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Sistemas Traccionarios de Corriente Alterna
Estudio y Descripción de componentes.
ORGANIZACIÓN AUTOLIBRE
Gabriel González Barrios
Los vehículos eléctricos se han desarrollado en forma lenta, pero en cada cambio
aumentan su eficacia y rendimiento. Durante el curso hemos hablado de motores de
corriente continua y controladores de velocidad que toman la continua de las baterías y la
modulan en frecuencia y duración de pulsos. Esta tecnología se utiliza desde hace mas
de 100 años y seguramente continuara en uso por mucho tiempo más.
Últimamente una nueva generación de vehículos, con prestaciones de velocidad, rango y
aceleración mayores entro en juego y ahora vamos a estudiar su funcionamiento.
¿Por que es mejor la tecnología de corriente alterna que la de corriente continua?
*Primero tomemos en cuenta que los modelos comerciales de las grandes marcas, EV 1,
Ford Ranger EV, Toyota Rav4-EV, Shevy S10, Toyota Prius, Tesla, todos utilizan
sistema de CA (corriente alterna).
*Nos permite el Sistema Regenerativo, mediante el cual, el motor genera con excelente
rendimiento electricidad para recargar las baterías, en las frenadas y en cualquier situación
de aceleración externa, que genere un impulso superior al eje del motor. Algunos
sistemas de corriente continua, también permiten regeneración eléctrica, pero a costa de
un costo mayor y un rendimiento regular.
*Capacidad mayor de RPM con excelente par de fuerza, usualmente los motores de CC
funcionan en rangos de 1500 a 3000 RPM, los motores de inducción (CA), si están
correctamente diseñados pueden funcionar sin problemas a 10.000 RPM o mas.
Lógicamente esto nos permite una mayor capacidad de velocidad sin necesidad de cambio
de marchas, lográndose mayor eficiencia por menor peso y perdidas mecánicas.
*Los motores de inducción no utilizan colector y carbones o escobillas, con esto
eliminamos tener que recambiarlas cada 20.000 Km. y además las perdidas por rozamiento
y chispas de conmutación.
*Capacidad de programación de los variadores de velocidad. Muy pocos controladores
(variadores) de velocidad para CC tienen capacidad de poder reprogramarse, y casi todos
los controladores de CA si pueden. Mediante un puerto de conexión a una PC y con discos
de programas podemos variar parámetros como velocidad, potencia, aceleración,
regeneración y además tener el registro de comportamientos en marcha, registrados en la
PC. Claro esta conectividad permite infinitas posibilidades de control y estudio.
*Esta tecnología de controladores, elimina el uso de contactores electromecánicos para la
marcha atrás, todo es realizado electrónicamente mediante el intercambio de 2 fases, no
olvidemos que todos estos motores son trifásicos.
*Otra característica es la posibilidad de trabajar con tensiones de 48, 72, 80, 96, 120, 220,
380, 440, 580, 620 V. Entonces a mayor tensión (V) menor puede ser el diámetro de los
conductores, logrando menor peso en cobre y un mayor facilidad de manipulación. Esto
también disminuye las perdidas por resistencia interna y en conexiones eléctricas.
*El peso. Los sistemas traccionarios de CA pesan menos, podemos ahorrar de 30 a 60 K,
que resultan importantes en la búsqueda de una mayor eficiencia del sistema. Además
resulta más fácil refrigerar un motor de inducción mediante circulación de agua.
MOTORES DE INDUCCION
Ya los hemos tratado anteriormente, vamos a describir las marcas y modelos que hay
disponibles, diseñados para uso en vehículos eléctricos. Las potencias nominales pueden
ir de 3.5 Kw a 75 Kw recordando que los motores eléctricos pueden entregar hasta x 5
veces su potencia nominal, durante unos minutos. Estando limitados solo por la capacidad
del Controlador de velocidad y el banco de baterías. Muchos cuentan con sensor en el eje,
conectado al controlador, lo que permite una detección perfecta de la posición del rotor e
información para tacómetros externos.
Los hay con rotores Jaula de ardilla:
Que presentan bobinas o barras de cobre internas.
Y los hay con imanes permanentes:
Los motores de inducción trifásicos con imanes permanentes tienen mayores ventajas
fundamentalmente por mantener una mayor potencia instantánea (torque) a altas
revoluciones.
Debemos tener en cuenta que si utilizamos motores trifásicos de más de 30 Kw la caja
de cambios tradicional de nuestros autos no es compatible, pues no están diseñadas para
soportar potencias instantáneas mayores a estos valores. Los motores mayores a 30 Kw,es
conveniente que traccionen directamente sobre el cardan o diferencial del coche.
Las formas y sistemas de anclajes pueden ser varias, pero los que mostramos a
continuación son motores de inducción trifásicos.
Eventualmente se podría utilizar motores trifásicos de uso industrial y de hecho en este
curso se menciona a los motores WEG y los Controladores WEG CFW-09 (por tener
disponibles entradas de Corriente Continua para conectar nuestras baterías). Claro hay
muchos motores trifásicos antiguos con muy bajo rendimiento eléctrico (82 %) tomando
en cuenta los nuevos motores de alto rendimiento, 96 %. Estos motores industriales
deben ser alivianados antes de su uso, tomando precaución además de disponer de buenos
sistemas de anclajes a nuestra carrocería.
Motor de inducción refrigerado por agua, con diferencial integrado para tren trasero.
CONTROLADORES DE VELOCIDAD OPTIMIZADOS.
Sistema completo de alto rendimiento, 170 Km de autonomía, 140 Km/h, 100 Km con
1.2 dólares de electricidad.
En cuanto a los variadores de
velocidad electrónicos su
funcionamiento se basa en
un circuito de control por
fase. Estos conmutadores por
fase, son controlados a su
vez por circuitos de lógica
programada.
Control de velocidad electrónico para motor de CA, SEVCOM de bajo costo ( 500
U$S) con muchas nuevas posibilidades y soluciones. El motor de CA es por lo general
más eficaz que muchos motores de corriente continua y tiene la ventaja de la mejora de
las características de par, con un menor número de piezas.
Controlador de la empresa AC PROPULSION (vemos el motor de inducción debajo)
este modelo de equipo esta en condiciones de manejar 150 KW de energía, lo que lo
hace útil en modelos de autos deportivos de altas prestaciones (220 Km/h y 0 a 100 en
3.5 seg.). Este tipo de equipo en Usa, tiene un costo de 25.000 dolares.
Este vehiculo el EV 1 de GM. Estaba equipado con la tecnología traccionaria de AC
PROPULSION en un formato de 288 V.
Controlador SOLECTRIA
Este inversor / controlador energiza
al motor de inducción, tiene salida de
12 V para los accesorios del auto y
alimenta los relojes de control. El
Solectria DMOC445 está diseñado
para trabajar con los motores
Solectria AC24 y AC55. Esta
controlado por microprocesador,
control de vectores de tres etapas de
energía, utilizando los muy fiables
transistores de potencia IGBT.
Además tiene incluido el sistema
cargador de baterías.
Características: Frenado regenerativo -Protección térmica automática-Manejo de tensión,
descarga –carga de las baterías. -Contactor interior -Chasis de aluminio ligero
Sistema de refrigeración por aire
Motor Solectria AC 24 de inducción.
Trifásico de 20 Kw de régimen y 80 Kw
Máximo.
Controlador Curtis Modelo 1236 y 1238
Controlador de avanzado software, proporciona muy buen control de velocidad máxima y el
control de par oscila en todos los modos, incluido el frenado regenerativo, velocidad cero.
Son controladores de velocidad de motor diseñados para su uso en todas las gamas de vehículos
eléctricos, incluidos los de manejo de materiales, industriales, para campos de golf y de manejo en
carretera. Trabajan con voltaje de 36 a 80 V. Con un costo medio de U$S 500.
En otro archivo va el manual con circuito de conexiones básico de los modelos Curtis AC. y el
manual de los cargadores de Baterías Zivan automáticos para baterías de 12 a 72 V.
Les paso una lista de proveedores de elementos para conversiones.
http://www.brusa.biz/
http://www.kta-ev.com/
http://www.electroauto.com/catalog/price-pts.shtml
http://www.evparts.com/
http://www.go-ev.com/
http://www.manzanitamicro.com/
http://www.avconev.com/
http://www.cafeelectric.com/
http://www.curtisinst.com/
http://www.ddmotorsystems.com/
http://www.lemcoltd.com/
http://www.acpropulsion.com/
Ahora, la siempre necesaria teoría.
Motores de inducción trifásicos.
Es un motor de potencia pequeña, grande o media que no necesita de un circuto auxiliar de
arranque, o sea , es mas simple, y mas liviano que un motor monofásico de inducción de la misma
potencia, por eso representa un costo menor.
Supongamos tres grupos de bobinas conectadas en triángulo, formando entre si ángulos iguales.
Cada grupo de bobinas se conecta a una fase de la corriente alterna.
Como sabemos las corrientes trifásicas tienen distinta intensidad en cada fase y en cada momento
que las consideramos, luego el valor del campo magnético generado por una fase dependerá de la
intensidad en esta fase en el instante dado. De otra parte, al estar las intensidades desfasadas entre
si 120 grados eléctricos en los tres devanados, los valores de los campos magnéticos generados
también estarán desfasadas 120 grados.
Estos tres campos magnéticos existentes en cualquier instante, se combinaran para producir un
campo magnético resultante, que va girando a medida que varia la intensidad de la corriente de
las tres fases.
El siguiente dibujo representa las tres intensidades alternas de un sistema trifásico, cuyos
devanados se ordenan en el estator de manera que, entre ellos haya un desfase de 120 grados entre
si, así como que estas tres formas de onda pueden representar, a su vez, los valores de los campos
magnéticos alternos generados por las tres fases.
Obsérvese que en el instante t1 el valor de la fase T es positiva y el de la fase S es negativa, lo que
significa que por ellas circulan corrientes de sentido contrario, y por lo tanto crean polaridades
distintas en los polos afectados por estas fases. La polaridad de estos campos se indica en el
esquema del estator correspondiente indicado encima de la posición numero t1. Puede verse la
ausencia de polaridad en las bobinas conectadas a la fase R mientras las bobinas afectadas por las
fases R y T crean un campo magnético resultante de posición intermedia entre los polos formados
y de sentido norte a sur como puede verse en la figura.
Fig. Principio de funcionamiento del motor eléctrico trifásico
En el instante entre t1 y t3 la fase T tiene un valor nulo y las fases S y R valores iguales y de signo
contrario. De ello se deduce que el campo magnético resultante habrá girado 60 grados. Siguiendo
el mismo razonamiento para las distintas posiciones sucesivas, se obtendría un campo magnético
giratorio en el estator trifásico, que daría una vuelta por cada ciclo de la corriente alterna.
El estator es la parte en reposo del motor. En el que están las ranuras en que va el bobinado,
esquema representado en la parte inferior de la lamina. Los principios U - V - W y los finales X Y - Z de las fases van a una caja de conexiones o bornes, que podrán estar conectados en estrella o
triángulo.
Un motor de inducción para una red de distribución de 220V ( por ejemplo en
Brasil ) , presenta seis terminales, dos para cada enrollamiento de trabajo, donde la tensión de
alimentación de éstas bobinas es de 220 V. Para un sistema de alimentación de 220/127V-60Hz este
motor debe ser conectado en delta y para un sistema de 380/220V-60Hz el motor debe ser
conectado en estrella conforme se muestra en la figura siguiente .
Fig. Esquemas de conexión de un motor de inducción trifásico.
Para la inversión del sentido de rotación en los motores de inducción trifásico, basta invertir dos
de las conexiones del motor, como las fuentes de alimentación.
La potencia eléctrica PE absorbida de la red para el funcionamiento del motor es mayor que la
potencia mecánica PM provista en el eje especificado por el fabricante, pues existe un rendimiento
determinado η del motor a ser considerado, o sea :
La potencia mecánica en el eje PM del motor ( en W ) está relacionada con el momento de torción
M por la siguiente expresión ( en N .m ) :
donde n es la velocidad del rotor ( en rpm ).
Motores sincrónicos.
Un motor sincrónico, tiene un rotor constituido por un imán permanente, o bobinas alimentadas
por corriente continua mediante anillos colectores. En este caso, el rotor gira con una velocidad
que es directamente proporcional a la frecuencia de la corriente del estator e inversamente
proporcional al número de pares de polos magnéticos del motor. Son motores de velocidad
constante y es esta característica la que determina su principal aplicación. Son utilizados
solamente para grandes potencias debido a su alto costo de fabricación.
La siguiente ecuación define la velocidad síncrona ns de éste tipo de motor
Donde:
ns = velocidad síncrona
f = frecuencia de la corriente del rotor ( Hz)
p = número de polos magnéticos del rotor.
Motores Asíncronos
Los motores asíncronos son máquinas eléctricas, las cuales han tenido mayor aplicación en la
industria y artefactos electrodomésticos. Estas máquinas son los principales convertidores de
energía eléctrica en mecánica (actualmente los motores asíncronos consumen casi la mitad de la
energía eléctrica generada). Su uso es, principalmente, en calidad de mando eléctrico en la
mayoría de los mecanismos, ello se justifica por la sencillez de su fabricación, su alta confiabilidad
y un alto valor de eficiencia.
Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla y los de rotor de anillos rozantes.
Una máquina de inducción ( asincrónica ) con rotor en reposo tiene un funcionamiento similar a
un transformador, diferenciándose de un transformador convencional sólo por el diseño (
devanados distribuidos en el rotor y en el estator, presencia de entrehierro, etc. ) . En cuanto a la
naturaleza física de los fenómenos es la misma en ambos casos.
En el motor asíncrono se tiene 2 devanados, uno se coloca en el estator y el otro en el rotor. Entre
el estator y rotor se tiene un entrehierro, cuya longitud se trata de, en lo posible, hacerlo pequeño
(s = 0.1 - 0.3 mm), con lo que se logra mejorar el acople magnético entre los devanados.
El devanado del estator puede ser monofásico o trifásico (en caso general polifásico). En lo
sucesivo se analiza el motor trifásico, cuyas bobinas se colocan en las ranuras interiores del
estator. Las fases del devanado del estator AX, BY, CZ se conectan en tipo estrella Y o triángulo
∆, cuyos bornes son conectados a la red.
El devanado del rotor también es trifásico (o polifásico) y se coloca en la superficie del cilindro. En
el caso simple se une en corto circuito.
Cuando el devanado del estator es alimentado por una corriente trifásica, se induce un campo
magnético giratorio, cuya velocidad (síncrona) es:
nsinc = 60. F / p
F = frecuencia en Hz.
p = Pares de polos del motor.
Este tipo de motor no se emplea industrialmente, por una serie de problema que origina su puesta
en marcha, proceso de trabajo y desconexión.
Estos motores llevan siempre una velocidad inferior a la que le correspondía por formula. Si el
rotor está en reposo o su velocidad n < nsinc, entonces el campo magnético giratorio traspasa los
conductores del devanado rotórico e inducen en ellos una f.e.m.
El rotor es generalmente de jaula de ardilla o cortocircuito ya que posee varios conductores que se
encuentran en cortocircuito en el rotor. En este caso no lleva bobinado alguno. La jaula de ardilla
se puede imaginar como un devanado polifásico cuyo número de pares de polos es igual al número
de pares de polos del campo giratorio. Cuando se considera
la jaula de ardilla como devanado polifásico se supone que
está conectada en estrella y en cortocircuito .
Fig. Rotor tipo jaula de ardilla .
El campo magnético variable del estator, induce corrientes senoidales en los conductores de la
jaula de ardilla del rotor. Estas corrientes inducidas, a su vez, crean un campo magnético en el
rotor que se opone al campo inductor del estator ( Ley de Lenz ). Como los polos del mismo
nombre se repelen, se produce una fuerza en el sentido de giro del rotor.
El rotor gira con una velocidad n un poco inferior a la velocidad sincrónica, o sea, a la velocidad
de la corriente del campo. Como dicha velocidad es un poco inferior, se dice que éste motor es
asincrónico, o sea sin sincronización.
Sobre los conductores con corriente, empleados en el campo magnético, actúan fuerzas
electromagnéticas cuya dirección se determina por la regla de la mano izquierda; estas fuerzas
crean un Melmagn que arrastra al rotor tras el campo magnético. Si este Melmagn es lo
suficientemente grande entonces el rotor va a girar y su velocidad n2 va a corresponder a la
igualdad.
Melmagn est = M freno rot.
Este es el funcionamiento de la máquina en régimen de motor y es evidente en este caso.
0 ≤ n2 < n1
A la diferencia de velocidades entre el campo magnético y el rotor se le llama deslizamiento y se
representa por el símbolo s.
De donde se deduce que en el régimen de motor
0<s≤1
La figura 3 muestra la configuración más empleada de la etapa de potencia. Se compone de seis
transistores de potencia MOSFETs o IGBTs, dependiendo de la tensión de alimentación. Para la
regulación de velocidad se emplea la técnica PWM con portadora de alta frecuencia.
Fig. 3: Inversor trifásico en puente con IGBTs
Si desea más información o un mayor desarrollo de este tema, comuníquese y le ampliaremos.
ORGANIZACIÓN AUTOLIBRE
2/2/2009
http://autolibre.redtienda.net