CD-1560(2008-06-18-01-05-30).pdf

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.
BIBLIOGRAFÍA
LIBROS y MANUALES
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Quinta edición.
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Segunda edición. Hall Hispanoamericana, S.A. Mexico. 1995
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[15] NORTHERN ARIZONA WIND & SUN, The Ultimate Deep Cycle Battery FAQ
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