, así que I = V ÷ R. A 6 V: 6 V ÷ 0.6 Ω = 10 A calculado; la etiqueta del motor marcó 9.7 A (y STALL 10 A, redondeado, arriba del motor). A 12 V: 20 A calculado; la etiqueta marcó 19.4 A antes de que se fundiera el fusible. La diferencia se debe a los 0.02 Ω de la batería y el fusible. P = I² × R: (10 A)² × 0.6 Ω = 60 W a 6 V y (20 A)² × 0.6 Ω = 240 W a 12 V, cuatro veces más calor con el doble de voltaje. En el modelo, a 6 V el bobinado se estabiliza por debajo de su límite, mientras que a 12 V se quemaría a los 10 s, más o menos (calculado; aquí no se llega a ver). El fusible de 15 A se fundió antes, a unos 3 s en nuestra prueba, y salvó el motor.

Preguntas frecuentes

¿Necesitan cuenta mis alumnos?

No para esta práctica: la copia del circuito de esta página funciona sin iniciar sesión y se pausa a los dos minutos. Para seguir trabajando en el laboratorio completo («Abrir en el laboratorio»), tienen que iniciar sesión. Para guardar su propia copia necesitan un plan de DCACLab. Para entregar el trabajo como tarea, se unen a tu clase con el enlace de la clase.

¿Pueden hacer la práctica desde casa?

Sí. El laboratorio funciona en el navegador, sin instalar nada, así que tus alumnos pueden abrir esta página en casa. La copia del circuito de esta página se pausa a los dos minutos, que no bastan para toda la práctica; para seguir, inician sesión y pulsan «Abrir en el laboratorio» (con una cuenta gratuita, allí hay un límite de tiempo).

¿Qué son los modelos predefinidos del motor?

La lista «Preset» (modelo predefinido) del motor rellena su «Rated voltage» (voltaje nominal), «No-load speed» (velocidad sin carga) y «Stall current» (corriente de bloqueo), y después puedes seguir cambiándolos. Esta práctica usa Generic: 12 V, 3000 rpm, 20 A. Los demás son motores típicos de coche de 12 V: Starter, el motor de arranque (1800 rpm, 400 A); Wiper, el del limpiaparabrisas (1500 rpm, 12 A, en el eje del motor, antes de su reductora); Window lift, el del elevalunas (2500 rpm, 18 A), y Blower, el del ventilador de la calefacción (3500 rpm, 25 A).

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