ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CARGADOR DE BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO DE 48 VOLTIOS

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL

GUANOLUISA TACO MILTON ORLANDO [email protected]

PAZMIÑO ESTRELLA DANIEL CARLOS [email protected]

DIRECTOR: MSc. PABLO RIVERA ARGOTI [email protected]

Quito, Abril del 2008

DECLARACIÓN

Nosotros, Daniel Carlos Pazmiño Estrella y Milton Orlando Guanoluisa Taco, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.

Daniel Carlos Pazmiño Estrella

Milton Orlando Guanoluisa Taco

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Daniel Carlos Pazmiño Estrella y Milton Orlando Guanoluisa Taco, bajo mi supervisión.

________________________ MSc. Pablo Rivera Argoti DIRECTOR DEL PROYECTO

CONTENIDO CONTENIDO

1

RESUMEN

3

PRESENTACIÓN

5

CAPÍTULO 1 ESTUDIO GENERAL DE BATERIAS

7

1.1. TIPOS DE BATERÍAS 1.2. CAPACIDAD DE LAS BATERÍAS 1.3. ESTRUCTURA DE LA BATERÍA PLOMO-ACIDO 1.3.1. TIPOS DE PLACAS 1.4. OPERACIÓN INTERNA DE LA BATERÍA 1.4.1 DENSIDAD O PESO ESPECÍFICO DEL ELECTROLITO 1.5. CARACTERÍSTICAS DEL BANCO DE BATERÍAS 1.5.1. CONEXIÓN EN PARALELO 1.5.2. CONEXIÓN EN SERIE 1.6. TÉCNICAS Y ALGORITMO DE CARGA PARA UNA BATERÍA DE PLOMO-ACIDO DE 12V 1.6.1 SOBRECARGA 1.6.2. TÉCNICAS DE CARGA 1.6.2.1. CARGA RÁPIDA 1.6.2.2. CARGA A VOLTAJE CONSTANTE 1.6.2.3. FLOTACIÓN 1.6.2.4. CARGA A CORRIENTE CONSTANTE 1.6.3. ALGORITMO DE CARGA

7 9 10 12 16 17 19 20 23 23 24 25 25 26 26 27 28

CAPÍTULO 2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE FUERZA

32

2.1. CONVERSOR AC/DC SEMICONTROLADO MONOFÁSICO 2.1.1 ANALISIS DE FUNCIONAMIENTO 2.1.2. DISEÑO DEL PUENTE RECTIFICADOR SEMICONTROLADO 2.2. TRANSFORMADOR DE ALIMENTACIÓN Y AISLAMIENTO 2.2.1 DISEÑO DEL TRANSFORMADOR 2.3. INDUCTOR 2.3.1 DISEÑO DEL INDUCTOR 2.4. PROTECCIÓNES 2.4.1 SNUBBERS 2.4.2 FUSIBLES 2.4.3 VARISTOR 2.4.4. DISIPADOR 2.5. DISPOSITIVO DE PROTECCIÓN Y DESCONEXIÓN VEHÍCULO-BATERÍAS 2.5.1. DISEÑO DEL DISPOSITIVO DE CONTROL 2.6. MECANISMO DE CONEXIÓN DEL CARGADOR A LA RED ELÉCTRICA 2.6.1. ELEMENTOS

33 33 36 37 37 40 41 43 43 45 45 46 47 48 49 49

CAPÍTULO 3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE CONTROL Y SENSADO

51

3.1. ELEMENTOS DE SENSADO 3.1.1. SENSOR DE CORRIENTE 3.1.2. SENSOR DE TEMPERATURA 3.1.3. SENSOR DE VOLTAJE 3.1.4. DETECTOR DE CRUCE POR CERO Y ALIMENTACIÓN ALTERNA 3.2. ELEMENTOS DE CONTROL 3.2.1 MICROCONTROLADOR PROGRAMABLE

51 51 59 61 62 64 64

3.2.2 CIRCUITO DE DISPARO 3.2.3 VISUALIZADORES

69 70

CAPÍTULO 4 PRUEBAS Y RESULTADOS

74

4.1 CALIBRACIÓN DE SENSORES 4.1.1 CALIBRACIÓN DE TEMPERATURA 4.1.2 CALIBRACIÓN DE CORRIENTE 4.1.3 CALIBRACIÓN DE VOLTAJE 4.1.4 ERROR 4.2 PROCESO DE CARGA Y DESCARGA DEL BANCO DE BATERÍAS 4.2.1 PROCESO DE CARGA 4.2.2 PROCESO DE DESCARGA

74 74 75 75 76 76 76 80

CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

82

5.1 CONCLUSIONES 5.2 RECOMENDACIONES

82 83

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

85

ANEXOS

87

RESUMEN El presente proyecto consiste en el diseño (hardware y software) y construcción de un cargador de baterías de plomo ácido de 48 V; que incluye un dispositivo de conexión hacia la red.

El transformador, que reduce el voltaje a 71 V, se alimenta de un tomacorriente normal monofásico de 110Vac a 60Hz; el transformador alimenta un conversor AC/DC semicontrolado que trabaja en el primer cuadrante, el cuál brinda voltaje y corrientes positivos, características importantes que requiere el banco de baterías para su carga.

El microcontrolador PIC16F877A, ejecuta el algoritmo de carga que involucra las etapas que se deben ir siguiendo para la carga del banco de baterías; para esto, es necesario la lectura de las siguientes variables sensadas: corriente, temperatura y voltaje.

Las etapas de carga utilizadas son las siguientes:

Carga mínima: durante esta etapa, una mínima corriente es aplicada para traer al banco de baterías a un voltaje de mayor nivel correspondiente o cercano a la descarga normal.

Carga a corriente constante o carga máxima: una vez que la carga mínima supera el límite mínimo requerido de voltaje, el cargador pasa al estado de carga máxima. Durante esta etapa se entrega la corriente constante máxima posible a la batería a medida que su voltaje se incrementa. En esta etapa el banco de baterías recupera la mayoría de su capacidad (80%),

Sobrecarga controlada: Luego de la carga máxima, la batería es sobrecargada durante un periodo de tiempo donde el cargador mantiene un voltaje constante en la batería, mientras ésta continúa absorbiendo energía del cargador.

Ecualización: La etapa de ecualización se utiliza para balancear el voltaje en cada batería, y la densidad del electrolito de cada celda, al aplicar un relativo alto voltaje al banco de baterías.

Flotación: se utiliza para mantener la capacidad de la batería evitando su autodescarga. La flotación se realiza aplicando un voltaje constante menor al voltaje de la batería totalmente cargada sin carga aplicada.

Para la visualización de las variables y de las diferentes etapas de carga del banco de baterías se usa un display de cristal líquido (LCD) y leds luminosos, donde al momento de la carga siempre se está mostrando la temperatura, corriente, voltaje y la etapa de carga en la que se encuentre. En la descarga del banco de baterías el LCD, está mostrando la temperatura y el voltaje.

Se utiliza, en serie al banco de baterías, un inductor que permite mantener la corriente de carga en conducción continua, de esta manera se evita entregar picos de corriente demasiados pronunciados al banco de baterías, lo que disminuiría su vida útil.

El cable de conexión a la red eléctrica está construido de tal forma que se pueda recoger solo, a través de un sistema mecánico.

PRESENTACIÓN El contenido de este documento inicia con una breve revisión sobre aspectos teóricos relacionados con el desarrollo del proyecto. Sobre la base de fundamentos teóricos y considerando la utilización de circuitos integrados, elementos de potencia y elementos discretos se plantean el diseño y la construcción del sistema que cumple los requerimientos propuestos. Finalmente, se explican los procedimientos experimentales efectuados para realizar la calibración de los sensores de corriente, voltaje, temperatura y pruebas de los pasos que debe ir siguiendo el cargador para su correcto funcionamiento, mismo que es controlado por el microcontrolador.

En el CAPÍTULO 1 se abordan generalidades, se presenta una revisión de teoría relacionada con el proyecto. Incluye un resumen sobre tipos de baterías, capacidad, estructura, tipos de placas, operación interna, características, técnicas y algoritmos. Finalmente, se presenta una breve descripción de los pasos que ejecuta el cargador de baterías en base a un algoritmo de carga específico.

En el CAPÍTULO 2 se presenta un resumen sobre el diseño y la construcción de los elementos de fuerza, como el puente semicontrolado, transformador, inductor y sus respectivas protecciones. Finalmente, se presenta una breve descripción del dispositivo de conexión a la red y del dispositivo de protección y desconexión vehículo – baterías.

En el CAPÍTULO 3 se presenta un resumen sobre el diseño y construcción de los elementos de control y sensado. Como el diseño y utilización de los sensores de corriente, temperatura y voltaje, El diseño del detector de cruce por cero y alimentación alterna.

El software de control está constituido por el programa del microcontrolador PIC16F877A, se describen la funcionalidad por medio de un diagrama de bloques y un diagrama de flujo. Finalmente, se presenta el diseño del circuito de disparo de los tiristores.

En el CAPÍTULO 4 se describen la calibración de los sensores de corriente, temperatura, voltaje, pruebas de las diferentes etapas de carga y pruebas de carga y descarga del banco de baterías.

Finalmente,

en

recomendaciones.

el

CAPÍTULO

5

se

presentan

las

conclusiones

y

CAPÍTULO 1 ESTUDIO GENERAL DE BATERIAS Una batería es un dispositivo que convierte la energía química contenida en sus materiales activos en energía eléctrica a través de una reacción electroquímica. Las baterías pueden ser primarias o secundarias. Las baterías primarias son utilizadas solamente una vez, debido a que sus reacciones químicas internas, que suministran la corriente eléctrica, son irreversibles. En las baterías secundarias las reacciones químicas, que suministran la corriente eléctrica, son reversibles; es decir, que haciendo circular una corriente eléctrica continua a través de la batería, en sentido contrario a la corriente de descarga, se pueden recuperar los compuestos químicos internos originales que suministran la corriente eléctrica en una batería cargada; de esta manera este tipo de baterías pueden ser usadas y nuevamente cargadas para su reutilización. [21]

1.1 TIPOS DE BATERÍAS Las dos categorías existentes de baterías plomo-ácido para automóviles y de ciclo profundo son: •

Las baterías húmedas conocidas también como de arranque, inundadas, de electrolito líquido, ventiladas o VLA (vented lead acid). Entre estas se encuentran las de bajo mantenimiento, las selladas o libres de mantenimiento y las estándar.

•

Las baterías de válvula regulada o VRLA (valve regulated lead acid). Entre estas se encuentran las secas o AGM (Absorbed Glass Mat o fibra de vidrio absorbente), en espiral y las de gel. Todas las baterías VRLA son selladas. [8]

Todas las baterías de electrolito líquido producen gas hidrógeno y oxígeno (gasificación) en los electrodos durante la carga a través de la electrólisis. Estos gases pueden escapar a la atmósfera en una batería húmeda ventilada, lo que requiere mantenimiento regular, debiéndose añadir agua destilada al electrolito

para que recupere su nivel nominal, cabe señalar que el gas hidrógeno es explosivo en el aire a solamente el 4% de su volumen. [21] En una batería sellada el contenedor de la misma impide el escape de los gases, debiendo estos contenerse y recombinarse pudiendo incrementar en exceso la presión del depósito en condiciones desfavorables, donde actúa una válvula no regulada de emergencia. Debido al confinamiento del electrolito, este tipo de baterías son libres de mantenimiento. Las baterías con válvula de regulación son las más comunes en la actualidad. Estas baterías selladas poseen una válvula de seguridad regulada que libera el gas en caso de exceso de presión por sobrecarga o exceso de temperatura. La presión de liberación de gases es predeterminada y generalmente se encuentra entre 2 y 5 psi dependiendo del diseño y tipo de batería. [21] Las baterías de arranque son comúnmente utilizadas para arrancar y hacer funcionar motores de combustión interna. El arranque de motores requiere una corriente muy grande por un corto periodo de tiempo. En baterías de arranque sometidas a aplicaciones de ciclo profundo gran parte del material activo se consume muy rápidamente, desprendiéndose y cayendo al fondo de la celda. Las baterías de arranque generalmente fallan después de los 30 o 150 ciclos de descarga profunda, mientras que en descargas normales de arranque (2 – 5% de descarga) pueden soportar miles en ciclos. Las baterías de ciclo profundo están diseñadas para ser descargadas una y otra vez hasta un 80% ya que poseen placas de mejor diseño para descargas profundas. [14]

Las baterías plomo-ácido de tracción, son baterías de ciclo o descarga profunda móviles, su aplicación obliga descargas de entre el 20 y 80% de su capacidad para luego ser recargadas. Las baterías de tracción son de alta potencia diseñadas para abastecer de energía a un vehículo eléctrico o hibrido. Lo más importante en la selección de baterías de tracción es las relaciones potencia peso y potencia volumen, debido que el vehiculo debe transportar su fuente de energía.

Las baterías de tracción al ser de ciclo profundo, requieren tasas rápidas de carga en su utilización, generalmente entre 24 horas. Las baterías de tracción son usualmente de placas tubulares o en espiral con un exceso de material activo, que tienen mejor desempeño durante las operaciones de descarga profunda. La principal falla de una batería de ciclo profundo cuando se completa su tiempo de vida útil se debe a la corrosión de la rejilla y al desprendimiento del material activo, pero a diferencia de las baterías de arranque, el desprendimiento del material activo no es el principal problema de falla debido a que las baterías de tracción poseen separadores grandes y mejores que en algunos casos cubren en su totalidad las placas. Sin embargo la pérdida de material activo afecta directamente a la capacidad de la batería, reduciendo ésta progresivamente. La corrosión de la rejilla es en efecto la que determina la vida útil de una batería de tracción ya que es causa normal del proceso de carga-descarga; y eventualmente su deterioro la destruirá totalmente desconectando la celda; invalidando la batería. Un cortocircuito en una batería de tracción puede producirse si la batería pasa demasiado tiempo descargada y es recargada de manera indebida. Una recarga inadecuada en estas condiciones forma acumulaciones de material activo en forma de pequeñas montañas o picos llamadas dendritas que al crecer demasiado pueden llegar a atravesar el separador cortocircuitando las placas. [8]

1.2 CAPACIDAD DE LAS BATERÍAS [21] En general el término capacidad (C) de una batería es la cantidad de carga disponible en la misma, expresada en amperios-hora (Ah). La capacidad de una batería se relaciona con: la cantidad de material activo en la misma, el porcentaje de electrolito y el área superficial de las placas. La capacidad de una batería es medida al descargarla a una corriente constante hasta alcanzar su voltaje mínimo (generalmente alrededor de 1.75 voltios por celda). Esto se realiza bajo condiciones estándar a temperatura constante de 25°C.

La capacidad se calcula al multiplicar el valor de la corriente de descarga por el tiempo requerido para alcanzar el voltaje mínimo. En resumen, la capacidad o capacidad de entrega es la habilidad de entregar corriente de una batería, la cual se expresa en amperios-hora a un tiempo de descarga específico. Por ejemplo si una batería plomo-acido es de 200Ah (a 10 horas de descarga) entregará 20 amperios de corriente durante 10 horas bajo condiciones normales de temperatura (25°C). Por otr o lado, una tasa de descarga puede ser especificada como múltiplo de la capacidad de entrega de la batería. Por ejemplo, una batería puede tener una capacidad de entrega de 200 Ah a C/10 de tasa de carga. La tasa de descarga se determina por la siguiente ecuación: C/10 (A) = 200Ah/10h = 20 A La capacidad de la batería varía con la tasa de descarga. A mayor tasa de descarga menor capacidad de la batería y a menor tasa de descarga mayor capacidad. Cabe destacar que la batería del ejemplo no puede entregar 200A durante una hora. El proceso electroquímico no puede ser acelerado sin que la batería incremente su resistencia interna en forma substancial. Si la tasa de descarga es menor que la especificada, por ejemplo C/40: C/40 (A) = 200Ah/40h = 5 A; la relación es válida. La batería de 200Ah puede sostener este valor de corriente (5A) por 40 horas. La capacidad para las baterías plomo-ácido se especifica generalmente con tasas de descarga de 8, 10 o 20 horas (C/8, C/10, C/20); siendo 20 horas la más común que los fabricantes especifican en baterías de arranque.

1.3 ESTRUCTURA DE LA BATERÍA PLOMO-ACIDO [8,21] Una batería de plomo-acido de 12 voltios esta construida de seis celdas inundadas de electrolito conectadas en serie, el terminal positivo de la primera celda con el terminal negativo de la segunda celda y así sucesivamente como se muestra en la Figura 1.1, cada celda en su respectivo compartimiento produce 2.1 voltios aproximadamente. La celda esta construida por electrodos o placas positivas conectadas entre si y placas negativas también conectadas entre sí. Las

placas en una celda están intercaladas, una placa positiva seguida de una negativa. Las placas están individualmente separadas por láminas o introducidas en sobres delgados de material aislante poroso permeable a los iones que permita la difusión del electrolito a la vez que resista la acción del ácido. Mediante los separadores se consigue un aislamiento eléctrico entre placas, evitando cortocircuitos entre las de polaridad opuesta, pero permitiendo la transferencia de iones entre el electrolito y las placas. La conformación de una placa positiva, un separador y una placa negativa se denomina elemento. El conjunto de seis celdas se encuentra encerrado en un monobloque de polipropileno generalmente moldeado por inyección.

Figura 1.1 Batería plomo-ácido

Las baterías de plomo-ácido al terminar su vida útil fallan y lo suelen hacer instantáneamente. El material activo progresivamente llena el depósito en el fondo de la celda donde se apila hasta alcanzar las placas y al unir dos placas de polaridad opuesta el cortocircuito destruye la celda y por ende la batería queda inservible.

1.3.1 TIPOS DE PLACAS

Placas planté

El método más simple, común en nuestro medio, para la construcción de placas es realizando placas planté como se muestra en la Figura 1.2, evocando a Gastón Planté, científico que dio a conocer un acumulador que se diferenciaba de otras realizaciones precedentes en la utilización de electrodos de plomo.

Debido a que la capacidad de la batería plomo-acido es proporcional al área superficial de la placa expuesta al electrolito, son empleados varios métodos para incrementar el área de la placa por unidad de volumen o peso. Una placa planté es simplemente una placa plana compuesta de plomo puro; esta placa se encuentra surcada o perforada para incrementar su área superficial.

Figura 1.2 Placa planté y celda de batería estacionaria

Placas planas

Otro método muy utilizado para incrementar el área superficial es hacer una pasta del material activo que actúe como una esponja la cual llene todas sus cavidades de electrolito. La pasta o material activo, es montada en un marco o rejilla de aleación de plomo que hace de soporte mecánico y conductor eléctrico, llevando la corriente eléctrica durante los ciclos de carga y descarga. La rejilla, similar a un panal, es cubierta de pasta llenando todas las ventanas de la estructura, seguidamente solo la placa positiva es forrada por el material separador microporoso. Este material es un sobre de polipropileno / polietileno en cuyas caras internas se adhiere fibra de vidrio absorbente o AGM, que asegura que la placa esté en todo momento en contacto con el electrolito. En la actualidad este es el método más utilizado y es llamado de placa empastada, o placa plana.

Rejillas

Rejillas empastadas

Placa

Figura 1.3 Partes y fabricación de una celda de placas planas

Placas tubulares

Las placas tubulares son fabricadas para ciclos profundos de trabajo, ideales para baterías de descarga profunda (tracción). Esta construcción utiliza una estructura en forma de marco con una serie de columnas axiales conectadas a un conector común como se muestra en la Figura 1.4. La pasta es llevada en tubos microporosos no conductivos los cuales son puestos sobre cada columna.

Figura 1.4 Placa tubular y componentes La rejilla en las placas planas y tubulares esta hecha de una aleación de plomo. Una rejilla de plomo puro no es suficientemente fuerte y no soportaría al material activo, debido a esto, otros metales en pequeñas cantidades son añadidos al plomo como aleación para darle más fuerza y mejorar algunas propiedades eléctricas. Los metales añadidos con más frecuencia son el antimonio, calcio, estaño y selenio. Las aleaciones más comunes para fortalecer la rejilla se realizan con antimonio y calcio. Se añade estaño a las rejillas plomo-calcio para mejorar los ciclos cargadescarga.

Placas en espiral

Las placas en espiral (Figura 1.5) ofrecen algunas ventajas sobre el resto de placas, ya que cada una de sus celdas contiene placas más largas y grandes enrolladas de una manera muy compacta conjuntamente con el separador, esto permite que exista una mayor área de placa en contacto con el electrolito, lo que da como resultado una mayor energía y ciclos de descarga profunda más frecuentes. Debido a que la rejilla no realiza soporte mecánico se la fabrica de plomo puro, lo que permite a la batería tener mejores propiedades de conductividad, menor resistencia interna y resistencia a la corrosión, además cada batería esta conformada de pocos componentes, reduciendo así los riesgos de falla. Debido a la compresión de cada una de sus celdas resiste mucho más la vibración. [16]

Figura 1.5 Placas en espiral

Figura 1.6 Batería de placas en espiral

1.4 OPERACIÓN INTERNA DE LA BATERÍA [8, 21] Los materiales activos en la batería son aquellos que participan en la reacción electroquímica de carga-descarga. Estos materiales incluyen el electrolito y los electrodos positivo y negativo, mismos que se deterioran con cada proceso de carga-descarga lo que determina la vida útil de la batería. El electrolito es una solución diluida de ácido sulfúrico (H2SO4); 25% de ácido sulfúrico y 75% de agua destilada en una batería totalmente cargada. El electrodo negativo en una batería cargada esta compuesto de plomo en estado esponjoso (Pb) y el electrodo positivo esta compuesto de dióxido de plomo (PbO2). Todas las baterías de plomo-acido operan con la misma reacción fundamental. Cuando la batería se descarga los materiales activos en los electrodos reaccionan con el ácido sulfúrico en el electrolito para formar sulfato de plomo y agua. El electrodo negativo (Pb+2) reacciona con el ión sulfato (SO4 -2) del ácido, creando un depósito de sulfato de plomo PbSO4; esta reacción química se lleva a cabo con la cesión de dos iones positivos, lo que da al electrodo su polaridad negativa. El electrodo positivo (PbO2) reacciona también con los iones de sulfato (SO4-2) del ácido, creando de igual manera sulfato de plomo PbSO4, pero esta reacción

química se lleva a cabo con la cesión de dos electrones, lo que da a este electrodo su polaridad positiva; por último los iones de hidrógeno H+ liberados del ácido se combinan con el oxigeno liberado del dióxido de plomo PbO2 formando nuevas moléculas de agua. En la carga el agua disocia las moléculas del ácido sulfúrico (H2SO4); el proceso de electrólisis del agua, cuando el voltaje de celda supera cierto valor, genera iones de hidrógeno H+ y oxígeno O-2; el sulfato de plomo PbSO4 en ambos electrodos se convierte de nuevo en dióxido de plomo (positivo) y plomo en estado esponjoso (negativo), y los iones de sulfato (SO4-2) son conducidos de vuelta a la solución de electrolito para formar acido sulfúrico. Las reacciones involucradas en la celda son las siguientes: [21] Descarga → Carga ← En el electrodo positivo: PbO2 + 3H+ + HSO4- + 2e- ↔ PbSO4 + 2H2O (1.685V) En el electrodo negativo: Pb + HSO4- ↔ PbSO4 + H+ + 2e-

(0.356V)

Para toda la celda: PbO2 + Pb + 2H2SO4 ↔ 2 PbSO4 + 2 H2O

(2.041V)

El cambio porcentual de la cantidad de agua en solución forza un cambio de densidad en el electrolito. Cuando la batería está cargada, la densidad aumenta, y cuando está descargada disminuye. Estas variaciones de densidad permiten evaluar el estado de carga de las celdas.

1.4.1 Densidad o peso específico del electrolito [8]

El peso específico es el cociente entre el peso de una solución y el peso de una de igual volumen de agua a una temperatura determinada. El peso específico o densidad es utilizado como un indicador del estado de carga de una celda o batería. Sin embargo, la medición de la densidad no puede determinar la

capacidad de una batería. Durante la descarga, la densidad decrece linealmente

Voltaje de celda [ V ]

con la descarga amperios-hora, como se muestra en la Figura 1.7.

Figura 1.7 Medición de la densidad del electrolito [21]

El descenso lineal de la densidad durante la descarga se aproxima según la ecuación: Densidad = Voltaje de celda a circuito abierto – 0.845 ó Voltaje de celda a circuito abierto = densidad + 0.845 Estas ecuaciones permiten monitorear la densidad para determinados casos, como en baterías selladas. La densidad decrece durante la descarga de una batería a un valor cercano al de el agua pura e incrementa durante la recarga. La batería es considerada totalmente cargada cuando la densidad alcanza sus máximos valores posibles. La densidad varía con la temperatura y la cantidad de electrolito en una celda. Cuando el electrolito se acerca al nivel más bajo indicado, la densidad es más alta que la nominal y desciende a medida que se añade agua a la celda para llevar al electrolito a su máximo nivel. El volumen del electrolito aumenta si la temperatura se incrementa y lo contrario si disminuye, modificando de igual manera la densidad leída. Si el volumen del electrolito aumenta la lectura de densidad es baja y por otro lado es alta con las bajas temperaturas.

La densidad de una batería es determinada por la aplicación para la cual será destinada, la temperatura de trabajo y su vida útil. Densidad [gr/cm3]

Aplicación

1.300

Baterías de ciclo profundo para vehículos eléctricos (tracción)

1.265

Automóviles

1.250

UPS

1.215

Aplicaciones generales

Estado de carga

Densidad [gr/cm3] Voltaje [V]

100%

1.265

12.7

75%

1.225

12.4

50%

1.190

12.2

25%

1.155

12.0

Descargada

1.120

11.9

1.5 CARACTERÍSTICAS DEL BANCO DE BATERÍAS [14,21,8] La energía que una batería almacena se puede relacionar con la cantidad de plomo que contiene. Así una batería de 12 voltios de 100Ah de ciclo profundo, pesa alrededor de 35Kg, su equivalente de 200Ah pesa 70Kg. Existen diversos criterios como el costo, la seguridad, el peso, el espacio, la confiabilidad, etc. para preferir utilizar y conectar dos o más baterías en vez de utilizar una sola de la misma capacidad o viceversa, que dependen de la aplicación o las necesidades. Muchas veces no es posible encontrar baterías de un determinado voltaje o capacidad debiendo recurrirse a los arreglos de baterías; o por otro lado, existen muchos arreglos de baterías en diferentes conexiones que permiten obtener el mismo voltaje o capacidad deseada. Un buen criterio para preferir varias baterías a una única es generalmente el costo, en caso de falla de una celda; en el banco de baterías se sustituiría una fracción del costo; en cambio en este mismo caso la batería única debe ser sustituida, repitiendo toda la inversión.

La seguridad por otro lado también es importante, un monobloque de gran capacidad sometido a un cortocircuito en las peores condiciones trae graves consecuencias. La temperatura se incrementaría súbitamente, el electrolito se evaporaría en gran cantidad, consumiendo también parte del material activo, el ambiente cercano se llenaría de hidrógeno, oxigeno y elementos propios del material activo, es decir el ambiente seria volátil y tóxico. Por otro lado, utilizando varias baterías de menor capacidad sucedería lo mismo pero en menores proporciones.

Si se requiere más capacidad de entrega (Ah) de una batería, existen básicamente dos opciones; conexión en paralelo o conexión en serie o un arreglo de ambos.

1.5.1 CONEXIÓN EN PARALELO [19]

Las baterías pueden conectarse en paralelo, estas deben ser del mismo fabricante, tipo, edad, voltaje y capacidad. Para una típica conexión cableada, los conectores de cada batería tienen una pequeña resistencia al igual que el cable que las une, en conjunto suman aproximadamente 0.0015 ohmios entre cada polo de cada batería, de igual manera cada batería tiene una resistencia interna de alrededor de 0.02 ohmios. Si se descarga por ejemplo 100 amperios de un banco de cuatro baterías en una conexión típica en paralelo, cada batería debería aportar con 25 amperios; sin embargo el aporte de cada batería depende de la conexión que esta tenga en el banco debido a la resistencia de los conectores que aunque es mínima, para grandes corrientes su efecto resulta sumamente importante. Así, si la conexión es como la indicada en el esquema de la Figura 1.8, la batería uno (V1) aportará la mitad de la corriente que la batería cuatro (V4), que es la más cercana a la carga. De esta manera a medida que se aumente conectores a cada batería, desde la carga hasta sus polos, su aporte de corriente será menor.

11.68 V DC V

26.13 A DC A

Rcp2 0.0015

Rcp1 0.0015 17.74 A DC A

Rcp3 0.0015

20.40 A DC A

Rcp4 0.0015 35.77 A DC A

100.0 A DC A

Carga

Rcn4 0.0015

Ri4 0.02

Ri3 0.02

Ri2 0.02

Ri1 0.02

+ V4 12.7V

+ V3 12.7V

+ V2 12.7V

+ V1 12.7V

Rcn3 0.0015

Rcn2 0.0015

Rcn1 0.0015

Figura1.8 Conexión en paralelo

Del esquema se puede resumir: V1= V2= V3= V4 = 12,7V; baterías cargadas. Rcp: resistencia conector positivo = 0.0015 Ω Rcn: resistencia conector negativo = 0.0015 Ω Ri: resistencia interna = 0.02 Ω I1 = 17.74A corriente que aporta batería 1 I2 = 20.4A

corriente que aporta batería 2

I3 = 26.13A corriente que aporta batería 3 I4 = 35.77A corriente que aporta batería 4 IT = 100A

corriente total.

Durante la recarga del banco de baterías sucede exactamente lo mismo, la batería más cercana al cargador recibe mayor corriente que la más lejana, este gran desbalance da como resultado que la batería más cercana trabaje mucho más que las demás teniendo más posibilidad de falla. Una corrección aproximada es la del esquema de la Figura 1.9, donde se alimenta la carga de polos opuestos en diagonal, se aprecia un buen mejoramiento con un simple cambio, pero el desbalance aún existe y sus efectos también. Del esquema se puede resumir: I1 = I4 = 26.74A

corriente que aporta batería 1 y 4

I2 = I3 = 23.26A

corriente que aporta batería 2 y 3

Rcp3 0.0015 23.26 A DC A

Rcp1 0.0015

23.26 A DC A

11.64 V DC V

Rcp2 0.0015

26.74 A DC A

Rcp4 0.0015 26.74 A DC A

100.00 DC A

Carga Ri4 0.02

Ri3 0.02

Ri2 0.02

Ri1 0.02

+ V4 12.7V

+ V3 12.7V

+ V2 12.7V

+ V1 12.7V

Rcn3 0.0015

Rcn2 0.0015

Rcn1 0.0015

Rcn4 0.0015

Figura 1.9 Conexión en paralelo corrección aproximada

La solución para un banco balanceado de baterías en paralelo, es el esquema de la Figura 1.10, donde para cada batería influyen solo sus propios conectores (2), es importante también que todos los cables de cada polo de cada batería que van a al punto común, sean necesariamente del mismo calibre y tamaño; procurando la mínima distancia posible. Pese a requerir de dos conectores extra (puntos comunes), este esquema final permite un correcto balance entre las cuatro baterías del banco. Si se utilizan 2 baterías en paralelo la solución se reduce al ejemplo segundo, es decir la interconexión en diagonal de polos opuestos. 100.0 A DC A Rcp2 0.0015

Rcp1 0.0015 25.01 A DC A

25.01 A DC A

Rcp3 0.0015

25.01 A DC A

12.12 V DC V

25.01 A DC A

Rcp4 0.0015

Carga Ri4 0.02

Ri3 0.02

Ri2 0.02

Ri1 0.02

+ V4 12.7V

+ V3 12.7V

+ V2 12.7V

+ V1 12.7V

Rcn2 0.0015

Rcn1 0.0015

Rcn4 0.0015

Rcn3 0.0015

Figura 1.10 Banco balanceado de baterías en paralelo

1.5.2 CONEXIÓN EN SERIE

Las baterías pueden conectarse en serie, estas deben ser del mismo fabricante, tipo, edad y capacidad. En el caso de conectarse baterías de diferente capacidad, la de menos capacidad se sobrecargará o se descargara demasiado respecto a las demás, según el proceso. Los cables de conexión entre baterías deben ser del mismo tamaño, calibre y lo mas pequeños posibles para evitar caídas de voltaje innecesarias y perjudiciales. Algunos expertos creen que baterías en serie son más fáciles de cargar y descargar debido a que se aplica la misma cantidad corriente a cada celda de cada batería. Otros expertos creen que es mejor baterías en paralelo por que en caso de falla en una batería, una celda abierta por ejemplo, la batería dañada queda desconectada y la del otro ramal aún puede continuar dando servicio. [8]

En el presente caso el banco consta de dos bloques de 48 voltios, cada bloque compuesto de cuatro baterías de 12 voltios en serie. Dichos bloques se conectan en paralelo de tal manera que se alimentan del cargador y alimentan la carga de polos opuestos en diagonal, según el esquema de la Figura 1.9; que para este caso se consigue un buen balance.

1.6 TÉCNICAS Y ALGORITMO DE CARGA PARA UNA BATERÍA DE PLOMO-ACIDO DE 12V Las baterías no son 100% eficientes, algo de energía se pierde en forma de calor y en las reacciones químicas de carga y descarga. Si se utilizan 100 vatios de una batería, se necesitaran 120 vatios o más para recuperar su carga inicial. Cargas y descargas de tasas lentas son más eficientes. La batería plomo-ácido tiene una eficiencia típica de entre 85% y 95%. En general a medida que su vida útil disminuye, la batería disminuye su eficiencia. [14]

Todas las técnicas de carga para una batería plomo-ácido así como el algoritmo de control, se relacionan con la temperatura y la gasificación, consecuencias directas de una sobrecarga.

1.6.1 SOBRECARGA

La sobrecarga es la aplicación de elevadas corrientes o voltajes a la batería durante excesivos periodos de tiempo, la sobrecarga genera demasiada oxidación en la rejilla positiva lo que conlleva a la degradación de la batería, también produce súbitos incrementos de temperatura lo que causa una gasificación excesiva. El inicio de la sobrecarga puede ser detectado monitoreando el voltaje de la batería. En la Figura 1.11 se muestra el voltaje de la batería versus el porcentaje de carga repuesto a varias tasas de recarga. La reacción de sobrecarga esta indicada por el incremento súbito del voltaje de la celda y llega a ser excesiva y peligrosa cuando la curva alcanza su punto máximo y vuelve a descender. El punto al cual la reacción de sobrecarga empieza, depende de la tasa de carga y a medida que la tasa de carga se incrementa, el porcentaje de carga repuesto, en el punto en que inicia la sobrecarga, disminuye. Para tasas de carga menores a la capacidad dividido para cinco (C/5), menos del 80% de carga se repone, antes que la sobrecarga inicie. Para que la sobrecarga coincida con el 100% de la carga repuesta, la tasa de carga debe ser menor a la capacidad dividido para cien (C/100). Para tasas de carga mucho mayores, se emplea sensores que determinan cuando la sobrecarga se aproxima, evitándola y reduciendo la tasa de carga a valores moderados. [15]

Figura 1.11 Voltaje de la batería vs el porcentaje de carga. [15]

1.6.2 TÉCNICAS DE CARGA

La principal causa de la disminución de la vida útil de una batería es el inadecuado proceso de recarga. Un cargador de baterías plomo-ácido tiene dos objetivos que cumplir. El primero es restaurar la capacidad de una manera práctica y rápida. El segundo es mantener la capacidad compensando la autodescarga. El proceso de recarga presenta varias opciones mediante diferentes técnicas, pero la idea común siempre es hacer circular corriente a través de la batería en dirección contraria a la de descarga. El aspecto más importante de la recarga es relacionar de mejor manera el cargador con la aplicación de la batería. Al escoger un cargador, es necesario considerar el tipo de batería, la manera en que la batería será descargada, el tiempo disponible para recargar la batería, las temperaturas extremas a las cuales estará expuesta la batería, y el número de celdas en la batería (voltaje de salida). En general, las baterías plomo-ácido pueden ser recargadas a cualquier tasa siempre y cuando no produzca excesiva gasificación, sobrecarga o elevadas temperaturas. Baterías descargadas pueden ser recargadas con moderadamente altas corrientes iniciales. Sin embargo, una vez que la batería se aproxima a su carga completa la corriente debe disminuir para reducir la gasificación y la sobrecarga excesiva.

1.6.2.1 Carga Rápida

Cuando se realiza una carga rápida a la batería, se requiere una alta corriente en corto tiempo para reestablecer la energía que ha sido descargada. Además se necesitan mediciones de control adecuadas de temperatura y corriente de carga que eviten la sobrecarga cuando la carga rápida se completa. Los requerimientos básicos para una carga rápida son: •

Suficiente energía disponible que haga posible una recarga rápida.

•

Corriente de carga controlada que evite la sobrecarga aún en cargas prolongadas.

•

Temperatura ambiente de carga de entre 0°C y 40°C

1.6.2.2 Carga a Voltaje Constante [9,17]

Los cargadores a voltaje constante mantienen casi el mismo voltaje de entrada a la batería durante el proceso de recarga, sin considerar el estado de carga de la batería. Los cargadores de voltaje constante entregan una alta corriente inicial a la batería debido a la gran diferencia de potencial entre la batería descargada y el cargador. Este tipo de cargador reestablece un 70% de una descarga en los primeros 30 minutos. Esto resulta ser útil para la mayoría de aplicaciones de descarga de baterías. Como la batería se carga, su voltaje se incrementa rápidamente, esto reduce el potencial que suministra la corriente, con el correspondiente decremento de la corriente de carga. Como resultado, aun cuando la batería alcanzó rápidamente una carga parcial, para obtener una carga completa se requiere tiempos más prolongados de carga. Según esto, los cargadores de voltaje constante son frecuentemente utilizados en aplicaciones que normalmente permiten extensos periodos de carga que permitan conseguir cargas completas. Los cargadores de voltaje constante no deberían utilizarse donde los ciclos cargadescarga son frecuentes. Repetidas descargas sin permitir a la celda llegar a su carga total eventualmente disminuyen la capacidad de la batería y pueden destruir las celdas. Los cargadores de voltaje constante a menudo son usados en dos modos diferentes: como cargadores rápidos para reestablecer un alto porcentaje de carga en un corto tiempo o como cargador flotante para minimizar los efectos de la sobrecarga en baterías que tienen descargas anómalas o de ciclos frecuentes.

1.6.2.3 Flotación [10,17]

Una vez que la batería esta totalmente cargada, la mejor manera de mantener su carga constante es aplicando un voltaje constante a la batería. Esto se lo realiza aplicando un correcto nivel flotante de corriente de carga. La flotación se utiliza comúnmente para respaldos de energía de emergencia donde la descarga de la batería es ocasional. Durante la flotación el cargador, la batería y la carga están conectadas en paralelo (sistemas estacionarios). El

cargador opera muy aparte de la fuente normal de energía, la cual provee de corriente a la carga durante su operación. En caso de que la fuente normal de energía falle, la batería provee el respaldo de energía necesario hasta que la fuente normal se reestablezca. Los cargadores flotantes son comúnmente cargadores de voltaje constante que operan a bajo voltaje, usualmente a menos de 2.4 voltios por celda, manteniendo la corriente de carga baja para compensar únicamente la autodescarga. En carga flotante se debe tener en cuenta el incremento de temperatura, esta condición ocurre cuando la energía de carga genera calor en el interior de la batería, mayor al que la misma pueda disiparlo; lo que puede causar fallas en las celdas al secarse, acortando su vida útil.

1.6.2.4 Carga a Corriente Constante [14,20]

Carga a corriente constante significa que el cargador entrega corriente relativamente uniforme, sin considerar el estado de carga de la batería. Los cargadores de corriente constante ayudan a eliminar los desbalances de las celdas y baterías conectadas en serie. Los cargadores de corriente constante de tasa única son los más apropiados para ciclos de operación donde la batería es a menudo requerida para obtener una carga completa de manera inmediata. A estas altas tasas de carga existe gasificación y escape de gases. La oxidación de la rejilla positiva ocurrirá a elevadas temperaturas o sobrecargas de demasiado tiempo. Debido a esto se debe aplicar la carga de corriente constante durante periodos de tiempo que permitan una carga completa pero que eviten la excesiva oxidación de la rejilla. Otro tipo de cargador de corriente constante aplica una elevada corriente inicial a la celda y luego cambia a una tasa baja de carga en base a un tiempo, voltaje o ambos. La forma de darse el cambio y el momento al cual hacerlo se determina en base a la gasificación existente o el balance que se requiera aplicar a las celdas.

1.6.3 ALGORITMO DE CARGA [9]

El cargador de baterías controla el voltaje aplicado a las baterías, la cantidad de corriente de carga que es entregada a las baterías y según el algoritmo de carga, el tiempo asociado con el cual se varían los niveles de corriente y voltaje. El algoritmo de carga es el conjunto de medidas y decisiones de control (software) aplicados secuencialmente sobre los parámetros eléctricos del sistema de carga (hardware) a un tiempo determinado, para conseguir la carga de una batería descargada.

Para satisfacer los requerimientos de las técnicas anteriores y así proveer la máxima capacidad y vida útil a la batería, el algoritmo de carga a emplearse divide el ciclo de carga en cinco etapas como se indica en la Figura 1.12 Asumiendo una descarga total de la batería la secuencia de carga, desarrollada por el algoritmo, a través de las cinco etapas es la siguiente:

1. – Carga mínima: Si el voltaje de la batería es menor a un valor límite mínimo, es un indicativo de una descarga profunda o la presencia de una o más celdas cortocircuitadas, una mínima corriente es aplicada para traer a la batería a un voltaje de mayor nivel correspondiente o cercano a la descarga normal (generalmente 1.7V/celda a 25°C). La carga mínima a una batería con bajo voltaje, evita que el cargador entregue deliberadamente elevadas corrientes a una celda en cortocircuito, evitando la súbita gasificación en la celda dañada.

2. – Carga a corriente constante o carga máxima: Una vez que la carga mínima supera el límite mínimo requerido de voltaje, el cargador pasa al estado de carga máxima. Durante esta etapa se entrega la corriente constante máxima posible a las baterías, las cuales recuperan la mayoría de su capacidad (80%), a medida que su voltaje se incrementa.

3. – Sobrecarga controlada: Luego de la carga máxima donde se obtiene aproximadamente el 80% de la carga, la batería es sobrecargada durante un periodo de tiempo donde el cargador mantiene un voltaje constante en la batería, mientras ésta continúa absorbiendo energía del cargador. Para baterías ventiladas el tiempo de sobrecarga es mucho menor, para evitar la deshidratación excesiva. Inicialmente la corriente de sobrecarga es similar a la de la etapa de carga máxima, disminuyendo a medida que la batería alcanza su máxima carga (el restante 20%). La sobrecarga termina luego de un tiempo determinado, o cuando la corriente disminuye a un valor mínimo, generalmente a un décimo de la corriente de carga máxima, o un 2% (C/50) o menos de la capacidad de la batería Para baterías ventiladas la gasificación se identifica con la visualización y sonido de burbujeo del electrolito, lo cual sucede al 85% o 90% de la carga completa y es normal. En la etapa de sobrecarga la batería consigue aproximadamente el 95% o más de su carga total.

4. – Ecualización: La etapa de ecualización es opcional, se utiliza para balancear el voltaje y la densidad del electrolito de cada celda. La ecualización revierte los efectos de la reacción química como la estratificación del electrolito, donde la concentración del ácido es mayor en el fondo de la celda de la batería que en su parte superior, lo que reduce la eficiencia de la batería. También ayuda a remover los cristales de sulfato (dendritas) que se producen en la superficie o en los poros de las placas que reducen la capacidad de la batería. La utilización de la ecualización varía de entre una vez al mes y una vez al año para baterías de descarga profunda móviles y 30 minutos diarios para baterías de descarga profunda estacionarias o en general cada 10 o 20 ciclos de descarga profunda. Para baterías de arranque la ecualización solo se aplica en los siguientes casos: •

Cuando una celda requiere más agua que todas las demás celdas.

•

Cuando una celda no utiliza la misma cantidad de agua que todas las demás celdas.

Al iniciar la ecualización la batería tiene un 95% de su carga y se debe verificar la presencia correcta de electrolito en las celdas. Para acelerar la entrega del último 5% de carga (ecualización), se recurren a una de las siguientes dos opciones:

1. El cargador entrega una corriente constante de valor reducido no mayor al 20% de la capacidad de la batería, generalmente entre el 5% y el 10%. La etapa culmina luego de un tiempo de seguridad o cuando se alcanza un límite de voltaje máximo. 2. El cargador entrega un voltaje superior en 3 o 4 voltios al voltaje de la batería totalmente cargada, se verifica una gasificación excesiva que no debe llevar a la batería a más de 51.5ºC de temperatura. El cargador es forzado a entregar una máxima corriente a la batería, no mayor al 5% de su capacidad, esta corriente paulatinamente disminuye hasta cumplirse el tiempo de la etapa. Esto se puede comparar como una pequeña etapa de carga máxima y sobrecarga en un corto tiempo con diferentes niveles de voltaje. Gracias a la elevada tensión de la ecualización los cristales de sulfato no recombinables se rompen y se precipitan al fondo de la batería, limpiando las placas y exponiendo plomo nuevo frente al electrolito. También, al ecualizar, la gasificación (burbujeo) hace que se forme una mezcla pareja de ácido y agua evitando la estratificación. [18]

5. – Flotación: Se utiliza para mantener la capacidad de la batería evitando su autodescarga. La flotación se realiza aplicando un voltaje constante mayor en algunas décimas al voltaje de la batería totalmente cargada. El cargador entregará cualquier corriente necesaria para mantener el voltaje constante. Esta corriente es de alrededor del 1% de la capacidad o menos. Mientras se encuentre conectado a la alimentación principal, el cargador debe mantener la batería en flotación. El sistema determina un error en el caso de que, por monitoreo, se detecta una corriente superior a la corriente de flotación, lo que

puede estar indicando la presencia de una carga parásita que esta comenzando a descargar la batería.

Figura 1.12 Algoritmo de carga por etapas.

CAPÍTULO 2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE FUERZA El banco de baterías requiere para su carga de voltaje y corriente positivos; es necesario poder controlar el nivel del voltaje aplicado a las baterías para modificar la corriente suministrada y cumplir de la mejor manera con las diferentes etapas de carga del banco de baterías. Un conversor AC/DC controlado o puente rectificador controlado con diodo de conmutación es la mejor opción, ya que éste trabaja en el primer cuadrante y al variar el ángulo de disparo de sus tiristores se controla el nivel de voltaje que se entrega al banco de baterías. Se consiguió comercialmente un puente rectificador semicontrolado que brinda los mismos resultados que un puente controlado con diodo de conmutación, a un menor costo a la vez que simplifica el sistema de control al solamente tener que disparar dos tiristores. En la Figura 2.1 se muestra el circuito de fuerza que abastecerá la energía de carga requerida por el banco de baterías; el circuito queda constituido por los siguientes elementos de potencia: el transformador de alimentación y aislamiento, el puente rectificador semicontrolado, y el inductor que permite una conducción continua a través de la carga. El circuito, a través del transformador, se alimenta de una toma normal monofásica de 110Vac a 60Hz. L

V

n N1 a N2

T1

G1

T2

G2 + Df

60 Hz

D1

D2

Figura 2.1 Circuito de potencia [7]

E

El voltaje máximo requerido por el banco de baterías esta en función de la etapa de ecualización del mismo, obteniéndose que para una batería de 12Vcc el voltaje de ecualización se encuentra en 15Vcc [9]; y debido a que el banco de baterías consta de 2 grupos de 4 baterías en serie, el voltaje requerido para ecualización asciende a 60Vcc. Se asume además un voltaje de 4Vcc que involucra caídas de voltaje en tiristores, diodos, inductor, cables y conectores; lo que da un total de 64Vcc máximos requeridos. Se selecciona una tasa de carga de la capacidad dividido para cinco punto cinco (C/5.5), ya que se requiere una carga rápida; que para baterías de 55Ah de capacidad nos determina una corriente de carga de:

C ; donde C es la capacidad 5.5 55 Ah I= = 10 A 5.5h I=

Como el banco de baterías esta conformado de dos ramales en paralelo la corriente total requerida para la etapa de corriente constante o corriente máxima es de 20A.

2.1 CONVERSOR AC/DC SEMICONTROLADO MONOFÁSICO Un conversor AC/DC semicontrolado monofásico, esta constituido de dos diodos y dos tiristores en configuración puente; mediante el disparo de los tiristores a un tiempo o ángulo determinado se modifica la componente continua del voltaje de salida, que se convierte en la variable controlada.

2.1.1 ANALISIS DE FUNCIONAMIENTO

En la Figura 2.2 se muestra el voltaje tanto de entrada como de salida al puente semicontrolado monofásico, a un ángulo α de disparo.

Voltaje de salida Vdc = Vdα = Vo 1 vs(t )dt T ∫ π 1 Vdα = ∫ Vmsenωt d (ωt )

Vdα =

π

Vdα = Vdα =

1

π

α π

∫ α

2Vfsenωt d (ωt )

2Vf

(1 + cos α )

π

Figura 2.2 Formas de onda de voltaje de salida (Vo) y entrada (Vs) al conversor [7] Se puede determinar que variando el ángulo de disparo α se varía el voltaje de salida de entre 0 (α = 180°) y 0.90032Vf ( α = 0°) voltios. De esto se puede determinar el voltaje alterno necesario: Vdc = Vf = Vf =

2 2Vf

π Vdcπ 2 2 64π 2 2

; α =0

= 71V

Por otro lado, es necesario el cálculo del ángulo mínimo de disparo (αmin) ya que la carga es una fuente de voltaje que, por debajo de su valor, no permite la polarización directa de los tiristores para su disparo. Asumiendo un nivel normal de voltaje del banco de baterías, es decir E = 48V se tiene que: 2Vfsenα min = E  E    2Vf 

α min = sen −1 

 48   = 28°  2 71 

α min = sen −1 

En la Figura 2.3 se muestra la corriente de salida a través del inductor, en el limite de conducción continua para un ángulo de disparo α.

Se analiza en el límite de conducción continua y se evalúa en dos intervalos: Para 0 ≤ ωt ≤ π − α

d i L1 = 0 dt vs = 2Vfsen (ωt + α )

vs − E − L

di L1 = dt

2Vf L

E   sen (ωt + α ) −  2Vf  

;

sabiendo que i L1(ωt =0 ) = 0 2Vf ωL

i L1 =

 E  ωt  cos α − cos(ωt + α ) − 2Vf  

En ωt = π − α se tiene : i L1(ωt =π −α ) =

2Vf ωL

E  (π − α ) cos α + 1 − 2Vf  

Para π − α ≤ ωt ≤ π

E +L d i L0 dt

d i L0 = 0 dt E =− ; L Figura 2.3 Formas de onda de corriente

sabiendo que i L 0 (ωt = π −α ) = i L1(ωt = π −α ) 2Vf ωL

i L0 =

E   ωt  cos α + 1 − 2Vf  

[4]

Total Id = Id =

π −α

1  π

∫ 0

2Vf πωL

i L1dωt +

π

i ∫ π α −

L0

 dωt  

 π  2 (cos α + 1) + senα − (π − α )  

Con la deducción de las corrientes se puede realizar el diseño del inductor y conocer su comportamiento

2.1.2 DISEÑO DEL PUENTE RECTIFICADOR SEMICONTROLADO

El puente rectificador, como valores principales máximos, debe ser capaz de manejar corrientes superiores a 20 amperios, voltaje de alimentación alterno

2 × 71 voltios y debe ser capaz de entregar un voltaje de salida de al

superior a

menos 60 voltios continuos.

Corriente eficaz de un tiristor (IRMS) Para α = 0° (peor condición) se tiene:

I RMS =

1 2 I dt T ∫

I RMS =

1 I 2 dt 2π ∫0

I RMS =

1 2 I I (π − 0 ) = 2π 2

π

Para I = 20A: I RMS =

20 2

= 14.14 A

Corriente media de un tiristor (IAV) Debido a que un tiristor trabaja en un semiciclo, la corriente media que circula por el mismo es la mitad de la máxima que requiere la carga. De esta manera la corriente promedio máxima que el tiristor debe soportar es IAV = 10A. Voltaje pico inverso VPI = 2Vf ; donde Vf es el voltaje secundario El voltaje máximo pico inverso se dimensiona al 200%:

VPI = 2 × 2Vf VPI = 2 × 2 × 71 = 201V

Por disponibilidad en el mercado se selecciona el módulo de tiristores de potencia NTE5700, puente hibrido monofásico de cátodo común y diodo de conmutación, a pesar de que el VDRM es aproximadamente seis veces mayor al VPI calculado.

Principales características: VDRM = 1200V IAV = 12.5A por SCR IRMS = 29A por SCR VGT = 2V max dv V = 200 dt µs di A = 200 dt µs

2.2 TRANSFORMADOR DE ALIMENTACIÓN Y AISLAMIENTO La utilización del transformador obedece a las siguientes necesidades importantes: •

Aislar eléctricamente todo el sistema de fuerza y control de la red de distribución eléctrica.

•

Reducir el voltaje a un nivel necesario que requiera el banco de baterías.

•

Mediante el transformador se obtiene el voltaje máximo necesario, lo que incrementa la región de trabajo del ángulo de disparo, consiguiendo un control más fino del voltaje de carga.

•

El transformador atenúa distorsiones generadas por componentes armónicas del sistema hacia la red.

2.2.1 DISEÑO DEL TRANSFORMADOR [5]

Voltaje secundario Vf Vdc = 64V Vdc = Vf = Vf =

2 2Vf

π Vdcπ 2 2 64π 2 2

; α =0

= 71V

Corriente secundaria Is Asumiendo que el inductor mantiene una corriente continua libre de componentes ondulatorias en la carga y con α = 0° (máximo voltaje) se tiene: Idc = 20A

 1 π  Is = 2 Idc 2 d (ωt ) ∫  2π α 

α π

Is = Idc 1 − Is = 20 1 −

1/ 2

0 = 20 A 180

; donde Is es IRMS del secundario

Potencia S Asumiendo una eficiencia η = 95%, se tiene:

S = (Vf × Is )

1

η

S = (71× 20 )

1 = 1.495 KVA 0.95

Producto de áreas Ap Coeficiente de forma de onda (sinusoidal) K = 4.44 Frecuencia f = 60Hz Densidad de flujo Bm = 1 Tesla Factor de utilización de la ventana Ku = 0.423 Coeficiente de densidad de corriente Kj = 366

  S × 10 4  Ap =   K × Bm × f × Ku × Kj 

1.16

  1495 × 10 4   Ap =  4 . 44 × 1 × 60 × 0 . 423 × 366  

1.16

= 930.62 cm 4

Laminación E I Se selecciona y utiliza la laminación EI-225s Superficie de ventana Wa = 28.478 cm2

Superficie del núcleo (cuadrado) Ac = 32.661 cm2 Ap = Wa × Ac Ap = 28.478 × 32.661 = 930.12 cm 4

Número de vueltas del primario Np Vin × 10 4 4 × Bm × Ac × f 110 × 10 4 Np = = 140.3 → 140 vueltas 4 × 1× 32.661× 60 Np =

Densidad de corriente J J = Kj × Ap −0.14 J = 366 × 930.62 −0.14 = 140.56

A cm 2

Debido a que el transformador no trabajara en régimen permanente a la máxima corriente, se puede incrementar la densidad de corriente sin mayores efectos; esto se lo realiza para disminuir costos en el conductor esmaltado. J = 250

A cm 2

Corriente primaria Ip y tamaño de su conductor Awp S Vp 1495 Ip = = 13.6 A 110 Ip =

Ip J 13.6 Awp = = 0.0544 cm 2 250 Awp =

Se selecciona el conductor AWG N° 10 de 0.0526 cm 2

Número de vueltas del secundario Ns y tamaño del conductor secundario Aws

Np Vf Vin 140 Ns = 71 = 90.3 → 90 vueltas 110

Ns =

Is J 20 Aws = = 0.08 cm 2 250 Aws =

Se selecciona el conductor AWG N° 8 de 0.0834 cm 2

2.3 INDUCTOR El inductor permite mantener la corriente de carga en conducción continua, de esta manera se evita entregar picos de corriente demasiados pronunciados al banco de baterías, lo que disminuiría su vida útil. Para encontrar su valor, se parte determinando el ángulo al cual la corriente es máxima en el intervalo 0 ≤ ωt ≤ π − α , para esto se deriva la corriente de dicho intervalo y se iguala a cero: d d  2Vf i L1 =  dωt dωt  ωL

E   cos − cos ( t + ) − t α ω α ω   2Vf   

d 2Vf i L1 = dωt ωL

E   d − dx (cos ωt cos α − senωtsenα ) −  2Vf  

d 2Vf i L1 = ωL dωt

E   cos αsenωt − cos ωtsenα −  2Vf  

d i L1 = 0 dx E   cos αsenωt − cos ωtsenα − =0 2Vf   E sen (ωt − α ) = 2Vf  E  ωt = sen −1   +α  2Vf   48  ωt = sen −1   + 60° = 88.5°  2 * 71 2Vf ωL

Seguidamente se determina el inductor que: a ωt = 88.5° presente un rizado máximo del 25%, es decir iL1 = 0.25I, para el limite de conducción continua (iL1(ωt=0) =0) Sin embargo las condiciones de tamaño y peso del proyecto obligan a incrementar el rizado de corriente a un 40% para que de esta manera se pueda obtener un inductor de tamaño y peso razonable. Se conoce que:

ω = 2πf f = 60Hz, frecuencia de la red Vf = 71V voltaje del secundario i L1 =

2Vf ωL

E   ωt  cos α − cos(ωt + α ) − 2Vf  

i L1 =

2Vf 2πfL

E   ωt  cos α − cos(ωt + α ) − 2Vf   E   ωt  cos α − cos(ωt + α ) − 2Vs  

L=

2Vf 2πf 0.4I

L=

2 71 48 π   cos 60° − cos(88.5° + 60°) − 88.5° = 20mH  2π 60 × 0.4 × 20  180°  2 71

2.3.1 DISEÑO DEL INDUCTOR [5 ]

Energía Eng LI 2 2 2 0.02(20 ) Eng = = 4 Ws 2 Eng =

Producto de áreas Ap 1.16

 2Eng × 10 4   Ap =   BmKuKj 

1.16

  2 × 4 × 10 4  Ap =   1.2 × 0.423 × 366 

= 1136 cm 4

Laminación E I Se selecciona y utiliza la laminación EI-200s Superficie de ventana Wa = 19.335 cm2 Superficie del núcleo (cuadrado) Ac = 25.806 cm2 Ap = Wa × Ac Ap = 19.335 × 25.806 = 500 cm 4 Realizando un ajuste del núcleo (este deja de ser cuadrado), se tiene: Ap = Wa × Ac

Ap = 19.335 × (5.08 × 11.16 ) = 1100 cm 4

No se selecciona una laminación superior por razones de costo y peso.

Densidad de corriente J J = Kj × Ap −0.14 J = 366 × 1136 − 0.14 = 136.7

A cm 2

Debido a que el inductor no trabajara en régimen permanente a la máxima corriente, se puede incrementar la densidad de corriente sin mayores efectos; esto se lo realiza para disminuir costos en el conductor esmaltado.

J = 250

A cm 2

Tamaño del conductor Awl Ip J 20 Awl = = 0.08 cm 2 250

Awl =

Se selecciona el conductor AWG N° 8 de 0.0834 cm 2

Número de vueltas Nl Para un factor del 60% de área efectiva del conductor, se tienen 7 vueltas de AWG N°8 por cm 2. Y para un área efectiva de ventana del 80 %, se obtiene: Nl = Wa × 7 Nl = 0.8 × 19.335 × 7 = 108.2 → 108 vueltas

2.4. PROTECCIÓNES Mediante las protecciones se evita el daño de los elementos en caso de falla, error o condiciones especiales de trabajo.

2.4.1 SNUBBERS [6]

Las redes snubbers protegen al elemento limitando o eliminando transitorios de corriente o voltaje que se generan sobre el. En la Figura 2.5 se puede apreciar su conexión sobre cada diodo y tiristor. Red RsCs + Rs

Rs T1

T2 Cs Df

Cs V

n Lc

60 Hz

Lc D1

Rs

D2

Rs

Cs

Cs

-

Figura 2.5: Redes snubbers [6]

Asumiendo la peor condición de impedancia parásita de línea, en base a la siguiente fórmula, se tiene:

Vf = Voltaje secundario Ia1 = Corriente máxima f = Frecuencia de la red X C = ωLC =

0.05Vf I a1

LC =

0.05Vf ωI a1

LC =

0.05 × 71 = 0.471 mH 2π × 60 × 20

Para el máximo voltaje pico de conmutación en α = 90° (peor condición) y asumiendo dicho voltaje constante durante la conmutación se tiene la corriente máxima partiendo de:

di 2Vf = dt 2LC di A A 2 71 = = 106591 = 0.1066 dt 2 × 0.000471 s µs

De este modo, para un tiempo de recuperación de trr = 10µs la corriente de recuperación es:

 di  I rr =  t rr  dt  I rr = 0.1066 × 10 = 1.066 A

Capacitor Cs

I  Cs = LC  rr  Vs 

2

2

1.066  Cs = 0.000471  = 109.17nF  71 

→ entre 100 y 200nF

Resistencia Rs R s = 1 .3 2

Vs I rr

R s = 1 .3 2

71 = 122.45 Ω 1.066

→ entre 100 y 150 Ω

Perdidas Ws

Ws = CsVf 2f Ws = 200nF (71) 60 = 60.5 mW 2

→ menos de

1 W 4

Se verifica el dv/dt al voltaje máximo de conmutación en α = 90°

dv = dt

2Vs × R LC

dv = dt

2 71× 122.45 V V = 26104000 = 26.1 0.000471 s µs

2.4.2 FUSIBLES

Los fusibles desconectan los circuitos en caso de sobrecarga mediante su accionar térmico. En serie al devanado primario del transformador, donde la corriente puede llegar a 13.6A, se incluye un breaker de 16A. En serie al devanado secundario del transformador, donde la corriente llega a 20A, se incluye un fusible de fusión normal de 25A 110V.

2.4.3 VARISTOR

Como se indica en la Figura 2.6; conectado en paralelo al devanado primario del transformador, el varistor brida una protección contra transitorios de alto voltaje provenientes de la red hacia el sistema. El varistor modifica su resistencia interna en función del voltaje aplicado a sus terminales, sea este positivo o negativo, razón por la cual es ideal para voltaje alterno. Al aplicarse un voltaje superior al de operación normal, el varistor disminuye su resistencia, creando un camino de baja impedancia que eleva la corriente y hace entrar en operación al breaker. El fabricante del puente semicontrolado de igual manera sugiere la utilización de un varistor en los terminales de alterna, sin embargo dada la utilización del transformador, el varistor se lo utiliza en la ubicación antes mencionada.

Se selecciona el varistor NTE1V115 cuyas características son: VACM = 115 V VCL = 295 V WTM = 9 J PD = 0.25 W

V

F1

F2

n

MOV

60 Hz

Figura 2.6 Conexión del varistor

2.4.4 DISIPADOR

Mediante el disipador de calor (Figura 2.8), el módulo de potencia puede transferir el calor generado en su interior, debido a las pérdidas por operación y conmutación, a un medio más frío. De esta manera el módulo puede mantener su temperatura de operación dentro del rango establecido por el fabricante.

De los datos del fabricante se puede obtener: RTjc = 2.24°C/W RTcd = 0.1°C/W (superficie lisa y con pasta) Tj ≤ 125°C PD = I maxVF max PD = 20 × 1.35 = 27 W TA = 25°C Tj

RTjc

RTcd

RTd + TA

P

Figura 2.7 Circuito térmico equivalente

T j = PD (RTjc + RTcd + RTd ) + TA RTd = RTd =

T j − TA − PD (RTjc + RTcd ) PD

120 − 25 − 27(2.24 + 0.1) = 1.18 °C / W 27

Se selecciona el disipador ECG441A de RTd = 1°C/W, o uno de similares dimensiones de disponibilidad en el mercado. Este disipador es también sugerido por el fabricante del puente semicontrolado.

Figura 2.8 Disipador de calor

2.5

DISPOSITIVO

DE

PROTECCIÓN

Y

DESCONEXIÓN

VEHÍCULO-BATERÍAS El dispositivo de protección y desconexión, que se muestra en la Figura 2.9, se implemento con el objeto de que; al momento de cargar el banco de baterías el vehículo esté desconectado del mismo, caso contrarío la red eléctrica, a través del cargador, alimentaría innecesaria y peligrosamente el sistema que controla al elemento motriz. El dispositivo funciona de la siguiente manera: en el momento en que se apaga el vehículo mediante la llave de interrupción, existe un relé que desconecta el vehículo del banco de baterías automáticamente. Cuando se vuelve a conectar la llave de interrupción, una vez terminado el proceso de carga y desconectado el cargador de la red eléctrica, el relé vuelve a conectar al banco de baterías con el vehículo para su funcionamiento normal.

Figura 2.9 Dispositivo de protección y aislamiento

2.5.1 DISEÑO DEL DISPOSITIVO DE CONTROL

Primero se toma en cuenta que la tasa de descarga no debe superar la tasa de carga, es decir que para no destruir el banco de baterías y alargar su vida útil, el banco de baterías no debe ser descargado a una corriente mayor a 20 amperios, ni a un voltaje menor a 39 voltios. Bajo estas condiciones se seleccionó un relé de 48V y 30A (DC) para su contacto normalmente abierto y de 12V (DC) para su bobina. El control de la bobina del relé está comandado por un transistor 2N3904, transistor NPN de baja potencia, aplicado a una configuración de emisor común. Para que el transistor entre en saturación, se asume una IB de 2mA sabiendo que: IB

corriente de base

IC

corriente de colector

β

ganancia

Vcc =12V

Se asume β = 10 RB =

Vcc 12V = = 6KΩ → 5.6KΩ IB 2mA

IC = β × I B IC = 10 × .02 = 200mA

2.6 MECANISMO DE CONEXIÓN DEL CARGADOR A LA RED ELÉCTRICA El mecanismo de conexión esta compuesto por el cable de conexión a la red eléctrica, un resorte, un pulsador mecánico que permite recoger el cable, el carrete móvil, el carrete fijo y la carcaza, tal como se ilustra en la Figura 2.10

2.6.1 ELEMENTOS Cable de conexión El cable de conexión a la red eléctrica está compuesto por un cable gemelo AWG #12 flexible de cinco metros de longitud, esto justamente facilita el desenrollando para conectar el cargador o el enrollando después de la carga.

Resorte laminar El resorte laminar es el elemento principal del mecanismo de conexión debido a que provee la energía necesaria para enrollar el cable. En el momento de desenrollar el cable, el resorte que es en forma de una lámina rectangular enrollada, empieza a comprimirse acumulando energía, misma que al momento de accionar el pulsador mecánico, permite recoger el cable de conexión enrollándolo al rededor del resorte que recupera su estado inicial.

Pulsador para recoger el cable Este pulsador, cuando no se encuentra accionado, funciona a manera de freno, tiene un resorte que hace que un rodillo pequeño (freno) este siempre en contacto con el carrete móvil, manteniendo su posición y consiguiendo que el resorte acumule energía al momento de desenrollar el cable. Cuando se recoge el cable simplemente se acciona el pulsador, acción que levanta el freno, consiguiendo que la fuerza del resorte acoplada al carrete móvil enrolle el cable.

Carrete móvil y fijo El carrete móvil, al cual esta unido el cable, está sujeto al resorte laminar por lo tanto va a girar ya sea para enrollar o desenrollar el cable de conexión.

El carrete fijo es el de mayor diámetro y sirve para contener el resorte, el carrete móvil y el cable de conexión en un solo cuerpo.

Carcaza Finalmente la carcaza del dispositivo sirve para proteger sus elementos internos.

Cable de conexión a la red

Resorte

Carrete móvil

Carrete fijo

Pulsador para recoger el cable

Figura 2.10 Parte interna del dispositivo de conexión

CAPÍTULO 3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE CONTROL Y SENSADO El sistema de control que implementa el algoritmo de carga, tiene entre sus componentes principales los elementos de sensado y control, mismos que se relacionan muy estrechamente a lo largo de todo el proceso de control. De igual manera las variables que forman parte en el sistema de control necesitan ser visualizadas para de esta manera conocer la evolución del proceso de carga, esto se lo realiza mediante los elementos de visualización.

3.1 ELEMENTOS DE SENSADO Las variables análogas que requiere conocer el sistema de control son las de voltaje, corriente y temperatura; mediante éstas, el sistema de control toma las decisiones que le permitan cumplir con el algoritmo de carga para el banco de baterías. El correcto reflejo de la variable real de voltaje, corriente y temperatura determina el buen funcionamiento del sistema de control. Dentro del diseño del sistema de control, también se involucran los detectores de cruce por cero y de alimentación alterna que brindan condiciones de operación de igual importancia que los sensores.

3.1.1 SENSOR DE CORRIENTE Para el diseño del sensor de corriente se utilizó como elemento principal un transductor de corriente de efecto Hall de laso cerrado, su circuito de polarización y su respectivo acondicionamiento de señal.

3.1.1.1 Transductor De Corriente El transductor de corriente LEM módulo LTA100P/SP1 mostrado en la figura 3.1, emplea el efecto Hall para medir corrientes DC y ondas complejas AC de una

manera no invasiva, de aislamiento galvánico entre el primario (medido) y la señal de salida análoga. [3] El transductor puede entregar salidas instantáneas de voltaje o corriente, sin embargo para la aplicación actual se recurre a la respuesta de voltaje.

Principales características: Corriente nominal IN

100 A

Voltaje de salida

50 mV/A

Precisión típica a 25°C

±1.0% de IN

Relación de vueltas

1:1000

Voltaje de alimentación

±15V (±5%)

Linealidad

±0.1% de IN

Tiempo de respuesta

< a 1microsegundo

Figura 3.1 Transductor de corriente

Efecto Hall [23] Cuando una corriente transportada por un material conductivo es puesta a través de un campo magnético, se genera un voltaje ubicado perpendicularmente a la corriente y al campo. Este principio se conoce como efecto Hall. En la Figura 3.2 se ilustra el principio básico del efecto Hall, se muestra una hoja delgada de material semiconductor (elemento Hall) a través de la cual circula una corriente. Las conexiones de salida se ubican perpendicularmente a la dirección de dicha corriente. Cuando no existe un campo magnético la distribución de la

corriente se mantiene uniforme y la diferencia de potencial en las conexiones de salida es cero.

Figura 3.2 Principio básico del efecto Hall

Cuando aparece un campo magnético perpendicular a la corriente, como muestra la Figura 3.3, la fuerza de Lorentz actúa sobre dicha corriente. Esta fuerza perturba la distribución de la corriente, resultando en una diferencia de potencial en las conexiones de salida. Este voltaje generado es el voltaje Hall (VH). El voltaje Hall es proporcional a la fuerza del campo magnético. Este voltaje es muy pequeño (µV) y requiere un acondicionamiento especial para llevarlo a niveles útiles. Cuando el elemento Hall se combina con un acondicionador electrónico se convierte en un sensor de efecto Hall.

Figura 3.3 Campo magnético en el efecto Hall

Sensor de corriente de laso cerrado Los sensores de laso cerrado amplifican la salida del sensor de efecto Hall llevando la corriente a través de un conductor devanado alrededor de un núcleo. El flujo magnético creado por la bobina es exactamente opuesto al campo magnético en el núcleo creado por el conductor a ser medido (corriente primaria). El efecto neto es que el flujo magnético total en el núcleo es llevado a cero, así estos tipos de sensores son llamados sensores de corriente de balance nulo. La corriente secundaria en la bobina es una imagen exacta de la corriente a ser

medida, reducida por el número de vueltas en la bobina. Pasando la corriente secundaria a través de una carga resistiva se obtiene el voltaje de salida. Las principales características de los sensores de corriente de laso cerrado es su rapidez (ancho de banda de frecuencia de 100KHz), debido a que el sistema de realimentación es muy rápido (µs). También son muy precisos con la linealidad.

Funcionamiento La Figura 3.4 muestra la construcción de un típico sensor de laso cerrado. La corriente primaria a ser medida (IP) crea un flujo magnético en el núcleo. El núcleo esta hecho de delgadas piezas de acero apiladas entre sí para dar una buena respuesta a altas frecuencias. Se incluye un entrehierro y una bobina devanada alrededor del núcleo que puede ser de tipo toroide. El sensor de efecto Hall ubicado en el entrehierro mide la cantidad de flujo en el núcleo. El voltaje a la salida del sensor de efecto Hall es proporcional a la corriente IP. La salida del sensor Hall es amplificada y compensada electrónicamente. La corriente de salida del compensador electrónico (Is) crea un segundo campo magnético en la bobina. La magnitud de este campo secundario es producto de la corriente Is en el número de vueltas de la bobina (Ns). EL flujo magnético secundario en la bobina cancela el flujo primario a cero.

Figura 3.4 Sensor de corriente de lazo cerrado

3.1.1.2 Diseño del sensor de corriente En la Figura 3.5 se puede apreciar la distribución de pines del transductor de corriente con sus respectivas conexiones.

1 2 LEM LTA100P/SP1

- 15V VOUT

4 5 6

0V +15V

Figura 3.5 Distribución de pines LTA100/SP1

La identificación de pines se muestra en la Tabla 3.1.

Pin

Conexión

Pin

Conexión

1

CorrienteOUT

3

NC

2

-15V

4

VoltajeOUT*

5

0V

6

+15V

*Pin 1 y 4 deben estar unidos.

Tabla 3.1 Identificación de pines

Debido a que el sistema de control necesita conocer la corriente solo durante el proceso de carga, más no en la descarga; y en el proceso de carga la alimentación es desde la red de alterna, la polarización del transductor también se realiza a través de la misma mediante un transformador con toma central y dos fuentes reguladas positiva y negativa de 15 voltios, según el esquema de la Figura 3.6. D1

LM7815 OUT

Pin 6 (+15)

+

IN

V

5 a 1

C1

COM

Pin 5 (0V) +

60 Hz D2

C2

LM7915 IN

OUT

Pin 2 (-15)

COM

Figura 3.6 Circuito de alimentación del transductor de corriente

Donde: Vp = 120Vca

Vs = 24Vca Vs1 = Vs2 = 12Vca D1 = D2 = 1N4007 C1 = C2 = 470µF LM7815

Regulador de voltaje de +15Vcc

LM7915

Regulador de voltaje de -15Vcc

Acondicionamiento de señal del sensor de corriente

El acondicionamiento se reduce a una etapa de amplificación a través de amplificadores operacionales en configuraciones de seguidor y amplificador sin inversión. Seguida de esta etapa se incluye un filtro que pretende obtener una respuesta proporcional en DC a la señal instantánea obtenida de la amplificación de la respuesta del sensor. Para diseñar el amplificador no inversor de la Figura 3.7, se tiene los siguientes datos: Se asume un pico máximo de corriente de carga del banco de baterías de 24A. Voltaje de salida del transductor para una IN = 24 A con la especificación de 50mV/A es: 50mV A 24 × 0.050 = 1.2 V

IN ×

vo = 5V vi = 1.2V Se asume R1 = 10KΩ

de donde;

Figura 3.7 Amplificador sin inversión

vi =

R1 vo R1 + R2

R2 =

v o R1 − R1 vi

R2 =

5 × 10000 − 10000 = 31.667KΩ → potenciómetro de 50KΩ 1 .2

Debido a que no es suficiente con amplificar la señal que entrega el transductor, se incluyen dos seguidores de voltaje uno a la entrada del amplificador y otro a su salida.

Un seguidor unitario o seguidor de voltaje provee una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida a una ganancia unitaria. Ubicando un seguidor de voltaje a la entrada es posible eliminar el efecto de carga que produciría el circuito acondicionador en la señal del sensor modificando su respuesta. Ubicando un seguidor de voltaje a la salida es posible obtener más potencia (resolución, precisión) de la señal que entrega el amplificador sin modificar dicha señal. La Figura 3.8 muestra un amplificador de ganancia unitaria sin inversión de fase. Aplicando el criterio del amplificador no inversor se tiene: AV = 1 cuando R2 = 0. En esta condición se puede suprimir R1, y por tanto el circuito se denomina seguidor de voltaje. AV =

vo R = 1+ 2 ; vi R1

AV =

vo =1 vi

para R2 = 0

vo = vi Figura 3.8 Seguidor de voltaje

El inductor que permite la conducción continua, reduce el rizado de la corriente de carga, mas no consigue aplanar la misma; es por esto que el transductor de corriente al ser instantáneo entrega la forma de onda que refleja la corriente principal, es decir un rizado considerable a la salida del sensor de corriente. El sistema de control necesita una señal de voltaje continuo sin rizado, para esto se utiliza un filtro pasa bajos. Un filtro RC pasa bajo como el de la Figura 3.9, es un circuito formado por una resistencia y un capacitor, que permite el paso de las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte (Fc) y elimina las que sean superiores.

Figura 3.9 Filtro pasa bajo

La reactancia capacitiva (XC) cambia con la frecuencia. Para altas frecuencias XC es baja logrando con esto que las señales de estas frecuencias sean atenuadas. En cambio a bajas frecuencias (por debajo de la frecuencia de corte) la reactancia capacitiva es grande, lo que causa que estas frecuencias no se vean afectadas o son afectadas muy poco por el filtro. La frecuencia de corte es aquella donde la amplitud de la señal entrante cae hasta un 70.7% de su valor máximo; y esto ocurre cuando XC = R (reactancia capacitiva = resistencia) Si XC = R, la frecuencia de corte será: FC =

1 2π × R × C

Asumiendo una frecuencia de corte muy baja de alrededor de 1Hz y asumiendo un valor de C = 47µF, se tiene: R=

1 2π × FC × C

R=

1 = 2.82KΩ → 2.7KΩ 2π × 1.2 × 47 µ

Para los amplificadores operacionales se utiliza el circuito integrado LM324, cuádruple amplificador operacional de baja potencia, operable con una sola fuente de alimentación. El circuito completo del sensor de corriente es el que se ilustra en la Figura 3.10. LTA100P/SP1

1

3

4

5

6

OUT

+

IN

-155/155V 120 a 24

2

LM7815

1N4007 470uF

COM

60 Hz +

+

U1A LM324

U1B + LM324

U1C + LM324 2.7k

470uF

Vo/I LM7915 OUT

+

IN

1N4007

47uF COM

50k 66% 10k

Figura 3.10 Circuito sensor de corriente

3.1.2 SENSOR DE TEMPERATURA Para el diseño del sensor de temperatura se utilizó como elemento principal un transductor de temperatura LM35, su circuito de polarización y su respectivo acondicionamiento de señal. El transductor de temperatura de precisión LM35 entrega una salida de voltaje linealmente proporcional a la temperatura en grados centígrados.

Principales características LM35DT: Factor de escala

10.0mV/ °C lineales

Precisión

±0.6°C @ +25°C

Rango

0°C a 100°C

Voltaje de alimentación

de 4 a 30Vcc

Corriente de fuga

60µA (0.08°C de calor propio)

Encapsulado

TO-220

3.1.2.1 Diseño del sensor de temperatura En la Figura 3.11 se puede apreciar la distribución de pines del transductor de temperatura de encapsulado TO-220 y su polarización.

*El tab esta conectado al pin GND

Figura 3.11 Transductor de temperatura LM35DT, distribución de pines y polarización

Como fuente de alimentación (+Vs), el transductor se conecta directamente a +12Vcc de la batería que posee la referencia del sistema de control.

La alimentación mediante una batería obedece a la necesidad de monitorear la temperatura en todo momento, durante la carga y descarga.

Acondicionamiento

El acondicionamiento se reduce a una etapa de amplificación a través de amplificadores operacionales en configuraciones de seguidor y amplificador sin inversión, al igual que el transductor de corriente. Para diseñar el amplificador no inversor se tiene los siguientes datos: Según el capitulo segundo, la temperatura de una batería no debe superar los 52°C, de esto se asume un valor máximo de 55°C. Voltaje de salida del transductor para una T° = 55° C con la especificación de 10mV/ °C es: 10mV °C 55 × 0.01 = 0.55V

T°×

vo = 5V vi = 0.55V Se asume R1 = 1.1KΩ

de donde;

vi =

R1 vo R1 + R2

R2 =

v o R1 − R1 vi

R2 =

5 × 1100 − 1100 = 8.9KΩ → potenciometro de 20KΩ 0.55

En la Figura 3.12 se muestra el esquema completo del circuito sensor de temperatura. + LM35DT

U1C LM324

U1B + LM324

U1A + LM324

Vo/T

+ 12V

1 2 3

20k 50% 1.1k

Figura 3.12 Circuito sensor de temperatura.

3.1.3 SENSOR DE VOLTAJE El sensor de voltaje se reduce a un divisor de voltaje mediante un potenciómetro, como muestra la Figura 3.13. El sistema de control recibirá la señal análoga del sensor de voltaje únicamente en la descarga del banco de baterías; es decir el sensor de voltaje se aplica solo para monitorización del estado de voltaje del banco. Esto se debe a que en el proceso de carga la visualización del voltaje de carga se obtiene directamente por software, en base al ángulo de disparo del puente rectificador. Una vez completado el algoritmo de carga, el banco de baterías debe reflejar un voltaje máximo de 55V, mismos que deben ser acondicionados a un nivel aplicable al sistema de control; según esto se tiene: vi = 55V vo = 5V Asumiendo R2 = 10KΩ → potenciómetro de 20KΩ vo =

R2 vi R1 + R2

R1 =

R2v i − R2 vo

R1 =

10000 × 55 − 10000 = 100KΩ 5 R1 100K

+

+ 12V

+

12V +

12V +

12V +

12V +

R2 20k 50%

Vo/V

12V +

12V

12V

Figura 3.13 Circuito sensor de voltaje

3.1.4 DETECTOR DE CRUCE POR CERO Y ALIMENTACIÓN ALTERNA La forma en que el sistema de control se sincroniza con la red, para el correcto disparo de los tiristores, es mediante el detector de cruce por cero. Como elementos principales, el detector consta de un puente rectificador y un optoacoplador que mantiene el aislamiento del sistema de control con el circuito de fuerza. El detector de alimentación alterna indica al sistema de control si el cargador de baterías esta o no conectado a la fuente alterna de alimentación, para según esto poder dar inicio o detener el algoritmo de carga o el monitoreo sobre el banco de baterías. Este detector utiliza un optoacoplador un filtro y el mismo puente rectificador que el detector de cruce por cero.

Puente rectificador monofásico DF10 Principales características: Voltaje pico inverso

VPRM = 1000V

Voltaje RMS

VRMS = 700V

Corriente promedio

IAV = 1A

Caída de voltaje por elemento

VF = 1.1V

Optoacoplador led-transistor PC817 de un canal Principales características: Led Corriente máx.

IF = 50mA

Caída de voltaje a IF = 25mA

VF = 1.2V

Transistor Corriente colector máx.

IC = 50mA

Voltaje colector-emisor máx.

VCE = 35V

Voltaje colector-emisor sat.

VCEsat = 0.2V

CTR

CTR = 50 a 600%

Diseño de los detectores

El puente se conecta al devanado secundario del transformador principal de alimentación y aislamiento, fuente con la cual se busca la sincronización. Peor condición voltaje pico: Vp = 2Vf Vp = 2 × 71 = 100.41V Se asume IF = 20mA (40% de la máxima)

R1 =

VR1 IF

R1 =

100.41 − 2VFPuente − 2VFLed IF

100.41 − 2(1.1) − 2(1.2) = 4790Ω → 4.7KΩ 0.02 = I F2 R1

R1 = PR1

PR1 = (0.02) × 4700 = 1.88W → 2W 2

Para IF = 20mA → CTR = 135% (gráfico tabla de características) CTR =

IC IF

IC = 1.35 × 0.02 = 27mA R2 =

VR 2 IC

R2 =

Vcc − VCEsat IC

R2 =

5 − 0 .2 = 177.8Ω → 220Ω 0.027

Debido a que la señal requerida de este detector debe ser de nivel constante, se aplica un filtro RC, cuya principal característica es su tiempo de respuesta. Tiempos de carga y descarga

τC τC τD τD

= R3C = 220 × 47 µ = 10.3ms = (R3 + R2 )C

= 440 × 47 µ = 20.6ms

Los tiempos no superan los dos ciclos (33.33ms) y son suficientemente rápidos para una buena detección de conexión o desconexión del sistema a la alimentación alterna. En la Figura 3.14 se puede apreciar el circuito detector de cruce por cero y el de detección de alimentación alterna. Vcc 5V

R1 4.7k

PC817a OPTOISO R3 220

B

Vo/A

A

DF10 R2 220

+

V -100/100V

C 47uF

60 Hz Vcc1 5V PC817 OPTOISO

Vo/Z

C R4 220

Figura 3.14 Circuito detector de cruce por cero y de alimentación alterna.

3.2 ELEMENTOS DE CONTROL El sistema de control que ejecuta el algoritmo de carga es desarrollado mediante software; para este fin se utiliza un microcontrolador programable; los principales valores de control, tanto para monitorización y en la etapa de carga, son visualizados mediante una pantalla de cristal líquido (LCD) y diodos luminosos (LED).

3.2.1 MICROCONTROLADOR PROGRAMABLE Por disponibilidad en el mercado y dado que cumple con todos los requerimientos básicos necesarios, se selecciona y utiliza el microcontrolador programable PIC16F877A (Figura 3.15) cuyas características importantes para la aplicación son:

•

Voltaje de alimentación de 2 a 5.5 voltios a 4Mhz

•

Memoria flash programable

•

Un conversor análogo – digital de 10 bits con más de tres entradas

•

3 temporizadores programables

•

3 puertos I/O de 8 bits

•

1µs por instrucción a 4Mhz de reloj de entrada

•

Baja potencia de consumo (máx. 1 W)

Figura 3.15 Microcontrolador PIC16F877A

Diagrama de bloques

En la Figura 3.16, se puede apreciar las entradas y salidas que manipula el microcontrolador en un diagrama de bloques, las señales de los sensores como las de los detectores provienen de sus respectivos circuitos de sensado y detección.

Figura 3.16 Diagrama de bloques

Para implementar el algoritmo de carga en el microcontrolador se toma como referencia las etapas de carga indicadas en la Figura 3.17 ETAPA 4 Ecualización

56

50 20A

ETAPA 3 Voltaje constante

49 41V

ETAPA 5 Flotación

ETAPA 2 Corriente constante

3A

55V

3A

3A

ETAPA 1 Corriente mínima

Figura 3.17 Algoritmo de carga

En base al diagrama de bloques y al algoritmo de carga de las Figuras 3.16 y 3.17 respectivamente, se desarrolla el programa de control considerando los siguientes aspectos: •

Se realiza un retardo general debido a que el proceso y la variación de sus magnitudes son relativamente lentos comparados con el procesamiento del microcontrolador. Dicho retardo es de aproximadamente medio segundo.

•

El registro de 8 bits PR2 perteneciente el TIMER2, determina el tiempo, luego del cual, se ejecuta el disparo.

•

El TIMER2 cuenta únicamente con un preescalamiento de 16, lo que determina que cada paso de control del ángulo de disparo es de 16µs, debido a que cada instrucción toma 1µs.

•

El registro de 8 bits PR2 determina 256 pasos, lo que determina un ángulo máximo de disparo de:

o 16 µs × 256 = 4.08ms → 4.08ms ×

180° = 88.13° 8.33ms

En general el valor del registro PR2 se relaciona con el ángulo de disparo, expresado en grados, en función de: PR 2 =

8.33ms 180° 16 µs

α×

•

El tiempo de duración del disparo lo determina el TIMER0.

•

Las entradas análogas se consideran de 8 bits, haciendo que los 2 bits menos significativos sean cero (ADFM = 0)

•

La resolución para el conversor análogo de corriente es: I max 256 24 A Rs = = 93.75mA 256 Rs =

o

•

La resolución para el conversor análogo de voltaje y temperatura es: Vmax 256 55V Rs = = 214.8mV 256 Rs =

o

(0.2148°C )

Diagrama de flujo INICIO

AC

Fuente ? no si

PULSO DE INICIO

RB2 ( pulsador)

Indicador de voltaje

PR2 ( Modificación del ángulo)

Voltaje mínimo? no

si

Visualizador: V , I ,T° ALARMA Buzzer

No

RB 0 ( cruce por cero)

Espera del cruce por cero

Si

Indicador de temperatura

TMR2 ( inicio de cuenta para el disparo) no DISPARO ( duración del disparo TMR0)

RB7 ( al circuito de disparo)

Temp . normal ? si

Visualizador: V , T° LCD/ Leds Temp . no normal ? si

Etapa1 I seguridad no si Etapa2 I constante no si > 41V? (PR2 ) no

Etapa3 V constante no si

si

> 3A? no (A/D) si

> 56V? (PR2 ) no

si < 6A? (A/D ) no

> 20A? no (A/D) si > 5A? no (A/D) si

Etapa4 Eqz si si

< 3A? (A/D ) no

no

si

Etapa5 Flotación PR2 ? 63V

PR2 ? 59V

> 23A? no (A/D) si

(A/D

< 3A? ) no

si

(A/D

> 6A? ) no

si

> 12A? no (A/D) si

PR2 ? 55V

> 3A? no (A/D) si

ERROR

RESET

FIN

Figura 3.18 Diagrama de flujo

3.2.2 CIRCUITO DE DISPARO [6] El encendido de un tiristor va acompañado por la aplicación de un pulso de corriente de magnitud y duración específica en la compuerta del dispositivo. El puente rectificador es de cátodo común, gracias a esta característica, se requiere solamente una fuente independiente de aislamiento para disparar los dos tiristores, mismos que comparten la misma señal de disparo.

Diseño del circuito de disparo

El circuito se compone de un transformador de baja potencia, de relación transformación n = 10, es decir que su voltaje secundario (V2) es: n=

V1 V2

V2 =

120V = 12V 10

Se utiliza un puente rectificador y un filtro capacitivo como fuente de alimentación para el regulador de voltaje ajustable LM317, cuyas principales características son: Voltaje de entrada Vin = 40V (máx) Voltaje de salida

Vout = 1.2 a 37V

Corriente de carga Io = 1.5A (máx) En la Figura 3.19 se puede apreciar la distribución de pines del regulador de voltaje ajustable LM317, en la Figura 3.20 se muestra el circuito de polarización sugerido por el fabricante, mismo que se implementó para el presente proyecto y que brindo buenos resultados. Este circuito presenta diodos de protección contra cortocircuitos tanto para la entrada como para la salida.

Figura 3.19 Regulador de voltaje LM317

Figura 3.20 Circuito de polarización

Seguidamente del circuito de polarización del regulador de voltaje ajustable, y a través del optoacoplador proveniente del circuito de control, se implementan dos transistores como controladores directos de las compuertas que brindan un control individual de corriente, los transistores se encuentran en configuración de emisor común de corte y saturación. Se utilizan los transistores npn BD137 cuyas principales características son:

Voltaje colector-emisor

VCE = 160V

Corriente de colector

IC = 1.5A (máx)

Potencia

PD = 1W @ 25°C

Frecuencia

f = 140MHz

De las características de disparo, de la hoja de datos del puente rectificador, se tiene como voltaje máximo de disparo VGT = 2V y como corriente máxima IGM = 2A, valores que pueden ser ajustados por el circuito de disparo implementado.

En la Figura 3.21 se muestra el circuito de disparo implementado. D2 1N4001 D1 2KBB10

C1 470uF

C4 100nF

Q1 ECG16 R9 100

G1

OUT

COM

D3 1N4001 R2 5k 30%

R6 10k

R1 1k +

IN

+

60 Hz

U1 LM317

T1 TRANS +

V1 -17/17V

R4 330

C3 10uF

C2 1uF

R5 330

Q2 ECG16

R7 100

G2

R3 10k R8 10k

Circuito de control

Figura 3.21 Circuito de disparo

3.2.3 VISUALIZADORES Como visualizador principal se utiliza un LCD TS1620 de 14 pines, de 2 líneas de 16 caracteres cada una, de caracteres de 5x8 puntos cada uno, y que por alimentación requiere de 5V ±10%.

La distribución de pines del LCD se muestra en la Tabla 3.2

Pin Símbolo

Función

1

VSS

GND

2

VDD

5V

3

V0

Contraste

4

RS

Selector de registro (dato o instrucción)

5

R/W

Lectura/Escritura

6

E

Habilitación de señal

7

DB0

8

DB1

9

DB2

10

DB3

11

DB4

12

DB5

13

DB6

14

DB7

Bus de datos

Tabla 3.2 Distribución de pines del LCD Durante el proceso de carga, el LCD muestra la temperatura, la corriente y el voltaje de carga, a la vez que muestra también la etapa de carga en la que se encuentra el cargador. Durante la descarga de las baterías (etapa cero), el LCD muestra solamente, como monitoreo, el voltaje y la temperatura del banco de baterías. El LCD posee 11 líneas de control y 3 de polarización, como se puede apreciar en el diagrama de bloques de la Figura 3.22.

Figura 3.22 LCD en diagrama de bloques

Para su inicialización y funcionamiento el software del LCD posee 11 comandos de 10 bits cada uno (R/W, RS, DB7….DB0); mediante los cuales se inicializa el LCD y se accede al mapa de más de 190 caracteres para su lectura y posterior escritura en la pantalla. Todo comando requiere de la habilitación de señal (E) y deben respetarse ciertos tiempos mínimos de trabajo entre la escritura en cada pin de control y entre comandos como se puede apreciar en la Figura 3.23 y la Tabla 3.3 .

Para Vdd= Vih1=5V±10%, Vss=Vil1 = 0V Ta=25 Característica

Símbolo

Min.

Max.

Unidad

Pin de prueba

E, ciclo de tiempo

tc

500

--

ns

E

E, tiempo de subida

tr

--

25

ns

E

E, tiempo de caida

tf

--

25

ns

E

E, ancho de pulso (H, L)

tw

220

--

ns

E

R/W y RS tiempo de inicio

tsu1

40

--

ns

R/W, RS

R/W y RS tiempo de espera

th1

10

--

ns

R/W, RS

Dato, tiempo de inicio

tsu2

60

--

ns

DB0~DB7

Dato, tiempo de espera

th2

10

--

ns

DB0~DB7

Tabla 3.3 Tiempos de trabajo

Figura 3.23 Secuencia de escritura y tiempos involucrados [24]

Además del LCD, se incorporo dos visualizadores de ocho leds cada uno, para temperatura y voltaje, estos indicadores digitales pretenden dar una respuesta

visual más general y de más fácil reacción para el conductor, en función del color de los leds, así por ejemplo el indicador de temperatura indica la temperatura normal en azul, seguido de amarillo, naranja y finalmente rojo en la condición de alarma, de igual forma para el de voltaje; en verde para la condición normal y en rojo la de alarma. Los visualizadores leds, utilizan un solo puerto del microcontrolador, que gracias a 2 latch 74ls373 facilitan su control. Para la monitorización y durante el proceso de carga los leds de voltaje difieren las etapas de la siguiente manera: Etapa 0: funcionamiento normal (voltímetro digital, monitoreo) Etapa 1 y Etapa 2: incremente de rojo a verde en función del ángulo de disparo (etapa de seguridad y corriente constante) Etapa 3: encendido alternado, un led prendido seguido de uno apagado (voltaje constante). Etapa 4: encendido solamente de los cuatro leds superiores (ecualización). Etapa 5: todos los leds prendidos (carga completada, flotación).

CAPÍTULO 4 PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1 CALIBRACIÓN Las pruebas y resultados de este proyecto se basan en la carga y descarga del banco de baterías, esto requiere la calibración y ajuste, a valores reales, de las magnitudes de temperatura, corriente y voltaje entregadas por los respectivos sensores. De la misma forma se ajustan en el programa de control los niveles de voltaje y corriente de las diferentes etapas de carga que permitan cumplir de mejor manera con el algoritmo de carga. Se utilizó medidores patrones para la calibración de las diferentes variables, para la calibración de temperatura se usó una termocupla tipo K, para la calibración de corriente se usó un amperímetro DC analógico YEW de 30 A, para la calibración de voltaje se usó un voltímetro FLUKE 87 III. La calibración se efectúo en las instalaciones del Laboratorio de Control de Máquinas de la carrera de Ingeniería en Electrónica y Control de la E.P.N.

4.1.1 CALIBRACIÓN DE TEMPERATURA

En la calibración y ajuste de la temperatura del banco de baterías, se considera la temperatura a la cual se encuentra el electrolito dentro del monobloque o carcaza de una batería. Con un medidor patrón (Termocupla tipo K), se determinó que el electrolito está a aproximadamente 2oC por encima de la temperatura de su polo más cercano al cual se encuentra acoplado el transductor de temperatura. Mediante el potenciómetro de calibración se ajusta el valor visualizado en el LCD al indicado por el patrón de medida.

Magnitud

Ideal

Real

Temperatura [oC]

55º

55.6

Voltaje [V]

5

4.87

Tabla 4.1 Condiciones de calibración de temperatura

4.1.2 CALIBRACIÓN DE CORRIENTE

En cuanto a la calibración del sensor de corriente, el sistema de control necesita conocer la corriente solo en la implementación del algoritmo de carga, mas no en el monitoreo de descarga. Con la especificación del transductor de 50mV/A, la salida del sensor de efecto Hall es amplificada. Con un medidor patrón (Amperímetro de DC analógico 30 A) y su potenciómetro de ajuste, se calibró para que cumpla con dicha especificación y pueda ser visualizada en el LCD según el patrón de medida.

Magnitud

Ideal

Real

Voltaje [V]

3.1

2.7

Corriente [A]

15

15.4

Tabla 4.2 Condiciones de calibración de corriente

4.1.3 CALIBRACIÓN DE VOLTAJE

El sensor de voltaje formado por un divisor de tensión, mediante un potenciómetro, permite la calibración y ajuste del voltaje que presenta el banco de baterías, en base al voltímetro FLUKE utilizado como patrón. El sistema de control recibe la señal análoga del sensor de voltaje únicamente en la descarga del banco de baterías; es decir el sensor de voltaje se aplica solo para monitorización del estado de voltaje del banco de baterías.

Magnitud

Ideal

Real

Voltaje1 [V]

5

4.9

Voltaje2 [V]

55

54.7

Tabla 4.3 Condiciones de calibración de voltaje

4.1.4 ERROR

Sobre la base de los valores medidos y reales, se procede a determinar el error porcentual para mediciones de temperatura, corriente y voltaje.

Magnitud

Medido

Real

Error %

Temperatura [oC]

56

55.6

0.7

Corriente [A]

15.7

15.4

1.9

Voltaje [V]

55.4

54.7

1.2

Tabla 4.4 Error de temperatura, corriente y voltaje.

4.2 PROCESO DE CARGA Y DESCARGA DEL BANCO DE BATERÍAS Para probar la eficacia del proceso de carga y descarga del banco de baterías, se procedió a tomar las lecturas de tiempo, corriente, voltaje y temperatura. Conocer el tiempo de descarga es muy importante debido a que de acuerdo al consumo de corriente en un determinado tiempo se puede estimar la autonomía.

4.2.1 PROCESO DE CARGA

Para el proceso de carga el motor eléctrico debe estar desconectado del banco de baterías, debido a que el cargador se conecta a la red eléctrica y alimenta el banco de baterías a través del cargador.

En el proceso de carga se puede ver las diferentes etapas, corriente, temperatura y voltaje. En la Tabla 4.5 se muestra los valores tomados en la carga del banco de baterías de 48 V. Voltaje Etapa Corriente de Temperatura carga[A] [V] [ºC] 40 40 41 46 49 49 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50

1 1 1 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

0 3 3 20 20 20 24 23 19 15 11 11 10 9 9 8 8 8 7 7 6 6 6 5 5 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3

23 23 24 33 34 34 35 35 33 32 30 30 29 28 28 28 27 27 27 26 26 26 25 25 25 25 24 25 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 23 23 23

Tiempo [minutos]

Tiempo [h:m]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165

0:00 0:01 0:02 0:03 0:04 0:05 0:06 0:07 0:08 0:09 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05 1:10 1:15 1:20 1:25 1:30 1:35 1:40 1:45 1:50 1:55 2:00 2:05 2:10 2:15 2:20 2:25 2:30 2:35 2:40 2:45

50 50 50 50 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 55 55 55 55 55 55 55

3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5

3 3 3 3 16 12 10 10 10 10 9 9 8 8 7 7 6 6 6 5 5 5 4 4 3 3 3 3 3 3 3

23 23 23 23 30 30 29 29 29 28 28 28 28 27 27 27 27 26 27 26 26 25 26 25 25 25 25 24 24 24 24

170 175 180 185 190 191 192 193 194 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300

2:50 2:55 3:00 3:05 3:10 3:11 3:12 3:13 3:14 3:15 3:20 3:25 3:30 3:35 3:40 3:45 3:50 3:55 4:00 4:05 4:10 4:15 4:20 4:25 4:30 4:35 4:40 4:45 4:50 4:55 5:00

Tabla 4.5 Valores tomados en el proceso de carga

En la Figura 4.1 se observa el algoritmo generado con los valores tomados de la Tabla 4.5 en el proceso de carga; en la Figura 4.2 se aprecia el tiempo que el algoritmo utilizo para las diferentes etapas que son: etapa 1(corriente mínima), etapa 2 (corriente constante), etapa3 (voltaje constante), etapa 4 (ecualización), etapa 5 (flotación).

Gráfico de carga

V, ºC, A

Corriente

Voltaje

Temperatura

60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

Tiempo [minutos]

Figura 4.1 Algoritmo en el proceso de carga

Tiempo por etapas

Etapas

ETAPA1 ETAPA2 1 11

36

16

6

ETAPA3 ETAPA4 ETAPA5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Tiempo [x5min]

Figura 4.2 Tiempo requerido por etapas El banco de baterías se encuentra descargado a 40 V (mínimo permitido), punto donde se inicia el proceso de carga del banco de baterías de 48 V. En la etapa 1 (corriente mínima) que se aprecia en la Figura 4.1, inicia el algoritmo de carga entregando 33V y una corriente de seguridad de 2A a 3A hasta alcanzar un voltaje de 41V, máximo de la etapa, en un tiempo corto de 3 minutos aproximadamente, tiempo después del cual se pasa a la siguiente etapa.

En la etapa 2 (corriente constante) de la Figura 4.1, se muestra que la corriente alcanza el valor de 20A para el voltaje máximo de la etapa de 49 V. La duración de esta etapa fue de aproximadamente 3 minutos. En la etapa 3 (voltaje constante) que se observa en la Figura 4.1, la corriente máxima requerida por el banco llega a alcanzar los 24A debido al sobrevoltaje de 50V constantes. Dicha corriente empieza a disminuir por debajo de los 3A, condición para continuar a la siguiente etapa. El tiempo de esta etapa fue de 3 horas aproximadamente. En la etapa 4 (ecualización) que se observa en la Figura 4.1 se aplica el voltaje constante de ecualización de 56V, apreciándose un incremento de corriente de hasta 16A, el tiempo de esta etapa alcanzó una hora con 20 minutos luego de las cuales el banco de baterías entra en flotación y se puede dar por concluido el proceso de carga. En la etapa 5 (flotación) como se explica en el capítulo 3 y se muestra en la Figura 4.1, sirve para mantener en el nivel deseado de carga completa del banco de baterías, para que en cualquier momento puedan ser usadas. Esto se consigue abasteciendo una mínima corriente a un voltaje de flotación de 55V.

En el proceso de carga, el banco de baterías estuvo descargado a menos de 40V, se puede apreciar de acuerdo a la tabla y a la gráfica que se va cumpliendo satisfactoriamente todas las etapas, cabe destacar que de acuerdo a que tan descargado estén el banco de baterías se entregará más o menos corriente de carga.

En cuanto a la temperatura, se puede apreciar en la Figura 4.1 que se mantiene en valores bajos, es decir no superiores a la mitad de la máxima permitida. Se aprecia que se relaciona directamente con la cantidad de corriente en circulación.

El tiempo total de carga fue de aproximadamente 5 horas, incluyendo 30 minutos de flotación, tiempo que para un prototipo de estas característica supera las expectativas. En general, el cargador cumple con el algoritmo de carga propuesto para un banco de baterías de 48 voltios.

4.2.2 PROCESO DE DESCARGA

Para el proceso de descarga, el banco de baterías estuvo cargado a 53V, se realizaron las pruebas para una corriente de descarga de 17A. Con estas pruebas se puede determinar el tiempo máximo de descarga del banco de baterías cargado hasta alcanzar el tiempo mínimo permitido de 38V.

Voltaje[V]

Corriente de descarga[A]

Temperatura [oC]

Tiempo [min]

Tiempo [h:min]

53 47 46 45,6 45,2 43,2 42,1 41,5 40,3 39,5 37,8

17,5 17,5 17,5 17,3 17 17 17 17 17 17 17

18 18 18 19 19 19 19 19 20 20 20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0:0 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40

Tabla 4.6 Valores tomados en el proceso de descarga

Como se muestra en la Figura 4.3 la descarga del banco de baterías no es uniforme ni lineal debido a los siguientes factores: las baterías que se encuentran en los extremos se descargan más rápido que las del centro como se explico en el capítulo 1 y las baterías del proyecto no son nuevas ni de las mismas características. Gráfico de descarga 55 50 45 40

[ V, A, ºC]

35 30

Voltaje Corriente

25

Temperatura

20 15 10 5 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tiempo [minutos]

Figura 4.3 Proceso de descarga

El tiempo de descarga del banco de baterías es de aproximadamente cien minutos (1h40min), con una corriente de descarga constante de 17 (A) hasta el final del proceso.

También se realizó pruebas con una corriente de descarga constante de 5,6 (A) y el resultado de la descarga hasta llegar a los 40(V) fue en un tiempo de 360 minutos (6 horas), comparando con la prueba actual que fue de 17(A) se puede apreciar que el tiempo de descarga del banco de baterías es mucho mayor.

La temperatura es normal, sufre un incremento que se relaciona con el tiempo que dura la descarga.

CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1 CONCLUSIONES Este proyecto ha cumplido con su objetivo general, es decir, se ha diseñado y construido un cargador de baterías de plomo ácido de 48 V.

El cargador implementado funciona de acuerdo a los requerimientos generales planteados en la sección 1.7 (Algoritmo de carga). Es decir que, el cargador conectado a un sistema monofásico de 120 V, 60 Hz permite la carga del banco de baterías que puede ser monitoreada y visualizada.

El cargador es alimentado por la energía de la red. Cuando se ha terminado la carga total del banco de baterías, entra en un período de flotación hasta ser desconectado de la red. En el momento en que el cargador es desconectado de la red eléctrica, el LCD permite visualizar automáticamente el nivel de voltaje en las baterías y la temperatura, debido a que el control está alimentado por una batería del banco.

Durante la descarga, cuando se presenta un exceso de temperatura o un nivel de voltaje del banco de baterías por debajo del permitido existe una alarma sonora indicando el problema; de igual manera se visualiza en los indicadores LED la condición del problema; ya sea exceso de temperatura o bajo nivel de voltaje.

Durante la carga cuando existe sobretemperatura o sobrecorriente, para las diferentes etapas de carga, el microcontrolador reconoce un error y dispara los tiristores al máximo ángulo posible, entregando el mínimo voltaje de 33 voltios al banco de baterías; evitando el daño del cargador o del banco de baterías. En el proceso de descarga mientras la corriente de descarga sea menor el tiempo aumenta sustancialmente, por ejemplo como se muestra en el capítulo anterior la primera corriente de descarga fue de 5,6(A) y en la segunda fue de 17 (A) el tiempo de descarga de esta última fue mucho menor que el de la primera.

En el proceso de carga y descarga se puede apreciar que no es lineal, estas dependen del estado que se encuentren las baterías y en el caso de la descarga de cuanta carga se van a conectar a los bancos de baterías.

Sabiendo que se obtuvo un tiempo de descarga de 1.667 horas, se puede estimar aproximadamente una autonomía (a) del vehiculo, para una velocidad máxima permitida en el sector urbano de 50 Km/h, de: a = v ×t a = 50

Km × 1.667h = 83.33Km h

Cabe especificar que en esta autonomía se considera al consumo de 17 amperios, sin considerar incrementos momentáneos de corriente de descarga propios del arranque de un motor eléctrico.

5.2 RECOMENDACIONES En el programa del microcontrolador se podrían incluir rutinas para que la carga sea más lenta, esto con el fin de aumentar la vida útil del banco de baterías. En este proyecto el banco de baterías se carga en un promedio de cinco horas, pero si el usuario del auto dispone de más tiempo de carga de las baterías se lo podría realizar, modificando los niveles de corriente en el programa de control.

Como una mejora al sistema implementado, se podría considerar la utilización de un selector para diferentes rangos de voltaje de carga, pero en este caso se debe rediseñar el transformador, sobre todo para voltajes superiores, a la ves que se deben realizar cambios en los niveles referenciales de voltaje y corriente en el programa de control.

Es recomendable no descargar al banco de baterías a un valor menor a 38 V, debido a que las baterías de plomo – ácido se consideran descargadas cuando cada batería se encuentra a 10,2 V (1.7V por celda) y se está considerando un promedio menor a 10 V por cada batería; de darse esto se ocasionaría la disminución de su vida útil.

Para este proyecto se usó baterías de plomo-ácido normales de arranque para motores de combustión interna, puesto que lo ideal para este proyecto es usar baterías de descarga profunda con este tipo de baterías se consigue aprovechar hasta un 80% de descarga lo cuál implica mayor recorrido. Debido al costo de las mismas se está usando las baterías normales de plomo – ácido.

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