Capítulo III. El sistema eléctrico del automóvil. En el capítulo anterior se analizaron algunos convertidores de energía eléctrica trifásica.

Transcripción

1 3.1 Introducción Capítulo III En l capítulo antrior s analizaron algunos convrtidors d nrgía léctrica trifásica. Estos circuitos prsntan bajo factor d potncia, lo cual va n contra d los objtivos d la prsnt tsis. Cab rcordar qu uno d los objtivos priordials, s corrgir l factor d potncia n las línas dl altrnador. Esto gnra qu l consuo d cobustibl s rduzca considrablnt, lo cual s sustnta y xplica con dtall n ést capítulo. or lo tanto, dio abint no s v tan afctado, ya qu la anación d gass carburants, s uno d los principals containants n l undo. D ésta anra, los rcursos no rnovabls coo l ptrólo, no s vn tan afctados y pudn utilizars para otros fins. Un sgundo objtivo, s la gnración d dos nivls d voltaj d CD distintos ntr si. Dicho d otra fora, s obtin una funt asiétrica d CD. La construcción d ésta nuva funt, s dbido a qu las ncsidads y funcions d un autoóvil han auntado gradualnt y rquirn d ás nrgía qu n l pasado. Dichas funcions son; vibracions n los asintos, quipos d audio d ayor potncia, calfacción, vidrios léctricos, tc. Es por sto qu s rquir studiar l funcionainto dl sista léctrico dl autoóvil. La rd léctrica d un vhículo odrno s divid n sit parts fundantals [13]. 27

2 El sista d gnración y carga d la batría El sista d archa El sista d ignición o ncndido El sista d iluinación El sista dl claxon (horn syst) Los aparatos léctricos (cargas léctricas) El tablro indicador lctrónico Estos sistas stán rlacionados uno con otro. Dbn funcionar corrctant, d no sr así, rprcutn n los dás. Sin bargo, st capítulo s liita a dar una xplicación d cóo s gnra y distribuy la nrgía léctrica n l autoóvil, así coo l jorainto d ést. Est sista consta d trs dispositivos fundantals; l altrnador, la batría y l rgulador. 3.2 El altrnador autootriz ara qu coxistan voltaj y corrint n la rd léctrica dl autoóvil, s rquir qu l otor sté ncndido. Ya qu a partir d los oviintos cánicos qu gnra l otor, s obtin nrgía léctrica. Antriornt, un autoóvil utilizaba gnradors d CD. Actualnt, l altrnador ha sustituido copltant al gnrador d CD, dbido a qu l priro s ás ficint para la producción d nrgía [1]. El altrnador, tabién conocido coo gnrador sincrónico (Figura 3.1), obtin nrgía léctrica a partir d oviintos cánicos. Est dispositivo, constituy la bas dl sista d gnración d lctricidad. Un altrnador stándar stá constituido por dos lntos principals: l stator (stator) y l rotor, los cuals s ustran n la figura

3 Figura 3.1 Altrnador autootriz Figura 3.2 Vista d un altrnador dsontado [11] 29

4 El rotor a su vz, stá constituido por dos lntos principals: l dvanado dl rotor (rotor coil) y los polos agnéticos (agntic pols). Figura 3.3 Ensablaj dl rotor [11] El funcionainto dl rotor coinza cuando s aplica corrint dircta al dvanado dl rotor, para qu ésta corrint, junto con los polos agnéticos gnrn un capo agnético B. Subsiguintnt, la flcha dl rotor (rotor shaft) gira con l propósito d qu B sa rotacional. La agnitud d B s proporcional a la cantidad d corrint qu circula por l dvanado dl rotor. La flcha gira por dio d una pola, la cual s adjunta al otor a través d la banda dl altrnador. ostriornt, B induc cirto voltaj V ind n l dvanado dl stator. La aplitud dl voltaj inducido dpnd d la agnitud d B. Los polos agnéticos qu constituyn al rotor, pudn sr salints o no salints. S utilizan salints cuando xistn trs o ás pars d polos. Gnralnt un altrnador 30

5 autootriz pos n l rotor ntr 6 y 8 pars d polos [14], por lo tanto éstos son salints. El capo agnético fluy ntr los pars d polos, gnrando qu ést varí con rspcto al tipo (sinusoidal). or sta razón, l rotor s construy con láinas dlgadas para vitar pérdidas por corrints parásitas [1]. or otro lado, s rquir d un dispositivo qu proporcion corrint dircta n l dvanado dl rotor, aún cuando ést s ncuntr girando. Esto s logra diant los aros dslizants (slip rings). La corrint dircta s obtin a partir d la batría. La otra piza fundantal dl altrnador, s l stator. Est s un dvanado n l cual s induc voltaj d CA, dbido a qu l capo agnético varía con rspcto al tipo. En un altrnador autootriz, por lo gnral xistn trs dvanados statóricos sparados ntr si 120 léctricos, alrddor d la suprfici d la áquina. Esto indica qu s inducn trs voltajs, dsfasados 120 ntr si (nrgía trifásica) Rlación ntr frcuncia léctrica y cánica La rlación qu xist ntr la frcuncia léctrica d los voltajs inducidos ( f ) y la vlocidad d rotación d la áquina ( f ) s ncuntra diant la siguint fórula: f = (3.1) 2 f Dond s l núro d polos agnéticos, l cual sipr db sr un núro par. Ya qu la frcuncia léctrica stá dada n Hz (ciclos por sgundo), s rquir convrtir la vlocidad cánica d rotación dl altrnador (rvolucions por inuto) n Hz. Esto s logra diant la siguint cuación: 31

6 Dond n n f = (3.2) 60 s la vlocidad dl capo agnético n rvolucions por inuto. Sustituyndo (3.2) n (3.1) s ncuntra la rlación corrcta ntr la frcuncia léctrica y la vlocidad d rotación dl altrnador: n f = 120 (3.3) Voltaj inducido n los dvanados dl stator El voltaj inducido n los dvanados statóricos s obtin a partir d la siguint fórula: V ind ( w t) = N Φw sin (3.4) C Dond N C s l núro d vultas dl dvanado statórico, Φ s l flujo agnético n Wbrs (Wb ), qu pasa a través dl dvanado y w s la vlocidad angular d rotación d B. Tanto Φ coo w dpndn d otras variabls. Φ = dlb w 2w = (3.5) Dond d s l diátro dl stator dl altrnador, l s la longitud dl dvanado n tros ( ), B s la dnsidad d flujo pico dl capo agnético n Tslas (T ) y w s la frcuncia angular léctrica n radians por sgundo Rad S. Sustituyndo (3.5) n (3.4), s ncuntra una nuva cuación para l voltaj inducido. V ind 2N C dlbw 2 = sin wt (3.6) 32

7 Dond w = 2πf. Coo s pud obsrvar, la frcuncia léctrica d dpnd d la V ind frcuncia cánica dl altrnador. or otro lado, la agnitud dl voltaj inducido incrnta d acurdo a lo siguint [13]: 1) V ind aunta si la vlocidad d rotación ( w ) aunta 2) V ind aunta si la dnsidad dl flujo agnético ( Φ ) incrnta. Esta dpnd a su vz d los siguints parátros: a) El núro d vultas ( N C ) y l tipo d alabr utilizado n l dvanado dl stator b) El huco d air qu xist ntr los polos agnéticos dl rotor y l stator c) El voltaj aplicado al dvanado dl rotor qu xist ntr los aros dslizants. Dado qu los altrnadors autootrics gnran nrgía trifásica, s rquirn d trs dvanados n l stator, sparados 120 léctricos ntr si. La conxión d stos dvanados pud sr diant dos foras; dlta o strlla. Figura 3.4 Conxions d los dvanados statóricos [11] Noralnt, los dvanados d los altrnadors autootrics stándar s construyn n strlla. La conxión n dlta s utiliza n altrnadors d caions, ya qu éstos ntrgan 33

8 ás potncia. Esto s dbido a qu la corrint d lína s 3 vcs la corrint d fas. or lo tanto, n un sista trifásico, los voltajs d fas inducidos son: V V V Φa Φb Φc 2N = 2N = 2N = C C C dlb dlb dlb w w w 2 sin wt 2 sin wt sin wt 240 (3.7) El circuito léctrico quivalnt dl altrnador s ustra n la siguint figura. Figura 3.5 Circuito quivalnt dl altrnador [1] Dond V, I, R y L son l voltaj, corrint, rsistncia inductancia (dvanado) dl f f f f rotor., y E son los voltajs d fas inducidos. R y jx son la rsistncia E A1 E A2 A3 A S 34

9 inductancia dl stator rspctivant. Tanto R coo jx dbn sr idénticos n las trs fass. D no sr así, las agnituds d los voltajs d fas s vn afctadas. 3.3 El sista d carga d la batría A S La batría s un artfacto qu gnra corrint dircta por dio d raccions quíicas. Est dispositivo s ncarga d suinistrar nrgía a todas las cargas léctricas qu s ncuntran n l autoóvil, sipr y cuando l otor no s ncuntr ncndido. Dicho d otra fora, funciona coo un sustituto dl altrnador cuando ést no gnra lctricidad. Cuando la batría s ncuntra totalnt cargada, gnra un voltaj aproxiado d 12.6V d CD [11]. ara lograr qu la batría sa rcargada por l altrnador, s rquir un punt rctificador d diodos d onda coplta (figura 2.8). Esto s logra sipr y cuando l otor s ncuntr ncndido. D sta anra, l altrnador l inycta corrint a la batría y a las dás cargas léctricas distribuidas n l vhículo. El sista d carga d la batría s ustra a continuación. 35

10 Figura 3.6 Sista d carga d la batría A difrncia dl circuito rctificador d onda coplta, dscrito n la figura 2.11, ést contin una batría y los distintos coponnts lctrónicos coo cargas léctricas. En l capítulo antrior, s analizó qu un circuito rctificador trifásico d onda coplta pos un factor d potncia d 95.5%. Esto s logra sipr y cuando xistan cargas purant rsistivas. Esto no ocurr n l circuito antrior, ya qu la batría, coo la ayoría d los dispositivos lctrónicos y l capacitor, no s coportan coo cargas rsistivas. Esto gnra qu l factor d potncia dl sista sa bajo. D ahí la iportancia d la prsnt tsis; corrgir l factor d potncia n las línas dl altrnador. ara rcargar a la batría, db d xistir un voltaj ntr sus trinals ayor a 12.6V y nor a 15.5V [11]. or lo tanto, l voltaj prodio d carga ( ), db sr alrddor d 14V. En un rctificador d onda coplta trifásico, l voltaj prodio d salida s l siguint: V cd V V cd cd π 6 2 = 2 ( wt) d( wt) π 6 (3.8) 0 = 1.654V 3V cos Al sustituir V cd por 14V, s obtin l voltaj pico (inducido) d fas: V 8. 5V (3.9) D acurdo a la cuación antrior, la agnitud d (3.6) db sr igual a 8.5V. V 2N CdlBw = = 8. V (3.10) ind 5 Est s l valor qu db sr inducido para qu la batría s suinistr d nrgía corrctant. Ya qu V dpnd d dos parátros variabls ( B y w ), s db ind 36

11 rgular la agnitud d éstos para qu voltaj inducido no sobrpas los líits d opración. En rsun, la batría cupl una dobl función dntro dl sista léctrico dl autoóvil. Cuando l altrnador s dspña coo funt, la batría s coporta coo una carga. or otro lado, la batría s la funt d alintación cuando l altrnador no produc nrgía. Figura 3.7 Batría coo carga Figura 3.8 Batría coo funt Rgulación dl voltaj inducido ara qu l sista léctrico no prsnt sobr voltajs, s rquir controlar la cantidad d voltaj inducido n los dvanados statóricos. Esto lo hac un dispositivo 37

12 llaado rgulador. La rgulación d voltaj tin dos objtivos principals. El priro s controlar l voltaj noinal d la batría (12.6V). El sgundo protgr a las cargas léctricas distribuidas a lo largo y ancho dl vhículo, dbido a qu éstas opran con l iso voltaj d la batría. La agnitud l voltaj inducido dpnd d la dnsidad áxia dl capo agnético (cuación 3.6), ésta dnsidad, a su vz s dirctant proporcional a la intnsidad d corrint qu pasa a través dl dvanado dl rotor. D ahí qu l voltaj inducido s pud rgular diant la intnsidad d corrint qu pasa a través d la bobina dl rotor. Antriornt, la rgulación d voltaj ra por dio d rsistncias variabls (potnciótros), con l objtivo d controlar la corrint d capo dl rotor. Los rguladors qu s utilizan actualnt, por lo gnral son lctrónicos y digitals. Figura 3.9 Sista d carga rgulado [15] 38

13 En la figura antrior s ustra un rgulador lctrónico conctado al sista d carga dl autoóvil. Coo s pud obsrvar, l punt rctificador d diodos convirt CA, gnrada n los dvanados dl stator (stator windings), n CD. El ciclo d trabajo dl rgulador (rgulador) dpnd dl voltaj d CD, snsado por la trinal A. Si l voltaj snsado stá bajo 12.6V, l ciclo d trabajo dl rgulador incrnta. Esto s con l propósito d inyctar ás corrint al dvanado dl rotor (fild winding) por dio d la trinal Fild. or l contrario, si l voltaj snsado s alto, l ciclo d trabajo disinuy. or otro lado, la trinal S onitora l voltaj dl stator. Si no xist tal voltaj, indica n l tablro dl autoóvil qu l otor sta apagado por dio d la trinal I. 3.4 Eficincia y pérdidas d potncia Coo s ha ncionado ants, l altrnador gnra nrgía léctrica a partir d oviintos cánicos. La dfinición d ficincia indica la capacidad d convrtir una fora d nrgía, n otra. Dntro d sta convrsión, s dsa qu las pérdidas d nrgía san ínias. La ficincia n un altrnador s id por la siguint fórula: OUT η = 100% (3.11) IN Dond y son las potncias d salida y ntrada rspctivant. La difrncia OUT IN ntr stas dos, corrspond a las pérdidas qu ocurrn n la convrsión d nrgía: LOSS = (3.12) IN OUT Al dspjar OUT y sustituirla n (3.11), s obtin una nuva cuación para la ficincia: IN LOSS η = 100% (3.13) IN Las pérdidas n l altrnador, s dividn n cuatro catgorías principals [1]: 39

14 1) érdidas léctricas n l cobr 2) érdidas n l núclo 3) érdidas cánicas 4) érdidas adicionals érdidas léctricas Las pérdidas léctricas son las qu gnralnt ocurrn por sobrcalntainto d cabls; coo pudn sr son los dvanados dl rotor y los statóricos. Estas prdidas s idn por los siguints parátros: 2 = 3I φ R φ (3.14) Dond I s la corrint qu circula n los dvanados y R s la rsistncia dl cabl. El φ factor d 3 indica la prsncia d las trs fass érdidas n l núclo Son las pérdidas qu ocurrn por histérsis y corrints parásitas n los lainados dl altrnador. Estas varían d acurdo a la dnsidad dl capo agnético y su vlocidad d rotación érdidas cánicas Son aqullas qu s asocian a los oviintos cánicos. Dntro d éstas, s ncuntran las pérdidas por rozainto cánico y por rozainto dl air. Estas gnralnt son causadas por fricción ntr parts óvils érdidas adicionals Son aqullas las cuals no s pudn catalogar dntro d las pérdidas antriors. Dntro d éstas, s pud catalogar las pérdidas d convrsión CA CD. Cab rcordar qu los φ 40

15 diodos n polarización dircta, tinn una caída d voltaj ntr 0.7V y 1V. Otra pérdida adicional, s la asociada al bajo factor d potncia d los rctificadors cuando no s prsntan cargas rsistivas. Las conscuncias d un bajo F s analizaron n l capítulo I. A continuación s ustra un diagraa d las distintas pérdidas qu afctan la ficincia dl altrnador. Figura 3.10 érdidas n l altrnador Dond IN s igual al torqu aplicado τ por la vlocidad angular dl rotor. La apl w potncia d salida dl altrnador stá dada por l voltaj ultiplicado por la corrint dircta. D los cuatro tipos d pérdidas asociadas al altrnador, sólo una d éstas s pud controlar diant la prsnt tsis; las pérdidas adicionals o isclánas. Las dás dpndn d los fabricants d altrnadors autootrics. El altrnador d la figura 3.11 pud llgar a tnr una ficincia d 68% [16]. Esto s dbido a qu no prsnta pérdidas significativas por rozainto (brushlss altrnator). 41

16 Figura 3.11 Altrnador d alta ficincia Dlco Ry 36SI La siguint figura ustra cóo la corrint d salida d st altrnador ( ) incrnta confor aunta la frcuncia cánica. I CD Figura 3.12 Curva d rndiinto dl altrnador Dlco Ry 36SI 42

17 Cuando s ncuntran ncndidos los distintos aparatos lctrónicos a la vz (carga léctrica psada), l altrnador rquir d una potncia d ntrada considrabl. Esta potncia s gnrada por l otor. or lo tanto, l altrnador s coporta coo una carga cánica para l otor. Suponr durant un instant, qu dos d los 3 dvanados dl stator s ncuntran n corto circuito (carga léctrica psada). Al tratar d ovr anualnt la flcha dl altrnador, s ncuntra qu s rquir d una furza considrabl (nrgía cánica) para rotarlo. Lo iso pasa con l otor; rquir d una nrgía considrabl para podr ovr al otor. Esto s v rfljado n l consuo d gasolina. or lo tanto, con un altrnador d alta ficincia, s rduc l consuo d gasolina. Esto s db a qu gnra la isa cantidad d nrgía léctrica qu un altrnador d baja ficincia. La difrncia radica n qu s rquir nor cantidad d potncia cánica (nor consuo d gasolina) para gnrar dicha nrgía léctrica. 3.5 Conclusions Cada vz son ás los aparatos lctrónicos qu s ncuntran a lo largo y ancho d la rd léctrica autootriz. Estos rquirn d ayor nrgía para qu funcionn corrctant. or sta razón, s rquir qu l altrnador sa ás ficint. La prira opción para jorar su ficincia, s iniizar las pérdidas por rozainto d sus distintos coponnts cánicos. Sin bargo, la prsnt tsis no abarca dichos tas. Otra fora d jorar la ficincia, s corrgir l factor d potncia n sus línas d tnsión. Esto va a gnrar qu toda, o la ayoría d la nrgía léctrica gnrada n l altrnador, sa consuida por los aparatos lctrónicos. 43