Memòria del projecte en format PDF - deeea
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Departamento de ingeniería Electrónica Eléctrica y Automática PROYECTO FINAL DE CARRERA VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN MODELO DE ALTERNADOR TRIFÁSICO (40V) PARA AUTOMOCIÓN Autor: David Bogariz Vilches. Titulo: Ingeniero Técnico Industrial en Electrónica Industrial. Departamento: Ingeniería Electrónica, Eléctrica y Automática. Fecha: Junio de 2003-06-11. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Departamento de ingeniería Electrónica Eléctrica y Automática PROYECTO FINAL DE CARRERA VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN MODELO DE ALTERNADOR TRIFÁSICO (40V) PARA AUTOMOCIÓN 1 . MEMORIA DESCRIPTIVA Tutor del proyecto : Javier Maixé Altés. Realizado: David Bogariz Vilches. 1.0.0.0 – MEMORIA DESCRIPTIVA 1.1.0.0 – Objeto del proyecto .................................................................... 1 1.2.0.0 – Situación ..................................................................................... 2 1.3.0.0 – Titular ......................................................................................... 3 1.4.0.0 – Antecedentes ............................................................................... 3 1.5.0.0 – Posibles soluciones y soluciones adoptadas ............................... 4 1.5.1.0 – Banco de pruebas ............................................................................ 1.5.2.0 – Sistema para variar la velocidad del motor ...................................... 1.5.3.0 – Sistema para modificar la carga del alternador ................................ 1.5.4.0 – Resistencias de carga para el alternador ........................................... 1.5.5.0 – Protecciones del módulo de control ................................................ 1.5.6.0 – Transmisión de velocidad ................................................................. 1.5.7.0 – Alternador trifásico ......................................................................... 4 4 5 5 10 6 6 1.6.0.0 – Descripción general .................................................................... 7 1.6.1.0 – Descripción del proyecto ................................................................ 1.6.2.0 – Sistemas eléctricos Dual voltage 42/14 V ....................................... 1.6.3.0 – Alternador ........................................................................................ 7 8 9 1.6.3.1 – Alternador trifásico empleado ...................................................... 1.6.3.2 – Generación de corriente en el vehículo ........................................ 1.6.3.3 – Principio electrodinámico ............................................................. 1.6.3.4 – Principio de la generación de corriente trifásica .......................... 1.6.3.5 – Rectificación de la corriente y de la tensión ................................. 1.6.3.6 – Los circuitos del alternador trifásico ............................................ 1.6.3.7 – Estructura básica del alternador ................................................... 1.6.3.8 – Regulador de tensión .................................................................... 9 12 15 15 16 17 18 20 1.6.4.0 – Modelo del alternador para SABER ................................................ 1.6.5.0 – Banco de pruebas ............................................................................ 28 59 1.6.5.1 – Variador de frecuencia .................................................................. 1.6.5.2 – Correa de transmisión .................................................................... 1.6.5.3 – Resistencias de carga ..................................................................... 1.6.5.4 – Circuito de control de las cargas ................................................... 1.6.5.5 – Motor ............................................................................................. 36 43 45 46 50 1.7.0.0 – Preinscripciones técnicas ............................................................ 51 1.7.1.0 – Generalidades ................................................................................... 1.7.2.0 – Normativa aplicada ........................................................................... 1.7.3.0 – Utilización ......................................................................................... 1.7.4.0 – Circuitos integrados .......................................................................... 1.7.5.0 – Resistencias ....................................................................................... 1.7.6.0 – Condensadores .................................................................................. 1.7.7.0 – Circuito impreso (PCB) ..................................................................... 1.7.8.0 – Montaje del banco de pruebas y de la PCB ....................................... 1.7.9.0 – Alimentación del banco de pruebas y de la PCB ............................... 51 51 51 51 51 52 52 52 52 1.8.0.0 – Puesta en marcha ......................................................................... 53 1.9.0.0 – Planificación ................................................................................ 55 1.10.0.0 – Resumen del presupuesto .......................................................... 58 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.0.0.0 – MEMORIA DESCRIPTIVA. 1.1.0.0 – OBJETO DEL PROYECTO. El objeto de este proyecto, es diseñar un banco de pruebas para realizar una serie de medidas experimentales sobre un alternador trifásico de 40V para automoción. Posteriormente, estas medidas serán validadas, mediante la simulación en el programa SABER, utilizando un modelo del alternador trifásico de 40V. Este alternador es de aplicación en el sistema Dual voltage , que es el sistema eléctrico del automóvil en el nuevo milenio. Se realiza un recorrido histórico sobre los distintos voltajes que se han utilizado para el sistema eléctrico del automóvil y los que se utilizarán en un futuro no muy lejano. Además, se detallan las arquitecturas más populares para implementar el sistema eléctrico Dual voltage. También se explica en el proyecto los modelos matemáticos del alternador que se utilizan para simular en SABER, indicando cuales son los parámetros determinantes de dichos modelos. Finalmente, se hace referencia al resto de componentes que alberga el banco de pruebas utilizado para la realización del proyecto. Estos componentes son el variador de frecuencia, el circuito de control encargado de modificar la resistencia de carga del alternador, el motor y las resistencias de carga para el alternador. Memoria Descriptiva 1 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.2.0.0 – SITUACIÓN. Para realizar en el laboratorio las medidas necesarias sobre el alternador trifásico de 40V, se dispone de un banco de pruebas como muestra la figura 1. Fig. 1. Banco de pruebas. Se trata de una estructura móvil, gracias a unas pequeñas ruedas situadas en la parte inferior, y que está realizada en metal. Dicha estructura, alberga el variador de frecuencia, el motor y el alternador trifásico de 40V. Las resistencias de carga y el circuito de control encargado de modificar la resistencia de carga del alternador se sitúan en una mesa de trabajo cercana al banco de pruebas. El variador de frecuencia, encargado de controlar la velocidad (r.p.m) del motor, se alimenta a una tensión de entrada de 3 CA 230V. El motor es el encargado de mover el alternador, este movimiento se transmite mediante la utilización de una correa transmisora, la cual, se sitúa entre la polea del motor y la polea del alternador. El alternador proporciona una tensión constante de 40V, entre los bornes B+ y B-. Entre estos bornes se encuentran conectadas las resistencias de carga que alimenta el alternador. El alternador necesita alimentar la bobina de excitación, a través de los bornes D+ y B-, con una tensión de 12V. Como resistencia de carga se dispone de un juego de doce resistencias de 1.4 Ω . Realizando conexiones de dos resistencias de 1.4 Ω en serie, se obtiene un total de seis resistencias de 2.8 Ω . Dos de las seis resistencias de 2.8 Ω se conectan en paralelo a la salida del alternador, el resto pasan primero por el circuito de control, el cual se encarga de modificar la resistencia de carga, para finalmente conectarlas en paralelo con la salida del alternador. Con esta disposición de las resistencias podemos obtener cinco valores de carga distintos, estos valores son de 1.4, 0.93, 0.7, 0.56 y 0.46 Ω . Memoria Descriptiva 2 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.3.0.0 – TITULAR. El principal promotor del proyecto es el laboratorio de I+D del Grup d’Automàtica i Electrònica Industrial de la URV. Se sitúa en la avenida del Països Catalans de San Pedro y San Pablo ( Tarragona ). 1.4.0.0 – ANTECEDENTES. Este proyecto surge de la necesidad de implementar un sistema para realizar pruebas con alternadores de 40V a nivel de laboratorio, para posteriormente poder ajustar el modelo matemático del alternador realizado mediante el programa SABER. Todo esto, permitirá poder llevar a cabo diversos proyectos, ya que empresas de este sector como LEAR corporation de Valls (Tarragona) están muy interesadas en que la universidad “Rovira i Virgili” diseñe, estudie y compruebe los nuevos alternadores que se utilizan en la industria del automóvil. Por lo tanto, el proyecto se determina para diseñar e implementar un banco de pruebas para el alternador trifásico de 40V, el cual nos permite obtener todos aquellos parámetros que son necesarios para conocer el funcionamiento y las características, de dicho alternador. Para la realización de este proyecto disponemos de un alternador trifásico de 40V, perteneciente a un modelo limitado que desarrolló la marca BOSCH. Memoria Descriptiva 3 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.5.0.0 – POSIBLES SOLUCIONES Y SOLUCIONES ADOPTADAS. 1.5.1.0 – BANCO DE PRUEBAS. Para la realización del banco de pruebas, se estudió la posibilidad de que fuese fijo o móvil. Finalmente, nos decantamos hacia la posibilidad de que fuese móvil, ya que este banco de pruebas será utilizado por más departamentos pertenecientes a la “universitat Rovira i Virgili”. Además, esta solución nos ofrece una mejor optimización del espacio y una mayor comodidad para desempeñar los trabajos cotidianos que se realizan en el laboratorio, ya que se puede desplazar hacia otras zonas donde su presencia no dificulte el trabajo de los integrantes del laboratorio. Para poder desplazar el banco de pruebas, se utiliza cuatro ruedas situadas en la parte inferior. Esta solución es fácil de implementar y barata. La estructura del banco de pruebas está realizada mediante tubos huecos de acero inoxidable de sección cuadrada. Este tipo de tubo hueco permite que el banco de pruebas sea lo más ligero posible, además, es una solución con un coste relativamente pequeño, comparado con otros tipos de materiales (por ejemplo el aluminio ). 1.5.2.0 – SISTEMA PARA VARIAR LA VELOCIDAD DEL MOTOR. De entre todos los sistemas conocidos para variar la velocidad, nos decantamos hacia los variadores de frecuencia, ya que la “universitat Rovira i Virgili”dispone de varios de ellos. Esta solución nos proporciona muchas ventajas técnicas y económicas respecto a otros posibles sistemas, como: • Relación peso-potencia. • Control vectorial. • Grado de protección. • Mejor diseño. • Fácil manejo. • Rango de opciones. Concretamente el variador que se ha elegido es el modelo Midi Master MD1100/2 de la marca SIEMENS. Memoria Descriptiva 4 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.5.3.0 – SISTEMA PARA MODIFICAR LA CARGA DEL ALTERNADOR. Para realizar este sistema se nos presentaban varias posibilidades. Una de las posibilidades era cambiar la resistencia de carga para el alternador de forma manual, es decir, conectar o desconectar los cables que van a las resistencias mediante el uso de un destornillador, según las medidas que se querían realizar en ese momento. Es fácil ver, que esta solución es la más sencilla y barata en cuanto a coste ya que no se necesita ningún sistema de control adicional. Además, la fiabilidad del sistema es grande, porque no depende de ningún componente electrónico y su mantenimiento es prácticamente nulo. Por otra parte, este sistema hace que el realizar las medidas con diferentes cargas, sea una tarea costosa y que necesite de un gran tiempo de ejecución, dificultando los ensayos de transición de carga. La implementación de este sistema, también, conlleva un alto riesgo de sufrir quemaduras por parte de la persona que manipula dichas resistencias, ya que para atornillar o destornillar los cables se tienen que acercar las manos a las resistencias, las cuales, alcanzan altas temperaturas cuando están en funcionamiento. Por lo tanto, la solución por la cual nos decantamos fue realizar una placa (PCB) de control para modificar la resistencia de carga del alternador. Esta placa alberga cinco interruptores, mediante los cuales activándolos y desactivándolos se pueden obtener las distintas resistencias de carga. Con esta solución evitamos que la persona tenga que acercar las manos a las resistencias, proporciona una mayor comodidad para cambiar de resistencia de carga y reduce notablemente el tiempo empleado para realizar ese cambio de resistencia, facilitando los ensayos de transición de carga. Por otra parte, el circuito permite sustituir los cinco interruptores, para activar o desactivar las cargas vía computador, mejorando aun más la comodidad y el tiempo empleado para cambiar de resistencia de carga. Este circuito es relativamente sencillo, económico y robusto, ya que se compone de pocos componentes, los cuales, están debidamente protegidos ante cualquier posible anomalía en su funcionamiento. 1.5.4.0 – RESISTENCIAS DE CARGA PARA EL ALTERNADOR. La mejor solución, hubiese sido utilizar instrumentos que nos proporcionan cargas electrónicas, por ejemplo, el System dc electronic load 60608 de la marca Hewlett Packard disponible en nuestro laboratorio, ya que, son de fácil manejo y se pueden elegir distintos valores de carga. El problema que se presenta con este modelo de sistema de carga electrónica es que sólo puede suministrar una potencia de 1800W y soportar una punta de tensión de 60V. Estos valores no son válidos para nuestro sistema, ya que, se producen puntas de tensión cercanas a los 100V y, además, se necesita de una potencia de 3.6kW. Por lo tanto, para solventar este problema hemos elegido doce resistencias de la marca ECOMSA modelo RHP 30x265 SAC 1,4 Ω 10% 315W. Memoria Descriptiva 5 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.5.5.0 – TRANSMISIÓN DE VELOCIDAD. De entre todas las soluciones, la más factible y comúnmente utilizada por todos los fabricantes del sector automovilístico, es el uso de correas transmisoras. Hoy en día, se encuentran una amplia gama de ellas, de diversas formas y materiales según su utilización. Concretamente, para la realización de este proyecto se ha elegido un modelo de correa trapezoidal de la marca HUTCHINSON con siete dientes. Otra opción posible, es realizar la transmisión de velocidad mediante engranajes. Esta opción no se tuvo en cuenta, ya que es muy costosa de implementar y más cara que las comunes correas. 1.5.6.0 – MOTOR ELÉCTRICO. Existe un gran abanico de motores eléctricos, tanto de corriente continua como de corriente alterna. En este proyecto, se ha elegido un motor de corriente alterna, ya que, éstos son más económicos y fáciles de controlar que los motores de corriente continua. Concretamente, es un motor asíncrono de corriente alterna trifásica de la marca SIEMENS modelo 1LA71632AA10, el cual, reúne todas las características técnicas que se necesitan para un adecuado funcionamiento del sistema. 1.5.7.0 – ALTERNADOR TRIFÁSICO. Sobre el alternador trifásico no hay mucho que decir, ya que el alternador de 40V utilizado es el único modelo, del cual, dispone la “Universitat Rovira i Virgili”. Por tanto, la solución adoptada fue utilizar este modelo de alternador que venía impuesto, seleccionando el resto de componentes implicados en el proyecto según las características técnicas de este alternador. El modelo de alternador utilizado es el N1? 40V 50/90A de la marca BOSCH. Este modelo de alternador pertenece a una serie limitada que desarrolló para la marca de automóviles Ford. Memoria Descriptiva 6 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.6.0.0 – DESCRIPCIÓN GENERAL. 1.6.1.0 – DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. El objetivo de este proyecto es el diseño de un banco de pruebas para un alternador trifásico de 40V con el fin de realizar una serie de mediciones y pruebas sobre este alternador. Los resultados de estas pruebas servirán para ajustar los modelos matemáticos del alternador que son utilizados en el programa SABER. Diagrama de bloques del banco de pruebas: ALIMENTACION CIRCUITO 12 V DC CONTROL CARGAS VARIADOR RESISTENCIAS ALIMENTACI ON 3 AC 230 V DE FRECUENCIA MOTOR ALTERNADOR DE CARGA El banco de pruebas cuenta con un variador de frecuencia, mediante el cual, accediendo al panel de mando frontal podemos seleccionar la velocidad, entre otras muchas funciones, que se requiere en el motor. Este motor, trasmite su velocidad al alternador a través de la correa de transmisión. La velocidad del alternador ( r.p.m) no se corresponde a la velocidad que tiene el motor (rpm) ya que las poleas son de distintos diámetros (diámetro de la polea del alternador más pequeña que la del motor) y por tanto existe un factor de desmultiplicación. Este echo se tiene que tener en cuenta cuando se hagan las medidas sobre el alternador, ya que su velocidad será mayor que la del motor. Para conocer que velocidad tiene el alternador cuando el motor gira a una determinada velocidad, se utiliza la d .n siguiente expresión N = , donde: D N = velocidad del alternador. n = velocidad del motor. D = diámetro del alternador. d = diámetro del motor. Para realizar las medidas será necesario variar la resistencia de carga del alternador, para este fin se dispone de una placa de control, activando o desactivando un total de cinco interruptores se obtiene distintos valores de resistencia. Estos valores de resistencia son de 1.4, 0.93, 0.7, 0.56 y 0,46 Ω , los cuales, son suficientes para estudiar el funcionamiento del alternador y obtener sus curvas características. Memoria Descriptiva 7 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.6.2.0 - SISTEMAS ELÉCTRICOS DUAL VOLTAGE 42 / 14V. La transición de 6V a 12V no fue muy difícil, ya que los vehículos en 1955 tenían muy pocas cargas eléctricas. Por lo contrario, hoy en día, el vehículo tiene muchas funciones eléctricas. Las consideraciones técnicas, financieras y de manufactura excluyen, hoy en día, hacer el sistema eléctrico solo de 42V. Por estas razones durante un tiempo la arquitectura eléctrica será la Dual Voltage, es decir, coexistirán dos tensiones diferentes. En el sistema Dual Voltage las cargas de alta potencia se conectarán en el bus de 42 voltios, mientras que las cargas de baja potencia se conectarán en el bus de 14 voltios. Se están investigando una gran cantidad de arquitecturas de sistemas eléctricos para el Dual Voltage. Existen dos populares arquitecturas que son las candidatas. La primera de las dos candidatas, ha recibido especial atención por parte del “European Forum Bordnetz Community”. Lo que destaca de esta arquitectura, es el convertidor dc / dc, el cual, suministra la potencia al bus de 14V desde el bus de 42V, el voltaje del bus de 42V es suministrado a través del alternador de 42V. En la figura 2, se muestra que cada uno de los buses dispone de una batería. La batería B1 será de 36V y la batería B2 de 12V. Fig. 2. Arquitectura candidata 42/14V convertidor dc/dc. Esta arquitectura permite integrar nuevas características de alta potencia, y minimizar los cambios para las existentes características de 14V. Otra de las características es el pequeño margen de voltaje del bus de 14V que es suministrado por el convertidor dc / dc. Esto reduce el coste de todos los módulos electrónicos y de los interruptores semiconductores en el bus de 14V. En esta arquitectura hay dos baterías si la comparamos con la arquitectura que existe hoy en día, con una única batería de 14V, vemos que implica un mayor coste y espacio. La segunda arquitectura para el Dual Voltage, se muestra en la figura 3. Memoria Descriptiva 8 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Fig. 3. Arquitectura candidata 42/14V doble estator. Este concepto, usa un alternador más complicado, con dos bobinados en el estator para suministrar, por separado, potencia hacia el bus de 42V y el bus de 14V. Son posibles muchas permutaciones diferentes de esta arquitectura Dual-estator. En la versión que se muestra en la figura 3 se usa, para regular el voltaje del bus de 42V, un control estándar del campo y para regular el voltaje del bus de 14V un convertidor de fase controlada. En esta arquitectura de doble bobinado en el estator, existen algunas dificultades para controlar los bobinados individuales del estator para obtener una óptima salida. 1.6.3.0 – ALTERNADOR. 1.6.3.1 – ALTERNADOR TRIFÁSICO EMPLEADO. El modelo de alternador trifásico de polos intercalados empleado es el N1? 40V 50/90A de la marca BOSCH. Este modelo de alternador pertenece a una serie limitada que desarrolló para la marca de automóviles Ford. Los alternadores de polos intercalados con anillos rozantes presentan una estructura compacta, con buena característica de potencia y poco peso. Gracias a ello, se consigue un amplio espectro de aplicaciones en automóviles de turismo, vehículos industriales, tractores, etc. Se consigue un máximo de potencia eléctrica para una determinada relación entre longitud y diámetro, con poco consumo de material. De ello resulta la forma compacta típica para este alternador, corto y de diámetro relativamente grande. Además, esta forma permite una buena disipación del calor. Memoria Descriptiva 9 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción La designación del alternador de polos intercalados proviene de la configuración del rotor. Sobre el eje del rotor se asienta la rueda polar, compuesta por las dos mitades de polaridad opuesta. Cada mitad tiene polos en forma de garras que engarzan entre sí formando alternativamente los polos norte y sur. Así recubren el devanado de excitación, que tiene forma de bobina anular, y que se encuentra sobre el núcleo polar entre las dos mitades de polos intercalados. El número de polos realizable está limitado: un número pequeño de polos hace que el rendimiento de la máquina sea insuficiente, mientras que un gran número de polos haría aumentar excesivamente las pérdidas magnéticas por flujo de fuga. La rueda polar está formada por un total de 12 polos (6 polos norte y 6 polos sur = 6 parejas de polos). El flujo magnético útil pasa a través del núcleo polar, de la mitad polar izquierda y de sus polos, a través del entrehierro hasta llegar al núcleo de chapas estatóricas, y vuelve a través de la mitad derecha de la rueda polar al núcleo polar, cerrándose así este circuito magnético. Al girar el rotor, este campo de líneas de fuerza (o brevemente, campo) corta los 3 bobinados del devanado estatórico fijo, teniendo lugar 12 pasos polares en una vuelta del rotor (360º). Por cada paso polar se origina una semionda de tensión, alternativamente de sentido positivo y negativo, por lo que en una vuelta del rotor se inducen 12 x 3 = 36 semiondas de tensión en las tres fases del estator. Los alternadores de polos intercalados con anillos rozantes se construyen con estructura monobloque. El paquete del estator no se introduce en una carcasa cilíndrica, sino que se fija entre las tapas lado de accionamiento y lado de anillos rozantes. En estas dos partes de la carcasa se alojan también el rotor mediante dos rodamientos. En el lado tapa de accionamiento se fijan el ventilador y la polea sobre el eje del rotor. En los cuerpos de refrigeración de tapa lado anillos rozantes se alojan 6 diodos de potencia para rectificar las corrientes de fase. Adicionalmente existen 3 diodos de excitación para rectificar la corriente de excitación. En la mayor parte de las ejecuciones, el regulador transistorizado va montado como unidad con el portaescobillas directamente en el lado frontal de la tapa lado de anillos rozantes. El calor irradiado y transmitido por el motor, las resistencias, etc., pero también el calor desarrollado por distintos elementos eléctricos del propio alternador, influyen en gran medida sobre éste. En interés de la seguridad del funcionamiento, debe evacuarse todo el calor, pues además de los aislamientos y los puntos de soldadura, podrían dañarse ante todo los semiconductores sensibles al calor. La temperatura ambiente máxima, admisible se sitúa por ello, según la ejecución del alternador, entre 70 y 80ºC. Hay distintos métodos para conseguir una refrigeración suficiente de los alternadores: • Alternadores ventilados interiormente. • Alternadores de ventilación exterior. En nuestro caso, utilizamos un alternador con ventilación interior. Es el método más usual para refrigerar alternadores de vehículos motorizados que se utilicen en condiciones normales. Para ello se emplean ventiladores con giro en un sentido (figura 2 ). Memoria Descriptiva 10 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Fig. 2. Alternador de polos intercalados, ventilado interiormente; con ventilador para un sentido de giro (en el ejemplo gira a la derecha ). Debido a que el ventilador es accionado junto con el eje del alternador, al aumentar la velocidad de rotación se incrementa también la proporción de aire fresco. Así se garantiza la refrigeración necesaria para cada estado de carga. Para distintos tipos de alternador, las paletas del ventilador se disponen asimétricamente en el perímetro del ventilador. De esta forma se evitan silbidos desagradables, que de lo contrario se producen a determinadas velocidades de rotación. En el caso de los alternadores de polos intercalados, como el utilizado para la realización de este proyecto, se dispone en el lado de accionamiento del eje del alternador un ventilador que lleva una corona de paletas (ejemplo en la figura 2 con ventilador por giro a la derecha). El aire entra por el lado de anillos rozantes o de diodos, pasa por el alternador y sale por las aberturas existentes en la tapa lado accionamiento. El aire fresco es aspirado por el ventilador a través del alternador. En resumen, las características principales de este alternador trifásico son: • Alternador tipo N1. • Sistema de rotor a través de polos intercalados. • Con anillos rozantes. • 12 polos. • Rectificador incorporado. • Regulador preponderantemente adosado. • Fijación por brazo giratorio. Memoria Descriptiva 11 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Aplicación: coches, camiones, tractores. • Tensión de salida de 40V. • Intensidad a ralentí de 50A. • Intensidad máxima de 90A. • 9717 rpm. • Potencia útil de 3,6 kW. • Diámetro de la polea de 6 cm. 1.6.3.2 – GENERACIÓN DE CORRIENTE EN EL VEHÍCULO. Los vehículos motorizados necesitan para alimentar de corriente al encendido, al alumbrado, al motor de arranque, etcétera, una fuente de energía propia que sea eficaz y fiable, y que esté disponible en todo momento. Mientras que en los vehículos la batería desempeña el papel de un acumulador de energía cuando el motor esta parado, el alternador es, para la marcha, la auténtica “central térmica” del vehículo. Tiene la misión de abastecer de energía a todos los dispositivos consumidores de corriente. La potencia del alternador, la capacidad de la batería y el consumo de corriente de la red de consumidores eléctricos deben estar en óptima concordancia para que el conjunto de la instalación funcione con seguridad y sin averías. Así, por ejemplo, el sistema de encendido debe estar siempre listo para el funcionamiento; pero también el ventilador eléctrico del radiador, o la bomba eléctrica del combustible. De noche, debe procurarse corriente a los faros, a las luces traseras y al alumbrado de instrumentos y matrícula; en caso de mala visibilidad por niebla, deberán funcionar también los faros antiniebla y la luz trasera antiniebla. Al frenar, deben encenderse inmediatamente las luces de frenos, y al cambiar la dirección, los intermitentes. La bocina y la instalación de intermitentes simultáneos de advertencia deben señalizar el peligro en situaciones arriesgadas. Cuando está lloviendo, se conecta, además, el limpiaparabrisas. Según la época del año, el soplador debe ventilar, calentar o refrigerar. En invierno, la luneta trasera térmica garantiza la visibilidad hacia atrás. Durante las vacaciones, es posible que tenga que suministrarse corriente a un remolquecaravana, con diversos consumidores eléctricos. Si uno lo desea, la radio del coche proporciona distracción y, frecuentemente, importantes informaciones sobre la situación actual del tráfico. Y, por último, naturalmente, tiene que cargarse también, regularmente, la batería. Memoria Descriptiva 12 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Como puede verse, el alternador tiene que cumplir misiones muy variadas. Millones de automovilistas esperan que su vehículo esté siempre listo para la marcha, y que su instalación eléctrica funcione sin problemas. Y esto a lo largo de muchos kilómetros, tanto en verano como en invierno. El tipo y la estructura de un alternador para vehículos motorizados dependen, por tanto, de la tarea de suministrar corriente para alimentación de los consumidores eléctricos, y para su acumulación en la batería. Los alternadores generan corriente alterna, pero la instalación eléctrica del automóvil necesita corriente continua, pues sin corriente continua no puede recargarse la batería, y tampoco sería posible accionar componentes ni aparatos electrónicos. En consecuencia, la red del vehículo debe disponer de tensión continua. Las exigencias que debe satisfacer el alternador de un vehículo son, por tanto, muy variadas. Los requerimientos esenciales, son: • Suministro de corriente continua a todos los consumidores eléctricos conectados. • Reservas adicionales para la carga rápida de la batería – incluso estando conectados los consumidores permanentes y a baja velocidad de datación en ralentí. • Estabilización de la tensión del alternador en toda la gama de velocidades de rotación del motor del vehículo. • Servicio con el menor mantenimiento posible. • Estructura robusta, que resista todos los esfuerzos externos, causados por vibraciones, cambios de temperatura, suciedad, humedad, lubricantes y combustibles. • Poco peso y dimensiones convenientes para el montaje. • Bajo nivel de ruidos. • Larga duración. La demanda de potencia, en constante crecimiento, las nuevas situaciones del tráfico y la cada vez más frecuente coincidencia de condiciones de marcha desfavorables, condujeron a plantear mayores exigencias. Así, la creciente demanda de potencia puede atribuirse al mayor número de aparatos eléctricos o electrónicos que se instalan en el vehículo. Memoria Descriptiva 13 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción También ha aumentado la proporción de la circulación urbana, con largas paradas en las que el motor funciona al ralentí. En las horas punta del tráfico esta proporción asciende con frecuencia a más del 50 por 100. Durante un atasco debido a la gran densidad del tráfico, o bien en muchas paradas ante los semáforos, la carga de la batería es insuficiente, especialmente cuando no se recorren largos trayectos por carretera como compensación. Además, la batería debe cubrir toda la demanda de electricidad durante el tiempo en que el generador no proporciona corriente a la red. Bajo este punto de vista, el desarrollo del alternador trifásico ha supuesto una mejora decisiva. El éxito de la introducción del alternador trifásico fue, sin embargo, posible tan sólo gracias al avance en la técnica de los semiconductores, pues este alternador produce, por un lado, corriente trifásica, pero, por otro lado, tiene que suministrar corriente continua a través de elementos rectificadores. Los diodos instalados fijos como elementos rectificadores representan una ventaja esencial en comparación con el colector rotativo del generador de corriente continua, dependiente del número de revoluciones, y sometido a desgaste. El alternador, como máquina sincrónica, gracias a su ampliada gama es capaz de suministrar potencia incluso durante el ralentí del motor de combustión. Gracias a la posibilidad de adaptar la velocidad de rotación del alternador a la del motor, mediante una desmultiplicación adecuada, la batería puede mantenerse en un buen estado de carga, incluso en invierno y durante la circulación urbana, con frecuentes paradas. El alternador trifásico está, igualmente, mejor capacitado para hacer frente a factores como largos tiempos de funcionamiento, influencias mecánico-dinámicas, altas temperaturas en el compartimiento del motor, etcétera. Resumen de las características esenciales del alternador trifásico: • El alternador trifásico proporciona potencia ya en ralentí. Con ello se garantiza la suficiente alimentación de los consumidores eléctricos. • Rectificación electrónica de la corriente trifásica por circuito de diodos en reposo. No surgen los problemas esperables en el caso de la rectificación mecánica por el colector a elevada velocidad de rotación. • Los diodos se hacen cargo de la función de un disyuntor. Separan el alternador de la batería y de la red del vehículo cuando la tensión del alternador debe caer por debajo de la tensión de batería. • Larga duración, que es determinada tan sólo por los cojinetes, así como (si existen) por las escobillas de carbón y los anillos rozantes. En el caso de alternadores para automóviles de turismo, el tiempo de utilización es aproximadamente el mismo que el del motor del vehículo (trayecto, aproximado 100.000 kilómetros), de forma que durante este tiempo no es necesario su mantenimiento. En el caso de alternadores para vehículos con mayores rendimientos de marcha (vehículos industriales), se prevén posibilidades de relubricación, o bien se utilizan cojinetes con cámaras de reserva de grasa. Memoria Descriptiva 14 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Los alternadores trifásicos pueden hacer frente a influencias externas, como son altas temperaturas, humedad, suciedad y vibraciones. • Es posible el funcionamiento en ambos sentidos de giro sin requerir medidas especiales, siempre y cuando la forma del ventilador sea adecuada al correspondiente sentido de giro. 1.6.3.3 – PRINCIPIO ELECTRODINÁMICO. La base para la generación de corriente la forma la “inducción” electromagnética. Para multiplicar el efecto de la inducción, en los alternadores se somete un gran número de espiras que, en conjunto, forman el “devanado”. En las máquinas eléctricas, el conjunto del sistema de devanados en rotación se denomina, en general, también “inducido”. La tensión eléctrica inducida es, además, tanto mayor cuanto más intenso es el campo magnético (es decir, cuanto mayor es la densidad de las líneas de fuerza), y cuanto más elevada es la velocidad con que se cortan dichas líneas de fuerza. En el alternador se aprovecha este fenómeno. ¿Cómo se crea el campo magnético? Generalmente son usuales electroimanes para crear el campo magnético, ya que permiten potencias notablemente superiores. La intensidad del campo electromagnético resulta del número de espiras y de la intensidad de la corriente en flujo. Este campo magnético puede intensificarse, además, con ayuda de un núcleo de hierro magnetizable. Para la utilización en el alternador, es una ventaja decisiva el que aumentando o reduciendo la corriente (excitación), puede reforzarse o debilitarse el campo magnético, y con ello (indirectamente) también el valor de la tensión inducida. Además, el devanado de excitación, por su carácter de electroimán, después de desconectar la corriente de excitación pierde su magnetismo, excepto un pequeño resto (magnetismo remanente o residual). Si la corriente de excitación procede de una fuente de energía ajena al sistema, por ejemplo, la batería, se trata de una “excitación externa”. Si la corriente de excitación se deriva del circuito propio, se habla de una “auto excitación”. El modelo de alternador utilizado, utiliza una excitación externa. 1.6.3.4 - PRINCIPIO DE LA GENERACIÓN DE CORRIENTE TRIFÁSICA. La generación de corriente trifásica (corriente alterna trifásica) tiene lugar en los alternadores en relación con un movimiento giratorio. Una ventaja de la corriente trifásica es que en comparación con la corriente alterna monofásica, permite un mejor aprovechamiento del alternador. En el caso de alternadores trifásicos para vehículos motorizados, ha resultado ser ventajoso el alojar el sistema trifásico de arrollamientos con conexión en estrella o en triángulo en la parte fija de la carcasa, el estator, por lo que se denomina también devanado estatórico. En Memoria Descriptiva 15 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción la parte giratoria – el rotor – se alojan los polos magnéticos con el devanado de excitación. En cuanto por este devanado fluye corriente continua, la “corriente de excitación” se forma el campo magnético del rotor. Cuando gira el rotor, el campo magnético excitado induce en los devanados estatóricos una tensión alterna trifásica que, en caso de carga, proporciona la corriente trifásica. 1.6.3.5 - RECTIFICACIÓN DE LA CORRIENTE Y DE LA TENSIÓN. El alternador trifásico suministra, por tanto en principio, corriente alterna trifásica. Pero un inconveniente de la corriente alterna es que no puede ser acumulada en una batería, no siendo tampoco adecuada para la alimentación de componentes electrónicos. Por ello debe ser primero rectificada. Una condición importante para la rectificación sin problemas son los diodos semiconductores. Por esta razón, tan sólo la introducción de estos elementos semiconductores hizo posible que los alternadores trifásicos se impusiera ampliamente. En el caso de los alternadores trifásicos, la corriente alterna generada en los tres arrollamientos se rectifica en una conexión de puente equipada con seis diodos. La corriente para regular la excitación se deriva del circuito de corriente trifásica, la cual, es sometida también, a una rectificación de onda completa. Esto ocurre con ayuda de los tres diodos negativos en el borne B – y otros tres diodos en el borne D +, los llamados “diodos de excitación. Los diodos rectificadores en el alternador no tan sólo rectifican la corriente de excitación y la corriente del alternador, sino que también impiden que la batería se descargue a través del devanado trifásico en el estator. Si el motor está parado, o funciona a una velocidad de rotación tan pequeña (por ejemplo, durante el arranque), que el alternador aún no esté autoexcitado, la corriente de la batería pasaría a través del devanado estatórico si no estuvieran instalados los diodos. En relación a la corriente de la batería, los diodos están conectados en la dirección de bloqueo, es decir, las flechas de los símbolos de los diodos muestran hacia el lado positivo. De esta forma la corriente puede pasar del alternador hacia la batería, pero no en sentido inverso. Diodos de excitación. Los diodos de excitación tienen la propiedad de que al aplicarles una tensión permiten el paso de corriente tan sólo en un sentido (el sentido de la flecha del símbolo es el sentido de paso) y bloquean el paso de corriente en el sentido inverso (sentido de bloqueo ). ¿Qué sentido encierran las denominaciones “diodo positivo” y “diodo negativo ”? En cuanto a su funcionamiento, los diodos positivos y negativos son exactamente igual a otros diodos. Se diferencia de los demás tan sólo en que su estructura está destinada a la rectificación en el alternador. La caja metálica moleteada del diodo positivo está incrustada como cátodo en la chapa de refrigeración, que está conectada al polo positivo de la batería; de esta forma permite el paso hacia el borne positivo de la batería. En cambio, la caja metálica moleteada del diodo negativo actúa de ánodo y está conectada a masa a través de la chapa de refrigeración. Los terminales libres de los cables están conectados, respectivamente, con los extremos de los devanados estatóricos. Memoria Descriptiva 16 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.6.3.6 - LOS CIRCUITOS DEL ALTERNADOR TRIFÁSICO. En el alternador trifásico se distingue los dos circuitos siguientes: • El circuito de excitación (excitación externa). • El circuito del alternador o circuito principal. El circuito de excitación. El circuito de excitación tiene la misión de crear un campo magnético durante todo el tiempo de servicio en el “devanado de excitación” del rotor en rotación, induciéndose así la tensión deseada en el devanado de corriente trifásica del estator. La corriente generada en el devanado de corriente trifásica se divide en la siguiente forma: Una corriente parcial de los arrollamientos de fase es rectificada por tres diodos de excitación y se hace llegar como corriente de excitación al regulador. La otra conexión lleva a través del borne D – y de los diodos de potencia (diodos negativos) de nuevo al devanado de corriente trifásica. El circuito del alternador. La corriente alterna inducida en las tres fases del alternador tiene que ser rectificada por el circuito de puente equipado con diodos de potencia, para ser transmitida luego a la batería y a las resistencias de carga; es decir, la corriente del alternador se divide en corriente de alimentación de las resistencias de carga y en corriente de carga de la batería. Si, por ejemplo, en este caso que disponemos de un rotor de seis pares de polos, se escoge un ángulo de rotación de 30º (figura 2), en este momento la tensión es positiva en el extremo v del devanado, en w es negativa, y en u es nula (sin tensión ). Fig. 2. Curva de la tensión en los arrollamientos estatóricos (u, v, w), dependiendo del ángulo de rotación de un rotor con seis pares de polos. Memoria Descriptiva 17 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción El recorrido de la corriente es entonces: Extremo de devanado v, diodo de potencia v (diodo positivo), borne del alternador B +, batería o consumidor, masa, borne del alternador B – (en el caso normal corresponde a la caja del alternador), diodo de potencia w (diodo negativo), extremo de devanado w, punto neutro central. En el punto correspondiente a 45º, fluye una corriente de la misma intensidad desde los extremos de devanado v y w a través de los correspondientes diodos positivos hacia la batería y las resistencias de carga, y luego de vuelta hacia el punto neutro a través de los diodos negativos y la fase. En este caso no hay ninguna fase sin tensión. Los dos ejemplos afectan, sin embargo, tan sólo a las situaciones escogidas en cada momento. En realidad, las corrientes de fase cambian constantemente en cuanto a magnitud y sentido, mientras que la corriente continua, que se toma para la carga de la batería y la alimentación de las resistencias de carga, conserva su sentido de flujo. Este efecto es posible porque en cada posición imaginable del rotor participa simultáneamente todos los diodos en la rectificación. Para que la corriente fluya del alternador a la batería (podría compararse con el principio de una bomba), la tensión del alternador debe ser mayor que la de la batería. 1.6.3.7 - ESTRUCTURA BÁSICA DEL ALTERNADOR. Las relaciones y los principios teóricos comentados hasta ahora se encuentran de nuevo en las ejecuciones técnicas reales de los alternadores, si bien las distintas ejecuciones difieren también en detalles, según el campo de aplicación que tenga. El alternador de polos intercalados de estructura monobloque se instala actualmente en la mayor parte de los vehículos motorizados, los componentes que determinan esta estructura son: • Estator fijo (6) con el devanado estatórico trifásico, que pasa la corriente útil del alternador (corriente trifásica) al rectificador, también en reposo. El estátor está formado por chapas aisladas entre sí y provistas de ranuras, que están comprimidas formando un núcleo de chapas uniforme. En las ranuras van alojadas las espiras onduladas del devanado estatórico. • Rotor giratorio (7), sobre cuyo eje se instalan las mitades de rueda polar con los polos magnéticos, el devanado de excitación y, en la mayor parte de las ejecuciones de alternador, dos anillos rozantes. El devanado de excitación está compuesto por una bobina única circular, rodeada por los polos en forma de garras. • Sobre el rotor van fijados, además, la polea (9) para el accionamiento, y el ventilador (8), para refrigerar el alternador. El rotor de los alternadores trifásicos puede girar en ambos sentidos. El sentido de giro se determina, simplemente, seccionando la correspondiente forma de ventilación, para giro a la izquierda o a la derecha. • Entre la tapa lado de anillos rozantes y la tapa lado accionamiento (1/10) va fijado el estátor. El árbol del rotor se aloja mediante cojinetes en las dos mitades de la carcasa. Memoria Descriptiva 18 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Rectificador (con chapas de refrigeración como portadiodos) (2), con, como mínimo, seis diodos de potencia y seis de excitación, para transformar la corriente trifásica en corriente continua. • Portaescobillas (5) con las escobillas de carbón, que son presionadas contra los anillos rozantes del rotor, y hacen llegar así la corriente al devanado de excitación giratorio. • Reguladores para montaje en alternador forman una unidad con el portaescobillas (5). Se utilizan cada día más. Fig. 11. Estructura básica de un alternador trifásico, en el ejemplo de un alternador de polos intercalados. 1. Tapa cojinetes lado de anillos rozantes. 2. Rectificador. 3. Diodo de potencia. 4. Diodo de excitación. 5. Regulador, portaescobillas y escobillas de carbón. 6. Estátor. 7. Rotor. 8. Ventilador. 9. Polea. 10. Tapa cojinete lado de accionamiento. Memoria Descriptiva 19 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.6.3.8 – REGULDOR DE TENSIÓN. En la relación de principios básicos hecha hasta ahora no se ha mencionado todavía un componente importante de los alternadores trifásicos: la regulación de tensión. La misión de la regulación consiste en mantener constante la tensión del alternador en todo el margen de velocidades de rotación del motor eléctrico, independientemente de la carga y de la velocidad de rotación del alternador. De hecho, se requieren también medidas especiales para la regulación automática de la tensión, pues las variaciones del régimen del motor y las oscilaciones de carga debidas a las resistencias de carga conectadas, son considerables. A pesar de éste servicio en constante variación, debe garantizarse el que la tensión se limite a un valor prescrito, incluso a altas velocidades de rotación y cuando la carga correspondiente a las resistencias de carga sea pequeña. Esta limitación protege contra sobretensiones, y evita que se sobrecargue la batería. Además, en cuanto a la carga de la batería, deben tenerse en cuenta las propiedades electroquímicas de dicha batería. Por ello, la tensión de carga debe ser más elevada cuando hace frío que cuando hace calor. Todo ello se consigue con la ayuda de los reguladores de tensión, que pertenecen a cada alternador. Según el tipo de fijación, se distingue entre reguladores para montaje en alternador y reguladores para montaje en carrocería. En este caso, para la realización del proyecto, contamos con un regulador para montaje en alternador. La tensión generada en el alternador es tanto más elevada cuanto mayor sea la velocidad de rotación y cuanto mayor intensidad tenga la corriente de excitación. Si se utilizara un alternador con excitación total constante, sin resistencias de carga y sin batería, la tensión aumentaría linealmente en función de la velocidad de rotación. El principio de regulación de la tensión consiste entonces en gobernar la corriente de excitación (y con ella el campo de excitación en el rotor del alternador) en función de la tensión generada en el alternador. De este modo, la tensión en los bornes de dicho alternador U G (entre los bornes B + y B -) se mantiene constante hasta la corriente máxima, al variar el número de revoluciones y la carga. Las redes de los vehículos con tensión de batería 32V se regulan en el margen de tolerancia de 42V. En tanto la tensión generada por el alternador permanezca por debajo de la tensión de regulación, el regulador no funciona. Cuando la tensión generada sobrepasa el valor nominal prescrito en el marco de tolerancia de regulación, el regulador, según la carga a que esté sometido el alternador, provoca una reducción interrumpiendo la corriente de excitación. La excitación del alternador disminuye entonces, pero con ella también la tensión generada por el alternador. Al descender luego la tensión generada hasta quedar por debajo del valor prefijado, la excitación del alternador vuelve a aumentar, así como también su tensión, hasta sobrepasarse nuevamente el valor prescrito. A continuación comienza de nuevo el proceso. Estos procesos se suceden en milisegundos, es decir, con tanta rapidez, que la tensión del alternador es regulada en el valor medio deseado. La adaptación continua a las distintas velocidades de rotación tiene lugar automáticamente. A un número de revoluciones bajo, la corriente de excitación puede fluir durante un tiempo relativamente largo, y se reduce tan sólo brevemente; su valor medio I m1 es alto. Por el contrario, si el número de revoluciones es alto, la corriente de excitación se conecta tan sólo Memoria Descriptiva 20 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción brevemente, y se reduce durante un tiempo relativamente largo, siendo, en este caso, el valor medio I m2 bajo. Así, el alternador es regulado desconectando y conectando periódicamente la tensión de excitación, lo que es expresado por la curva en dientes de sierra correspondiente a la corriente de excitación (figura 1). Fig. 1. Intensidad de la corriente de excitación en función de los tiempos de conexión desconexión TE y TA . La relación entre los correspondientes tiempos de conexión y desconexión es determinante para la magnitud de la corriente media de excitación. Pero, ¿cómo puede explicarse que durante este proceso de desconexión y conexión, la corriente de excitación no aumente y disminuya bruscamente? Esto está relacionado con el devanado de excitación del alternador, que representa una elevada carga inductiva. En el momento de la conexión, la intensidad de la corriente va aumentando paulatinamente con la formación del campo magnético durante el tempo de conexión T E . Al desconectar, la corriente de excitación se va amortiguando junto con la disminución del campo durante el tiempo de desconexión T A (el recorrido en el tiempo de la corriente de amortiguamiento se designa con i A ). Mientras que el regulador para generadores de corriente continua cumple aún tres funciones, regulador y limitador de corriente e interruptor de la corriente de retorno, el regulador para alternadores trifásicos, notablemente más sencillo, requiere tan sólo un elemento para la regulación de la tensión. La función del interruptor de la corriente de retorno es desempeñada por los diodos. Tampoco se necesita una limitación de la corriente, ya que la reacción de inducido limita la corriente máxima admisible para la plena carga (a plena carga, la mayor parte de la fluctuación de excitación es compensada por la reacción de inducido, y tan sólo una pequeña parte de la fluctuación es efectiva.) A elevados números de revoluciones, es suficiente un flujo magnético débil para generar la tensión en bornes necesaria. Memoria Descriptiva 21 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción En este proyecto disponemos de un regulador electrónico de tecnología híbrida. Por técnica híbrida se entiende estructura compacta de elementos discretos conectados conjuntamente como, por ejemplo, resistencias, condensadores, etcétera, en técnica pelicular, con elementos activos tales como transistores y circuitos integrados (IC) sobre una placa cerámica. Además del pequeño tamaño, presenta la ventaja de disminuir el número de los puntos de contacto (por ejemplo, puntos de soldadura). El regulador de alternador en técnica híbrida es el resultado de una evolución del regulador transistorizado. Su núcleo es un circuito integrado IS o IC (denominación inglesa), en el que se reúnen todas las funciones de regulación, es decir, la comparación nominal efectivo, la compensación de temperatura, etcétera, así como el mando de la fase final. Esta técnica de circuitos hace posible reducir a un mínimo el número de elementos y de conexiones internas. De ello resultan las siguientes características: • Estructura compacta, caja dimensiones muy reducidas. • Pocos componentes y puntos de conexión y, gracias a ello, gran seguridad de fabricación. • Alta fiabilidad en condiciones extremas de servicio. La figura 2 muestra el regulador de técnica híbrida que posee el alternador trifásico utilizado en este proyecto. Fig. 2. Regulador en técnica híbrida del alternador trifásico de 40V. Memoria Descriptiva 22 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción La figura 3 muestra el esquema eléctrico del regulador de tensión en técnica híbrida. Fig. 3. Regulador de tensión en técnica híbrida. Este tipo de regulador, regula la tensión de salida a 40V. Todos los elementos van dispuestos en una caja metálica resistente, llena de gas protector. Las conexiones eléctricas se sacan a través de clavijas metálicas aisladas con vidrio. Los componentes de potencia de la fase final (transistor Darlington y diodo de descarga) van fijados directamente sobre la placa de acero, lo que es ventajoso desde el punto de vista térmico. Sobre una pequeña placa cerámica van dispuestos el circuito integrado y las resistencias en técnica de capa gruesa. La parte de regulación va montada sobre un portaescobillas adaptado, estando fijada sin cableado directamente en el alternador. Las ventajas de los reguladores electrónicos son atribuibles a los elementos semiconductores instalados en ellos, que van alojados como elementos individuales (discretos) y parcialmente integrados sobre una pequeña placa de circuito impreso, formando así una unidad sencilla y de funcionamiento seguro. Los componentes más importantes y notorios son los transistores y diodo Zener. Las ventajas esenciales de los reguladores electrónicos, que trabajan sin contactos: • Tiempo de conexión más breves, que posibilitan menores tolerancias de regulación. • No hay desgaste y, por tanto, no requieren mantenimiento. • Las elevadas corrientes de conmutación permiten reducir el número de tipos. Memoria Descriptiva 23 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • La conmutación sin chispa evita interferencias en la radiotransmisión. • Son resistentes contra choques, vibraciones e influencias climáticas; así se consiguen una elevada seguridad de funcionamiento y pocos fallos. • La compensación electrónica de temperaturas permite reducir también las tolerancias de regulación. • Su pequeño tamaño hace posible montarlos en el alternador, incluso en el caso de alternadores de gran potencia; de esta forma pueden suprimirse cables de conexión. La reducción del número de tipos simplifica, además, la gestión de almacén en el comercio especializado, ya que muchos de los anteriores tipos de reguladores de contactos pueden ser sustituidos por unos pocos reguladores electrónicos. En el regulador electrónico se han instalado elementos semiconductores, transistores y diodos Zener (diodos Z), cuya función es particularmente importante. Transistor El transistor trabaja como interruptor para conectar y desconectar en rápida sucesión la corriente de excitación. Frente al interruptor mecánico en el regulador de contactos, el transistor tiene muchas ventajas: puede conmutar silenciosamente y casi sin retardo corriente de mucha mayor intensidad, ya que no se mueven piezas mecánicas. Además, no requiere mantenimiento, pesa muy poco y sus dimensiones son muy reducidas. Así, el transistor actúa como interruptor con las dos fases de trabajo “conectado” y “desconectado”. Diodo Zener El diodo Z (diodo Zener), llamado así por el nombre de su inventor, representa un caso especial de diodo. Los diodos semiconductores no forman la dirección de bloqueo una barrera absoluta. Al superarse la tensión de ruptura, la corriente de ruptura, la corriente de ruptura se eleva bruscamente. Si esta corriente de ruptura es excesiva, el diodo es destruido por el fuerte aumento de temperatura. Por el contrario, la destrucción del diodo puede impedirse si cuando se produce el paso de corriente la formación de calor no sobrepasa un límite admisible. En el regulador se han instalado diodos Z para el mando de los transistores. Actúan como transmisores de valores nominales para limitar o estabilizar la tensión. Como ejemplo para la estructura y el funcionamiento, se toma el regulador transistorizado del tipo EE14V3 para montaje en alternador, ya que el regulador que dispone el alternador trifásico de 40V es exactamente el mismo pero con unos valores, de los componentes electrónicos, distintos. Los principales componentes del regulador forman los siguientes grupos integrados: TWZ (Transistor T1 – resistencia R4 – diodo Zener ZD) como parte de mando Memoria Descriptiva 24 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción TWT (Transistor T2 – resistencia R5 – transistor R3) como parte de potencia. Todas las demás resistencias se encuentran alojadas sobre una placa cerámica según técnica de capa gruesa. Los diodos y los condensadores están ejecutados como elementos individuales. Esta estructura es sencilla y de funcionamiento seguro. Las figuras 4 y 5 con el esquema eléctrico simplificado muestran lo que ocurre cuando el regulador electrónico al conmutar entre los estados de regulación “conectado” y “desconectado”. La forma de funcionar queda clara si se observan los procesos al aumentar y disminuir la tensión en bornes del alternador. El valor efectivo de la tensión del alternador entre los bornes D + y D – es registrado por un divisor de tensión, formado por las resistencias R1, R2 y R3. En paralelo a R3 va conectado un diodo Z como transmisor del valor nominal del regulador, y que está sometido constantemente a una tensión parcial proporcional a la tensión del alternador. Estado de regulación “conectado” (figura 4) Fig. 4. Esquema eléctrico regulador transistorizado integrable tipo EE 14V3. Corriente de excitación conectada por T3. 1 2 3 4 C D3 --- Fase final. Fase de mando. Divisor de tensión. Diodos compensación. Condensador rectificador de tensión. Diodo de descarga. Elementos integrados. Memoria Descriptiva 25 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Mientras el valor efectivo sea inferior al valor nominal de la tensión del alternador y no se alcance todavía la tensión de ruptura del diodo Z, no pasa corriente por la rama del circuito del diodo Z. Por ello tampoco puede llegar corriente a la base del transistor T1. Al igual que el diodo Z, T1 está también en estado de cierre. Pero con el transistor T1 cerrado, puede fluir corriente de mando de los diodos de excitación y del borne B + a través de la resistencia R6 a la base del transistor T2, conectando así T2. El transistor T2 conectado proporciona la conexión entre el borne DF y la base de T3. Con ello el transistor T3 es también conductor, igual que T2. A través de T3 y del devanado de excitación l que aumenta durante el tiempo de conexión y provoca la elevación de la tensión de alternador U G . Al mismo tiempo aumenta también la tensión en el divisor de tensión y en el diodo Zener. Estado de regulación “desconectado”. (figura 5) Fig. 5. Esquema eléctrico del regulador transistorizado integrable tipo EE 14V3. Corriente de excitación desconectada por D3. Diodo de amortiguamiento I A a través del diodo de descarga. 1 2 3 4 C D3 --- Fase final. Fase de mando. Divisor de tensión. Diodos compensación. Condensador rectificador de tensión. Diodo de descarga. Elementos integrados. Si, finalmente, la tensión del alternador sobrepasa el valor nominal, el diodo Z se vuelve conductor al alcanzar la tensión de ruptura. Ahora fluye corriente desde D + a través de R1, R2 y ZD a la base del transistor T1, que también se vuelve conductor. La consecuencia de Memoria Descriptiva 26 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción esto es que la tensión en la base T2 cae, y deja de fluir corriente de base; se cierran los dos transistores T2 y T3, conectados en el llamado circuito “Darlington”. El circuito de corriente de excitación se interrumpe con ello, se suprime la excitación del alternador y la tensión del alternador desciende de nuevo. Al interrumpir la corriente de excitación, debido a la autoinducción en el devanado de excitación (energía magnética acumulada), se produciría una punta de tensión, que podría destruir los transistores T2 y T3. Para impedir esto, la corriente de excitación en amortiguamiento i A se desvía a través del “diodo libre” D3 conectado en paralelo al devanado de excitación. En cuanto la tensión del alternador cae por debajo del valor nominal y el diodo Z vuelve al estado de bloqueo, se conecta de nuevo la corriente de excitación. Este juego de regulación, en el cual el devanado de excitación es sometido alternativamente a la tensión del alternador o cortocircuitado a través del diodo libre, se repite periódicamente. La cadencia depende, esencialmente, de la velocidad de rotación del alternador y de la corriente de carga. El condensador C rectifica la tensión continua ondulada del alternador. La resistencia R7 se encarga de una conmutación rápida y exacta de los transistores T2 y T3 y disminuir las pérdidas de conexión. Si bien las distintas ejecuciones de regulador pueden diferir entre sí por la forma externa y por la estructura del circuito, su forma de trabajar es, en principio, siempre la misma. La misión principal del regulador es adaptar la tensión a las necesidades de las resistencias de carga y mantenerla constante, independientemente de la velocidad de rotación del alternador. Esta exigencia puede satisfacerse plenamente tan sólo si se tiene en cuenta también la influencia de la temperatura ambiente. Por ejemplo, la tensión de carga ha de ser mayor con frío que con calor. Es por esto que el regulador electrónico está equipado con una compensación electrónica de la temperatura. En el verano, la tensión de regulación se reduce un poco, para que la pérdida de agua de la batería se mantenga dentro de límites aceptables. Por el contrario, en invierno, la batería necesita una tensión de carga algo superior, debiendo tenerse en cuenta al respecto la duración de las bombillas, dependiente de la tensión. La compensación de temperatura se consigue seleccionando adecuadamente el diodo Zener, las resistencias y los diodos D1, D2, conectados en el sentido de paso. Memoria Descriptiva 27 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.6.4.0 – MODELO DEL ALTERNADOR PARA SABER. Cuando el motor está en marcha, el alternador es el que entrega toda la potencia demandada por las cargas, y carga la batería. Esto no se cumple para todas las condiciones de operación (potencia de las cargas, velocidad del motor, temperatura). A veces, cuando el alternador no puede suministrar toda la demanda de corriente, la batería se descarga para suministrar el resto de la corriente. Esta condición solo ocurre cuando el motor está al ralentí. Es necesario determinar si el sistema eléctrico está dimensionado correctamente para activar las cargas, esto se refiere al valor de la corriente de salida (potencia) y a la capacidad de carga del alternador y la batería respectivamente. ¿Qué hay que saber para estar de acuerdo en el perfil de la carga? Que cargas se activan, donde y durante cuanto tiempo. Para contestar las cuestiones sobre las dimensiones del alternador y la batería, es necesario evaluar el sistema eléctrico con los ciclos de conducción y los perfiles de carga. Un camino para solucionar este problema es estimar el promedio de carga que existe en el peor de los casos, esta aproximación es la más usada, hoy en día, para dimensionar el alternador y la batería. Este procedimiento suele conducir a conclusiones erróneas sobre el sistema. Muchas de las nuevas aproximaciones que se utilizan, realizan la simulación vía computador, usando adecuados modelos del alternador. El tiempo de simulación es un ítem de importancia. En valores de conducción de 20-30 minutos no es inusual encontrar ciclos de conducción que suministren datos de velocidad en cada segundo. Por ejemplo, si se usa un modelo complicado del alternador trifásico en el que se incluye el rectificador, el tiempo de simulación será extremadamente largo debido, en parte, a que la conmutación de los diodos de rectificación son normalmente del orden de microsegundos. Para hablar de las ecuaciones que se utilizan en el modelo matemático de el alternador hay que saber que se divide en 3 módulos: • Generador síncrono trifásico. • Rectificador trifásico. • Regulador de tensión. Memoria Descriptiva 28 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción -Generador síncrono trifásico. El esquema simplificado del generador síncrono trifásico se muestra en la figura 1. Figura. 1. Diagrama simplificado de cada una de las fases y devanado del rotor del generador síncrono. Los terminales, de voltaje de fase, va, vb y vc son medidos respecto el terminal común (n). El voltaje del devanado se mide entre los terminales fp y fm. El terminal del campo positivo fp se conecta normalmente al voltaje positivo del alternador y el terminal de campo negativo fm se conecta al terminal del regulador de tensión df. El regulador de tensión regula la corriente del rotor ir, el cual, regula el voltaje de salida del alternador. El símbolo en forma de rombo de cada rama conectado en los devanados, representa la derivación del flujo. Escribiendo las ecuaciones KVL para cada devanado, tenemos: dλ a (t ) = va (t ) − R s i a ( t) dt dλ b (t ) = v b ( t) − R s ib ( t) dt dλ c ( t) = v c (t ) − R s ic ( t ) dt dλ r ( t) = v r (t ) − R s i r (t ) dt Memoria Descriptiva 29 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción suponemos que las resistencias de cada devanado del estator son idénticas y iguales a R s . Se considera como entrada la velocidad del rotor ω r la cual depende de la posición angular del rotor θ r . dθ r = ωr dt se define el ángulo eléctrico θ e por: ∆ p θ e = θ r 2 donde p es el numero de polos del generador. Con la definición del ángulo eléctrico del rotor, el flujo de la conexión de cada devanado viene dado por las siguientes expresiones: λa (t ) = Ls ia (t ) + Lss ib (t) + Lss i c (t ) + Lar (θ e )ir (t ) λb (t ) = Ls i a (t) + Lss ib (t ) + Lss ic (t) + Lbr (θ e )ir (t ) λc (t) = Ls ia (t ) + Lss ib (t) + Lss ic (t ) + Lcr (θ e )ir (t ) λr (t) = Lra (θ e )i a (t ) + Lrb (θ e )ib (t ) + Lrc (θ e )i c (t ) + Lr ir (t) donde el ángulo dependiente de las inductancias viene dado por: Lar (θ e ) = Lra (θ e ) = M cos(θ e ) Lbr (θ e ) = Lrb (θ e ) = M cos(θ e −φ ) Lcr (θ e ) = Lrc (θ e ) = M cos(θ e + φ ) donde M es el pico de inductancia mutua del estator-rotor y φ es el ángulo entre los devanados del estator. Memoria Descriptiva 30 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción -Rectificador trifásico. El rectificador trifásico es un modulo que consiste en 6 diodos, el cual, se muestra en la figura 2. Figura. 2. Rectificador trifásico. En la práctica, no es inusual encontrar diodos en paralelo para cada diodo individual del puente. No hay mucho que decir sobre el modulo de rectificación excepto que en las simulaciones tenemos que tener cuidado con poner a masa el terminal negativo dc (dc-). Concretamente, este terminal no debe de estar a masa si el neutro del generador está a masa. -Regulador de tensión. El regulador de tensión es una parte integrada del alternador del automóvil. El voltaje de salida se controla a través de la regulación de la corriente que fluye en el devanado del rotor. En la figura 3 se muestra el esquema típico del regulador de tensión. Figura. 3. Regulador de tensión del alternador. El terminal df normalmente se conecta al terminal de campo negativo fm, mientras que el terminal negativo del regulador bm normalmente se conecta a masa. El terminal bp se conecta al pin dc+ del rectificador, el cual es la tensión de salida del alternador. Memoria Descriptiva 31 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción La regulación del voltaje de salida se consigue a través de la conmutación de transistores de potencia situados entre los terminales df y bm Con el transistor de potencia activado, se compara la señal de error compensada respecto la onda en forma de diente de sierra. En la practica, la frecuencia de la onda en forma de sierra se encuentra en el rango de 120-160 Hz. Muchos de los controladores son simple proporcional, aunque los más comunes son los controladores PI. Modelo promediado del alternador. Los modelos presentados, para los subsistemas, en las secciones anteriores pueden ser usados para simular el régimen estacionario de los sistemas basados en alternadores. Por otra parte, debido a la complejidad de los modelos y la presencia de diodos, el tiempo de simulación será mayor dependiendo de la escala de tiempo que nos interese. Pude ser necesario una escala de tiempos del orden de horas, para la simulación de sistemas de automoción en recorridos largos. Estos tiempos de simulación son irrazonables. En la figura 5 se muestra el esquema que es utilizado como modelo del alternador. Figura. 4. Modelo promediado del alternador. La circuitería principal aparece arriba donde se encuentra la fuente de tensión controlada. El valor de la tensión controlada es proporcional a la velocidad del alternador (n) y a la intensidad de campo. La impedancia del estator es modelada por la resistencia residual Memoria Descriptiva 32 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción dependiente de la velocidad y se expresa como: π 2 Z ( n) = R s + ( p / 2) nLs 30 2 La tensión residual en las tres fases del rectificador es causada por el voltaje residual constante de 2Vd, donde Vd es la tensión residual de un único diodo de potencia. En la figura el uso de diodos ideales viene expresado a través de los símbolos de los diodos dentro de un recuadro. A través de la fuente controlada de corriente, la corriente de campo aparece en el terminal positivo del alternador (bp). La señal de error amplificada se genera a través de la comparación del voltaje de salida del alternador respecto al voltaje de referencia Vref y multiplicándolo por la ganancia proporcional kp. La tensión (reg), que representa el valor medio del voltaje, aparece a través del transistor en los reguladores actuales y es limitado a un valor que no sea mayor al voltaje de saturación colector-emisor del dispositivo. Debido al uso de fuentes de tensión con diodo, la señal amplificada de error (reg), está sujeta a un valor mínimo Vreg min . Para hacer conducir el circuito compuesto por la resistencia R f , la inductancia L f y el diodo volante D fw , se utiliza el voltaje que aparece a través del devanado bp-reg. La corriente resultante ( i f ) en la inductancia L f es llevada a las fuentes controladas para completar el modelo. También se pueden usar los parámetros del modelo del alternador trifásico tales como las resistencias y inductancias del estator y rotor. Para otros parámetros se tiene que consultar la curva de máxima corriente respecto la velocidad, que suministra el fabricante. La constante de proporcionalidad k que aparece en el voltaje de velocidad , viene expresado por: k= Vref + 2Vd n0 i f ,max donde n0 es la velocidad, en la cual, el alternador no produce corriente. La máxima corriente de campo i f , max viene dado por: i f , max = Vconst − Vreg , min Rf donde V const , es el valor de tensión constante por debajo de la cual se genera la curva de la corriente máxima respecto a la velocidad. Memoria Descriptiva 33 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.6.5.0 – BANCO DE PRUEBAS. El banco de pruebas es la estructura, en la cual, se instala el variador de frecuencia, el motor, la correa transmisora y el alternador. Está realizado a partir de 16 tubos de sección cuadrada con las siguientes medidas: • • • • • • 2 tubos de 100 mm de largura y 5 mm de anchura. 2 tubos de 50 mm de largura y 5 mm de anchura. 4 tubos de 55 mm de largura y 5 mm de anchura. 2 tubos de 140 mm de largura y 5 mm de anchura. 2 tubos de 90 mm de largura y 5 mm de anchura. 4 tubos de 31 mm de largura y 4 mm de anchura. Una plancha de acero inoxidable de 100 x 55 mm y una plancha de madera de 140 x 55 mm. Las medidas del banco de pruebas son las siguientes: • Alto:140 mm. • Ancho: 55 mm. • Largo: 100 mm. Como se muestra en la figura 1 se instalan, en un plano horizontal y mediante el uso de tornillos y tuercas, el motor eléctrico y el alternador a una distancia óptima entre ellos para que la correa de transmisión que necesita este sistema, esté lo suficientemente tensada para que trabaje correctamente. En la plancha de madera se instala en un plano vertical, mediante tornillos y tuercas, el variador de frecuencia, un fusible y regletas que conducen hasta ese punto la tensión de salida del alternador. En la parte inferior del banco de pruebas, se le instala una rueda de 7 mm de diámetro en las cuatro esquinas, las cuales, facilitan el desplazamiento. Memoria Descriptiva 34 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Fig. 1. Vista general del banco de pruebas. Para la realización del montaje del banco de pruebas se tienen en cuenta determinados factores básicos: • Fácil acceso para corregir la tensión de la correa trapezoidal y para eventuales operaciones de mantenimiento. • Suficientes posibilidades de refrigeración, tanto para el calor desarrollado en el alternador, como para evacuar e irradiar el calor producido por el motor. • Protección contra golpes, suciedad, choques y posibles daños físicos que pudiera recibir la persona que manipula el banco de pruebas. Esta protección se consigue mediante una rejilla protectora, la cual, cubre el motor y el alternador. En el caso de los alternadores de pequeña potencia, como el que se utiliza, se ha impuesto con éxito la fijación mediante brazo giratorio. Además de tratarse de una sólida fijación sobre un soporte giratorio, posibilita la existencia de un dispositivo de reajuste, que permite corregir, en caso necesario, la tensión de la correa trapezoidal. Naturalmente, las conexiones y los cables eléctricos, deberán instalarse de forma que queden protegidos contra suciedad, humedad, calor y sacudidas. Los cables eléctricos permiten un contacto seguro tan sólo si están provistos de conexiones o uniones de enchufe correctamente instaladas. Memoria Descriptiva 35 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.6.5.1 – VARIADOR DE FRECUENCIA. Para realizar este proyecto, se ha elegido el variador de frecuencia MD1100/2 de la marca SIEMENS. Este convertidor reúne las siguientes características: ? Tipo de convertidor: MD1100/2 ? Salida con par constante ? Margen de tensión de entrada : 3 CA 230V ± 15% ? Potencia nominal del motor 1 (kW): 11 ? Potencia perm. Convertidor (kVA): 17.7 ? Corriente de salida (nominal) (A): 42 ? Corriente de salida (corriente perm. máx.) (A): 42 ? Corriente de entrada (máx.) (A): 63 ? Fusible recomendado de red (A): 63 ? Sección de cable recomendado (mm 2 ): Entrada (mín.) = 16; Salida (mín.) = 10 ? Dimensiones (mm) (A x H x F) IP21: 275 x 550 x 202 ? Peso (kg): 25 Es un convertidor de frecuencia con circuito intermedio de tensión y modulación PWM a la salida. Transistores de potencia tipo IGBT de última generación para la optimización del rendimiento de cualquier motor de CA. Las unidades están parametrizadas de fábrica para su fácil puesta en marcha. Función del variador de frecuencia: El variador de frecuencia es un instrumento empleado, en la etapa de comando de potencia, para variar la velocidad del motor. La velocidad de los motores asíncronos no está influenciada por las variaciones de tensión, pero es proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentación e inversamente proporcional al número de polos que tiene el estator. n = 60 . f p Gracias a estas características, en la actualidad es posible obtener la variación de la velocidad de los motores trifásicos tipo jaula de ardilla, por sistemas electrónicos que varían la frecuencia, mediante los variadores de velocidad. Básicamente están compuestos por un rectificador, un circuito intermedio, un ondulador compuesto por transistores y diodos (figura 1). Memoria Descriptiva 36 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Fig. 1. Elementos del variador de frecuencia. El ondulador "PWM" convierte la tensión continua regulada proveniente del rectificador en tensión alterna trifásica con la frecuencia variable. El variador modifica automáticamente la tensión y la frecuencia, para tener en cuenta la carga del motor, con lo cual, se disminuye el calentamiento del motor en vacío y a baja velocidad, asegurando al mismo tiempo un sobrepar importante si es necesario. La velocidad es prácticamente constante por la corrección de la frecuencia en función de la carga. Diagrama de bloques del variador de frecuencia: Memoria Descriptiva 37 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Fig. 2. Diagrama de bloques del variador de frecuencia. Memoria Descriptiva 38 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción El criterio de selección a seguir para la elección del variador de velocidad teniendo en cuenta una técnica de máximo rendimiento son los siguientes ítem: 1. Tipos de carga a maniobrar por el convertidor: esta depende si la carga es constante (cinta transportadora, hormigoneras, etc.) o la carga es variable (ventiladores y bombas). 2. Tensión de entrada en Voltios. 3. Intensidad nominal de salida del convertidor con momento constante. 4. Intensidad nominal de salida del convertidor con momento variable. 5. Potencia del motor. 6. Dimensiones del variador. 7. Si posee o no filtro antiparasitario. 8. Rango de frecuencias de salida. 9. Peso del equipo a instalar. 10. Resolución de frecuencia. 11. Factor de sobrecarga con momento constante (tiempo de duración del mismo ). 12. Frecuencia de entrada. 13. Temperatura ambiente. 14. Grado de protección. Estas son algunas de las ventajas técnicas y económicas que presentan: Control vectorial: Este revolucionario método de control permite sobrecarga de par hasta en un 200%, sin comprometer excelentes respuestas transitorias de velocidad. Esto, junto con un tiempo de respuesta muy corto de control del par permite que los equipos puedan se utilizados en aplicaciones dominadas por accionamientos de corriente continua. Relación peso - potencia: En el caso de los variadores de velocidad, posee un amplio rango de potencias como puede ser desde su más pequeño (de 0.25 kW) hasta los mas grandes (de 90 kW) con un peso aproximado de 1.9 kg hasta 90 kg. Esta relación lo hace muy importante dentro del mercado industrial. Además de esto va unido a un rango de temperatura de trabajo amplio de hasta los 50°C. Grado de protección: Memoria Descriptiva 39 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Los variadores de velocidad o convertidores de frecuencia usando un diseño especial en su cubierta protectora consiguen un grado de protección ambiental homologado hasta un IP 56 con lo cual nos dice que nuestro dispositivo podrá trabajar en las condiciones de ambientes polusionados y húmedos. Mejor diseño: Solo subsisten unas pocas aplicaciones en donde es necesario variar la velocidad de un motor y un convertidor de frecuencia no suponga una mejora importante en la respuesta de la máquina y un ahorro significativo en los costos de mantenimiento del equipamiento en general, como es el caso de las industrias alimenticias y las industrias de bebidas donde es necesaria una velocidad de trabajo muy precisa y que esta sea confiable desde el punto de vista que sea inalterable en el tiempo. Se utilizan estos equipos dejando afuera todas las costosas instalaciones de corriente continua. Fácil manejo: El juego de parámetros permite el acceso a toda la funcionalidad del convertidor. Todos los convertidores ofrecen un rango de características comunes, desde la suavización de rampas, frecuencias fijas, arranque automático e incluso se podrá configurar dos juegos de parámetros diferentes para un mismo motor. Rango de opciones: Un amplio rango de opciones se ofrece para completar las características de los convertidores de última generación. • Regulación PID para el control de aplicaciones a lazo cerrado. • Interface de usuario con 7 teclas y display, muy fácil de utilizar. • Terminales de conexión rápida en el regletero de conexiones de control. • Se incorpora de serie el interface RS485, que permite el mando de hasta 31 equipos bajo una misma red controlada desde PC o PLC. • El convertidor se puede comandar desde el panel estándar, a través de las entradas digitales o a través del interface serie RS485. Memoria Descriptiva 40 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • La frecuencia de trabajo puede ser seleccionada, usando una consigna digital, potenciómetro motorizado, frecuencias fijas, entrada analógica o a través del interface serie. • Es posible también establecer controles de velocidad mixtos desde fuentes diferentes. • Los equipos incorporan un freno de corriente continua que se puede utilizar incluso a rotor parado. • Puede configurarse el rearranque automático tras una caída en la alimentación del sistema o tras un fallo. • Los juegos de parámetros son compatibles entre los distintos equipos, reduciendo el tiempo de aprendizaje. • Todos los convertidores están certificados en conformidad con las normativas VDE, UL y UL canadiense, y son fabricados bajo la norma ISO9001. • Todos los convertidores certifican los requerimientos de la directiva europea sobre equipos de baja tensión 73/23/EEC y como tales han sido marcados CE. Puesta en funcionamiento básica: La forma más elemental de poner en funcionamiento el convertidor se describe a continuación. Este método utiliza consigna de frecuencia digital y requiere cambiar un número mínimo de parámetros de los valores prefijados o por defecto. (1) Conectar la red al convertidor. Ajustar el parámetro P009 a 002 ó 003 para desbloquear todos los parámetros ajustables. (2) Ajustar el parámetro P005 a la consigna de frecuencia deseada. Memoria Descriptiva 41 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción (3) Controlar los parámetros P081 a P085 y asegurarse de que sean adecuados para cumplir los requerimientos especificados en la placa de características del motor (4) Pulsar la tecla MARCHA (I) en el panel de mando del convertidor. Con ello el convertidor alimentará el motor con la frecuencia ajustada en P005. Control analógico: ∆ IO R se hace uso del ∆ω control analógico. Para obtener una configuración básica de arranque se procede del siguiente modo: (1) Se conecta el borne de control 9 al borne 5 mediante un simple contacto de conexión/desconexión. De este modo, el motor queda configurado para girar en sentido horario (ajuste predeterminado). Para variar la velocidad del motor en la realización de la prueba (2) Se conecta un potenciómetro de 4,7 k a los bornes de control tal como se muestra en la figura 2 o se conecta la patilla 2 (0 V) a la patilla 4 y una señal de 0 - 10 V entre la patilla 2 (0 V) y la patilla 3 (AIN+). (3) Se ajustan los interruptores selectores DIP 1, 2 y 3 de configuración de entrada analógica 1 para entrada de tensión (V). (4) Se fijan todas las tapas al equipo y, a continuación, se aplica la alimentación de la red al convertidor. Se ajusta el parámetro P009 a 002 o 003 para que puedan ajustarse todos los parámetros. (5) Se ajusta el parámetro P006 a 001 para especificar consigna analógica. (6) Se ajusta el parámetro P007 a 000 para especificar entrada digital (es decir, DIN1 (borne5) en este caso) y desactivar los mandos del panel frontal. (7) Se ajustan los parámetros P021 y P022 para especificar los ajustes de la frecuencia máxima y mínima de salida. (8) Se ajusta los parámetros P080 a P085 de acuerdo con la placa de características del motor. Memoria Descriptiva 42 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción (9) Se situa el interruptor externo de conexión/desconexión en la posición ON. Se gira el potenciómetro (o ajuste la tensión de control analógico) hasta que se visualice en el convertidor la frecuencia deseada. Para el resto de las pruebas, la velocidad del motor se varía accediendo al panel frontal del variador de frecuencia. Los ajustes de parámetros requeridos pueden introducirse utilizando los tres botones de configuración de parámetros (P, ? y? ). Los valores y números correspondientes a parámetros se indican en la pantalla de LED de cuatro dígitos (figura 3 ). Fig. 3. Panel frontal. 1.6.5.2 – CORREA DE TRANSMISIÓN. Para la realización de este proyecto, utilizamos un modelo de correa trapezoidal de la marca HUTCHINSON. Esta correa tiene una anchura de 2 cm y una largura de 136 cm. A continuación se detallan las características más importantes de este tipo de correa. El alternador es accionado directamente por el motor eléctrico. El accionamiento tiene lugar a través de la correa trapezoidal. A la correa trapezoidal, que es un importante elemento para la transmisión de fuerza, se le plantean grandes exigencias: • Del material se espera una gran resistencia a la flexión. • El alargamiento de la correa debe ser lo más pequeño posible a lo largo del proceso de envejecimiento; así puede evitarse, en gran parte, el resbalamiento, que va unido al calentamiento y al desgaste de flancos. Memoria Descriptiva 43 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Como han demostrado experiencias del ADAC (Club Alemán del Automóvil), los daños en las corras trapezoidales son una de las más frecuentes causas de averías. Por ello, es importante utilizar correas que estén a la altura de tales exigencias y que permitan ser utilizadas durante largo tiempo. Las correas trapezoidales de nuevo diseño (al contrario que las ejecuciones convencionales con recubrimiento de goma) están construidas con “flancos abiertos”; de esta forma tienen una mayor rigidez transversal, se flexionan mejor y presentan una mayor resistencia al desgaste (figura 1). Fig. 1. Estructura de una correa trapezoidal “de flancos abiertos”. 1 mezcla de fibras cortas, 2 mezcla de incrustación, 3 haz tractor con preparación especial, 4 tejido recubridor, 5 flancos cortados. Todos los tipos tienen una cuña de unos 90º y es precisamente la acción de la cuña de los laterales de la correa sobre los laterales de la polea, la que hace posible que las correas en POLY-V transmitan más potencia por pulgada de ancho que los viejos tipos de correas planas. Conforme la correa y la polea se hacen servir, la correa va penetrando dentro de la cuña de la correa, pero nunca debe alcanzar el fondo. Cuando esto ocurre deja de haber fricción y, sólo si la correa está colocada de forma holgada no tendremos resultados imprevistos con ella. Con un ajuste apropiado de la parte superior de la cuña de la polea las paredes deben estar limpias e incluso pulidas mientras que la base de la cuña ha de estar mate y sucia. Una cuña cuyo fondo esté limpio es signo de que la correa ha bajado y tocado la base. Cuando esto ocurre ambos accesorios, la correa y la polea, deben cambiarse. Este problema casi siempre es el resultado de un mal tensado de la correa. Para eliminar un rápido desgaste de la correa, ésta debe tensarse lo suficiente para que no resbale en el uso normal. Una correa bien tensa debe comprobarse como un muelle, y debe vibrar cuando la apretamos con las manos. Si se aplica una presión sobre la parte media de la correa que no está en contacto con las poleas, la correa no debe deformarse más de lo que lo haría que cuando aplicamos un gran movimiento. El diámetro correcto de la polea depende de la relación de desmultiplicación entre alternador y motor eléctrico. La relación de desmultiplicación debe elegirse de forma que la Memoria Descriptiva 44 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción velocidad máxima de rotación del alternador no se sobrepase al girar el motor eléctrico a su régimen máximo, es decir: i≤ nGmáx . n Mmáx . por lo tanto, se obtiene la siguiente relación de desmultiplicación: i≤ 12000r . p.m = 2.5 4800r. p.m 1.6.5.3 – RESISTENCIAS DE CARGA. Para obtener el juego de resistencias de carga, necesarias para realizar las medidas y las gráficas a estudiar, se ha elegido doce resistencias ECOMSA modelo RHP 30x265 SAC 1.4 Ω 10% 315W (figura 1). Fig. 1. Resistencia ECOMSA tipo SAC. Este tipo de resistencias son bobinadas cementadas. Conectando dos resistencias de 1.4 Ω en serie, obtenemos una resistencia de 2.8 Ω . Por lo tanto, de las doce resistencias de 1.4 Ω , se obtiene seis resistencias de 2.8 Ω , mediante las cuales, se obtienen los distintos valores de resistencia que interesan para realizar las medidas y gráficas. Estas resistencias se instalan en dos soportes para resistencias. Cada soporte alberga seis resistencias de 1.4 Ω . Debido a que estas resistencias alcanzan altas temperaturas cuando están en funcionamiento, se han tenido en cuenta ciertos aspectos en los soportes, para facilitar la refrigeración y ofrecer mayor seguridad en su manipulación: • Instalación de una rejilla metálica, sobre las resistencias, para evitar dañar otros equipos o personas cercanas cuando las resistencias están en funcionamiento. • Instalación de unas patas metálicas para levantar los soportes 30cm del suelo. Con esto se consigue que las resistencias se refrigeren mejor. Memoria Descriptiva 45 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Instalación de dos ventiladores para forzar el aire que circula por las resistencias. Con esto se obtiene una notable mejoría en la refrigeración y en la vida útil de las resistencias. 1.6.5.4 – CIRCUITO DE CONTROL DE LAS CARGAS. El circuito de control de las cargas, es utilizado para obtener los distintos valores de resistencia de carga que se requieran en la salida del alternador trifásico, para poder realizar las medidas o gráficas a estudiar. Estos valores de carga son de 1.4, 0.93, 0.7, 0.56 y 0.46 Ω , los cuales, se obtienen a partir de la activación y/o desactivación de cinco interruptores para PCB. De las seis resistencias de 2.8 Ω , que se disponen en los dos soportes, dos están permanentemente conectadas en paralelo a la salida del alternador (bornes B+ y B-), ya que este no puede estar conectado sin una carga en su salida, y de aquí se obtiene el valor de carga de 1.4O. Las cuatro resistencias restantes de 2.8 Ω , primero pasan por la placa de control de las cargas (figura 1), a través de la cual, se pueden conectar en paralelo a la salida del alternador activando y/o desactivando los distintos interruptores. Fig. 1. Esquema del conexionado de las cargas del alternador trifásico. Memoria Descriptiva 46 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción A continuación se muestra el estado de los cinco interruptores para obtener los distintos valores de carga: Valor de carga Interruptores ON 1.4O OFF S1, S2, S3, S4, S5 0.93O S1 S2, S3, S4, S5 0.7 O S1, S2 S3, S4, S5 0.56 O S1, S2, S3 S4, S5 0.46 O S1, S2, S3, S4 S5 0.46 O S5 S1, S2, S3, S4 Se puede observar que el valor de carga de 0.46 O se puede obtener de dos maneras distintas, a través de la activación de cuatro interruptores (S1 ,S2,S3 y S4) o a través de la activación de un único interruptor (S5). Esto es así, ya que para la realización de la prueba ∆Io ω se necesita pasar, prácticamente al instante, de un valor de carga de 0.46 O a un ∆R valor de carga de 1.4O y gracias al interruptor S5 (desactiv ándolo) es posible realizar dicha prueba. Es fácil ver, que sería muy complicado realizar la prueba desactivando manualmente cuatro interruptores a la vez, ya que el tiempo empleado para esta acción es mayor. Alimentación: Este circuito se alimenta con una tensión de 12V, la cual, alimenta los componentes de potencia. Los componentes de control necesitan una tensión de 5V, por lo tanto, se opta por introducir un regulador lineal que proporciona dicha tensión. El regulador lineal que se utiliza es el LM7805, este circuito integrado es capaz de mantener una tensión fija de 5V con la única condición de tener en su entrada una tensión superior a los 7V e inferior a 25V. Por tal de evitar posibles sobre tensiones en el regulador lineal, se introduce una medida de seguridad. Esta medida de seguridad es un componente denominado diodo zener, que tiene como función recortar los sobre picos de tensión a partir de 15V. Aunque el regulador lineal soporta tensiones de hasta 25V, se considera seguro recortar los sobre picos a partir de 15V ya que esta tensión se puede considerar anómala. Par proteger al regulador lineal de sobre temperaturas, se le añade un disipador de potencia adaptado para sus necesidades. Según la potencia que ha de suministrar el regulador lineal (aprox. =2.1W), se necesita un disipador de potencia con una resistencia Rda = 18.5 ºC/W para garantizar que el componente nunca llegue a la temperatura límite de unión de 150ºC. Memoria Descriptiva 47 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Circuito de potencia: El circuito de potencia está formado por dos dirver de MOSFETS TC4427 de la firma MICROCHIP y los cuatro MOSFETS IXTH75N10 que controlan el numero de cargas que se conectan en paralelo a la salida del alternador trifásico(bornes B+ y B- ). DRIVER MOSFETS TC4427. Este es un driver dual de alta velocidad para MOSFETS de potencia. Sus características son las siguientes: • • • • • High-speed switching (CL=1000Pf)...................30nsec High peak output current.....................................1.5A Low input current................................................2uA Wide operating supply voltage............................4.5V to 18V Current consumption -inputs low...........................................................0.4mA -inputs high..........................................................8mA • Low output inpedance..........................................6O • ESD protected......................................................2kV La función de este driver es modificar las señales que los interruptores proporcionan, para ser aplicadas a las puertas de los MOSFETS de potencia. Los interruptores proporcionan señales de baja tensión y corriente, por lo tanto por si solas no son capaces de excitar de una forma segura a las puertas de los MOSFETS de potencia. Sin embargo acondicionando dichas señales a través del driver, obtenemos las mismas señales pero con un nivel de tensión y corriente óptimos para la excitación de las puertas. Al utilizar un driver de alta velocidad los retrasos introducidos no son apreciables para nuestra aplicación ya que controlamos variables relativamente lentas. Estos dos driver, son alimentados con 12V(tensión de alimentación de la placa). MOSFETS. Los MOSFETS que se emplean en esta placa de control son los IXTH75N10 (Nota: los principales suministradores de este componente actualmente optan por comercializar el IXTH76N10 que posee unas características similares) . Estos MOSFETS se conectan en una configuración “LOW_SIDE”, para controlar las cargas que se conectan a la salida del alternador trifásico (bornes B+ y B- ). Memoria Descriptiva 48 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Las características técnicas de estos componentes son las siguientes: • • • • • • Tensión Drenador_Surtidor.........................................100V Tensión Drenador_Puerta............................................100V Tensión Puerta_Surtidor..............................................±20V Corriente de Drenador continua ..................................75A Disipación de potencia ................................................300W Resistencia Drenador_Surtidor....................................0.020O Por lo tanto se puede observar que estos MOSFETS son muy apropiados para controlar cargas que requieran potencias elevadas. Es de mencionar que resistencia de drenador_surtidor es muy pequeña, la cual cosa nos asegura unos tiempos de conmutación muy rápidos, de aproximadamente: Tiempo de subida = 110 ns. Tiempo de bajada = 140 ns. Por lo tanto este echo nos asegura que los MOSFETS no consuman mucha potencia, ya que estos solo incrementan su consumo en los tiempos de conmutación del dispositivo. Aunque los MOSFETS no consumen mucha potencia (aprox. =12.13W), si se requiere insertar un disipador de potencia a cada uno de ellos. Estos disipadores de potencia tienen una resistencia Rda = 18.81ºC/W y con ellos garantizamos que la unión de cada MOSFET no supere nunca la temperatura de 100ºC ya que nos acercaríamos mucho a la temperatura límite del componente. Por tal de ofrecer una robustez ante posibles sobre tensiones en las puertas de los MOSFETS se introduce, conectado en paralelo con la puerta ( gate), un diodo zener. Como se observa en las características de los MOSFETS, estos soportan tensiones de Puerta_surtidor de ±20 V, por lo tanto para garantizar el no llegar nunca al máximo, se escogen unos diodos zener que recortan la tensión a partir de 15V dejando un buen margen de seguridad. Es de mencionar que el MOSFET que controla la carga, cuando pasa al estado de no conducción, deja esa carga en circuito abierto. Esa carga tiene una intensidad remanente y se ha de colocar en sus bornes un diodo volante de potencia que proporcione el camino de descarga de dicha intensidad. Se comprueba que por las cargas circula una intensidad máxima de 15A, por tanto el diodo a de ser capaz de soportar intensidades de aproximadamente 7.5 A de media. El diodo seleccionado es el BYW29. Circuito de control: El circuito de control consta de cinco interruptores mecánicos para PCB. Para señalizar que el interruptor está cerrado, se utiliza un diodo LED. En esta parte del circuito se ha dotado al sistema de unas entradas, las cuales, permiten la posibilidad de controlar el disparo de los MOSFETS vía software. Para la realización de las pruebas y medidas que competen al proyecto, no se ha tenido en cuenta esta opción. Memoria Descriptiva 49 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.6.5.5 – MOTOR. El motor es el encargado de mover el alternador, a través de la correa transmisora, para que éste pueda proporcionar una tensión de 40V a su salida. El motor elegido, según la potencia de entrada que se necesita (potencia ˜ 11kW), es el modelo 1LA7163-2AA10 de la marca SIEMENS (figura 1). fig. 1. motor 1LA7163-2AA10 de SIEMENS. A continuación se muestra las características más importantes de este modelo de motor trifásico asíncrono: • Frecuencia = 50Hz. • r.p.m = 2915. • Intensidad = 26A. • Tensión = 400V. • Potencia = 11kW. • Cosf = 0.88 • Peso = 69 kg. • Número de polos = 2. La alimentación del motor asíncrono se realiza a través del variador de frecuencia. Memoria Descriptiva 50 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.7.0.0 – PREINSCRIPCIONES TÉCNICAS. 1.7.1.0 – GENERALIDADES. Las características técnicas serán, mediante mutuo acuerdo, rectificadas en caso de necesidad imperiosa. De no ser así, cumplirán les condiciones eléctricas y de parámetros señalados en este documento, así como también las condiciones de seguridad señaladas. 1.7.2.0 – NORMATIVA APLICADA. Para la fabricación e instalación del sistema diseñado en este proyecto, se tendrán en cuenta las normas que establecen los fabricantes de los componentes y también la legislación vigente en el BOE. 1.7.3.0 – UTILIZACIÓN. Si alguna operación no consta en el cuadro de características del equipo electrónico, se tendrá que poner una especial atención al diseño del circuito para evitar cualquier sobrecarga, debida a condiciones desfavorables de funcionamiento. No se deben utilizar dispositivos electrónicos en circunstancias en que se puedan dar situaciones de funcionamiento no controladas por el fabricante. 1.7.4.0 – CIRCUITOS INTEGRADOS. Los circuitos integrados estarán indicados en los planos y no podrán ser sustituidos por otros modelos que no tengan las mismas características. 1.7.5.0 – RESISTENCIAS. Las resistencias serán de los valores óhmicos especificados. Las resistencias de carga serán de 315W y con una tolerancia del 10%, mientras que las resistencias de la PCB serán de 0.25W y con una tolerancia del 5%. Las pruebas a realizar, con cada una de ellas, consisten en: -Medir valores y tolerancias -Medir disipación y voltaje Memoria Descriptiva 51 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción La medida de los valores de resistencia y tolerancia se extenderán a todas las resistencias y todas deberán de mantener su tolerancia dentro de unos límites comprendidos entre el 0.5 y el 10% según el tipo que corresponda. La medida de potencia se realizará sometiendo a las resistencias a tensiones adecuadas para que su disipación sea la que indique el fabricante. Se verán sometidas a esta tensión durante un tiempo de 6 horas para que permita ver con suficiencia su variación de resistencia con el tiempo. 1.7.6.0 – CONDENSADORES. Todos los condensadores serán del valor capacitivo especificado en los planos y con una tensión de 20V o superior. 1.7.7.0 – CIRCUITO IMPRESO (PCB). La placa de circuito impreso deberá de tener un aislamiento superficial igual o superior a 10M y serán de fibra de vidrio o Baquelita. Su dimensión será la necesaria para que pueda contener el esquema eléctrico. El folio de cobre ha de tener un grosor normalizado de 0.075 mm para las pistas de señal y a 0.76mm para las pistas de alimentación. La separación mínima entre pistas será de 1.14mm, mientras que el taladrado se realizará con una broca de 0.8mm. La realización del circuito impreso se hará a partir de los planos, respetando estrictamente el diseño de las pistas. Los conectores, encargados de realizar las conexiones entre el exterior y la placa, se revisarán para garantizar el correcto contacto entre sus elementos y se imprimirán una serie de indicaciones para facilitar su conexión. Un vez soldados los componentes y comprobados, se procederá a la aplicación de una capa de barniz especial para evitar la posible oxidación del cobre con el paso del tiempo. 1.7.8.0 – MONTAJE DEL BANCO DE PRUEBAS Y DE LA PCB. El banco de pruebas se sitúa en un lugar donde su puesta en funcionamiento no suponga un peligro hacia otros equipos o personas, además, debe de disponer de unas características apropiadas de aislamiento frente a posibles interferencias, acciones ambientales externas o otros factores negativos para el funcionamiento del sistema. La placa a realizar en este montaje, irá en el interior de una caja y se deben de cumplir las mismas características expuestas anteriormente. 1.7.9.0 – ALIMENTACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS Y DE LA PCB. La alimentación del banco de pruebas se realiza a través del variador de frecuencia, el cual, necesita una tensión alterna trifásica de 230V. En los bornes St y B-, del alternador trifásico, se conecta una fuente de tensión de 12 V. El circuito de control de las cargas se alimenta con una tensión continua de 12V, dicha tensión se obtiene de una fuente de tensión distinta a la que se utiliza en el alternador trifásico. Este voltaje alimenta la electrónica de potencia. Memoria Descriptiva 52 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Para la electrónica de control se utiliza una tensión de alimentación de 5 V, que se suministra mediante un regulador de tensión serie. 1.8.0.0 – PUESTA EN MARCHA. Antes de poder comenzar a trabajar con el banco de pruebas, se han de ejecutar unos determinados pasos para la puesta a punto, ajuste y funcionalidad. A continuación se detallan los siguientes pasos y comprobaciones: Alternador. • Conectar en los bornes St y D+ la fuente de tensión de 12Vdc. • Conectar en los bornes B+ y B- las resistencias de carga. Placa de control de las cargas. • Conectar en los pines + y – la fuente de tensión de 12Vdc. • Conectar en los pines R1+, R2+, R3+ y R4+ los cables que permiten descargarse la corriente remanente de cada resistencia. • Conectar en los pines R1, R2, R3 y R4 las cuatro resistencias que serán controladas. • Conectar los pines M a masa. Variador de frecuencia. • Conectar la red al convertidor. Ajustar el parámetro P009 a 002 ó 003 para desbloquear todos los parámetros ajustables. • Ajustar el parámetro P005 a la consigna de frecuencia deseada. • Controlar los parámetros P081 a P085 y asegurarse de que sean adecuados para cumplir los requerimientos especificados en la placa de características del motor. • Pulsar la tecla MARCHA (I) en el panel de mando del convertidor. Con ello el convertidor alimentará el motor con la frecuencia ajustada en P005. Memoria Descriptiva 53 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Por lo tanto, si se han seguido estos pasos correctamente, el banco de pruebas ya estará listo para ponerse en funcionamiento. Si aún así el banco de pruebas no funciona correctamente, se detallan las comprobaciones que deberíamos llevar a cabo: • Comprobar el buen estado del circuito impreso. • Verificar que las conexiones a los conectores son las correctas. • Comprobar la fuente de tensión de 12Vdc. • Verificar que el regulador lineal LM7805 proporciona la tensión de 5V. • Comprobar los niveles de tensión de cada C.I. • Comprobar que los interruptores proporcionan la señal sin errores, que el driver las adapta correctamente y que los MOSFETS actúan según estas. • Verificar el buen funcionamiento del variador de frecuencia • Verificar el buen funcionamiento del motor. • Verificar el buen funcionamiento del alternador trifásico. Memoria Descriptiva 54 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.9.0.0 – PLANIFICACIÓN. Con la planificación se pretende dar una idea de cuanto tiempo puede durar la fabricación del banco de pruebas. Esta planificación se hace desde el punto de vista de un prototipo, es decir, los medios de producción de los que se disponen son a nivel de laboratorio y no a nivel industrial. Por lo tanto, en su fabricación se utilizan muchos pasos manuales y consecuentemente lentos en comparación con otros sistemas industrializados. En el proceso de fabricación del banco de pruebas, se encuentran seis acciones bien diferenciadas, que son la realización del banco de pruebas, la inserción de los componentes del banco de pruebas, la implementación del circuito impreso, perforación del circuito impreso, inserción y soldadura de los componentes y por último la puesta en marcha del banco de pruebas. • Realización del banco de pruebas. Consiste en soldar, mediante el uso de un grupo electrógeno, los distintos tubos metálicos (de diferentes medidas) que forman el banco de pruebas y realizar, mediante un taladro, los agujeros donde se fijarán los componentes del banco de pruebas. Esta parte del proyecto fue realizada por el personal del departamento técnico de la universitat Rovira i Virgili, ya que se precisa de un cierto grado de conocimientos sobre esta técnica de soldadura. Por lo tanto, el tiempo estimado para la realización del banco de pruebas es de 8 horas. • Inserción de los componentes del banco de pruebas. Consiste en insertar todos los componentes que intervienen en el banco de pruebas: motor, alternador, correa de transmisión, rejilla metálica de protección y variador de frecuencia. Esta parte necesita de un gran tiempo ya que se debe de verificar que los componentes se encuentren bien fijados a la estructura, tensar correctamente la correa de transmisión y comprobar que se encuentra bien alineada respecto al motor y el alternador. Por la gran importancia de este proceso se estima su tiempo de ejecución en 4 horas. • Implementación del circuito impreso. Consiste en fabricar el circuito impreso con las conexiones eléctricas que el circuito de control de cargas requiere. Se considera que el fotolito de las conexiones eléctricas ya esta diseñado y verificado, por lo tanto solo queda implementarlo. Para fabricar el circuito impreso se necesita cortar la placa de baquelita a la medida del fotolito. Seguidamente se ha de insolar la placa, revelarla y atacarla. Memoria Descriptiva 55 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Todo este proceso es muy importante y requiere de un control estricto de los tiempos empleados, ya que un posible error puede significar la invalidez de la placa y por lo tanto una perdida de productos, tiempo y dinero. Por lo tanto, para este proceso se estima un tiempo de ejecución de 1 hora, que es muy razonable y cauto. • Perforación del circuito impreso. Consiste en perforar los topos del circuito impreso, con el fin de insertar los componentes en la placa y soldarlos para completar su conexión. En este proceso se utilizan varias brocas para cada tipo de sección de los terminales de los componente, dada la gran variedad que se encuentra de estos. Este proceso no es tan crítico y por tanto se estima un tiempo de ejecución de 45 minutos. • Inserción y soldadura de los componentes. Consiste en ir insertando todos los componentes que forman el circuito de control de las cargas y a su vez, soldarlos para completar el conexionado de todo el sistema. Este proceso es muy laborioso, ya que se tiene que tener cuidado con las referencia de cada componente y una vez soldado, verificar la continuidad de la pista y los posibles cortocircuitos producidos por la soldadura. Por la gran importancia de este proceso se estima su tiempo de ejecución en 2 horas. • Puesta en marcha del banco de pruebas. Este proceso consiste en seguir las indicaciones que se marcan en la puesta en marcha, verificando que el banco de pruebas funciona correctamente. Este proceso también es muy laborioso e importante, ya que se tienen que ajustar todos los parámetros del variador de frecuencia, conectar la placa de control de las cargas, las resistencias y el alternador. Hay que tener en cuenta que posiblemente se podría presentar algún error de carácter leve. Por lo tanto se tendría que localizar el problema y solucionarlo, empleando un tiempo que se tiene que prever para estos posibles casos. Para este proceso se estima un tiempo de ejecución de 45 minutos . A continuación se muestra una tabla resumen, con los tiempos empleados para cada proceso. PROCESO Realización del banco de pruebas Inserción componentes del banco de pruebas Implementación del circuito impreso Perforación del circuito impreso Inserción y soldadura de los componentes Puesta en marcha del banco de pruebas Memoria Descriptiva TIEMPO REQUERIDO 8 horas 4 horas 1 hora 45 minutos 2 horas 45 minutos 56 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Para obtener el tiempo total de fabricación del banco de pruebas, se utiliza un diagrama de Gantt, que indica de forma gráfica el principio y el fin de cada proceso empleado. Proceso 1 2 3 4 5 6 Relación de horas 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Realización del 8 banco de pruebas 128 Inserción componentes del banco de 13 pruebas 12 Implementación del circuito impreso 13.75 13 Perforación del circuito impreso 13.75 15.75 Inserción y soldadura de los componentes 15.75 16.5 Puesta en marcha del banco de pruebas Por lo tanto, se concluye mediante el diagrama de Gantt que el tiempo total estimado para fabricar el banco de pruebas es de 16.5 horas. Memoria Descriptiva 57 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.10.0.0 – RESUMEN DEL PRESUPUESTO. • Cálculo del presupuesto de ejecución material ( PEM ): El presupuesto de ejecución material del proyecto, se calcula mediante la suma de todos los capítulos que intervienen en él y el coste total que implica el montaje del mismo. PEM = ∑ Capítulos ⊕ Montaje • Capítulo 1: Banco de pruebas....................................6464.51 (seis mil cuatrocientos sesenta y cuatro coma cincuenta y uno) • Capítulo 2: Circuito de control de las cargas ......................77.57 (setenta y siete coma cincuenta y siete) • Montaje................................................................................ 72,12 (setenta y dos coma doce) ? PEM = ∑ Capítulos ⊕ Montaje = 6614.2 (seis mil seiscientos catorce coma dos) ? • Cálculo del presupuesto de ejecución por contrato ( PEC ): PEC = PEM + GastosGenerales(13% dePEM ) + BeneficioIndustrial( 6%dePEM ) PEC = 6614.2 + 859.84 + 396.85 = 7879.89 ? TOTAL DEL PRESUPUESTO .....................................................7879.89 ? El precio del banco de pruebas asciende a SIETE MIL OCHOCIENTOS SETENTA Y NUEVE COMA OCHENTA Y NUEVE euros Tarragona, 18 de Mayo del 2002 David Bogariz Vilches Ingeniero Técnico Industrial Firma: Memoria Descriptiva 58 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Departamento de ingeniería en Automática y Electrónica industrial PROYECTO FINAL DE CARRERA VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN MODELO DE ALTERNADOR TRIFÁSICO (40V) PARA AUTOMOCIÓN 2 . MEMORIA DE CÁLCULOS Tutor del proyecto : Javier Maixé Altés. Realizado: David Bogariz Vilches. 2.0.0 – MEMORIA DE CALCULOS 2.1.0 – Introducción ................................................................................... 1 2.2.0 – Banco de pruebas ......................................................................... 7 2.2.1 – Potencia nominal del motor y del variador de frecuencia .................... 1 2.2.2 – Sistema de transmisión ......................................................................... 2 2.2.3 – Resistencias de carga ............................................................................ 10 2.3.0 – Circuito de control de las cargas ..................................................... 12 2.3.1 – Driver de Mosfets ................................................................................ 2.3.2 – Mosfets de potencia ............................................................................. 2.3.3 – Sistema de alimentación ....................................................................... 2.3.4 – Polarización de los diodos LED ........................................................... 12 13 15 17 2.4.0 – Realización de medidas .................................................................. 18 2.4.1 – Curvas paramétricas del alternador en régimen estacionario ............... 2.4.2 – Curvas paramétricas del alternador en régimen estacionario, a distinto nivel de carga en la batería ...................................................... 2.4.3 – Transitorio de la intensidad de salida del alternador cuando se ∆ Ia le varía la carga, con una velocidad constante ( ω = cte ) ............. ∆R 2.4.4 – Transitorio de la intensidad de salida del alternador cuando se ∆Ia le varía la velocidad, con una carga constante ( R = cte ) ............. ∆ω 2.5.0 – Conclusiones .................................................................................. 18 27 35 43 50 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.0.0 – MEMORIA DE CÁLCULOS. 2.1.0 – INTRODUCCIÓN. En este apartado del proyecto se justificarán y analizarán los distintos sistemas o componentes que se consideren necesarios. Además, se presentan los resultados obtenidos en la realización de las medidas. Para éste objetivo, se desglosa en dos partes el proyecto. Una parte es el banco de pruebas y la otra es el circuito de control de las cargas. 2.2.0 – BANCO DE PRUEBAS. 2.2.1 – POTENCIA NOMINAL DEL MOTOR Y DEL VARIADOR DE FRECUENCIA. En este apartado se justifica la elección del motor eléctrico y del variador de frecuencia, según la potencia nominal necesaria. El alternador trifásico es un elemento que viene impuesto, por tanto, se dimensiona el resto de componentes en función de la potencia que puede proporcionar el alternador (90A . 40V = 3600W). A continuación se muestra, mediante un diagrama de bloques, que potencia debe de tener el motor y el variador de frecuencia para que el alternador trifásico pueda suministrar una potencia de 3600W. Los cálculos se realizan a partir de los rendimientos del alternador, de Ps las poleas, del motor y del variador de frecuencia η = . Pe ALTERNADOR 5142.8W 3600W POLEAS x MOTOR 9890W VARIADOR DE FRECUENCIA ? P = 0.65 x ? M = 0.8 ? = 0.7 Pe A = 10988.8W ? = 0.9 ? = 0.52 3600W = 5142. 8W 0 .7 Pe P +M = 5142. 8W = 9890W 0 .52 PeV = 9890W = 10988. 8W 0 .9 A partir del diagrama de bloques, se obtiene que el variador de frecuencia debe de ser de una potencia de 10988.8W y el motor eléctrico de una potencia de 9890W. Haciendo uso de los catálogos que proporciona la marca SIEMENS, se tiene: Variador de frecuencia Pot. = 10988.8W ? MD1100/2 Pot. = 11kW Motor trifásico Pot. = 9890W ? 1LA7163-2AA10 Pot. = 11kW Memoria de Cálculos 1 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.2.2 – SISTEMA DE TRANSMISIÓN. Para realizar la transmisión de velocidad del motor al alternador, se utiliza una correa trapezoidal. Esta correa se instala en las poleas que poseen el motor y el alternador. El margen de velocidades para el alternador, es de 1000 r.p.m a 12000 r.p.m. En la velocidad base del motor ω m ≅ 3000 r.p.m, éste proporciona el par máximo, y el alternador trifásico trabaja al 60 % con una velocidad de ω a = 0,6. 12000 ≅ 7350 r.p.m. A partir de esta velocidad de base, el par del motor disminuye. Esta disminución del par no supone ningún problema para alcanzar las 12000 r.p.m en el alternador, ya que, las cargas que se conectan a la salida del alternador son pequeñas. (fig. 1). (T) Motor 2940 r.p.m 4800 r.p.m Alternador 7350 r.p.m 12000 r.p.m (r.p.m) Fig. 1. Disminución del par para alcanzar las 4800 r.p.m. Como resultado, el factor de desmultiplicación de la transmisión debe de ser: i≤ N ALTR . 7350r . p.m = = 2.5 nMOT 2940r . p.m Por otra parte, se determina el diámetro de la polea del motor conociendo el diámetro de la polea del alternador trifásico, la cual, ya viene impuesta (60 mm): DMOT = N ALT .D ALT 7350r . p.m ⋅ 60mm = = 150 mm nMOT 2940r. p.m Por lo tanto, tenemos: • Diámetro de la polea del alternador = 60 mm. • Diámetro de la polea del motor = 150 mm. Memoria de Cálculos 2 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Para especificar la velocidad a la que girará el motor, se tiene que introducir en el parámetro P005, del variador de frecuencia, una consigna de frecuencia. Para mantener una determinada velocidad en el motor (y por lo tanto en el alternador), la consigna de frecuencia a introducir será distinta en función de la carga (1.4, 0.93, 0.7, 0.56 y 0.46?) que se encuentre conectada a la salida del alternador, ya que, cada carga presenta un par resistente diferente y por lo tanto un deslizamiento (S) distinto cuando son activadas. Esta dependencia viene expresada por: N ALTR . = 2,5.nMOT . = ( S + 1). 120. f s P N ALTR . = velocidad del alternador. n MOT. = velocidad del motor. S = deslizamiento del motor. fs = consigna de frecuencia. P = número de polos del motor. Para poder saber que deslizamiento se tiene en una determinada velocidad y resistencia de carga, se debe de conocer la consigna de frecuencia que se necesita para obtener dicha velocidad en el alternador ( fs , N ALTR . ). Para realizar este paso, se utiliza un tacómetro óptico situado en el eje del alternador, mediante el cual, se obtiene una lectura fiable de la velocidad y permite poder seleccionar la consigna de frecuencia idónea. Una vez se obtiene el factor de deslizamiento, es fácil saber que consigna de frecuencia se necesita, con ese valor de carga, para obtener una determinada velocidad: fs= N ALTR . . P ( S + 1).120 El factor de deslizamiento para una determinada carga no es el mismo para todas las velocidades (1000 r.p.m – 12000 r.p.m), por lo tanto, mediante el uso del tacómetro óptico se ha podido verificar que para el rango de velocidades de 1000 r.p.m – 3000 r.p.m , es válido utilizar el factor de deslizamiento que se obtiene con la velocidad de 1000 r.p.m, y para el rango de 4000 r.p.m –12000 r.p.m es válido utilizar el factor de deslizamiento que se obtiene con la velocidad de 4000 r.p.m. A continuación se presentan los cálculos necesarios para obtener la consigna de frecuencia idónea, para cada resistencia de carga que posee el alternador: Memoria de Cálculos 3 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • 1.4? Rango: 1000 – 3000 (r.p.m) N ALTR . = 2,5.nMOT . = ( S + 1). 120. f s P 120. 5, 4 ⇒ S = 2, 086 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . . 2 fs= ( 2,086 + 1).120 1000 = ( S + 1) fs = N ALTR. .5,4.10−3 Rango: 4000 – 12000 (r.p.m) N ALTR . = 2,5.nMOT . = ( S + 1). 120. f s P 120.20,7 ⇒ S = 2, 223 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . . 2 fs= ( 2,223 + 1).120 4000 = ( S + 1) fs = N ALTR..5,17.10−3 Memoria de Cálculos 4 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • 0.93? Rango: 1000 – 3000 (r.p.m) N ALTR . = 2, 5.n MOT . = ( S + 1). 120. f s P 120. 5,6 ⇒ S = 1,976 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . .2 fs= (1,976 + 1).120 1000 = ( S + 1) fs = N ALTR. .5,6.10−3 Rango: 4000 – 12000 (r.p.m) N ALTR . = 2, 5.nMOT . = ( S + 1). 120. f s P 120.21,1 ⇒ S = 2,156 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . .2 fs= ( 2,156 + 1).120 4000 = ( S + 1) fs = N ALTR. .5,28.10−3 Memoria de Cálculos 5 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • 0.7? Rango: 1000 – 3000 (r.p.m) N ALTR . = 2, 5.n MOT . = ( S + 1). 120. f s P 120. 5,7 ⇒ S = 1,923 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . .2 fs= (1,923 + 1).120 1000 = ( S + 1) fs = N ALTR. .5,7.10−3 Rango: 4000 – 12000 (r.p.m) N ALTR . = 2, 5.nMOT . = ( S + 1). 120. f s P 120.21,1 ⇒ S = 2,156 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . .2 fs= ( 2,156 + 1).120 4000 = ( S + 1) fs = N ALTR. .5,28.10−3 Memoria de Cálculos 6 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • 0.56? Rango: 1000 – 3000 (r.p.m) N ALTR . = 2, 5.n MOT . = ( S + 1). 120. f s P 120. 5,8 ⇒ S = 1,873 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . .2 fs= (1,873 + 1).120 1000 = ( S + 1) fs = N ALTR. .5,8.10−3 Rango: 4000 – 12000 (r.p.m) N ALTR . = 2, 5.nMOT . = ( S + 1). 120. f s P 120.21,1 ⇒ S = 2,156 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . .2 fs= ( 2,156 + 1).120 4000 = ( S + 1) fs = N ALTR. .5,28.10−3 Memoria de Cálculos 7 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • 0.46? Rango: 1000 – 3000 (r.p.m) N ALTR . = 2, 5.n MOT . = ( S + 1). 120. f s P 120. 5,9 ⇒ S = 1,824 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . .2 fs= (1,824 + 1).120 1000 = ( S + 1) fs = N ALTR. .5,9.10−3 Rango: 4000 – 12000 (r.p.m) N ALTR . = 2, 5.n MOT . = ( S + 1). 120. f s P 120.21, 2 ⇒ S = 2,144 2 N ALTR . . 2 fs= ( S + 1).120 N ALTR . .2 fs= ( 2,144 + 1).120 4000 = ( S + 1) fs = N ALTR. .5,301.10−3 Memoria de Cálculos 8 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Las consignas de frecuencia necesarias para cada carga y velocidad que se necesitan, se resumen en la siguiente tabla: Consigna de frecuencia (Hz) L H 1.4? 0.93? 0.7? 0.56? 0.46? 5.4 10.6 15.9 5.6 11.2 16.8 5.7 11.4 17.1 5.8 11.6 17.4 5.9 11.8 17.7 r.p.m alter. 1000 2000 3000 20.7 25.9 31 36.1 41.3 46.5 51.7 56.8 62 21.1 26.4 31.6 36.9 42.2 47.5 52.8 58 63.3 21.1 26.4 31.6 36.9 42.2 47.5 52.8 58 63.3 21.1 26.4 31.6 36.9 42.2 47.5 52.8 58 63.3 21.2 26.5 31.8 37.1 42.4 47.7 53 58.3 63.6 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 L ⇒ x5,4. 10 −3 L ⇒ x5,6.10 −3 H ⇒ x5,17. 10 −3 H ⇒ x5,28.10 − 3 Memoria de Cálculos L ⇒ x5,7.10 −3 L ⇒ x5,8. 10 −3 L ⇒ x 5,9.10 − 3 H ⇒ x5,28.10 − 3 H ⇒ x5,28.10 − 3 H ⇒ x5,301.10 − 3 9 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.2.3 – RESISTENCIAS DE CARGA. El alternador trifásico utilizado proporciona en su salida una tensión de 40V y una intensidad máxima de 90A. Con estos valores de tensión y intensidad se consigue, mediante doce resistencias bobinadas cementadas de 1.4 Ω , un total de cinco valores de resistencia. A continuación se muestran los siguientes cálculos, para determinar la corriente que circula en los cinco valores de resistencia: 15A 15A S1 15A 15A 15A 15A 90A S2 S3 S4 • 1.4? ⇒ S1 off, S2 off, S3 off, S4 off 1 1 1 = + ⇒ Re q = 1, 4Ω Re q 2,8 2,8 V 40V I= = = 28, 571 ≈ 30 A Re q 1, 4Ω • 0.93? ⇒ S1 on, S2 off, S3 off, S4 off 1 1 1 1 = + + ⇒ Re q = 0,93Ω Re q 2,8 2,8 2,8 V 40V I= = = 43, 01 ≈ 45 A Re q 0,93Ω Memoria de Cálculos 10 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • 0.7? ⇒ S1 on, S2 on, S3 off, S4 off 1 1 1 1 1 = + + + ⇒ Re q = 0, 7Ω Re q 2,8 2,8 2,8 2,8 V 40V I= = = 57,142 ≈ 60 A Re q 0,7Ω • 0.56? ⇒ S1 on, S2 on, S3 on, S4 off 1 1 1 1 1 1 = + + + + ⇒ Re q = 0,56Ω Re q 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8 V 40V I= = = 71, 42 ≈ 75 A Re q 0,56Ω • 0.56? ⇒ S1 on, S2 on, S3 on, S4 on 1 1 1 1 1 1 1 = + + + + + ⇒ Re q = 0, 46Ω Re q 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8 V 40V I= = = 85,726 ≈ 90 A Re q 0,46Ω Por lo tanto, por cada rama formada por dos resistencias de 1.4? circula una corriente aproximada de 15 A, como puede verse a continuación: I= V 40V = = 14, 28 ≈ 15 A R 2,8Ω La potencia de cada resistencia de 1.4? , debe de ser: V R = I R . R = 15A.1,4Ω = 21V PR = V R .I R = 21V . 15A = 315W Memoria de Cálculos 11 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción La resistencia que cumple estas características eléctricas es el modelo RHP 30x265 SAC 1.4 Ω 10% 315W de la marca ECOMSA. Los cables para realizar las conexiones entre estas resistencias de 1.4 Ω , presentan la siguiente sección: S= r0 .L .I UV = 0,0178.1m.15 A = 0, 66 ≈ 0,75mm 2 0, 4V S = Sección del cable. r0 = Resistencia especifica del cobre. L = Longitud del cable. I = Intensidad del cable. U V = Caída de tensión admisible. y los cables de retorno, por donde circula un máximo de 90A, presentan la siguiente sección: S= r0 .L .I UV = 0,0178. 1m. 90A = 4 ≈ 5mm 2 0,4V S = Sección del cable. r0 = Resistencia especifica del cobre. L = Longitud del cable. I = Intensidad del cable. U V = Caída de tensión admisible. Memoria de Cálculos 12 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.3.0 – CIRCUITO DE CONTROL DE LAS CARGAS. 2.3.1 – DRIVER DE MOSFETS. El driver de MOSFETS que se emplea es TC427 con un encapsulado PDIP de 8 pines. Este driver no necesita ningún componente externo para su funcionamiento. El driver TC427 empleado, dispone de unos tiempos de conmutación muy aceptables para el propósito del proyecto. Siendo estos de: • Tiempo de subida = Tiempo de bajada = 30 ns. • Tiempo de retardo máximo = 75 ns. Este driver se alimenta a una tensión de trabajo de 12 V proveniente de una fuente de tensión del laboratorio. El principal objetivo de la inserción del driver es conseguir unos niveles aceptables de tensión, sobre las señales que proporcionan los interruptores, para excitar los MOSFETS adecuadamente. Según las hojas de características del dual driver, el consumo aproximado para una alimentación de 12V es de 32 mW. 2.3.2 – MOSFETS DE POTENCIA. Los MOSFETS de potencia empleados son los IXTH75N10 con unos encapsulados TO_247AD. Son los encargados de activar las distintas cargas mediante una configuración “ LOW_SIDE”. En las puertas de los MOSFETS, encontramos unos componentes de protección denominados diodos zener. Estos diodos zener tienen como misión recortar los picos de sobre tensión que puedan haber en las puertas de los MOSFETS, protegiéndolos así de cualquier anomalía en las señales. Estos componentes recortan las tensiones de sobre pico a partir de 15V. Estos MOSFETS soportan tensiones de drenador_surtidor de 70V y corrientes de hasta 76A. Pero la gran ventaja de estos dispositivos son los tiempos de conmutación ( máx = 145ns) y la pequeña resistencia de drenador_surtidor de que disponen (0.011O). A continuación se hace un pequeño estudio de las potencias que han de suministrar los MOSFETS, teniendo en cuenta la potencia de conmutación y la potencia estacionaria de los dispositvos. La intensidad máxima que circula por cada carga a controlar es de 15A. Se toman los tiempos de conmutación de los MOSFETS de Tr ˜ Tf ˜ 150ns según los datos facilitados por el fabricante. La resistencia de drenador_surtidor tiene un valor típico de 0.011O a una temperatura de la unión de 25ºC, pero como el circuito de control de las cargas está pensado para trabajar a temperaturas más elevadas se estima una temperatura de la unión del MOSFET de 100ºC. En este caso, la resistencia drenador_surtidor según los ábacos del fabricante es de 0.0165O. Memoria de Cálculos 13 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Diseño del disipador: Pd = Io 2 × D × Ro = (15 A) ×1× 0.0165Ω = 3, 712W 2 Pr = 1 1 × Io × Vdc × Tr × f = × 15 A × 12V × 150ns × 14.7 KHz = 0.06W 6 6 Si se aproxima PSW = 2 * Pr, se tiene que: P total = Pd + PSW = Pd + 2 * Pr = 3,721W + 2 * 0,06W = 3,85W. Por lo tanto se tiene que los MOSFETS han de ser capaces de soportar potencias de P Total = 3,85 W En el caso de que los MOSFETS no llevaran un disipador de potencia, la resistencia unión_ambiente (Rja) es de 42ºC/W para los encapsulados TO_247AD. Como queremos que trabajen con una temperatura máxima de unión de 100ºC y una temperatura ambiente aproximada de 25ºC, en estas condiciones y sin disipador, los MOSFETS empleados solo nos podrían proporcionar 1,78W. Se justifica de la siguiente manera: T = Tj – Ta = W * Rja 100 – 25ºC = W * 42ºC/W ? W =1,78 W Por lo tanto, para garantizar que los MOSFETS puedan suministrar los 3.85 W sin ningún problema de sobre temperatura de los mismos, se acopla a cada uno un disipador de potencia que garantice el correcto funcionamiento del sistema. A continuación se presenta el cálculo empleado para determinar la resistencia disipador_ambiente de los disipadores empleados. La máxima temperatura de la unión permitida por el fabricante es de 175 ºC, de esta forma tenemos que: T = Tj – Ta = W (Rjc + Rcd + Rda) De donde W representa la potencia en watios que disipará el componente. Rjc: Resistencia unión_ cápsula, este dato viene dado en los manuales y depende del tipo de encapsulado utilizado. Memoria de Cálculos 14 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Rcd: Resistencia cápsula_ disipador, depende del encapsulado y el aislamiento del disipador, si lo hay. Rda: Resistencia disipador_ ambiente. Esta es la resistencia que buscamos. Por lo tanto: Tj = 150ºC, pero para trabajar con un margen de seguridad la hacemos de 100ºC. En la temperatura ambiente se toma el valor típico de 25 ºC. Se utiliza un disipador con un film aislante de Rcd = 0.25 º/W. Y del datasheet se obtiene que Rjc = 0.42 ºC/W. De esta manera ya podemos calcular los disipadores que necesitamos. De la ecuación anterior despejamos Rda y se obtiene que : Rda = [( Tj – Ta) / W ] – Rjc – Rcd = [(100-25)/ 3,85]- 0,42 -0.25 ˜ 18,81 ºC/W Por lo tanto introduciendo dos disipadores de potencia de 18,81ºC/W de reistencia disipador_ambiente, ya garantizamos que los MOSFETS nos proporcionen la potencia de 3,85 W sin llegar a temperaturas críticas para los mismos. 2.3.3 – SISTEMA DE ALIMENTACIÓN. La alimentación del circuito se obtiene a partir de una fuente de tensión de laboratorio, ajustada a una tensión de 12V. Esta tensión es directamente utilizada para alimentar los MOSFETS de potencia y su driver asociado. Pero para alimentar al resto del circuito necesitamos niveles de tensión más bajos, concretamente de 5V. Para obtener esta tensión se utiliza un regulador lineal de tensión denominado LM7805 con un encapsulado TO_220. Este circuito integrado es capaz de proporcionar una tensión de 5 V muy estable solo con la condición de tener en su entrado una tensión superior a 7 V e inferior a 25 V. Por tal de proporcionar una seguridad adicional ante posibles sobre picos de tensiones a la entrada de este regulador lineal, se incorpora un diodo zener. Este diodo zener tiene como objetivo, recortar las tensiones de sobre pico a partir de 15V. Aunque el regulador lineal es capaz de soportar tensiones máximas de 25V, se aconseja introducir estos dispositivos de seguridad ya que es posible la aparición de transitorios con un nivel de voltaje superior al máximo. También se pueden encontrar dos condensadores C1 de 0.22uF y C2 de 0.1uF conectados a la entrada y la salida del regulador lineal, respectivamente. Memoria de Cálculos 15 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Estos condensadores de Bypass, son recomendables para optimizar la respuesta a los transitorios y la estabilidad. Deben estar situados lo más próximo posible al regulador. Por último se hace un estudio de la potencia que ha de soportar el regulador lineal: La caída de tensión en bornes al regulador lineal será de: V regulador = Vin – Vout , siendo Vout la constante de salida de 5V. Por lo tanto se tiene que: V regulador máx. = 12 V – 5 V = 7 V Ahora la incógnita que nos queda resolver para determinar la potencia que ha de soportar, es determinar la corriente que proporciona a los componentes que están conectados a él. Este parámetro se obtiene haciendo una medida directa sobre el circuito, obteniendo un resultado de 200mA aproximadamente. De esta manera se obtiene que la potencia del regulador lineal es igual a: P regulador = V regulador * I regulador = 7 V * 200mA = 1.4W Diseño del disipador: A continuación se determina la potencia máxima que el regulador lineal puede entregar sin más disipación de potencia que su cápsula (Rja = 65ºC/W): La máxima temperatura de la unión del componente se sitúa en 150ºC, pero se toma un valor de 100ºC para trabajar con un margen de seguridad. La temperatura ambiente del dispositivo se considera de 25ºC aproximadamente. De esta forma se tiene que: T = Tj – Ta = W * Rja 100 – 25ºC = W * 65ºC/W ? W =1.1W Por lo tanto se observa la necesidad de incorporar un disipador de potencia en el regulador lineal, por tal de poder proporcionar los 1,4W sin llegar a la temperatura máxima de unión del dispositivo ya que sin él solo puede llegar a un máximo de 1.1W. Este disipador de potencia ha de garantiza el buen funcionamiento del regulador lineal y se calcula mediante las siguiente fórmulas. T = Tj – Ta = W (Rjc + Rcd + Rda) De donde W representa la potencia en watios que disipará el componente. Rjc: Resistencia unión_ cápsula, este dato viene dado en los manuales y depende del tipo de encapsulado utilizado. Memoria de Cálculos 16 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Rcd: Resistencia cápsula_ disipador, depende del encapsulado y el aislamiento del disipador, si lo hay. Rda: Resistencia disipador_ ambiente. Esta es la resistencia que buscamos. Por lo tanto tenemos que : Tj = 150ºC, pero para trabajar con un margen de seguridad lo hacemos de 100ºC. En la temperatura ambiente se toma el valor típico de 25 ºC. Se utiliza un disipador con un film aislante de : Rcd = 0,25 º/W. Y del datasheet se obtiene que : Rjc = 5 ºC/W De esta manera ya podemos calcular el disipador que necesitamos. De la ecuación anterior despejamos Rda, que es la incógnita que buscamos y se obtiene que: Rda = [( Tj – Ta) / W ] – Rjc – Rcd = [(100-25)/ 1,4]- 5 –0,25 ˜ 48,32 ºC/W Por lo tanto se incorpora al regulador lineal un disipador de potencia con la reistencia disipador_ambiente calculada. 2.3.4 – POLARIZACIÓN DE LOS DIODOS LED. Cada uno de los diodos LED están polarizados mediante una resistencia de 1k?. Este valor se obtiene cuando se fija una tensión de 1.5V en el diodo LED y una corriente máxima de 3.5 mA. Esta corriente es suficiente para iluminar con claridad los diodos. A continuación se muestra la expresión para obtener dicho valor de resistencia: RPd = Memoria de Cálculos 5V − 1,5V = 1kΩ 3, 5mA 17 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.4.0 – REALIZACIÓN DE MEDIDAS. En este apartado se comentan los resultados obtenidos tras la realización de las medidas necesarias para ajustar el modelo en SABER del alternador trifásico de 40V. A continuación, se muestran las medidas realizadas, las cuales, se detallan en profundidad en las siguientes páginas: • Curvas paramétricas del alternador en régimen estacionario. • Curvas paramétricas del alternador en régimen estacionario, a distinto nivel de carga en la batería. • Transitorio de la intensidad de salida del alternador cuando se le varía la carga, con ∆ Ia una velocidad constante.( ω = cte ) ∆R • Transitorio de la intensidad de salida del alternador cuando se le varía la velocidad, ∆Ia con una carga constante.( R = cte ) ∆ω 2.4.1 – CURVAS PARAMÉTRICAS DEL ALTERNADOR EN RÉGIMEN ESTACIONARIO. Las curvas características representan el comportamiento típico de un alternador a distintas velocidades de rotación. Cuando el alternador es llevado por el motor eléctrico desde el reposo a la velocidad máxima de rotación, dicho alternador pasa por determinados puntos de revoluciones que reciben cada uno la correspondiente designación y que son de particular importancia para comprender el alternador. Un alternador regulado a un voltaje concreto, puede ser caracterizado por la cantidad de corriente que pude producir, girando a una velocidad especifica. Concretamente, se caracterizan por el voltaje al cual están regulados, y por la máxima cantidad de corriente que son capaces de producir a bajas y altas velocidades de rotación. De estos datos, se pueden derivar los parámetros K (constante), Rs (resistencia del estator), Ls (inductancia del estator) y Rf (campo resistivo) para el modelo en SABER del alternador trifásico. Las curvas características del alternador se refiere siempre a unas temperaturas exactamente definidas y a una tensión constante del alternador (40V). Se obtienen las curvas características del alternador para las cinco resistencias de carga disponibles (1.4, 0.93, 0.7, 0.56, 0.47 ? ). Otra información de interés que podemos obtener, es la corriente de excitación (Iex) que necesita el alternador para cada velocidad y valor de resistencia de carga. Por lo tanto, para obtener toda la información necesaria se procederá de la misma manera para todos los valores de resistencia de carga: Memoria de Cálculos 18 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Medida de Ia: Se hace uso de un osciloscopio Tektronix TDS3012B, el cual, permite grabar las medidas en un disco. Utilizando uno de sus canales para medir la tensión que cae en la resistencia de carga, se obtiene la corriente de salida del alternador (Ia), ya que, el valor de Ia será el valor de la tensión medida en la resistencia dividido por el valor de la carga correspondiente ( Ia = VR / R). Medida de Iex: Mediante el otro canal disponible del osciloscopio y una sonda de corriente situada en la fuente de tensión, que se utiliza para excitar el alternador, se obtiene la Iex. De esta corriente de excitación es interesante su valor instantáneo(Iex) y su valor medio ( Iex ), los cuales, se obtienen directamente utilizando las funciones que posee el osciloscopio. En la siguiente tabla, aparecen los resultados sobre el valor medio de la corriente de excitación, el valor medio de la corriente de salida del alternador y la tensión en la carga: Iex(A) Va(V) Ia(A) Iex(A) 0.93 Va(V) Ia(A) Resist. Iex(A) carga 0.7 Va(V) (ohms) Ia(A) Iex(A) 0.56 Va(V) Ia(A) Iex(A) 0.46 Va(V) Ia(A) 1.4 0 3.75 0 0 3.75 0 0 3.75 0 0 3.75 0 0 3.75 0 0 1000 3.75 16.5 11.79 3.41 15 16.13 3.42 13.9 19.86 3.41 13.1 23.39 3.65 12.7 27.61 2000 3.69 31.8 22.71 3.38 29 31.18 3.38 26.5 37.86 3.38 24.9 44.46 3.36 23.4 50.87 3000 1.3 38.7 27.64 2.08 37.3 40.11 2.88 35.7 51.00 3.29 33 58.93 3.33 30.7 66.74 4000 0.811 38.7 27.64 1.12 37.4 40.22 1.99 36.2 51.71 3.1 36.6 65.36 3.27 33.1 71.96 5000 0.612 38.7 27.64 1.01 37.7 40.54 1.52 36.4 52.00 2.48 35.2 62.86 2.73 34.6 75.22 Velocidad alternador(r.p.m) 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 0.506 0.383 0.449 0.514 0.38 0.338 0.441 38.7 38.6 38.6 38.7 38.7 38.6 39.1 27.64 27.57 27.57 27.64 27.64 27.57 27.93 1.01 0.523 0.952 0.417 0.834 0.46 0.715 37.7 37.3 37.4 37.9 38.6 37.5 37.6 40.54 40.11 40.22 40.75 41.51 40.32 40.43 1.21 1.34 0.792 0.599 0.972 0.983 0.984 36.5 38 36.1 36.8 36.7 36.6 37.1 52.14 54.29 51.57 52.57 52.43 52.29 53.00 2.09 1.62 1.44 2.05 1.47 1.84 1.46 36.1 35.9 36.4 36.6 36.6 36.3 36.5 64.46 64.11 65.00 65.36 65.36 64.82 65.18 2.6 2.06 2.16 2.15 1.67 2.38 1.6 35.2 35.3 35.5 35.5 35.9 36.7 36.4 76.52 76.74 77.17 77.17 78.04 79.78 79.13 De estos resultados, se puede ver que en las resistencias de carga de 1.4, 0.93 y 0.7? el alternador alcanza su velocidad nominal cuando gira a una velocidad de ±3000 r.p.m, por lo tanto, a esa velocidad puede suministrar la tensión nominal. Mientras que para las resistencias de 0.56 y 0.46? el alternador tiene que girar a una velocidad de ±6000 r.p.m. para poder suministrar la tensión nominal. Realizando las medidas con el osciloscopio, se puede observar un cierto rizado en la tensión de la resistencia de carga, el cual, es debido al rectificador del alternador. A continuación, se muestran unos ejemplos de las capturas realizadas donde se aprecia la tensión de la resistencia de carga y la corriente de excitación del alternador: Memoria de Cálculos 19 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de 0.46 ?, velocidad de 1000 r.p.m q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc)Escala de 5V/div, 400µs/div. Ch2: Corriente de excitación (Iex). Escala de 2A/div, 400µs/div. En esta gráfica se aprecia el rizado, provocado por el rectificador del alternador, en bornes de la resistencia de carga. Este rizado tiene un valor aproximado de 10 V. Se observa que el valor de tensión en bornes de la resistencia es de 12.7 V, por lo tanto, el alternador todavía no suministra la tensión nominal girando a la velocidad de 1000 rpm. Por otra parte, vemos que la corriente de excitación fluye durante un periodo de tiempo relativamente largo, ya que, el alternador se encuentra a una velocidad de rotación baja. El valor de la corriente de excitación es de 3.65 A, muy cercano al valor máximo que es de 3.75 A. Memoria de Cálculos 20 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de 0.56 ?, velocidad de 4000 r.p.m q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. Ch2: Corriente de excitación (Iex). Escala de 2A/div, 400µs/div. En bornes de la resistencia de carga se puede observar un rizado máximo muy parecido al caso anterior, aproximadamente de 10V de amplitud. Vemos que la tensión tiene un valor de 36.6 V, esto significa que el alternador ya puede suministrar la tensión nominal cuando gira a ésta velocidad. Por otra parte, vemos como la frecuencia de la tensión de salida es aumentada a medida que el alternador gira a más velocidad. Respecto a la corriente de excitación, se aprecia como la tensión del alternador es regulada desconectando y conectando ésta corriente de excitación. La relación entre estos tiempos de conexión y desconexión es determinante para la magnitud de la corriente media de excitación. En este caso tiene un valor de 3.10 A. Memoria de Cálculos 21 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de 0.7 ?, velocidad de 7000 r.p.m q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. Ch2: Corriente de excitación (Iex). Escala de 2A/div, 400µs/div. En esta gráfica el rizado que aparece en la tensión de la carga es menor respecto a los dos casos anteriores. Nuevamente se aprecia como la corriente de excitación es conectada y desconectada para mantener la tensión nominal en la salida del alternador(± 40 V). A un número de revoluciones alto, la corriente de excitación se conecta tan sólo brevemente, y se reduce durante un tiempo relativamente largo, siendo, en este caso, el valor medio de 1.34 A. Memoria de Cálculos 22 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de 0.93 ?, velocidad de 10000 r.p.m q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. Ch2: Corriente de excitación (Iex). Escala de 2A/div, 400µs/div. El valor de la tensión en la carga es de 38.6 V y el rizado que aparece no varia mucho respecto al anterior caso. La corriente de excitación, como es de esperar, se ve reducida a un valor de 834 mA. Memoria de Cálculos 23 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de 1.4 ?, velocidad de 12000r.p.m q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. Ch2: Corriente de excitación (Iex). Escala de 2A/div, 400µs/div. La tensión en la resistencia de carga tiene un valor de 39.1 V donde la frecuencia que aparece es mayor que en todos los casos anteriores. El valor medio de la corriente de excitación es de 441 mA. Según estos valores experimentales obtenidos, la curva característica para todos los valores de resistencia de carga es la siguiente: Memoria de Cálculos 24 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Ia VS rpm 90 80 70 60 Ia(A) 1.4 ohms 50 0.93 ohms 40 0.7 ohms 0.56 ohms 30 0.46 ohms 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 na(rpm) Se puede observar, que para cada valor de resistencia de carga obtenemos un valor máximo de corriente de salida, siendo estos: • Resistencia 1.4O ? Ia máx. ≈ 30A • Resistencia 0.93 O ? Ia máx. ≈ 40A • Resistencia 0.7 O ? Ia máx. ≈ 50A • Resistencia 0.56O ? Ia máx. ≈ 65A • Resistencia 0.46O ? Ia máx. ≈ 80A Por otra parte, la curva que relaciona la corriente de excitación respecto la velocidad del alternador, para todos los valores de resistencia de carga, es la siguiente: Memoria de Cálculos 25 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Iex VS na 4 3.5 3 1.4 ohms 2.5 0.93 ohms Iex(A) 2 0.7 ohms 0.56 ohms 1.5 0.46 ohms 1 0.5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 na(rpm) En esta gráfica se aprecia como el valor medio de la corriente de excitación se ve disminuido cuando la velocidad de rotación del alternador es mayor. La corriente de excitación será más grande para valores de resistencia de carga más pequeños (0.46? ). Memoria de Cálculos 26 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.4.2 – CURVAS PARAMÉTRICAS DEL ALTERNADOR EN RÉGIMEN ESTACIONARIO, A DISTINTO NIVEL DE CARGA EN LA BATERÍA. Este ensayo, es de especial interés para comprender el comportamiento del alternador trifásico frente a distintos niveles de carga en la batería del vehículo, ya que, este nivel de carga no será constante, sino que, se moverá dentro de un determinado margen de tensión. En este apartado, veremos la corriente de excitación (Iex) del alternador trifásico para distintas velocidades de rotación y para un distinto nivel de carga en la batería. Estos distintos niveles de carga serán los siguientes: • Batería cargada: Vx = 38.29 V. • Batería algo descargada: Vx = 37.3 V. Estos valores se obtienen midiendo con un voltímetro en bornes de la batería, estando ésta en circuito abierto. Para conocer la resistencia interna (Rx) que presenta la batería, para ambos casos de nivel de carga, se ha optado por conectar una resistencia de 1.4O en sus bornes, como se muestra a continuación: Los resultados obtenidos para ambos niveles de carga son: § Batería cargada: En este caso la batería presenta una tensión en circuito abierto ( Vx) de 38.29 V, y la tensión en bornes de la resistencia (VR) de 1.4 O es de 34.65 V. Estos dos valores se obtienen directamente mediante un voltímetro. Conociendo estos dos parámetros, realizamos el siguiente cálculo: Ic = Rx = Memoria de Cálculos VR 34.65 = = 24.75 A R 1.4Ω Vx − VR 38.29V − 34. 65V = = 0.147O Ic 24. 75 A 27 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción § Batería algo descargada: Mediante el uso del voltímetro, obtenemos los valores de Vx = 37.3 V y VR = 33.7 V. La resistencia interna de la batería, en este caso, es de: Ic = Rx = VR 33. 7 = = 24. 07 A R 1. 4Ω Vx − VR 37. 3V − 33.7V = = 0.149O Ic 24.07 A A través de los resultados extraídos, se puede aproximar Rx al valor resistivo de: Rx = 0.147Ω + 0. 149Ω = 0.148O 2 Para obtener las medidas utilizaremos el osciloscopio Tektronix TDS3012B. Mediante el canal uno se visualiza la tensión en la salida del alternador trifásico y mediante el canal dos visualizamos la corriente de excitación. Para realizar las medidas, con ambos estados de carga en la batería, utilizaremos dos valores de resistencia de carga. Estos valores son de 0.46 y 1.4 ohmios. A continuación, se muestran unos ejemplos de las capturas realizadas: Memoria de Cálculos 28 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • 0.46 ohmios - 12000 r.p.m o Batería algo descargada: q q Ch1: Tensión en la batería (VB ). Escala de 10V/div, 400µs/div. Ch2: Corriente de excitación (Iex). Escala de 5A/div, 400µs/div. En esta captura, se aprecia una tensión de 35.9 V en la salida del alternador, y una corriente de excitación de 2.07 A. Memoria de Cálculos 29 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción o Batería cargada: q q Ch1: Tensión en la batería (VB ). Escala de 10V/div, 400µs/div. Ch2: Corriente de excitación (Iex). Escala de 5A/div, 400µs/div Aquí se puede ver que la corriente de excitación disminuye, concretamente a un valor de 1.51 A, respecto al caso anterior. Por otro lado, también disminuye ligeramente la amplitud y se aumenta la frecuencia del rizado que presenta la tensión de salida del alternador. Memoria de Cálculos 30 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • 1.4 ohmios – 12000 r.p.m o Batería algo descargada: q q Ch1: Tensión en la batería (VB ). Escala de 10V/div, 400µs/div. Ch2: Corriente de excitación (Iex). Escala de 5A/div, 400µs/div. En este caso, tenemos una tensión en la salida del alternador de 38.4 V y una corriente de excitación de 750 mA. Memoria de Cálculos 31 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción o Batería cargada: q q Ch1: Tensión en la batería (VB ). Escala de 10V/div, 400µs/div. Ch2: Corriente de excitación (Iex). Escala de 5A/div, 400µs/div. Se aprecia, nuevamente, una clara disminución de la corriente de excitación, siendo ahora del valor de 40.2 mA. Además, vemos con más claridad respecto al anterior valor de carga (0.46 O), como se ve reducida la amplitud y aumenta la frecuencia del rizado en la tensión de salida. En resumen, se puede ver que a medida que el nivel de carga en la batería aumenta, la frecuencia del rizado en la salida del alternador aumenta y la amplitud se ve disminuida, así como también, la corriente de excitación disminuye. Memoria de Cálculos 32 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Para una mayor comprensión de los resultados obtenidos, se presentan los valores de la corriente de excitación, mediante el uso de tablas y gráficas: • Batería algo descargada: Batería algo descargada Iex(A) 1.4 ohmios 0.46 ohmios 3.75 3.75 3.02 3.25 3.12 3.38 2.61 3.35 1.27 3.29 1.23 3.07 0.972 2.79 1.04 2.65 0.9 2.43 0.933 2.31 0.937 2.13 0.602 2.14 0.75 2.07 r.p.m. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 Iex VS na (batería algo descargada) 4 3.5 3 2.5 1.4 ohms Iex (A) 2 0.46 ohms 1.5 1 0.5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 na (rpm) Memoria de Cálculos 33 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Batería cargada: Batería cargada Iex(A) 1.4 ohmios 0.46 ohmios 3.75 3.75 3.1 2.97 3.01 2.93 1.57 2.86 0.667 2.87 0.571 2.49 0.409 2.27 0.302 2.02 0.519 1.88 0.194 1.75 0.092 1.75 0.309 1.61 0.04 1.51 r.p.m. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 Iex VS na (batería cargada) 4 3.5 3 2.5 Iex (A) 1.4 ohms 0.46 ohms 2 1.5 1 0.5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 na (rpm) Memoria de Cálculos 34 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.4.3 - TRANSITORIO DE LA INTENSIDAD DE SALIDA DEL ALTERNADOR CUANDO SE LE VARÍA LA CARGA, CON UNA VELOCIDAD ∆ Ia CONSTANTE.( ω = cte ) ∆R En un vehículo, existen diferentes cargas que el alternador debe de alimentar cuando son activadas. Cuando se activan una serie de cargas, aparecen unos transitorios de intensidad en la salida del alternador, los cuales, deben de ser conocidos para garantizar un correcto funcionamiento del sistema. En este apartado se pretende ver el transitorio de intensidad que presenta la salida del alternador, cuando pasamos de una carga de 0.46 ohmios a otra de 0.7ohmios con una velocidad de rotación del alternador constante. Para realizar este cambio de resistencia de carga, primero se activan los interruptores S1, S2 y S5 de la placa de control de las cargas. Como el interruptor S5 tiene prioridad respecto a los demás, tendremos los 0.46 ohmios de resistencia de carga en la salida. Para obtener la resistencia de carga de 0.7 ohmios solo hace falta desactivar el interruptor S5, quedando activados los interruptores S1 y S2, los cuales, proporcionan dicha resistencia de carga. Esta medida se realizará para distintas velocidades de rotación del alternador, concretamente para 1000, 3000, 5000, 8000, 10000 y 12000 rpm. Para realizar las medidas utilizaremos el osciloscopio Tektronix TDS3012B, conectando el canal 1 en paralelo con la resistencia de carga. Los valores a capturar serán la tensión promedio y la tensión máxima. A continuación se muestran las gráficas capturadas: Memoria de Cálculos 35 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Velocidad de 1000 rpm q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. En esta gráfica vemos que mientras está conectada la resistencia de carga de 0.46 ohmios, la tensión en bornes de ésta es de 13V. Cuando pasamos a conectar la carga de 0.7 ohmios, aparece un pico de tensión máximo de 38.8 V, el cual, dura un periodo de tiempo de aproximadamente 240 µs. Cuando llega al régimen estacionario, la tensión que aparece en bornes de la resistencia de carga de 0.7 ohmios es de 14 V. Por lo tanto, la intensidad inicial, con la resistencia de 0.46 ohmios, tiene un valor de: I Inicial = V Inicial 13V = = 28 .26 A Rc 0.46 Ω En la transición del valor de la resistencia de carga, aparece una intensidad de pico de: I pico = V pico Rc = 38.8V = 55. 42 A 0.7Ω y el valor de la intensidad final, con la resistencia de 0.7 ohmios, es de: I Final = V Final 14V = = 20 A Rc 0.7Ω A partir de estos resultados, se concluye que el transitorio de intensidad es el siguiente: I pico − I Inicial = 55.42 A − 28.26 A = 27.16 A Memoria de Cálculos 36 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Velocidad de 3000 rpm q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. Procediendo de la misma manera para el resto de las pruebas, tenemos que para este caso la intensidad inicial, con la resistencia de 0.46 ohmios, tiene un valor de: I Inicial = V Inicial 30 . 7V = = 66 .73 A Rc 0.46 Ω En la transición del valor de la resistencia de carga, aparece una intensidad de pico de: I pico = V pico Rc = 71. 4V = 102 A 0. 7Ω y el valor de la intensidad final, con la resistencia de 0.7 ohmios, es de: I Final = V Final 36V = = 51 .42 A Rc 0.7Ω En este caso, el transitorio de intensidad es el siguiente: I pico − I Inicial = 102 A − 66. 73A = 35.27 A Memoria de Cálculos 37 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Velocidad de 5000 rpm q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. Vemos que la intensidad inicial, con la resistencia de 0.46 ohmios, tiene un valor de: V Inicial 35V = = 76 .08 A Rc 0.46 Ω En la transición del valor de la resistencia de carga, aparece una intensidad de pico de: I Inicial = I pico = V pico Rc = 73. 8V = 105.42 A 0. 7Ω y el valor de la intensidad final, con la resistencia de 0.7 ohmios, es de: I Final = V Final 37V = = 52 .85 A Rc 0.7Ω A partir de estos resultados, se concluye que el transitorio de intensidad es el siguiente: I pico − I Inicial = 105.42 A − 76.08 A = 29.34 A Memoria de Cálculos 38 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Velocidad de 8000 rpm q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. Vemos que la intensidad inicial, con la resistencia de 0.46 ohmios, tiene un valor de: V Inicial 35. 5V = = 77 .17 A Rc 0.46 Ω En la transición del valor de la resistencia de carga, aparece una intensidad de pico de: I Inicial = I pico = V pico Rc = 74. 8V = 106.85 A 0. 7Ω y el valor de la intensidad final, con la resistencia de 0.7 ohmios, es de: I Final = V Final 36 .1V = = 51 . 57 A Rc 0.7Ω Por tanto, el transitorio de intensidad es el siguiente: I pico − I Inicial = 106.85 A − 77. 17 A = 29.68 A Memoria de Cálculos 39 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Velocidad de 10000 rpm q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. Se puede apreciar que la intensidad inicial, con la resistencia de 0.46 ohmios, tiene un valor de: I Inicial = V Inicial 36V = = 78 .26 A Rc 0.46 Ω En la transición del valor de la resistencia de carga, aparece una intensidad de pico de: I pico = V pico Rc = 72. 8V = 104 A 0. 7Ω y el valor de la intensidad final, con la resistencia de 0.7 ohmios, es de: I Final = V Final 36 .7V = = 52. 42 A Rc 0.7Ω A partir de estos resultados, se concluye que el transitorio de intensidad es el siguiente: I pico − I Inicial = 104 A − 78. 26 A = 25.74 A Memoria de Cálculos 40 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Velocidad de 12000 rpm q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400µs/div. Para esta última velocidad vemos que la intensidad inicial, con la resistencia de 0.46 ohmios, tiene un valor de: I Inicial = V Inicial 36. 4V = = 79 .13 A Rc 0.46 Ω En la transición del valor de la resistencia de carga, aparece una intensidad de pico de: I pico = V pico Rc = 75V = 107.14 A 0. 7Ω y el valor de la intensidad final, con la resistencia de 0.7 ohmios, es de: I Final = VFinal 37 . 1V = = 53 A Rc 0.7Ω El transitorio de intensidad es de: I pico − IInicial = 107.14 A − 79. 13A = 28.01 A Memoria de Cálculos 41 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Todos estos valores de interés, se resumen en la siguiente tabla: ?I I inicial I final 1000 rpm 27.16 28.26 20 Memoria de Cálculos 3000 rpm 35.27 66.73 51.42 5000 rpm 29.34 76.08 52.85 8000 rpm 10000 rpm 12000 rpm 29.68 25.74 28.01 77.17 78.26 79.13 51.57 52.42 53 42 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.4.4 - TRANSITORIO DE LA INTENSIDAD DE SALIDA DEL ALTERNADOR CUANDO SE LA VARÍA LA VELOCIDAD, CON UNA CARGA CONSTANTE. ∆Ia ( R = cte ) ∆ω En un vehículo, es de especial interés conocer para garantizar el buen funcionamiento del sistema, el transitorio de corriente que aparece en la salida del alternador , cuando para una carga constante, la velocidad de rotación del alternador varía. En este apartado se pretende ver el transitorio de intensidad que presenta la salida del alternador, cuando pasamos de una velocidad de 2000 rpm a otra de 8000 rpm con una carga constante en la salida del alternador. Para realizar este cambio de velocidad, se utiliza un sencillo circuito formado por tres resistencias y un interruptor. Este circuito se conecta en los bornes 1-4 localizados en el regletero de mando del variador de frecuencia, como a continuación se muestra: P10+ 0V 1 2 Alimentación para entrada analógica AIN+ 3 AIN - 4 Entrada analógica Por lo tanto, para obtener la velocidad de 2000 rpm activaremos el interruptor, y para obtener la velocidad de 8000 rpm desactivaremos el interruptor. Seguidamente se presenta el circuito utilizado y sus cálculos: Para que el variador de frecuencia haga girar el alternador a una velocidad de 8000 rpm, éste necesita en su entrada analógica una tensión de aproximadamente 8.3 V (comprobado mediante una fuente de tensión y un voltímetro). Fijándonos en el circuito cuando el interruptor esta abierto, tenemos las resistencias R1 y R2, donde en la resistencia R2 tiene Memoria de Cálculos 43 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción que caer la tensión de 8.3V. Sabiendo esto, damos un valor resistivo de 1k ? a R1 y a partir de aquí calculamos R2. R2 R2 ⋅ 10V = 8.3V ⇒ = 0.83V ⇒ 0.17 R 2 = 830 ⇒ R 2 = 4. 8kΩ R1 + R 2 1kΩ + R 2 R2 = 4.7 k? Para que el alternador gire a la velocidad de 2000 rpm, el variador de frecuencia debe de tener una tensión de 2.15 V en la entrada analógica. Esto se consigue cerrando el interruptor. Por lo tanto, para calcular R3 tenemos: R 2 // R 3 ⋅ 10V = 2.15V ⇒ 0.785R 2 // R 3 = 215 ⇒ R 2 // R3 = 274Ω R1 + R 2 // R 3 4. 7kΩ. R3 = 274Ω ⇒ R 3 = 290Ω 4.7 kΩ + R3 R3 = 290 ? Estas medidas se realizaran para distintos valores de resistencia de carga, concretamente para 0.46, 0.56, 0.7, 0.93 y 1.4 ? . Para realizar las medidas utilizaremos el osciloscopio Tektronix TDS3012B, conectando el canal 1 en paralelo con la resistencia de carga y el canal 2 conectado en paralelo a la entrada analógica del variador de frecuencia (AIN+ y AIN-). Para obtener los distintos registros, realizamos el disparo del osciloscopio con el canal dos, es decir, cuando pasamos de una tensión de 2.15 V a una tensión de 8.3 V. Seguidamente, se presentan los registros obtenidos para cada uno de los valores de carga: Memoria de Cálculos 44 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de carga de 0.46? q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400ms/div. Ch2: Tensión entrada analógica. Escala de 5V/div, 400ms/div. En este registro se aprecia, que cuando el alternador gira a una velocidad de 2000 r.p.m, en bornes de la resistencia de carga, aparece una tensión de 23.4 V. Cuando pasamos a la velocidad de 8000 r.p.m, desactivando el interruptor, en bornes de la resistencia de carga obtenemos una tensión de 35.5 V cuando se alcanza el régimen estacionario. El tiempo que tarda en alcanzar el régimen estacionario es de aproximadamente 2 s. A partir de estos resultados, se obtiene el transitorio de intensidad: I 2000rpm = I 8000 rpm = VR2000 rpm R VR8000 rpm R 23.4V = 50.86 A 0. 46Ω 35.5V = = 77. 17 A 0. 46Ω = I8000 rpm − I 2000 rpm = 26.31 A Memoria de Cálculos 45 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de carga de 0.56? q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400ms/div. Ch2: Tensión entrada analógica. Escala de 5V/div, 400ms/div. En este caso, obtenemos una tensión de 24.9 V cuando el alternador gira a una velocidad de 2000 r.p.m, y una tensión de 36.4 V cuando gira a una velocidad de 8000 r.p.m. El tiempo que tarda en alcanzar el régimen estacionario es de aproximadamente 1.6 s. Para obtener el transitorio de intensidad, se procede de forma análoga al caso anterior: I 2000rpm = I 8000 rpm VR2000 rpm 24.9V = = 44. 46 A R 0. 56Ω VR8000rpm 36.4V = = = 65 A R 0. 56Ω I8000 rpm − I 2000 rpm = 20.54 A Memoria de Cálculos 46 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de carga de 0.7? q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400ms/div. Ch2: Tensión entrada analógica. Escala de 5V/div, 400ms/div. Como es de esperar, en este caso aparecen unas tensiones en bornes de la resistencia de carga mayores que en los casos anteriores, ya que, a medida que se aumenta la resistencia de carga, mayor es la tensión que cae en ella. Por lo tanto, para una velocidad de 2000 r.p.m la tensión es de 26.5 V, y para una velocidad de 8000 r.p.m la tensión es de 36.1 V. El tiempo que tarda en alcanzar el régimen estacionario es de aproximadamente 1.2 s. Este tiempo es menor que en los casos anteriores, ya que, a medida que conectamos menos cargas a la salida del alternador, éste, proporciona con más rapidez la velocidad demandada. A partir de estos resultados, se obtiene el transitorio de intensidad: I 2000rpm = I 8000 rpm = VR2000 rpm R VR8000 rpm R 26. 5V = 37.85 A 0.7Ω 36.1V = = 51.57 A 0.7Ω = I8000 rpm − I 2000 rpm = 13.72 A Memoria de Cálculos 47 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de carga de 0.93? q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400ms/div. Ch2: Tensión entrada analógica. Escala de 5V/div, 400ms/div. Para la velocidad de 2000 r.p.m, tenemos una tensión en bornes de la resistencia de carga de 29 V, y para la velocidad de 8000 r.p.m una tensión de 37.4 V. En este caso, el tiempo que tarda el alternador para conseguir la velocidad de 8000 r.p.m es de 400 ms. El transitorio de intensidad es el siguiente: I 2000rpm = VR2000 rpm I 8000 rpm = VR8000rpm R R 29V = 31.18 A 0. 93Ω 37.4V = = 40. 21A 0.93Ω = I8000 rpm − I 2000 rpm = 9.03 A Memoria de Cálculos 48 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción • Resistencia de carga de 1.4? q q Ch1: Tensión en resistencia de carga (VRc). Escala de 10V/div, 400ms/div. Ch2: Tensión entrada analógica. Escala de 5V/div, 400ms/div. En este último registro, obtenemos una tensión de 31.8 V para una velocidad de 2000 r.p.m, y una tensión de 38.6 V para la velocidad de 8000 r.p.m. Como es de esperar, el tiempo que tarda en llegar al régimen estacionario debe de ser menor que en los casos anteriores, siendo éste de 240 ms. El transitorio de intensidad es de: I 2000 rpm = VR2000 rpm I 8000 rpm = VR8000rpm R R 31. 8V = 22.71A 1.4Ω 38. 6V = = 27. 57 A 1.4Ω = I8000 rpm − I 2000 rpm = 4.86 A Todos estos valores de interés, se resumen en la tabla que se presenta a continuación: ?I(A) T rég.estc.(s) Memoria de Cálculos 1.4O 4.86 0.24 0.93O 9.03 0.4 0.7O 13.72 1.2 0.56O 20.54 1.6 0.46O 26.31 2 49 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.5.0 – CONCLUSIONES. Este apartado estaría dedicado a hablar sobre los ajustes que se tendrían que realizar en los parámetros del modelo en SABER del alternador trifásico de 40V, para que cuando realizáramos la simulación los resultados fueran lo más parecidos a los obtenidos en los ensayos efectuados. Lamentablemente, no se ha podido realizar el modelo del alternador trifásico, ya que, por causas ajenas no se disponía de la licencia activa del programa SABER, con lo cual, el programa queda totalmente inhabilitado para su uso. Como consecuencia, el objetivo final que llevaba este proyecto a sido imposible de completar. Sin embargo, a continuación se explicará de una forma cualitativa la manera de proceder para poder ajustar adecuadamente el modelo del alternador trifásico en SABER. Un esquema del modelo del alternador trifásico podría ser el que se presenta en la figura 4 página 32 de la memoria descriptiva, donde los parámetros más importantes que presenta este modelo, para realizar el ajuste, son los siguientes: Parámetro Rs Ls Rf Lf Kp K Descripción Resistencia de estator Inductancia de estator Resistencia de campo Inductancia de campo Ganancia proporcional del regulador Constante El objetivo que se pretende alcanzar con este ajuste del modelo, es obtener en la simulación unas curvas corriente del alternador – velocidad del alternador (Ia VS rpm), lo más exactas a las obtenidas experimentalmente en todos los puntos de trabajo, es decir, con las distintas resistencias de carga utilizadas (1.4, 0.93, 0.7, 0.56 y 0.46 ? ). Ia VS rpm 90 80 70 60 1.4 ohms 0.93 ohms 50 Ia(A) 0.7 ohms 40 0.56 ohms 0.46 ohms 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 na(rpm) Para esto, se realizaría en los cuatro ensayos efectuados, un barrido paramétrico con cada uno de los parámetros del modelo por separado, comprobando para qué valor de ese parámetro, se obtiene la curva correspondiente en un punto de trabajo concreto. Memoria de Cálculos 50 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción A continuación, se presentan los parámetros de más relevancia para los cuatro ensayos realizados: Ensayos Curvas paramétricas del alternador en régimen estacionario. Curvas paramétricas del alternador en régimen estacionario, a distinto nivel de carga en la batería. Parámetros Ls, Rf, K, Kp Ls, Rf, K, Kp Transitorio de la intensidad de salida del alternador cuando se le varía la carga, con una velocidad constante. ∆ Ia ( ω = cte ) ∆R Ls, K, Kp Transitorio de la intensidad de salida del alternador cuando se le varía la velocidad, con una carga constante. ∆Ia ( R = cte ) ∆ω Ls, Rf, K, Kp De manera general, podríamos decir que la influencia de estos parámetros sobre el modelo del alternador trifásico, es la siguiente: Ls ? Influyente Rf ? Influyente K, Kp ? Influyente Rs ? Poco influyente Lf ? Poco influyente Como se puede observar, es un proceso largo y que reviste cierta complejidad, donde posiblemente para obtener un buen ajuste en nuestro modelo se tendría que realizar más de un barrido paramétrico para cada uno de los parámetros utilizados. Memoria de Cálculos 51 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Departamento de ingeniería Electrónica Eléctrica y Automática PROYECTO FINAL DE CARRERA VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN MODELO DE ALTERNADOR TRIFÁSICO (40V) PARA AUTOMOCIÓN 3 . PLANOS Tutor del proyecto : Javier Maixé Altés. Realizado: David Bogariz Vilches. 3.0 – PLANOS 3.1 – Banco de pruebas ........................................................................... 1 3.2 – Esquema eléctrico ............................................................................. 3 3.3 – Placa de componentes ...................................................................... 4 3.4 – Placa pistas abajo ............................................................................. 5 3.5 – Placa pistas arriba ............................................................................ 6 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Departamento de ingeniería Electrónica Eléctrica y Automática PROYECTO FINAL DE CARRERA VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN MODELO DE ALTERNADOR TRIFÁSICO (40V) PARA AUTOMOCIÓN 4 . PRESUPUESTO Tutor del proyecto : Javier Maixé Altés. Realizado: David Bogariz Vilches. 4.0.0 – PRESUPUESTO 4.1.0 – Mediciones .................................................................................... 1 4.1.1 – Capítulo 1: Banco de pruebas .............................................................. 2 4.1.2 – Capítulo 2: Circuito de control de las cargas ....................................... 3 4.2.0 – Cuadro de precios .......................................................................... 4 4.2.1 – Capítulo 1: Banco de pruebas .............................................................. 4 4.2.2 – Capítulo 2: Circuito de control de las cargas ....................................... 5 4.3.0 – Aplicación de precios ..................................................................... 6 4.3.1 – Capítulo 1: Banco de pruebas .............................................................. 6 4.3.2 – Capítulo 2: Circuito de control de las cargas ....................................... 7 4.4.0 – Resumen del presupuesto ............................................................... 9 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 4.0.0 – PRESUPUESTO. En este apartado se pretende determinar con exactitud, el coste total que se requiere para implementar el banco de pruebas. Todos los precios de los componentes que se citan, son impuestos por los distribuidores como compradores minoritarios. Es decir, para realizar el prototipo no se necesita comprar grandes tiradas de los mismos componentes empleados, sino que se compran solo los necesarios y a un precio mayor. Por lo tanto al realizar pedidos pequeños, trabajamos con mayores precios por unidad de componentes. Por tal de dar una visión más clara del coste que implica cada parte del proyecto, éste se divide por capítulos. De esta manera cada capítulo estudia el coste de los determinados elementos que intervienen en él. El presupuesto total se divide en 2 capítulos: • Capítulo 1: Banco de pruebas. • Capítulo 2: Circuito de control de las cargas. 4.1.0 – MEDICIONES. El propósito es detallar la cantidad de componentes que forman el proyecto así como el número de ellos que se requieren en cada capítulo implicado. A continuación se muestra una tabla resumen de cada capítulo , detallando la designación de los componentes que se utilizan y el número de ellos que requerimos para implementar el sistema. Presupuesto 1 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 4.1.1 – CAPÍTULO 1: BANCO DE PRUEBAS. Nº Ud 1.01 Ud 1.02 Ud 1.03 Ud 1.04 Ud 1.05 1.06 Ud Ud 1.07 m 1.08 m 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud 1.21 Ud 1.22 Ud 1.23 Ud 1.24 Ud Presupuesto Designación Motor 1LA7163-2AA10 Variador de frec. MD1100/2 Correa Poly-V Alternador trifásico N1? 40V 50/90A Fusible Conector Regleta 2 pines Conductor de cobre unipolar de 0.5 mm 2 Conductor de cobre unipolar de 5 mm 2 Potenciómetro 4k7? Resistencia 1.4? 315W Ventiladores Rejilla bancada Rejilla protección Tubo 100x5mm Tubo 50x5mm Tubo 55x5mm Tubo 140x5mm Tubo 90x5mm Tubo 31x4mm Plancha acero 100x55mm Plancha madera 140x55mm Ruedas φ 7mm Paquete 30 Ud de tornillos rosca chapa Paquete 30 Ud de roscas Nº partes Subtotal Total 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12 2 2 1 2 2 4 2 2 4 1 1 12 2 2 1 2 2 4 2 2 4 1 1 12 2 2 1 2 2 4 2 2 4 1 1 1 1 4 4 4 1 1 1 1 1 1 2 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 4.1.2 – CAPÍTULO 2: CIRCUITO DE CONTROL DE LAS CARGAS. Nº 2.01 2.02 2.03 2.04 NºComp R1, R2, R3 y R4 D1, D2, D3, D4 y D9 D5, D6, D7, y D8 D11, D12, D13 y D14 Ud Designación Nº partes Subtotal Total Ud Resistencias ¼ W 5% 1k? 4 4 4 Ud Diodo zener 15 V 5 5 5 Ud Led indicador rojo 4 4 4 Ud Diodo BYW29 4 4 4 2 2 2 2 2 2 1 1 1 4 4 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 4 2 4 2 4 1 1 1 2.05 C1 y C2 Ud 2.06 U1 y U2 Ud 2.07 U3 Ud 2.08 Q1, Q2, Q3 y Q4 Ud 2.09 Ud 2.10 Ud 2.11 Ud 2.12 Ud 2.13 2.14 Ud Ud 2.15 Ud Presupuesto Condensador poliéster 100nF Driver para MOSFETS TC4427 Regulador lineal LM7805 MOSFET de potencia IXTH75N10 (TO-2447AD) Placa fotosensible positiva 2 caras baquelita 12x12cm Conector regleta 2 pines Conector regleta 4 pines Conector regleta 8 pines Zócalo 8 pines Disipador de 5 ºC/W Disipador de 10 ºC/W 3 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 4.2.0 – CUADRO DE PRECIOS. A continuación se detalla el precio unitario de cada componente que interviene en la implementación de todo el sistema. 4.2.1 – CAPÍTULO 1: BANCO DE PRUEBAS. Nº Ud 1.01 Ud 1.02 Ud 1.03 Ud 1.04 Ud 1.05 1.06 Ud Ud 1.07 m 1.08 m 1.09 Ud 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud 1.21 Ud 1.22 Ud 1.23 Ud 1.24 Ud Presupuesto Designación Motor 1LA7163-2AA10 Variador de frec. MD1100/2 Correa Poly-V Alternador trifásico N1? 40V 50/90A Fusible Conector Regleta 2 pines Conductor de cobre unipolar de 0.5 mm 2 Conductor de cobre unipolar de 5 mm 2 Precio ? 588 (quinientos ochenta y ocho) 4679(cuatro mil seis cientos setenta y nueve) 12.02 (doce coma cero dos) 950 (nueve cientos cincuenta) 3.13 (tres coma trece) 0.25 (cero coma veinticinco) 1.2 (uno coma dos) 1.8 (uno como ocho) 2.92 (dos coma noventa y dos) Resistencia 1.4? 315W 13.22 (trece coma veintidós) Ventiladores 9.02 (nueve coma cero dos) Rejilla bancada 3.13 (tres coma trece) Rejilla protección 3.13 (tres coma trece) Tubo 100x5mm 3.13 (tres coma trece) Tubo 50x5mm 1.5 (uno coma cinco) Tubo 55x5mm 1.7 (uno coma siete) Tubo 140x5mm 3.3 (tres coma tres) Tubo 90x5mm 2.2 (dos coma dos) Tubo 31x4mm 1.3 (uno coma tres) Plancha acero 100x55mm 6 (seis) 5.41 (cinco coma cuarenta y Plancha madera 140x55mm uno) Ruedas φ 7mm 2.40 (dos coma cuarenta) Paquete 30 Ud de tornillos 2.98 (dos coma noventa y rosca chapa ocho) Paquete 30 Ud de roscas 3 (tres) Potenciómetro 4k7? 4 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 4.2.2 – CAPÍTULO 2: CIRCUITO DE CONTROL DE LAS CARGAS. Nº Ud Designación 2.01 Ud Resistencias ¼ W 5% 1k? 2.02 Ud Diodo zener 15 V 2.03 Ud Led indicador rojo 2.04 Ud Diodo BYW29 2.05 Ud Condensador poliéster 100nF 2.06 Ud Driver para MOSFETS TC4427 2.07 Ud Regulador lineal LM7805 2.08 Ud 2.09 Ud 2.10 Ud Conector regleta 2 pines 2.11 Ud Conector regleta 4 pines 2.12 Ud Conector regleta 8 pines 2.13 Ud Zócalo 8 pines 2.14 Ud 2.15 Ud Disipador de 5 ºC/W Disipador de 10 ºC/W Presupuesto MOSFET de potencia IXTH75N10 (TO-2447AD) Placa fotosensible positiva 2 caras baquelita 12x12cm Precio ? 0.035 (cero coma cero treinta y cinco) 0.59 (cero coma cincuenta y nueve) 0.63 (cero coma sesenta y tres) 1.063 (uno coma cero sesenta y tres) 0.3 (cero coma tres) 2.52 (dos coma cincuenta y dos) 1.17 (uno coma diecisiete) 8.8 (ocho coma ocho) 17.97 (diecisiete coma noventa y siete) 0.25 (cero coma veinticinco) 0.5 (cero coma cinco) 0.45 (cero coma cuarenta y cinco) 0.66 (cero coma sesenta y seis) 1.8 (uno coma ocho) 1.2 (uno coma dos) 5 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 4.3.0 – APLICACIÓN DE PRECIOS. A continuación se detalla el precio total de cada capítulo implicado en la implementación de todo el sistema. 4.3.1 – CAPÍTULO 1: BANCO DE PRUEBAS. Nº Ud 1.01 Ud 1.02 Ud 1.03 Ud 1.04 Ud 1.05 Ud 1.06 Ud 1.07 m 1.08 m 1.09 Ud 1.10 Ud 1.11 Ud 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud Ud 1.20 Ud 1.21 Ud Presupuesto Designación Motor 1LA7163-2AA10 Precio unitario ? Precio total ? 588 (quinientos 588 (quinientos ochenta y ochenta y ocho) ocho) 4679(cuatro mil seis Variador de frec. 4679(cuatro mil seis cientos setenta y MD1100/2 cientos setenta y nueve) nueve) 12.02 (doce coma cero 12.02 (doce coma cero Correa Poly-V dos) dos) Alternador trifásico 950 (nueve cientos 950 (nueve cientos N1? 40V 50/90A cincuenta) cincuenta) Fusible 3.13 (tres coma trece) 3.13 (tres coma trece) Conector Regleta 2 0.25 (cero coma 0.25 (cero coma pines veinticinco) veinticinco) Conductor de cobre unipolar de 0.5 1.2 (uno coma dos) 1.2 (uno coma dos) mm 2 Conductor de cobre 1.8 (uno como ocho) 1.8 (uno como ocho) unipolar de 5 mm 2 2.92 (dos coma 2.92 (dos coma noventa y Potenciómetro 4k7? noventa y dos) dos) 158.64 (ciento cincuenta y Resistencia 1.4? 13.22 (trece coma ocho coma sesenta y 315W veintidós) cuatro 9.02 (nueve coma cero 18.04 (dieciocho coma Ventiladores dos) cero cuatro) Rejilla bancada 3.13 (tres coma trece) 6.26 (seis coma veintiséis) Rejilla protección 3.13 (tres coma trece) 3.13 (tres coma trece) Tubo 100x5mm 3.13 (tres coma trece) 3.13 (tres coma trece) Tubo 50x5mm 1.5 (uno coma cinco) 1.5 (uno coma cinco) Tubo 55x5mm 1.7 (uno coma siete) 1.7 (uno coma siete) Tubo 140x5mm 3.3 (tres coma tres) 3.3 (tres coma tres) Tubo 90x5mm 2.2 (dos coma dos) 2.2 (dos coma dos) Tubo 31x4mm 1.3 (uno coma tres) 1.3 (uno coma tres) Plancha acero 6 (seis) 6 (seis) 100x55mm Plancha madera 5.41 (cinco coma 5.41 (cinco coma cuarenta 140x55mm cuarenta y uno) y uno) 6 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 1.22 Ud 1.23 Ud 1.24 Ud Ruedas φ 7mm Paquete 30 Ud de tornillos rosca chapa Paquete 30 Ud de roscas 2.40 (dos coma cuarenta) 2.98 (dos coma noventa y ocho) 2.98 (dos coma noventa y ocho) 3 (tres) 3 (tres) TOTAL 9.6 (nueve coma seis) 6464.51 (seis mil cuatrocientos sesenta y cuatro coma cincuenta y uno) 4.3.2 – CAPÍTULO 2: CIRCUITO DE CONTROL DE LAS CARGAS. Nº Ud 2.01 Ud 2.02 Ud Diodo zener 15 V 2.03 Ud Led indicador rojo 2.04 Ud Diodo BYW29 2.05 Ud 2.06 Ud 2.07 Ud 2.08 Ud 2.09 Ud 2.10 Ud 2.11 Ud Conector regleta 4 pines 2.12 Ud Conector regleta 8 pines 2.13 Ud Zócalo 8 pines Presupuesto Designación Resistencias ¼ W 5% 1k? Condensador poliéster 100nF Driver para MOSFETS TC4427 Regulador lineal LM7805 Precio unitario ? 0.035 (cero coma cero treinta y cinco) 0.59 (cero coma cincuenta y nueve) 0.63 (cero coma sesenta y tres) 1.063 (uno coma cero sesenta y tres) 0.3 (cero coma tres) 2.52 (dos coma cincuenta y dos) 1.17 (uno coma diecisiete) MOSFET de potencia 8.8 (ocho coma ocho) IXTH75N10 (TO-2447AD) Placa fotosensible positiva 17.97 (diecisiete coma 2 caras baquelita noventa y siete) 12x12cm 0.25 (cero coma Conector regleta 2 pines veinticinco) 0.5 (cero coma cinco) 0.45 (cero coma cuarenta y cinco) 0.66 (cero coma sesenta y seis) Precio total ? 0.14 (cero coma catorce) 2.95 (dos coma noventa y cinco 2.52 (dos coma cincuenta y dos) 1.063 (uno coma cero sesenta y tres) 0.6 (cero coma seis) 5.04 (cinco coma cero cuatro) 1.17 (uno coma diecisiete) 35.2 (treinta y cinco coma dos) 17.97 (diecisiete coma noventa y siete) 0.25 (cero coma veinticinco) 0.5 (cero coma cinco) 0.45 (cero coma cuarenta y cinco) 1.32 (uno coma treinta y dos) 7 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 2.14 Ud Disipador de 5 ºC/W 1.8 (uno coma ocho) 2.15 Ud Disipador de 10 ºC/W 1.2 (uno coma dos) TOTAL 7.2 (siete coma dos) 1.2 (uno coma dos) 77.57 (setenta y siete coma cincuenta y siete) • Montaje del proyecto: Para calcular el coste real del montaje del proyecto, se ha de tener en cuenta que se necesita un personal cualificado para llevar a cabo tal propósito. Este personal será el encargado de realizar el banco de pruebas e insertar sus componentes y realizar la placa de control e insertar sus componentes. Por lo tanto se ha de calcular el salario de cada operario por las horas de trabajo y el material empleado . Se estima un coste de 72,12 (setenta y dos coma doce) ? Presupuesto 8 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 4.4.0 – RESUMEN DEL PRESUPUESTO. A continuación se presenta el estudio económico completo del sistema realizado. Se empieza por determinar el presupuesto de ejecución material. El presupuesto de ejecución material, es la suma de todos los capítulos que forman el proyecto más el coste del montaje del mismo. En cada capítulo se determina cuantos componentes intervienen y cual es el precio total de ellos, por lo tanto la suma de estos junto con el coste del montaje nos dará el presupuesto de ejecución material (PEM) de todo el proyecto. PEM = ∑ Capítulos ⊕ Montaje = 6614.2 (seis mil seiscientos catorce coma dos) ? Para obtener el presupuesto de ejecución por contrato (PEC), que será el presupuesto definitivo, se ha de obtener el 13 % del PEM por gastos generales y el 6 % del PEM por los beneficios industriales. Estos dos nuevos valores que hemos obtenido se han de sumar definitivamente con el presupuesto de ejecución material, y por lo tanto nos queda de la siguiente manera: PEC = PEM + PEM * 13% + PEM * 6% PEC = 6614.2 + 859.84 + 396.85 = 7879.89 ? TOTAL DEL PRESUPUESTO .....................................................7879.89 ? El precio del banco de pruebas asciende a SIETE MIL OCHOCIENTOS SETENTA Y NUEVE COMA OCHENTA Y NUEVE euros Tarragona, 18 de Mayo del 2002 David Bogariz Vilches Ingeniero Técnico Industrial Firma: Presupuesto 9 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Departamento de ingeniería Electrónica Eléctrica y Automática PROYECTO FINAL DE CARRERA VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN MODELO DE ALTERNADOR TRIFÁSICO (40V) PARA AUTOMOCIÓN 5 . PLIEGO DE CONDICIONES Tutor del proyecto : Javier Maixé Altés. Realizado: David Bogariz Vilches. 5.0.0.0 – PLIEGO DE CONDICIONES 5.1.0.0 – Condiciones generales ...................................................... 1 5.1.1.0 – Objetivo ............................................................................. 5.1.2.0 – Definiciones ...................................................................... 5.1.3.0 – Reglamentos y normas ...................................................... 5.1.4.0 – Material ............................................................................. 5.1.5.0 – Ejecución de la instalación ................................................ 5.1.5.1 – Inicio .......................................................................... 5.1.5.2 – Plazo de ejecución ..................................................... 5.1.5.3 – Libro de ordenes ........................................................ 1 1 2 3 4 4 4 5 5.1.6.0 – Interpretación y desarrollo del proyecto ........................... 5.1.7.0 – Obras complementarias .................................................... 5.1.8.0 – Modificaciones ................................................................. 5.1.9.0 – Obra defectuosa ................................................................ 5.1.10.0 – Medios auxiliares ............................................................ 5.1.11.0 – Conservación de las obras .............................................. 5.1.12.0 – Recepción de las obras .................................................... 5 6 6 6 6 7 7 5.1.12.1 – Recepción provisional ........................................... 5.1.12.2 – Plazo de garantía ................................................... 5.1.12.3 – Recepción definitiva .............................................. 7 7 7 5.1.13.0 – Contratación de la empresa ............................................. 8 5.1.13.1 – Modo de contratación ............................................ 5.1.13.2 – Presentación ........................................................... 5.1.13.3 – Selección ................................................................ 8 8 8 5.1.14.0 – Fianza .............................................................................. 8 5.2.0.0 – Condiciones económicas .................................................. 9 5.2.1.0 – Condiciones de pago ......................................................... 5.2.2.0 – Precios .............................................................................. 5.2.3.0 – Revisión de precios ........................................................... 5.2.4.0 – Penalizaciones .................................................................. 5.2.5.0 – Contrato ............................................................................ 5.2.6.0 – Responsabilidades ............................................................ 5.2.7.0 – Rescisión del contrato ...................................................... 5.2.8.0 – Liquidación en caso de rescisión del contrato ................. 9 9 10 10 10 10 11 11 5.3.0.0 – Condiciones facultativas .................................................. 12 5.3.1.0 – Normas ............................................................................. 5.3.2.0 – Personal ............................................................................ 5.3.3.0 – Reconocimientos y ensayos previos ................................ 5.3.4.0 – Ensayos ............................................................................ 5.3.5.0 – Aparellaje ......................................................................... 5.3.6.0 – Varios ............................................................................... 12 12 13 13 14 14 5.4.0.0 – Condiciones técnicas ........................................................ 15 5.4.1.0 – Condiciones del material ................................................... 5.4.2.0 – Condiciones técnicas de la instalación .............................. 5.4.3.0 – Condiciones técnicas generales de equipos eléctricos y electrónicos ................................................... 5.4.3.1 – Generalidades .................................................... 5.4.3.2 – Características eléctricas ................................... 5.4.3.3 – Características mecánicas .................................. 5.4.3.4 – Características físico-químicas .......................... 5.4.3.5 – Tenacidad y dureza ............................................ 15 15 15 16 17 20 22 23 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.0.0.0 – PLIEGO DE CONDICIONES. 5.1.0.0 – CONDICIONES GENERALES. 5.1.1.0 – OBJETIVO. El objetivo del Pliego de Condiciones es definir al contratista de la obra las características del trabajo a realizar y su ejecución cualitativa, así como las condiciones económicas, técnicas y facultativas que rigen la ejecución práctica del proyecto. El trabajo eléctrico consistirá en la instalación del banco de pruebas con todos sus componentes y del circuito de control de las cargas. El alcance del trabajo del contratista incluye el diseño y preparación de todos los planos y esquemas, listas de materiales, especificaciones y requisitos para la adquisición e instalación del trabajo, que complementarán a los existentes en la Memoria Descriptiva del Proyecto. 5.1.2.0 – DEFINICIONES. • Promotor: Cualquier persona física o jurídica por cuenta de la cual se realice una obra. • Proyectista: El autor o autores, por encargo del promotor, de la totalidad o parte del proyecto de obra. • Dirección facultativa: El técnico o técnicos competentes designados por el promotor, encargados de la dirección y del control de la ejecución de la obra. • Contratista: Persona física o jurídica que asume contractualmente ante el promotor, con medios humanos y materiales, propios o ajenos, el compromiso de ejecutar la totalidad o parte de las obras con sujeción al proyecto y al contrato. • Subcontratista: La persona física o jurídica que asume contractualmente ante el contratista, empresario principal, el compromiso de realizar determinadas partes o instalaciones de la obra, con sujeción al proyecto por el que se rige su ejecución. • Trabajador autónomo: La persona física distinta del contratista y del subcontratista, que realiza de forma personal y directa una actividad profesional, sin sujeción a un contrato de trabajo, y que asume contractualmente ante el promotor, el contratista o el subcontratista el compromiso de realizar determinadas partes o instalaciones de la obra. Pliego de condiciones 1 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Cuando el trabajador autónomo emplee en la obra a trabajadores por cuenta ajena tendrá la consideración de contratista o subcontratista. El contratista y el subcontratista tienen la consideración de empresarios a los efectos previstos en las normativas sobre prevención de riesgos laborales. Cuando el promotor contrate directamente trabajadores autónomos para la realización de la obra o de determinados trabajos de la misma, tendrá la consideración de contratista respecto de aquellos. 5.1.3.0 – REGLAMENTOS Y NORMAS. La instalación se ejecutará cumpliendo con las prescripciones indicadas en los reglamentos de seguridad y normas técnicas de obligado cumplimiento par este tipo de instalación, tanto de ámbito nacional, autonómico o municipal. Se adaptarán además, a las presentes condiciones particulares que complementarán las indicadas por los Reglamentos y Normas citadas. En este ámbito, sin menoscabo de las no mencionadas, que también son de obligado cumplimiento, cabe reseñar las siguientes normas: • Decreto 2413/1973, de 20.9. (M. Ind. B.O.E.9.10.1973). Reglamento Electrónico de baja tensión. - modificado por: Real Decreto 2295/1985, de 9.10.(M. Ind. y E., B.O.E.12.12.1985) complementado por: Orden de 31.10.1973 (M. Ind. BB.OO.E. 27-29 y 31.12.1973). Instrucciones técnicas complementarias MI-BIT, con posteriores modificaciones. • Real Decreto 2949/1982, de 15.10. (M. Ind. y E., BB.OO.E.2912.1982, rect. 21.2.1983). Reglamento sobre acometidas eléctricas. • La ley 31/1995, de 8 de Noviembre (B.O.E. nº 269), de Prevención de Riesgos Laborales, es la norma legal por la que se determina el cuerpo básico de garantías y responsabilidades, preciso para establecer un adecuado nivel de protección de la salud de los trabajadores frente a los riesgos derivados de las condiciones de trabajo, en el marco de una política coherente, coordinada y eficaz. Pliego de condiciones 2 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción De acuerdo con el artículo 6 de dicha ley, serán las normas reglamentarías las que fijarán y concretarán los aspectos más técnicos de las medidas preventivas, a través de normas mínimas que garanticen la adecuada protección de los trabajadores. En éstas se encuentran las reseñadas a continuación: 1. RD 39/97 Reglamento de los servicios de prevención. 2. RD 485/97 Señalización de seguridad y salud en el trabajo. 3. RD 486/97 Disposiciones de seguridad en lugares de trabajo. 4. RD 487/97 Manipulación manual de cargas. 5. RD 488/97 Disposiciones de seguridad, pantallas de visualización. 6. RD 664/97 Protección riesgos de exposición agentes biológicos. 7. RD 665/97 Protección riesgos exposición agentes cancerígenos. 8. RD 773/97 Disposiciones de seguridad en utilización de E.P.I.S. 9. RD 1215/97 Disposiciones de seguridad utilización equipos de trabajo. 10. RD 1627/97 Disposiciones de seguridad en las obras de construcción. • Orden de 9/3/1971 (Ministerio de Trabajo, B.O.E. nº 16 y 17.3 rect. 6/4/1971) Ordenanza General de Seguridad e higiene en el Trabajo. La mayoría de estas ordenanzas han sido derogadas por la ley descrita en el apartado anterior, aunque aún quedan algunas en vigor, en especial el capítulo VI que hace referencia a las Instalaciones eléctricas. 5.1.4.0 – MATERIAL. Todos los materiales de la instalación serán de calidad reconocida y, además de estar homologados, cumplirán las especificaciones y tendrán las características indicadas en el proyecto y en las normas técnicas generales. Para la instalación eléctrica se observarán las prescripciones y normas de las especificaciones técnicas de los equipos eléctricos y electrónicos. Toda especificación o característica de materiales que aparezcan en uno solo de los documentos de este proyecto se hace extensiva al resto de documentos y , aunque no figure, será de obligado cumplimiento. En caso de existir alguna contradicción u omisión en alguno de los documentos del proyecto, el contratista tiene la obligación de comunicarlo al Técnico Director de la obra, quien decidirá sobre el particular. Pliego de condiciones 3 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Bajo ningún concepto se podrá sustituir material o cambiar de criterio en el proyecto sin la autorización expresa del director de la obra. Una vez adjudicada la obra definitivamente y antes de iniciarse esta, el Contratista presentara al Técnico Director los catálogos, cartas muestra, certificados de garantía o de homologación de los materiales que vayan a emplearse. No podrá utilizarse materiales que no hayan sido aceptados por el Técnico Director. 5.1.5.0 – EJECUCIÓN DE LA INSTALACIÓN. 5.1.5.1 – INICIO. El contratista dará comienzo a la obra en el plazo que figure en el contrato establecido con el Promotor, o, en su defecto, a los quince días de la adjudicación definitiva o de la firma del contrato. El contratista está obligado a notificar por escrito o personalmente en forma directa al Técnico Director la fecha de comienzo de los trabajos, en un documento similar al expuesto: Contenido del aviso previo: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Fecha. Dirección exacta de la obra. Promotor (nombre, dirección). Tipo de obra. Proyectista (nombre, dirección). Fecha prevista para el comienzo de la obra. Fecha prevista para el final de la obra. Número máximo estimado de trabajadores en la obra. 5.1.5.2 – PLAZO DE EJECUCIÓN. La obra se ejecutará en el plazo que se estipule en el contrato suscrito con el Promotor o en su defecto en el que figure en las condiciones de este pliego. Cuando el Contratista, de acuerdo con alguno de los extremos contenidos en el presente Pliego de Condiciones, o bien en el contrato establecido con el Promotor, solicite una inspección para poder realizar algún trabajo ulterior que esté condicionado por la misma, vendrá obligado a tener preparada para dicha inspección, una cantidad de obra que corresponda a un ritmo normal de trabajo. Pliego de condiciones 4 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Cuando el ritmo de trabajo establecido por el Contratista no sea el normal, o bien a petición de una de las partes, se podrá convenir una programación de inspecciones obligatorias de acuerdo con el plan de obra. 5.1.5.3 – LIBRO DE ORDENES. El contratista dispondrá en la obra de un Libro de Ordenes en el que se escribirán la que el Técnico Director estime darle a través del encargado o persona responsable, sin perjuicio de las que les dé por oficio cuando lo crea necesario y que tendrá la obligación de firmar el enterado. 5.1.6.0 – INTERPRETACIÓN Y DESARROLLO DEL PROYECTO La interpretación técnica de los documentos del proyecto corresponde al Técnico Director. El contratista está obligado a someter a éste cualquier duda, aclaración o contradicción que surja durante la ejecución de la obra por causa del Proyecto o circunstancias ajenas, siempre con la suficiente antelación en función de la importancia del asunto. El Contratista se hace responsable de cualquier error de la ejecución motivado por la omisión de esta obligación y, consecuentemente, deberá rehacer a su costa los trabajos que correspondan a la correcta interpretación del Proyecto. El Contratista está obligado a realizar todo cuanto sea necesario para la buena ejecución de la obra, aún cuando no se halle explícitamente expresado en el pliego de condiciones o en los documentos del proyecto. El Contratista notificará por escrito o personalmente en forma directa al Técnico Director, y con la suficiente antelación, las fechas en que quedarán preparadas para inspección cada una de las partes de la obra para las que se ha indicado la necesidad o conveniencia de la misma, o para aquellas que, total o parcialmente, deban posteriormente quedar ocultas. De las unidades de obra que deben quedar ocultas, se tomarán antes de ello los datos precisos para su medición, a los efectos liquidación y que sean suscritos por el Técnico Director de hallarlos correctos. De no cumplirse este requisito, la liquidación se realizará en base a los datos o criterios de medición aportados por éste. Pliego de condiciones 5 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.1.7.0 – OBRAS COMPLEMENTARIAS. El contratista tiene la obligación de realizar todas las obras complementarias que sean indispensables para ejecutar cualquiera de las unidades de obra especificadas en cualquiera de los documentos del Proyecto, aunque en el, no figuren explícitamente mencionadas dichas obras complementarias. Todo ello sin variación del importe contratado. 5.1.8.0 – MODIFICACIONES. El Contratista está obligado a realizar las obras que se le encarguen resultantes de modificaciones del proyecto, tanto en aumento como disminución o simplemente variación, siempre y cuando el importe de las mismas no altere en más o menos de un 25% del valor contratado. La valoración de las mismas se hará de acuerdo con los valores establecidos en el presupuesto entregado por el Contratista y que ha sido tomado como base del contrato. El Técnico Director de obra está facultado para introducir las modificaciones de acuerdo con su criterio, en cualquier unidad de obra, durante la construcción, siempre que cumplan las condiciones técnicas referidas en el proyecto y de modo que ello no varíe el importe total de la obra. 5.1.9.0 – OBRA DEFECTUOSA. Cuando el Contratista halle cualquier unidad de obra que no se ajuste a lo especificado en el proyecto o en este Pliego de Condiciones, el Técnico Director podrá aceptarlo o rechazarlo; en el primer caso, éste fijará el precio que crea justo con arreglo a las diferencias que hubiera, estando obligado el Contratista a aceptar dicha valoración, en el otro caso, se reconstruirá a expensas del Contratista la parte mal ejecutada sin que ello sea motivo de reclamación económica o de ampliación del plazo de ejecución. 5.1.10.0 – MEDIOS AUXILIARES. Irán a cuenta del contratista todos los medios y maquinaria que sea necesaria para la ejecución de la obra. El contratista está obligado a cumplir y hacer cumplir todas las normas y reglamentos de seguridad e higiene en el trabajo o sus operarios, así como a utilizar los medios de seguridad necesarios. En particular, se observará un escrupuloso cumplimiento de la recientemente aprobada “Ley de Prevención de Riesgos Laborales”. Pliego de condiciones 6 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.1.11.0 – CONSERVACIÓN DE LAS OBRAS. Es obligación del Contratista la conservación en perfecto estado de las unidades de obra realizadas hasta la fecha de la recepción definitiva por la Propiedad, y corren a su cargo los gastos derivados de ello. 5.1.12.0 – RECEPCIÓN DE LAS OBRAS. 5.1.12.1 – RECEPCIÓN PROVISIONAL. Una vez terminadas las obras, tendrá lugar la recepción provisional y para ello se practicará en ellas un detenido reconocimiento por el Técnico Director y la Propiedad en presencia del Contratista, levantando acta y empezando a correr desde ese día el plazo de garantía si se hallan en estado de ser admitida. De no ser admitida se hará constar en el acta y se darán instrucciones al Contratista para subsanar los defectos observados, fijándose un plazo para ello, expirando el cual se procederá a un nuevo reconocimiento a fin de proceder a la recepción provisional. 5.1.12.2 – PLAZO DE GARANTÍA. El plazo de garantía será como mínimo de un año, contado desde la fecha de la recepción provisional, o bien el que se establezca en el contrato también contado desde la misma fecha. Durante este período queda a cargo del Contratista la conservación de las obras y arreglo de los desperfectos causados por asiento de las mismas o por mala construcción. 5.1.12.3 – RECEPCIÓN DEFINITIVA. Se realizará después de transcurrido el plazo de garantía de igual forma que la provisional. A partir de esta fecha cesará la obligación del Contratista de conservar y reparar a su cargo las obras si bien subsistirán las responsabilidades que pudiera tener por defectos ocultos y deficiencias de causa dudosa. Pliego de condiciones 7 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.1.13.0 – CONTRATACIÓN DE LA EMPRESA. 5.1.13.1 – MODO DE CONTRACTACIÓN. El conjunto de las instalaciones las realizará la empresa escogida por concurso-subasta. 5.1.13.2 – PRESENTACIÓN. Las empresas seleccionadas para dicho concurso deberán presentar sus proyectos en sobre lacrado, antes del 15 de septiembre de 2003 en el domicilio del propietario. 5.1.13.3 – SELECCIÓN. La empresa escogida será anunciada la semana siguiente a la conclusión del plazo de entrega. Dicha empresa será escogida de mutuo acuerdo entre el propietario y el director de la obra, sin posible reclamación por parte de las otras empresas concursantes. 5.1.14.0 – FIANZA. En el contrato se establecerá la fianza que el contratista deberá depositar en garantía del cumplimiento del mismo, o, se convendrá una retención sobre los pagos realizados a cuenta de obra ejecutada. De no estipularse la fianza en el contrato se entiende que se adopta como garantía una retención del 5% sobre los pagos a cuenta citados. En el caso de que el Contratista se negase a hacer por su cuenta los trabajos para ultimar la obra en las condiciones contratadas, o a atender la garantía, la Propiedad podrá ordenar ejecutarlas a un tercero, abonando su importe con cargo a la retención o fianza, sin perjuicio de las acciones legales a que tenga derecho la Propiedad si el importe de la fianza no bastase. La fianza retenida se abonará al Contratista en un plazo no superior a treinta días una vez firmada el acta de recepción definitiva de la obra. Pliego de condiciones 8 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.2.0.0 – CONDICIONES ECONÓMICAS. 5.2.1.0 – CONDICIONES DE PAGO. En el contrato se deberá fijar detalladamente la forma y plazos que se abonarán las obras. Las liquidaciones parciales que puedan establecerse tendrán carácter de documentos provisionales a buena cuenta, sujetos a las certificaciones que resulten de la liquidación final. No suponiendo, dichas liquidaciones, aprobación ni recepción de las obras que comprenden. Terminadas las obras se procederá a la liquidación final que se efectuará de acuerdo con los criterios establecidos en el contrato. 5.2.2.0 – PRECIOS. En el momento de formalizar el contrato, el contratista presentará una relación de precios de las unidades de obra que integran el proyecto, quedando afectadas por las posibles variaciones que deriven de la evolución del mercado durante el período de ejecución de la obra. Estos precios unitarios comprenderán la ejecución total de la obra, incluyendo todos los trabajos, complementos y materiales, así como la parte proporcional de la imposición fiscal, cargas laborales y otros gastos similares. En el caso de haber realizado unidades de obra no previstas en el proyecto, se fijará el precio entre el director de obra y el contratista antes de realizar la obra y se presentará al propietario para su aceptación o no. Pliego de condiciones 9 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.2.3.0 – REVISIÓN DE PRECIOS. En el contrato se establecerá si el contratista tiene derecho a revisión de precios y la fórmula a aplicar para calcularla. En defecto de esta última, se aplicará a juicio del Técnico Director alguno de los criterios oficiales aceptados. 5.2.4.0 – PENALIZACIONES. En el caso de retardo en el plazo de entrega de la obra, quedarán establecidas en el contrato las penalizaciones. 5.2.5.0 – CONTRATO. El contrato se formalizará mediante un documento privado y comprenderá la adquisición de todos los materiales, transporte, mano de obra y medios auxiliares para la ejecución de la obra proyectada en el plazo estipulado, así como la reconstrucción o reposición de las unidades defectuosas, realización de obras complementarias y derivadas de las modificaciones que se introduzcan durante la ejecución de la obra. Todos los documentos que corresponden al proyecto serán incorporados al contrato y, tanto el contratista como el propietario, los firmarán en testimonio de que lo conocen y cumplirán las especificaciones que constan en él. 5.2.6.0 – RESPONSABILIDADES. El contratista es el responsable directo de la ejecución de las obras en las condiciones establecidas en el proyecto y en el contrato. Esto conlleva: • Reconfigurar partes mal ejecutadas, sin que sirva de excusa que el director del proyecto no haya examinado o reconocido la obra. • El contratista es el único responsable de todas las equivocaciones que él, o su personal, cometan en la ejecución de la obra. • El contratista es el responsable del cumplimiento de las normas de seguridad de su personal, así como de los accidentes que, por error o inexperiencias, se produzcan en la propiedad, vecinos o terceros. Pliego de condiciones 10 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.2.7.0 – RESCISIÓN DEL CONTRATO. Se consideran causas de rescisión del contrato las especificadas en éste, y en particular: • Primero: Muerte o incapacitación del Contratista. • Segunda: La quiebra del contratista. • Tercera: Modificación del proyecto cuando produzca alteración en más o menos 25% del valor contratado. • Cuarta : Modificación de las unidades de obra en número superior al 40% del original. • Quinta : La no iniciación de las obras en el plazo estipulado cuando sea por causas ajenas a la Propiedad. • Sexta : La suspensión de las obras ya iniciadas siempre que el plazo de suspensión sea mayor de seis meses. • Séptima: Incumplimiento de las condiciones del Contrato cuando implique mala fe. • Octava : Terminación del plazo de ejecución de la obra sin haberse llegado a completar ésta. • Décima : Actuación de mala fe en la ejecución de los trabajos. • Decimoprimero: Destajar o subcontratar la totalidad o parte de la obra a terceros sin la autorización del Técnico Director y la Propiedad. 5.2.8.0 – LIQUIDACIÓN EN CASO DE RESCISIÓN DEL CONTRATO. Siempre que se rescinda el Contrato por causas anteriores o bien por acuerdo de ambas partes, se abonará al Contratista las unidades de obra ejecutadas y los materiales acopiados a pie de obra y que reúnan las condiciones y sean necesarios para la misma. Cuando se rescinda el contrato llevará implícito la retención de la fianza para obtener los posibles gastos de conservación de el período de garantía y los derivados del mantenimiento hasta la fecha de nueva adjudicación. Pliego de condiciones 11 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.3.0.0 – CONDICIONES FACULTATIVAS. 5.3.1.0 – NORMAS. El diseño de la aplicación, el montaje del hardware y la instalación eléctrica, se han hecho de acuerdo con las exigencias y recomendaciones de la siguiente normativa: • Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión e Instrucciones Complementarias. • Normas UNE. • Publicaciones del Comité Electrotécnico Internacional (CEI ). • Plan nacional y Ordenanza General de Seguridad e Higiene en el trabajo. • Normas de la Compañía Suministradora. • Lo indicado en este pliego de condiciones con preferencia a todos los códigos y normas. 5.3.2.0 – PERSONAL. El Contratista tendrá al frente de la obra un encargado con autoridad sobre los demás operarios y conocimientos acreditados y suficientes para la ejecución de la obra. El encargado recibirá, cumplirá y transmitirá las instrucciones y ordenes del Técnico Director de la obra. El Contratista tendrá en la obra, el número y clase de operarios que haga falta para el volumen y naturaleza de los trabajos que se realicen, los cuales serán de reconocida aptitud y experimentados en el oficio. El Contratista estará obligado a separar de la obra, a aquel personal que a juicio del Técnico Director no cumpla con sus obligaciones, realice el trabajo defectuosamente, bien por falta de conocimientos o por obrar de mala fe. Pliego de condiciones 12 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.3.3.0 – RECONOCIMIENTOS Y ENSAYOS PREVIOS. Cuando lo estime oportuno el Técnico Director, podrá encargar y ordenar el análisis, ensayo o comprobación de los materiales, elementos o instalaciones, bien sea en fábrica de origen, laboratorios oficiales o en la misma obra, según crea más conveniente, aunque estos no estén indicados en este pliego. En el caso de discrepancia, los ensayos o pruebas se efectuarán en el laboratorio oficial que el Técnico Director de obra designe. Los gastos ocasionados por estas pruebas y comprobaciones, serán por cuenta del Contratista. 5.3.4.0 – ENSAYOS. • Antes de la puesta en servicio del sistema eléctrico, el Contratista habrá de hacer los ensayos adecuados para probar, a la entera satisfacción del Técnico Director de obra, que todo equipo, aparatos y cableado han sido instalados correctamente de acuerdo con las normas establecidas y están en condiciones satisfactorias del trabajo. • Todos los ensayos serán presenciados por el Ingeniero que representa el Técnico Director de obra. • Los resultados de los ensayos serán pasados en certificados indicando fecha y nombre de la persona a cargo del ensayo, así como categoría profesional. • Los cables, antes de ponerse en funcionamiento, se someterán a un ensayo de resistencia de aislamiento entre las fases y entre fase y tierra, que se hará de la forma siguiente: • Alumbrado y fuerza, excepto motores. Medir la resistencia de aislamiento de todos los aparatos (armaduras, tomas de corriente, etc...), que han sido conectados, a excepción de la colocación de las lámparas. El resultado de los ensayos se pasarán a certificados indicando fecha y nombre de la persona que los ha realizado, así como su categoría profesional. Pliego de condiciones 13 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.3.5.0 – APARELLAJE. • Antes de poner el aparellaje bajo tensión, se medirá la resistencia de aislamiento de cada embarrado entre fases y entre fases y tierra. Las medidas deben repetirse con los interruptores en posición de funcionamiento y contactos abiertos. • Todo relé de protección que sea ajustable será calibrado y ensayado, usando contador de ciclos, caja de carga, amperímetro y voltímetro, según se necesite. • Se dispondrá, en lo posible, de un sistema de protección selectiva. De acuerdo con esto, los relés de protección se elegirán y coordinarán para conseguir un sistema que permita actuar primero el dispositivo de interrupción más próximo a la falta. • El contratista preparará curvas de coordinación de relés y calibrado de éstos para todos los sistemas de protección previstos. • Se comprobarán los circuitos secundarios de los transformadores de intensidad y tensión aplicando corrientes o tensión a los arrollamientos secundarios de los transformadores y comprobando que los instrumentos conectados a estos secundarios funcionan. • Todos los interruptores automáticos se colocarán en posición de prueba y cada interruptor será cerrado y disparado desde su interruptor de control. Los interruptores deben ser disparados por accionamiento manual y aplicando corriente a los relés de protección. Se comprobarán todos los enclavamientos. 5.3.6.0 – VARIOS. • Se comprobará la puesta a tierra para determinar la continuidad de los cables de tierra y sus conexiones y se medirá la resistencia de los electrodos de tierra. • Se comprobarán todas las alarmas del equipo eléctrico para comprobar el funcionamiento adecuado, haciéndolas activar simulando condiciones anormales. • Se comprobaran los cargadores de baterías para comprobar su funcionamiento correcto de acuerdo con las recomendaciones de los fabricantes. Pliego de condiciones 14 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.4.0.0 – CONDICIONES TÉCNICAS. 5.4.1.0 – CONDICIONES DEL MATERIAL. Todo el material empleado en el proyecto tendrá que cumplir las siguientes características: • El Contratista será el responsable del suministro de materiales y equipos eléctricos que han de cumplir con los especificados en la Memoria Descriptiva. • La mínima protección será IP54, según DIN 40050, garantizándose una protección contra depósitos nocivos de polvo y salpicaduras de agua; garantía de protección contra derivaciones. • Los conductores eléctricos usarán los colores distintivos según normas UNE, y serán etiquetados y numerados para facilitar su fácil localización e interpretación en los planos y en la instalación. • La tensión de aislamiento de los conductores no será inferior a 750V. 5.4.2.0 – CONDICIONES TÉCNICAS DE LA INSTALACIÓN. Se han de cumplir los requisitos técnicos especificados en el Reglamento Electrotécnico para baja tensión y Instrucciones Complementarias. 5.4.3.0 – CONDICIONES TÉCNICAS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS. GENERALES DE EQUIPOS Para este propósito se sigue la normativa de PSA PEUGEOT CITROËN con la siguiente referencia: Normes vehicules B21 7090 De esta normativa se extraen las normas más básicas para el cumplimiento de las condiciones técnicas del proyecto. Están formadas por las características eléctricas, mecánicas, physico_químicas y de tenacidad y dureza. Pliego de condiciones 15 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.4.3.1 – GENERALIDADES. - Condiciones generales de ensayo: Salvo especificaciones particulares, indicadas por cada tipo de carga, los ensayos se realizarán bajo las siguientes condiciones: • Temperatura : 23ºC ± 5ºC. • Tensión de alimentación nominal de la placa PCB: - 12 V ± 0,1 V dispositivos de funcionamiento continuo. Esta tensión será proporcionada por una fuente de alimentación estable con una resistencia interna inferior a 0.01O y no se permite una tensión de rizado superior a 0.3 V pico a pico. • Tensión de alimentación nominal del variador de frecuencia: - 3 CA 230 V ± 15% • Presión atmosférica: 860 hPa a 1060 hPa. • Humedad relativa: 25% a 75%. • Antes de todo el ensayo, el equipo funcionará durante 15 minutos para entrar en el régimen estacionario, si necesita de rodaje. Pliego de condiciones 16 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.4.3.2 – CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS. 1. Tensión de alimentación usada: La tensión de alimentación del equipo depende de las condiciones de funcionamiento del mismo. Todos los equipos son frecuentemente ensayados con el siguiente ciclo de tensión: U (V) 16 Un 10 1 2 3 T (h) El ciclo se hará a temperatura ambiente a no ser que existan temperaturas máximas y mínimas de funcionamiento. La duración de la trama de 16 V a temperatura máxima quedara limitada en 15 minutos. 2. Bajadas de tensión: Ciertos equipamientos son alimentados de forma continuada y por lo tanto se han de prever las bajadas lentas de la tensión de alimentación (descarga de la batería de un vehículo ). Por lo tanto la prueba consistirá en alimentar estos equipos con una tensión de 12 V que ira disminuyendo hasta 3 V con decrementos de –0.5 V cada hora (Conforme con el reglamento ECE 95/56-ANEXO6-5.2.14). 3. Desconexiones de la alimentación: Las alimentaciones de los equipos están sujetas a desconexiones de la alimentación producidas por falsos contactos de las conexiones. Estas desconexiones se prevén de 0.1ms a 6ms. Para desconexiones de larga duración, el equipamiento deberá retomar su funcionamiento nominal después de que estas tensiones desaparezcan. Para este tipo de ensayo, también se utilizan unos determinado ciclados que dependerán del equipo a probar (véase B21 7090 8/52). Pliego de condiciones 17 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción Las desconexiones de alimentación se simularán con el tipo “abierto” y/ el “cortocircuito a masa”, según el esquema del equipo empleado. o con 4. Tensiones transitorias de alimentación: Estos transitorios de tensión, son producidos esencialmente por la conexión y desconexión de cargas inductivas y capacitivas existentes en los recursos del vehículo. Los efectos que estos transitorios pueden producir al equipo dependen del mismo: - - Su esquema de las diferentes entrada y salidas del equipo (alimentación permanente, alimentación por contacto, las entradas lógicas y las cargas permanecen distantes de la alimentación). Los modos de funcionamiento que son propios de cada equipo. Para atenuar estas tensiones transitorias se utilizan diversos montajes que en la sección B21 7090 10/52 nos indican. 5. Tensiones emitidas: El equipamiento (recordando su esquema y su modo de funcionamiento) no puede generar tensiones emitidas susceptibles de perturbar el funcionamiento de otros equipos periféricos. Para realizar la prueba de tensiones emitidas se utiliza el esquema e instrucciones de ensayo proporcionado por la norma ISO 7637/NF R 13-002 ( en vigor). 6. Tensiones inducidas: Las características de estas perturbaciones dependen en gran parte del cable eléctrico empleado en el vehículo. Para testear la inmunidad del equipo se realizan dos tipos de ensayos, el “basse tensión” y el “haute tensión”. En la sección B21 7090 16/52 se indica con exactitud cada circuito empleado para los ensayos y las pasos a seguir. 7. Inversión de la polaridad de la batería: La tensión en bornes de los conductores positivo y negativo del equipo, estarán sometidos a un ciclado de cambio de polaridad, según la norma B21 7090 18/52, que simulará una falsa maniobra en la conexión de la batería al equipo. 8. Puesta a masa: El equipamiento estará normalmente alimentado, cada una de sus bornes, a excepción de sus propias bornes de alimentación, estará puesta a la masa sucesivamente durante un minuto. Pliego de condiciones 18 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 9. Puesta al positivo de la batería: El equipamiento estará normalmente alimentado, cada una de sus bornes, a excepción de sus propias bornes de masa, estará puesta a la tensión positiva sucesivamente durante 15 segundos. 10. Compatibilidad electromagnética: El equipamiento, montado en el vehículo, es receptor de los campos electromagnéticos que provienen del exterior y del interior de dicho vehículo. Por lo tanto debe de estar protegido contra estas perturbaciones electromagnéticas. Recíprocamente, el equipo no puede perturbar a sus periféricos ni a los otros equipos del vehículo. El ensayo que se realiza, debe garantizar que el equipo responde a cierto nivel de compatibilidad permitida, en caso contrario, se determinarán las posibles soluciones. Tipos de ensayos: - Susceptibilidad a perturbaciones electromagnéticas: Este ensayo será efectuado para los tres tipos de señales más frecuentes: · sinusoidal · sinusoidal modulada en amplitud 1kHz – 80% 800MHz. · modulación tipo GSM entre 800MHz y 2GHz Ton = 577us y periodo = 4600us de las señales. - Célula TEM: Se realiza con la norma ISO 11452.3/NF R 13-004.3 (en vigor) de 1MHz a 200MHz, utilizando un paso de frecuencia de 100kHz entre 1MHz y 2MHz. 11. Descargas eléctricas estáticas: El equipamiento, montado en el vehículo, no debe de generar las descargas eléctricas estáticas protegiendo de esta forma a los usuarios del vehículo. Para este propósito se realizan dos ensayos al equipo, el primero con el equipo en funcionamiento y el segundo con el equipo apagado. Pliego de condiciones 19 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción - Equipamiento en funcionamiento: Se emplean las técnicas de ISO 106051994-10.01 Se aplican 3 descargas espaciadas en 5 segundos cada una. - de ±6kV y ±7Kv Equipamiento apagado: Se sigue la norma NF-R-13.004.6 (en vigor) Se aplican 10 descargas a un contacto, espaciadas cada una con un segundo, de ±2Kv al borne del aparato. 12. Inyección de corriente: Se ensaya con la norma ISO 1145.4/NF R 13-004.5 ( en vigor) de 1 MHz a 400MHz, con un salto de 100 kHz entre 1 MHz y 2MHz. El nivel de corriente que se cree es de 20 dB por década cada 10 MHz. Estos valores corresponden a un rango de frecuencias de 10 MHz-200MHz. El procedimiento par este ensayo se encuentra en la normativa B21 7090 20/52. 13. Rigidez dieléctrica: Normalmente para este ensayo procedimientos de la GAM T13 ( norma militar Francesa ). se utilizan los El aparato debe de mostrar cierta resistencia ante la aplicación de una tensión alternativa de 500 Voltios a 50 Hz durante un minuto, y esta tensión es aplicada entre el conector y el ensamblaje de este. 5.4.3.3 –CARACTERÍSTICAS MÉCANICAS. 1. Lengüetas: Las lengüetas deben de entrar en conformidad con la norma técnica B12 5210, para responder a determinadas exigencias técnicas como pueden ser contactos fiables, etc. 2. Conectores integrados en el aparato: Las lengüetas no deben de repercutir a los circuitos internos del aparato por los esfuerzos de inserción y extracción. Para los ensayos con los conectores se sigue la normativa de B12 7050. Se le aplica una prueba de tracción a las lengüetas de los conectores, si no son accesibles se da la posibilidad de ejercer esa prueba en las partes mas salientes del conector. Pliego de condiciones 20 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 3. Tenacidad de los conductores a la tracción: Este ensayo se realiza con la normativa B12 7050 análogo con el ensayo de las lengüetas de los conectores. La mayoría de las máquinas de tracción se desplazan con una constante de compresión de 25 y 50 mm/min esto hace que el valor típico de fuerza sea de 100N. 4. Tenacidad de los conductores al abatimiento: Se trata de simular el abatimiento, generado por el vehículo, que puede sufrir un cable. Para este propósito se simula la conexión de un conector concreto con el aparato mediante un cable, y siguiendo las siguientes instrucciones: • • • El conector y el aparato están fijados verticalmente al vehículo. La distancia del conector al aparato es igual a la longitud del cable menos el 2%. El conductor se ha de abatir un ángulo de 6,3º en el eje X, respecto de la posición inicial de este. 5. Fijaciones: Las fijaciones del aparato deben soportar los esfuerzos aplicados por la inserción y extracción de los conectores. Después de estos ensayos se observarán los defectos de estas fijaciones, y no se admitirá la alteración de las características técnicas de estas ( ni la deformación permanente, ni la deterioración mecánica o eléctrica). 6. Choque: En este ensayo el aparato se suspende de sus conexiones mediante un cable de 500mm de longitud y es lanzado a partir de un ángulo de 60º contra un bloque de acero. Los impactos se realizan para determinar la fragilidad de las piezas que forman el aparato. 7. Caída libre: El aparato es sometido a una caída libre desde un metro sobre un bloque de cemento, generalmente chocando desde sus tres ejes principales. 8. Vibraciones: Frecuentemente la implantación del aparato en el vehículo implica que ha de sufrir ciertas vibraciones. Para simular las vibraciones se utilizan ensayos de balanceo de frecuencia (por ejemplo de 20 a 2500 Hz). Estos ensayos consisten en colocar el aparato, dentro de una cámara de vibración, en una determinada posición respecto a sus ejes y determinar la frecuencia y el tiempo a que ha de estar sometido. Pliego de condiciones 21 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 5.4.3.4 – CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUIMICAS. 1. Piezas de plástico: Frecuentemente la situación, la orientación o la exposición del aparato, marcan las exigencias que han de cumplir. Normalmente se consulta la norma técnica B62 0200. 2. Piezas de caucho: Frecuentemente la situación, la orientación o la exposición del aparato, marcan las exigencias que han de cumplir. Normalmente se consulta la norma técnica B63 0100. 3. Corrosión: Se sigue la norma NF 20-711 (NF X 41-002) (en vigor)/D17 1058 pendiente. • 96 horas para las piezas implantadas en el habitáculo. • 240 horas para las piezas implantadas en el compartimiento motor o en el exterior. El aparato se debe conectar y se le alimenta con una tensión permanente. Se ha de exponer a una hora de funcionamiento a su temperatura máxima antes empezar el ensayo. 4. Inmersión: El aparato no esta alimentado y se hace un determinado ciclo para la prueba: • 30 minutos al aire y seco a la temperatura máxima de funcionamiento. • 30 minutos de inmersión, a una profundidad máxima de 100 mm y a una temperatura de 23 ± 5ºC. 5. Introducción de vapor de agua: El aparato debe estar sin alimentar, pero si conectado, y se ha de seguir la normativa NF C 20-714 ( en vigor) método Qc para inmersión en agua, la presión de la cámara de ensayo será de 700mbar. 6. Choques térmicos: Se sigue la norma NF C 20-714 (en vigor). Para este propósito se sigue el ciclado que sigue: • • 10 minutos a –30ºC. 10 minutos a +100ºC. La duración del paso de un recipiente a otro debe de ser inferior a 15 segundos. Pliego de condiciones 22 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 7. Resistencia al polvo: La norma que se sigue normalmente es la EN 60529 ( en vigor). El aparato debe de estar correctamente conectado pero sin estar alimentado. El grado de protección mínimo según la norma EN 60529 es el IP5X. 8. Variación atmosférica: Para este ensayo se utiliza el ciclado de la norma B217090 47/52 estando el equipo alimentado permanentemente. 5.4.3.5 – TENACIDAD Y DUREZA. Para determinar la tenacidad y la dureza del equipo, este es sometido a dos clases de ensayos, sucesivamente y en un orden indiferente, denominados 7.1.1 y 7.1.2 que se encuentran en la norma B21 7090 49/52. Con este tipo de ensayos se determina unas horas de funcionamiento del equipo, trabajando a distintas temperaturas comprendidas entre la máxima y la mínima y con distintos tiempos de conexión y desconexión del equipo. También los servicios de experimentación de vehículos del grupo ( Peugeot-Citroën), determinan una serie de pruebas a realizar de tenacidad y dureza que se indican en la norma B21 7090 51/52. Pliego de condiciones 23 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Departamento de ingeniería Electrónica Eléctrica y Automática PROYECTO FINAL DE CARRERA VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DE UN MODELO DE ALTERNADOR TRIFÁSICO (40V) PARA AUTOMOCIÓN 6 . ANEXOS Tutor del proyecto : Javier Maixé Altés. Realizado: David Bogariz Vilches. 6.0.0 – ANEXOS 6.1.0 – Data sheets de los componentes ......................... ................. 1 6.1.1 – Driver dual TC4427 ................................................................ 1 6.1.2 – Mosfets de potencia ................................................................ 2 6.1.3 – Regulador de tensión .............................................................. 3 6.2.0 – Agradecimientos ................................................................. 4 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 6.0.0 – ANEXOS. 6.1.0 – DATA SHEETS DE LOS COMPONENTES. A continuación se presentan los data sheets de algunos de los componentes más relevantes que forman el banco de pruebas para el alternador trifásico. Estos datos se vinculan, por tal de no mostrar una información masiva de los componentes. Estas secciones se encuentran disponibles en el CD del proyecto, en todo caso aparecerá en cada apartado la página web donde se puede encontrar dicha información. 6.1.1 – DRIVER DUAL TC4427. Archivo driver TC4427 Anexos www.microchip.com 1 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 6.1.2 – MOSFETS DE POTENCIA. Archivo mosfets IXTH75N10 Anexos www.ixys.com 2 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 6.1.3 – REGULADOR DE TENSIÓN. Archivo LM7805 Anexos www.fairchildsemi.com 3 Validación experimental de un modelo de alternador trifásico (40v) para automoción 6.2.0 – AGRADECIMIENTOS. Se agradece infinitamente toda la ayuda prestada por el equipo del laboratorio I+D del Grup d’Automàtica y Electrònica Industrial de la URV que nos facilitaron todos los recursos que se necesitaban para implementar el proyecto, siendo estos: Javier Maixé, Daniel Flores y Miquel Gibert. Por supuesto, también se agradece el gran apoyo aportado por Mª Dolores, Agustín, Xavier y Montse. Anexos 4
