Laboratorio

Práctica con un motor de corriente continua: velocidad, corriente y rotor frenado

Objetivo
Descubrir en un simulador cómo funciona un motor eléctrico de corriente continua (motor DC, también llamado de corriente directa): 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 frenado consume tanta corriente.
Nivel
Preparatoria y primeros semestres de universidad
Tiempo
45 minutos
Temas
Motores DC, fuerza contraelectromotriz, velocidad y voltaje, par y corriente, corriente de rotor bloqueado, 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 regreso y un voltímetro (V) conectado entre las terminales del motor. El motor usa el modelo Generic: 12 V nominales, 3000 rpm sin carga y 20 A con el rotor detenido a la fuerza (la corriente de rotor bloqueado). Su «Load (%)» (carga) está en 0.
  2. Ejecuta el circuito en esta página o da clic en «Abrir en el laboratorio». La copia de esta página se pausa a los dos minutos; para seguir, inicia sesión y da clic en «Abrir en el laboratorio». El motor se acelera en una fracción de segundo. Llena 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. Da 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 de aquí en adelante lee la corriente en la etiqueta del motor. Regresa la batería a 12 V.
  4. Invierte la batería: da clic en el interruptor para abrirlo y espera a que el motor se detenga (unos 10 segundos), da clic en la batería y presiona 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 regresa la batería a su posición de la misma forma.
  5. Da clic en el motor y pon «Load (%)» (carga) en 25 y luego en 50. Anota la velocidad y la corriente cada vez y después regrésala a 0. No pases de 50 %: la pregunta 5 te pide predecir qué pasa con 75 %.
  6. Pon la batería en 6 V, da clic en el motor y marca «Locked rotor» (rotor bloqueado). La etiqueta de arriba muestra STALL (rotor frenado) y la corriente. Anota las lecturas y observa durante 30 segundos. El simulador sigue el calor del embobinado, 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 de inmediato la corriente en la etiqueta del motor: el fusible se quema en pocos segundos y el motor se detiene. Vuelve a cargar 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 volt de cada fila.
  2. A 12 V, la resistencia del embobinado es solo R = 12 V ÷ 20 A = 0.6 Ω, y aun así 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 quedó igual? ¿Por qué hay que detener 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 maestro está de acuerdo, pruébalo y después vuelve a cargar 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 embobinado en cada caso, y por qué importa el fusible a 12 V?
Para maestros

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 volt 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 la fricción 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 embobinado. Ese 1 A es lo que el motor necesita para vencer su propia fricción (el 5 % de la corriente de rotor bloqueado en este modelo).
  3. La flecha giró en sentido contrario y las lecturas se volvieron 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 embobinado, y el motor gira al revés. Si lo invirtieras a toda velocidad, por 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. Detenerlo 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 embobinado (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 marca un poco menos porque la batería y el fusible suman unos 0.02 Ω.
  5. Cada 25 % de carga agrega unos 5 A (la cuarta parte de los 20 A de rotor bloqueado), así que con 75 % se necesitan unos 15.25 A a unas 750 rpm (calculado). Eso rebasa los 15 A del fusible, que se quema. En el laboratorio la etiqueta del motor marcó 15.2 A a 674 rpm y el fusible se quemó a los pocos segundos. El fusible del simulador es ideal: se quema a los pocos segundos de rebasar 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 termomagnético que corte antes de que el embobinado se sobrecaliente.
  6. Con el rotor 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 quemara 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 embobinado 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 alcanza a ver). El fusible de 15 A se quemó antes, a unos 3 s en nuestra prueba, y salvó al motor.

Preguntas frecuentes

¿Mis alumnos necesitan cuenta?

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 grupo con el enlace del grupo.

¿Pueden hacer la práctica en 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 alcanzan para toda la práctica; para seguir, inician sesión y dan clic en «Abrir en el laboratorio» (con una cuenta gratuita, ahí hay un límite de tiempo).

¿Qué son los modelos predefinidos del motor?

La lista «Preset» (modelo predefinido) del motor llena su «Rated voltage» (voltaje nominal), «No-load speed» (velocidad sin carga) y «Stall current» (corriente de rotor bloqueado), y después los puedes seguir cambiando. Esta práctica usa Generic: 12 V, 3000 rpm, 20 A. Los demás son motores típicos de auto de 12 V: Starter, la marcha (1800 rpm, 400 A); Wiper, el motor de los limpiaparabrisas (1500 rpm, 12 A, en el eje del motor, antes de su caja reductora); Window lift, el del elevador de ventanas (2500 rpm, 18 A), y Blower, el del soplador del aire acondicionado y la calefacción (3500 rpm, 25 A).

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