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PROYECTO FINAL DE CARRERA Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Autor: Álvaro Alcalde Grau Coordinador: Ing. Vasco Santos Directora: Esther Sainz Especialidad: Electrónica Convocatoria: Marzo 2011 MEMORIA Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 4 1. INTRODUCCIÓN...................................................................................................... 6 2. ANTECEDENTES ..................................................................................................... 8 2.1. Historia................................................................................................................. 8 2.2. Tipos.................................................................................................................... 10 3. REQUISITOS DE DISEÑO .................................................................................... 13 4. CÁLCULOS MECÁNICOS.................................................................................... 14 4.1. Cálculo de las masas del vehiculo..................................................................... 14 4.2. Fuerzas actuantes .............................................................................................. 15 4.3. Par necesario para el movimiento.................................................................... 18 4.4. Revoluciones y potencia necesarias.................................................................. 21 5. ANÁLISIS DE SOLUCIONES ............................................................................... 23 5.1. Motor.................................................................................................................. 23 5.1.1. Motor de inducción..................................................................................... 23 5.1.2. Motor CC sin escobas o Brushless (BLDC) ............................................. 26 5.1.3. Motor CC con escobillas............................................................................ 34 5.1.4. Motor Directdrive o HUBwheels............................................................... 40 5.2. Conversores........................................................................................................ 42 5.2.1. Conversores CC-CC................................................................................... 43 5.2.2. Conversores CC-AC................................................................................... 46 5.3. Control de motores............................................................................................ 50 5.3.1. Control del motor de inducción................................................................. 51 5.3.1.1. Arranque............................................................................................... 51 5.3.1.2. Control de la velocidad......................................................................... 52 5.3.2. Control del motor C.C. .............................................................................. 56 5.3.2.1. Arranque............................................................................................... 56 5.3.2.2. Control de la velocidad......................................................................... 57 5.3.3. Control del motor Brushless...................................................................... 59 5.3.3.1. Control por troceador........................................................................... 59 5.3.3.2. Control por corriente............................................................................ 60 5.3.3.3. Tipos de conmutación........................................................................... 60 5.4. Microcontrolador .............................................................................................. 63 Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 5 5.4.1. Control en bucle abierto ............................................................................ 63 5.4.2. Control en bucle cerrado ........................................................................... 65 6. SELECCIÓN DEL MOTOR................................................................................... 67 6.1. Configuración y tipo de motor elegidos........................................................... 67 6.2. Motor seleccionado............................................................................................ 71 7. PARÁMETROS A DIMENSIONAR ..................................................................... 74 8. OTRAS CARACTERÍSTICAS PROPIAS DEL CORTACÉSPED.................... 79 9. ALIMENTACIÓN.................................................................................................... 80 9.1. Baterías............................................................................................................... 80 9.2. Cableado............................................................................................................. 84 9.3. Protecciones........................................................................................................ 85 9.4. Cargador ............................................................................................................ 86 9.5. Autonomía.......................................................................................................... 87 9.7. Tiempo de carga y consumo ............................................................................. 89 11. INTERCONEXIONADO..................................................................................... 102 12. RENDIMIENTO................................................................................................... 103 13. PRESUPUESTO................................................................................................... 105 14. PLANIFICACIÓN ............................................................................................... 106 15. CONSIDERACIONES Y CONCLUSIONES.................................................... 107 16. NORMAS Y LEYES ............................................................................................ 110 17. DEFINICIONES Y ABREVIATURAS.............................................................. 111 Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 6 1. INTRODUCCIÓN El cortacésped de tipo tractor o autoportante (“riding mower”) es un máquina que utiliza unas cuchillas o algún otro tipo de accesorio para cortar, generalmente césped o hierba de grosor fino y de no mucha altura. Es decir, se utiliza en el mantenimiento de superficies o espacios con hierba que cumplan los requisitos de uso del aparato. Su ámbito de aplicación, son las superficies deportivas y los jardines de extensión media (más de 3000 m2). Desde la crisis del petróleo de 1973 se han estado buscando fuentes alternativas al petróleo, al ser este fósil fuente de grandes especulaciones tanto económicas como políticas y utilizado por muchos países como medida de presión. Por ello desde la década de los 80 se han realizados numerosos experimentos y prototipos de vehículos con motor eléctrico. En esta última década debido a la gran inversión realizada por algunos estados y empresas, se han obtenido avances significativos en el campo de la propulsión eléctrica. Su principal inconveniente, la autonomía de los sistemas de almacenaje de electricidad, ya no es tan grande como en décadas pasadas y ahora ya se pueden realizar vehículos con autonomía suficiente para que sean competitivos en el mercado. A partir de 1997 debido a las restricciones de emisiones de CO2, impuestas por algunos estados debido mayoritariamente a la firma del Protocolo de Kioto, los esfuerzos para sustituir motores de combustión de derivados del petróleo por motores eléctricos o por motores que usan bioetanol o biodiesel, han hecho que adquiera un nuevo interés por parte de las empresas en fabricar nuevos sistemas de propulsión sobre todo eléctricos. Numerosos colectivos tanto privados como públicos, especialmente universidades, han estado realizando numerosas conversiones experimentales de vehículos con motor de explosión, a los que se les cambia íntegramente el motor por uno eléctrico así como sus sistemas de almacenamiento de energía. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 7 También hay que destacar las nuevas normas sobre la llamada contaminación acústica. Este aspecto aunque pasa casi desapercibido también es una de las causas por las que se va a realizar el cambio de motor de combustión a motor eléctrico, ya que la cantidad de ruido generada durante el tiempo de trabajo del cortacésped es bastante elevada y puede llegar a ser perjudicial para el operador, si este no toma alguna medida de precaución. Por ello, la disminución de ruido es una consecuencia del cambio del motor del cortacésped bastante interesante. El Instituto Superior Politécnico de Viseu ya ha realizado estudios sobre vehículos comerciales tales como automóviles y cuatrimotores (ATV y Quad). La más exitosa ha sido la conversión de un automóvil de la marca Volvo de motor de gasolina a motor eléctrico y sus respectivas modificaciones para el buen funcionamiento del sistema en su conjunto. Ahora tenemos que realizar un estudio y la conversión de una máquina herramienta de pequeño tamaño para ver su viabilidad a corto-medio plazo. Por ello se ha seleccionado una máquina cortacésped de tipo tractor debido a su reducido peso y poca velocidad de crucero. En este proyecto se asumirá una fase preliminar de estudio en donde se tendrán en cuenta los objetivos a cumplir, así como el grado de consecución de los mismos. Con todo ello, se afrontará la creación del proyecto llegando hasta el nivel anterior a la conversión y adaptación del motor y su controlador. De igual modo, se adjuntarán los correspondientes documentos necesarios para la ejecución del proyecto. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 8 2. ANTECEDENTES 2.1. Historia La primera máquina manual cortacésped fue inventada por Edwin Budding (1795-1846) en 1827 en la ciudad inglesa de Gloucestershire. Su oficio de carpintero le ayudo a idear un ingenio basado en el mecanismo rotativo de los telares para cortar lana. Su idea fue la de sustituir la guadaña para el mantenimiento de jardines y campos deportivos por otro sistema que fuera mas sencillo y requiriera menos tiempo y esfuerzo por parte del propietario. Téngase en cuenta que en Inglaterra se practicaba por aquel entonces un rugby rudimentario en colegios y en los festivales de los pueblos y se requerían superficies mas o menos grandes para el desarrollo del juego. En 1830 la patente fue adquirida por otro inglés, John Farrabee, llegando a un acuerdo con Budding sobre el desarrollo y venta de licencias a otros fabricantes. En 1859 aparecía el primer cortacésped con transmisión por cadena. Poco a poco, el auge del ferrocarril posibilitó una mejor comunicación entre ciudades y fomento las competiciones deportivas, sobre todo rugby, entre ciudades. Por ello la aparición de superficies deportivas, requirió un mantenimiento de la hierba del terreno de juego en donde el cortacésped adquirió una ventaja sobre el uso de la tradicional guadaña. Ya en 1860 la fabricación de cortacésped adquirió un mayor volumen. En 1870, Elwood McGuire of Richmond, desarrollo un cortacésped sencillo, ligero y lo más importante, para su funcionamiento solo era necesario que el operador lo moviera por la superficie a cortar. Tuvo mucho éxito de ventas. Todos estos cortacéspedes tenían el sistema de corte de tipo cilíndrico y en 1899 John Burr patentó un sistema de cuchillas rotatorias. Otro aspecto importante que sufrió una importante mejora tiene que ver con que todos estos sistemas eran de tracción humana o animal, y no fue hasta 1893 cuando Jammes Summer, hijo de un propietario de una tienda de útiles de ingeniería, patentó el primer cortacésped con motor de vapor. El motor usaba petróleo o queroseno como combustible. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 9 En los cortacéspedes rotatorios, no fue posible aplicar un motor de combustión hasta que estos no fueron lo suficientemente pequeños y potentes para mover las cuchillas a altas velocidades. Se hicieron numerosas pruebas durante la década de los 20 y los 30 pero no fue hasta 1952 cuando la empresa Victa desarrollo un nuevo cortacésped mucho más ligero y fácil de utilizar que los cortacéspedes anteriores. El cortacésped usado para la transformación es un cortacésped tractor. Los primeros prototipos de tractores aparecieron a principios del siglo XX, pero el primer tractor que tuvo algo de éxito fue en los Estados Unidos en 1911. En Inglaterra también fue desarrollado en 1902 y después en 1908 un tractor de 4 ruedas. El primer tractor en producirse en masa fue el Fordson, que fue diseñado y construido por la marca de Henry Ford en 1917. Este tractor acaparó el 77% del mercado de tractores en los Estados Unidos. A partir de 1920 los tractores mas comercializados fueron los de motor de combustión interna. Los tractores de jardín o cortacésped tractor se caracterizan por ser vehículos de pequeño tamaño, ligeros y simples. Están concebidos para cortar hierba sobre todo en medias y grandes superficies (campos de futbol, campos de golf, grandes jardines,…). Están equipados con cobertura de corte rotativo horizontal. Poseen un motor vertical con una transmisión por correa de tipo diferencial. Suelen tener varias posiciones de la altura de las cuchillas y unas 5-6 marchas. Los primeros modelos eran tractores de tipo agrícola con un corte frontal o trasero que ejercían la labor de mantenimiento de campos deportivos y grandes extensiones de jardín. A finales de los años 30, debido a la sustitución de los antiguos tractores agrícolas por otros mucho más novedosos, numerosos motores y otras piezas fueron puestas a la venta cosa que aprovecharon algunos fabricantes y así aparecieron algunos modelos mas reducidos de tractores que fueron concebidos para su uso exclusivo en jardines, obteniendo pequeños éxitos de venta sobre todo en los Estados Unidos. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 10 En los años 70, muchas marcas también se lanzaron a comercializar cada vez mas cortacéspedes para uso en instalaciones deportivas amateurs y para jardines reduciendo el peso y el consumo de los mismos. Los prototipos eléctricos han sufrido grandes avances en el siglo XXI, sobre todo debido a la mejora de los sistemas de almacenaje de electricidad. Esta tecnología proviene enteramente del ámbito de la investigación del automóvil eléctrico y de la mejora de sus baterías. 2.2. Tipos Hay que diferenciar varios tipos de cortacésped, fundamentalmente según el tipo de rotación de las cuchillas de corte y según su la energía empleada. Según el tipo de rotación de las cuchillas podemos encontrar: - CILÍNDRICOS: Su sistema de corte se basa en el movimiento de unas cuchillas casi horizontales que están inclinadas para un mejor corte que con el de tipo rotativo. Los primeros modelos tenían este tipo de corte. Son comunes con motor eléctrico pero son bastante más caros que los rotatorios. Imagen 1 – Cortacésped cilíndrico. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 17 α senGF ×= _ 1 α cos _ 2×= GF Con: gmG ×= _ 2 FFR×= μ Entonces, con un coeficiente de fricción de 0.3: N s m kg sen s m kggmsengmFFFt R 91.16503.0º20cos8.9270 º208.9270cos 2 2 1 =××× +××=×××+××=+= μαα Fuerza de Fricción Rotacional La fuerza de fricción rotacional se presenta cuando un cuerpo rueda sobre una superficie, deformándose una de ellas. Es una fuerza resistiva que hay que tener en cuenta. Fat – Fuerza de fricción rotacional. Crr – coeficiente de fricción rotacional (0.055 para superficies de hierba y arena). m – Masa. g – Fuerza de la gravedad (9,8m/s2). α – Ángulo de inclinación. N s m kgCgmNCFat rrrr 75.136055.0º20cos8.9270cos 2=×××=×××=×= α Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 18 Fuerza total requerida por la rueda Es la suma de todas las fuerzas calculadas, entonces: NNNNFFFF attaatotal 41.179275.13691.165075.4 = + +=++= 4.3. Par necesario para el movimiento Aquí calcularemos el par que necesita el cortacésped para funcionar con esas condiciones máximas en las ruedas motoras. Dichas ruedas fueron medidas experimentalmente en el taller y cotejadas en los planos tal como el resto de medidas. Nota: en Portugal el Par es conocido como “Binário” y su letra no es la M, como es España, sino que es la T. Mantengo esa nomenclatura, ya que no puede dar lugar a equívocos puesto que además en todas las cuentas las unidades son las del Par, Nm. Par necesario de la rueda Trueda – Par necesario por la rueda. Ftotal – Fuerza requerida por la rueda. r – Radio de la rueda. NmmNrFT totalrueda 4.37621.041.1792 = ×=×= Par necesario por el motor Tmotor – Par necesario por el motor. Trueda - Par necesario por la rueda. R – Relación entre las poleas. RNRTT ruedamotor ×=×= 4.376 , tenemos que calcular la relación final entre las poleas y el motor R. (Ver apartado 7.6) Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 19 A) Relación entre la caja de velocidades y la rueda Esta parte ha sido realizada de manera empírica en el taller de vehículos eléctricos de la “Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu” forzando dichas poleas a realizar vueltas. Esto es debido a que el desmontaje de todas y cada una de las poleas y su posterior montaje podría acarrear problemas para el posterior buen funcionamiento, además de resultar un método innecesario dadas las alternativas. Las medidas fueron cotejadas con los planos encontrados del antiguo modelo de cortacésped, el MTD JE- 130, y el resultado es que 1 vuelta de rueda son 24 vueltas de la polea de la caja de velocidades, entonces la relación es: 1 2 2 1 D D n n= donde n1 e n2 son respectivamente las r.p.m. de las poleas motora y movida, y D1 y D2 son respectivamente los diámetros de las poleas motora e movida. La relación es 24 1 24 1 2=== D D R B) Relación entre la polea intermedia y la caja de velocidades La polea intermedia está unida con otra por un eje, es una polea compuesta. 28 186 1 2== D D R Imagen 5 – Polea intermedia y caja de cambios-velocidades. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 20 Imagen 6 – Poleas y caja de velocidades. C) Relación entre la polea del motor y la polea intermedia 122 94 1 2== D D R Imagen 7 – Polea del motor y polea intermedia. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 21 D) Relación entre la transmisión del motor y la polea del motor Tiene que ser una relación para que se cumplan los parámetros de Par del motor. Pero como esta relación era con el motor de combustión, ahora tenemos que rehacerla para el motor eléctrico. Ya que según sea el tamaño de esta polea, la relación R variará. Por ello debemos establecer todos los parámetros y finalmente elegir el tamaño o relación R que satisfaga nuestras exigencias finales. Eso se muestra en el apartado 7.6. Imagen 9 – Polea compuesta del motor. Imagen 8 – Poleas intermedias, polea móvil (la más pequeña) y polea compuesta del motor (a la derecha). 4.4. Revoluciones y potencia necesarias Originalmente el motor del cortacésped era un Briggs & Stratton “Power Built” de 13 H.p. (MOTOR B&S 13.0HP I/C DL12) con una velocidad máxima de rotación 3600 r.p.m. y en régimen nominal de 2700 r.p.m. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 22 Así que nuestro cortacésped deberá poseer las mismas características o superiores de velocidad de rotación para que se mantenga en principio un correcto funcionamiento del mismo. Los caballos de vapor necesarios (potencia) serán calculados y dimensionados y puede que sean necesarios menos que cuando estaba el motor de combustión, ya que el rendimiento del motor eléctrico será siempre superior, sin embargo a la hora de buscar motores debimos guiarnos por la potencia del viejo motor, y por tanto es la que se calcula a continuación. En condiciones de máxima velocidad las r.p.m. necesarias son: V – Velocidad máxima del cortacésped en m/s. d – diámetro da rueda en m. n – rotaciones por minuto. 60 2nd V××× = π Tenemos que pasar primero de km/h a m/s, entonces: smvelocidad seg metros hkm /77.2 3600 1000 10 3600 1000 /=×→×→ rpmn nnd V15.63 60 42.02 77.2 60 2=↔ × × × =↔ ××× = π π A partir de ahí dimensionamos las sucesivas transformaciones hasta llegar a la velocidad motor, en el apartado 7.6. La potencia del motor deberá ser por lo menos, la correspondiente al motor de combustión: WP 15.95615,73513 =×= Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 23 5. ANÁLISIS DE SOLUCIONES En este apartado se trataron las diferentes soluciones que se pueden adoptar en la conversión e instalación del motor y controlador para que el cortacésped funcione íntegramente con energía eléctrica. 5.1. Motor Un motor eléctrico es un mecanismo que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de fenómenos de electromagnéticos, y existen numerosos tipos tanto por su construcción como por su funcionamiento o alimentación. Estudiamos los diferentes tipos, su funcionamiento, así como sus principales ventajas e inconvenientes, para una correcta elección. 5.1.1. Motor de inducción A diferencia del resto de maquinas eléctricas rotativas, en los motores de inducción o asíncronos no existe corriente conducida por el arrollamiento del rotor, sino que ésta, se debe a la fuerza electromotriz inducida en el devanado rotórico por el flujo generado en el devanado estatórico. Este motor puede funcionar como generador y como motor. Como generador lo podemos encontrar en las minicentrales hidroeléctricas y en algunas eólicas. En cambio su funcionamiento como motor es muy amplio y es el más usado en la industria. Ha desbancado a la máquina de corriente continua en los procesos industriales debido al gran avance de la electrónica de potencia en el desarrollo de dispositivos capaces de controlar a la máquina asíncrona con la precisión requerida para los procesos. Sin embargo, algunos procesos permanecen fuera del alcance de la máquina asíncrona debido a la inexistencia de un control capaz de dar las prestaciones exigidas. Estos procesos son los que trabajan con grandes potencias y el de los controles de velocidad de alta precisión. Cuando la carga mecánica sobre el motor es muy grande y se reduce la velocidad, puede quedar fuera de fase con la frecuencia de la corriente y pararse. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 24 A la hora de elegir una solución óptima debemos tener en cuenta los tipos de máquinas asíncronas que nos podemos encontrar. Por ello, según sea la alimentación tenemos: • Monofásicas: son las utilizadas en instalaciones monofásicas tales como lavadoras, ventiladores domésticos, pequeñas bombas de agua, etc. • Trifásicas: alimentadas mediante un sistema trifásico de tensiones que son generalmente las usadas en los procesos industriales. En este caso las descartamos automáticamente. Según el tipo de devanado rotórico encontramos: • Rotor de jaula de ardilla: esta formado por conductores de cobre a de aluminio cortocircuitados por ambos lados mediante los anillos de cortocircuito. Este tipo de construcción es el más robusto, tiene un peso bajo y además es el más simple. Por ello es el más barato y es el más utilizado en accionamientos de velocidad constante. Imagen 10 – Rotor de Jaula de Ardilla y conductores en cortocircuito. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 25 • Rotor bobinado: esta formado por un devanado trifásico similar al existente en el estátor y siempre con el mismo número de polos. Las tres fases están siempre conectadas en configuración tipo estrella en un extremo, permaneciendo el otro extremo conectado a unos anillos rozantes, situados sobre el eje y que giran solidariamente con él. Estos anillos son accesibles desde el exterior mediante tres escobillas que permiten la conexión de resistencias externas para limitar las corrientes en el arranque y controlar las características de par y velocidad. En igualdad de clase protección y de potencia, es más costoso, menos robusto y sobre todo exige un mayor mantenimiento que los de jaula de ardilla. Sin embargo, también poseen algunas ventajas. La característica del circuito eléctrico del rotor puede ser modificada desde el exterior en cada instante que se desee. También la tensión e intensidad por el rotor son directamente accesibles al control o medida de tipo eléctrico. Imagen 11 –Rotor bobinado y anillos rozantes Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 26 Las ventajas principales de los motores de inducción son: • Sobre todo su simplicidad, que se traduce en un bajo coste y fácil mantenimiento. • Unas buenas prestaciones con el uso de variadores electrónicos de velocidad mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación al motor. • Mejor rendimiento general que con los motores de corriente continua, ya que los motores asíncronos carecen de escobillas. • Mas económicos a nivel de comercialización que los de corriente continua. En cambio sus desventajas principales son: • Los variadores necesarios para su control son muy caros. • Las baterías proveen energía continua y estos motores necesitan energía alterna para su correcto funcionamiento. Por lo que habrá que usar un convertidor electrónico de potencia o un inversor que transforme esa electricidad de continua a alterna, lo cual supondrá un mayor coste en el producto final. De lo cual se deduce que para nuestro caso el inconveniente de los variadores electrónicos, y los inversores, debido a la alimentación que será usada, representa un grave inconveniente al elevar el precio y complejidad del diseño del producto. No obstante comentaremos los diferentes controles antes de desechar por completo dicha opción, ya que si hubiera posibilidad de un control sencillo y no demasiado costoso podríamos finalmente decantarnos por dicha opción. 5.1.2. Motor CC sin escobas o Brushless (BLDC) Son motores que han ganado rápidamente mucha fama. El motor BLDC es un tipo de motor síncrono, esto significa que, el campo magnético generado por el estator y el campo magnético del rotor gira a la misma frecuencia. Al no tener escobillas ni colector, este motor es muy utilizado en aplicaciones donde el desgaste de las escobillas Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 33 Imagen 18 – corte de un motor BLDC. Las ventajas principales de este tipo de motor son numerosas: • Menor necesidad de mantenimiento debido a la ausencia de escobillas. • Larga vida útil. • Mejor eficiencia debido a la ausencia de pérdidas en la conmutación. • Mejor respuesta dinámica ya que la inercia del rotor es baja. • No necesita circuitos de arranque como los motores de inducción. • Mejor disipación del calor ya que solo tiene espiras en el estator. • Menores interferencias electromagnéticas y menor ruido debido a la ausencia de escobillas. • Mayor rango de velocidades que puede alcanzar ya que carece de escobillas/conmutador. Las desventajas de este tipo de motor son: • La complejidad de su control y la necesidad de estar controlando el motor todo el tiempo. • Elevado precio, debido a los imanes permanentes y a su fabricación. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 34 En principio es un motor muy interesante para nuestro proyecto ya que cuenta con casi todas las ventajas que pretendemos, tales como eficiencia energética para una buena autonomía y evitar en lo posible la contaminación acústica. Además la menor necesidad de mantenimiento que en otros motores facilitaría la vida en el futuro al personal de mantenimiento del ISPV. Sin embargo la necesidad de usar una alimentación continua mediante baterías implica la necesaria transformación de energía que aumentaría costos y complejidad del proyecto. 5.1.3. Motor CC con escobillas Es un motor rotativo de corriente continua que puede funcionar como generador y como motor. El uso como generador es muy reducido y solo aplicable en instalaciones de energía eólica o solar y en dispositivos para cargar baterías. El uso más extendido de la máquina de CC como generador es el de dínamo tacométrica. Es un tipo de sensor que recoge tensión, la cual es directamente proporcional a la velocidad de giro, y es usada en controles de velocidad. Aparte de eso, el motor CC ya no es muy empleado en la industria debido al uso cada vez mayor de máquinas asíncronas, como ya comentamos anteriormente. Imagen 19 – Nomenclatura de las diferentes partes del colector de delgas (en inglés) Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 35 El colector de delgas esta situado en el eje del rotor y gira solidario con éste. Lo forman un conjunto de láminas de cobre llamadas delgas que se encuentran aisladas entre sí y están alojadas sobre el llamado cubo del colector del que se aíslan mediante láminas de mica. Las delgas están soldadas a las bobinas, por tanto el número de delgas es igual al de bobinas. El portaescobillas se encuentra directamente sobre el colector de delgas pero permanece fijo. Aquí se alojan las escobillas que son unas piezas que permanecen en contacto con las delgas a medida que éstas giran de forma que permiten que la corriente eléctrica salga o entre por ellas cada vez que se ponen en contacto con las escobillas. Esta estructura genera varios problemas que hacen que el motor de corriente continua haya ido perdiendo peso en los últimos años. La estructura básica consiste en un estátor inductor y un rotor inducido, los cuales están formados por devanados por los que circula la corriente responsable del movimiento. Dicho movimiento es producido debido a la Ley de Lentz la cual afirma que un conductor recorrido por una corriente en un campo magnético sufre una fuerza contrapuesta. Imagen 20 – Diagrama vectorial de fuerzas sobre un conductor de longitud l recorrido por una corriente I sometido a un campo B De este modo el rotor consiste en un gran número de conductores, o devanado inducido, donde se inducirá la fuerza para producir el movimiento. El estátor es el inductor del campo, el cual se puede crear mediante un devanado recorrido por una corriente, o unos imanes. Esto da pie a diferentes estructuras, la más clásica la de estator con devanado inductor con un par de polos. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 36 Imagen 21 – Detalle de los devanados del estator y del rotor con sentido decampo magnético y rotación Dentro de esta estructura, según como se disponga el devanado de excitación o inductor, da pie a 3 configuraciones con diferentes comportamientos en cuanto a par y velocidad. Los tipos de motores de corriente continua con escobilla son: • De excitación independiente: son aquellos en los que el devanado de excitación se conecta a una fuente de alimentación independiente (de ahí su nombre) del devanado de inducido. El par es prácticamente constante al no depender de la carga del motor. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor. Si en algún momento el motor estuviera funcionando en vacío (sin carga) y se quedara sin excitación, la velocidad aumentaría hasta alcanzar velocidades peligrosas para la integridad del motor. Este sistema no es casi usado debido a que hay que utilizar una fuente exterior de corriente. Imagen 22 – Configuración shunt Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 37 • De excitación en serie: son motores en los que el devanado de excitación se conecta en serie con el devanado de inducido, de manera que la intensidad que circula es la misma para ambos devanados. En estos motores en el momento del arranque la intensidad es máxima. A partir del punto de arranque la intensidad disminuye rápidamente y aumenta la velocidad. En este tipo de motores existe dependencia entre el par y la velocidad. Son motores en los que, al aumentar la corriente de excitación, se hace disminuir la velocidad, con un aumento del par. Imagen 22 – Configuración serie • De excitación compuesta: También llamados “compound”, en este caso el devanado de excitación tiene una parte de él en serie con el inducido y otra parte en paralelo. El devanado en serie con el inducido está constituido por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro está formado por un gran número de espiras de pequeña sección. Obtenemos un motor con las ventajas del motor serie, pero sin sus inconvenientes. Sus curvas características son intermedias entre las de excitación serie y excitación en derivación. Existen dos tipos de excitación compuesta. En la llamada compuesta adicional, el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos serie y paralelo es el mismo, por lo que sus efectos se suman, a diferencia de la compuesta diferencial, donde el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos tiene sentido contrario y por lo tanto los efectos de ambos devanados se restan. Imagen 23 – Configuración compound Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 38 Otra opción consiste en el uso de imanes permanentes, y núcleo de hierro en el rotor para conducir el campo magnético Imagen 24 – Estructura de un moro DC de imanes permanentes Aunque tradicionalmente esta opción no era demasiado viable por la dificultad de que los imanes mantuvieran la fuerza del campo magnético con el tiempo, el descubrimiento de nuevos materiales ha posibilitado dicha opción, aumentando además con ello las prestaciones de los motores CC. Uno de los problemas derivados de este tipo de motores es la conmutación de las delgas, que es la manera de introducir o extraer corriente del bobinado rotórico a través de las escobillas. Cuando una escobilla pasa de contactar una delga a hacerlo con la siguiente, se produce un cambio de sentido en la circulación de la corriente en la bobina unida a la delga. Esto suele producir la aparición de chispas entre las delgas y las escobillas, es decir, una mala conmutación. Otro gran problema es el rozamiento que sufren las escobillas al sufrir el movimiento de las delgas, lo cual supone la necesidad de un mantenimiento periódico. Otro es la distorsión magnética que se produce al atravesar las líneas de campo magnético a través del rotor en movimiento, ya que no todas atraviesan el rotor de la forma adecuada. Esto reduce la eficiencia del motor como se puede suponer. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 39 Imagen 25 – Muestra como algunas líneas del campo magnético creado por el estátor no pasan a través del rotor Las ventajas del Motor CC con escobillas son: • Buena respuesta del motor ante requerimientos elevados de Par en un amplio rango de velocidades por parte de la carga. Es decir, gran flexibilidad Parvelocidad. • Control simple y gran exactitud a la hora de trabajar con una determinada velocidad. • Rendimiento alto para un amplio rango de velocidades. • Facilidad de inversión de marcha de los grandes motores con cargas de una gran inercia. Las desventajas son: • Las escobillas requieren de un cierto mantenimiento y no permiten un régimen de trabajo a elevadas velocidades. • Se producen pérdidas debido a la mala conmutación y otros fenómenos relacionados con el cambio de sentido de la corriente entre las delgas y las escobillas. A pesar de estar cada día más en desuso, para nuestro caso parece una opción bastante viable por las características de par y control. A pesar de la necesidad de alta eficiencia energética, hay motores CC con escobillas también muy eficientes en la actualidad. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 40 Además el hecho de que la alimentación sea forzosamente continua hace que este tipo de motor sea el más sencillo de implementar. 5.1.4. Motor Directdrive o HUBwheels Este tipo de motores se han hecho muy populares en conversiones o adaptaciones de motores eléctricos en pequeños vehículos. Dentro de esta categoría están incluidos motores basados en tecnologías y funcionamiento muy diferentes tales como motores DC de imanes permanentes, motores de reluctancia variable y motores AC de imanes permanentes conmutados electrónicamente. Estos motores son colocados directamente sobre la rueda y el freno del vehiculo a convertir. Esta configuración puede ser encontrada en bicicletas y scooters eléctricas existiendo numerosas empresas que se dedican a comercializar paquetes de conversión de bicicletas y motos de motor de combustión a motor eléctrico. También son usados en la industria en las cadenas de montaje o cintas transportadoras. En el campo del automóvil se han hecho muchos esfuerzos para la integración de estos motores en las ruedas de los vehículos. Son instalados 4 motores, uno para cada rueda aprovechando el espacio dejado por el motor para la instalación de más sistemas de almacenaje de electricidad y como carecen de sistemas de transmisión también se aligera el peso del vehiculo por esa parte, y por tanto, permite la instalación de un número adecuado de baterías que nos den la suficiente autonomía. Sin embargo es en los vehículos de 2 ruedas tales como las motos Scooter y parecidos donde mejores resultados se han conseguido, al ser vehículos ligeros que no requieren excesiva potencia. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 41 Imagen 23 – Partes del montaje de un motor HUBwheel. Las ventajas de este motor son: • Un gran rendimiento ya que se reducen o incluso desaparecen las pérdidas debidas a la fricción al desaparecer la transmisión y una menor contaminación acústica. • Puede ser acoplado directamente a la carga. • Necesita menor mantenimiento mecánico. • Capacidad para un control inteligente de cada una de las cuatro (o dos) ruedas para una mayor estabilidad y agarre ya que cada motor acoplado a la rueda forma un sistema independiente tanto de tracción como de frenado. • Ahorra espacio debido a sus reducidas dimensiones. Los inconvenientes en cambio: • Sobre todo un elevado precio y reducida gama de modelos lo que dificulta su difusión. • La instalación en vehículos, originalmente con motor de combustión, de cuatro motores en las cuatro ruedas ocasiona un aumento del peso en zonas delicadas Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 42 donde no se ha previsto y puede llevar a un comportamiento poco estable y perdidas de adherencia a altas velocidades. También conlleva una reducción de peso en la zona donde antes estaba alojado el motor aunque ese espacio puede ser aprovechado para la instalación de baterías. En nuestro caso no se trataba sólo de dar movimiento a las ruedas sino que también tenemos las cuchillas de corte que necesitan un buen par. Quizás la instalación de 4 motores fuera la solución, pero aparte del precio que pudiera conllevar, representaría un problema de acoplo en cada una de las partes ya que como se indica anteriormente pocos vehículos han sido diseñados pensando en esta posibilidad, mucho menos en nuestro caso, un cortacésped muy antiguo, donde además las necesidades de un control preciso de suspensión, aceleración o giro, mediante el control de cada una de las 2 o incluso 4 ruedas, resultan poco trascendentes. 5.2. Conversores La conversión dentro del ámbito de la ingeniería eléctrica es la conversión de un tipo de energía eléctrica de una forma a otra. Los sistemas de conversión de potencia incorporan la regulación del voltaje para controlarlo dentro de unos ciertos límites. También los accionamientos electromecánicos de velocidad variable son realizados con elementos de electrónica de potencia en conjunto con máquinas eléctricas y conversores de energía eléctrica. El tipo de conversor eléctrico que se debería utilizar en un accionamiento electromecánico dependerá de la máquina eléctrica que se va a utilizar, del tipo de fuente disponible y de las prestaciones que especifique el usuario. Las principales áreas dentro de los convertidores son presentadas a continuación con una pequeña explicación de cada uno de los tipos: Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 49 provoca un desplazamiento, un desfase, entre la conmutación de los dispositivos de las ramas. Imagen 30 – Forma de onda de la tensión controlada resultante del control PWM monofásico La importancia de la tecnología PWM es que el valor eficaz del armónico fundamental de la onda de tensión a la salida puede ser variado desde un máximo a cero por avance o retraso de las conmutaciones desde 0º a 180º. Los armónicos suponen un elemento a tener en cuenta en este tipo de topología ya que la técnica PWM modifica el contenido de armónicos de la onda de tensión de salida y puede ser utilizado para minimizar los efectos de los armónicos en la carga. Una mejora de la técnica PWM es la SPWM donde comparamos una onda triangular de alta frecuencia con una onda senoidal o de referencia de la frecuencia deseada y los puntos en que se cortan ambas son los instantes en que conmutamos el inversor. Esta técnica elimina los armónicos de orden inferior. • Puente inversor trifásico PWM: El control PWM es idéntico pero complicamos de manera muy importante la secuencia de disparo de los dispositivos semiconductores. El control de la tensión es conseguido por modulación del ancho del pulso de la tensión de salida. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 50 • Puente inversor CSI: si el inversor es alimentado desde una fuente de corriente, la amplitud de la corriente a la salida del inversor es esencialmente independiente de la carga. La tensión de salida de los CSI está determinada por la respuesta de la carga a la corriente aplicada a ella. Se emplean tiristores y son usados principalmente en circuitos inversores de alta potencia. Estos puentes tienen circuitos de conmutación forzada con condensadores que almacenan la energía necesaria para la conmutación forzada de los tiristores. El comportamiento del circuito durante los intervalos de conmutación depende de la carga. Imagen 31 – Control del deslizamiento a través de un CSI. Los CSI pueden trabajar en los cuatro cuadrantes. La corriente del inversor esta controlada mediante un bucle cerrado lo cual elimina las sobrecorrientes. Su tamaño y coste es bastante elevado, sobre todo por el valor elevado de los condensadores. Existen puentes CSI monofásicos y trifásicos. No es un sistema recomendado para trabajar con pares bajos ya que pueden aparecer problemas. 5.3. Control de motores En el control de motores, no se puede pensar ya en un sistema solo motor, sino que tendremos un grupo convertidor-máquina con sistemas digitales como microcontroladores que se encarguen de accionar dispositivos electrónicos tales como transistores y circuitos complejos. Hasta hace muy poco tiempo la regulación de velocidad estaba basada casi exclusivamente en el motor de corriente continua por sus ventajosas características. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 51 Pero debido al gran avance de la tecnología de los semiconductores se ha ido introduciendo paulatinamente en el control de motores de inducción. Por ello a la hora de elegir deberemos tener en cuenta y conocer el funcionamiento de cada uno de ellos. Hacemos un resumen de la mayoría de los controles de los motores que nos interesan para el cortacésped. 5.3.1. Control del motor de inducción Se han utilizado motores asíncronos o de inducción de rotor de “Jaula de ardilla” debido sobre todo a que poseen un rotor no bobinado, que no tienen colector de delgas, su sencilla fabricación y su robustez. El control del motor de inducción es más barato que su homólogo del motor de continua hasta ciertos niveles potencias (unos centenares de KW). Aun así se siguen utilizando accionamientos de corriente continua para altas y muy altas potencias. 5.3.1.1. Arranque Existen diversos tipos de arranque tales como el arranque directo, arranque mediante resistencias estatóricas, arranque por autotransformador, arranque estrella-triángulo y arranque mediante dispositivos electrónicos. Dados los requisitos del diseño, vamos a centrarnos en este último. Utilizaremos arrancadores electrónicos que se basan en el uso de los graduadores. Un graduador está formado por dos tiristores montados en antiparalelo. El tiristor que se encuentra en directa respecto de la fuente de tensión permite el paso de corriente en los semiciclos positivos y el otro tiristor, que se encuentra en inversa, permite el paso de la corriente en los semiciclos negativos. Controlando el ángulo de disparo de los dos tiristores controlamos la tensión de alimentación de la carga. Las únicas pérdidas que obtenemos con este sistema son las pérdidas en los tiristores. Como el par motor es proporcional al cuadrado de la tensión, al controlar la tensión se controla el par. También al controlar la diferencia del par motor y el par resistente Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 52 controlamos la aceleración. Es decir, si controlamos la tensión suministrada al motor controlamos la aceleración y el par. También con los graduadores se puede delimitar la intensidad máxima evitando que se puedan alcanzar intensidades peligrosas. 5.3.1.2. Control de la velocidad Hay varios métodos para regular y variar la velocidad de los motores asíncronos. La velocidad viene dada por la expresión () s p f n− × =1 60 1 . La magnitud s expresa la velocidad con la que el rotor se mueve o desliza respecto al campo magnético y giratorio. De la expresión anterior se deduce hay varios métodos para variar la velocidad. • Modificación del número de polos de la máquina. • Por variación del deslizamiento: o A) Variando la tensión estatórica. A frecuencia constante, el par desarrollado por un motor asíncrono, para un determinado deslizamiento, es proporcional al cuadrado de la tensión aplicada. El punto de funcionamiento se alcanza cuando el par motor se equilibra con el de la carga. Cuando el par de motor sobrepasa al de la carga se inicia el movimiento. El deslizamiento del rotor está determinado por el par de carga y la tensión de alimentación; podemos obtener un control de la velocidad del motor regulando la tensión. La variación de la tensión se puede conseguir mediante varios métodos: 1. Intercalando resistencia en serie con el estator. 2. Utilizando un autotransformador para la alimentación. 3. Cambiando el conexionado estrella-triángulo. 4. Mediante dispositivos electrónicos. Estos dispositivos aplican a cada fase del motor mayores o menores tramos de senoide de la tensión de red en función del ángulo de disparo de los tiristores, Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 53 variando así el valor de la tensión eficaz en bornes del rotor. El problema que podemos tener es que la tensión en bornes del motor no es senoidal y aparecen los inevitables armónicos de la intensidad circulante. Los armónicos repercuten negativamente sobre la red y sobre la máquina. El sistema permite el funcionamiento de la máquina en régimen de freno electromagnético así como la inversión de giro por modificación electrónica de dos fases (ya que estamos en un sistema trifásico), mediante la modificación de la secuencia de los disparos. Este sistema se puede utilizar tanto en máquinas asíncronas con rotor de jaula de ardilla como en máquinas de rotor bobinado. Los graduadores, como se ha explicado en el punto anterior, están formados por dos tiristores en antiparalelo cuando tratamos de graduadores monofásicos y tres graduadores monofásicos forman uno trifásico. Es decir, un graduador monofásico en cada fase forma un graduador trifásico. El conjunto regulador-motor constituye un variador de velocidad en bucle cerrado. La velocidad es medida por una dinamo tacométrica y se compara con la de referencia. Si el error que surge es positivo, el regulador de corriente alterna aumenta la tensión aplicada al estátor, en caso de que sea negativo el regulador la disminuye. También podemos regular la máquina asíncrona con un arrancador estático o “soft starter”. Un arrancador estático es un convertidor CA-CA, cuya aplicación principal es el arranque progresivo de máquinas asíncronas mediante el aumento de la tensión de alimentación de tal forma que limitamos la corriente estatórica y el par de arranque. Los arrancadores trabajan mediante el control de la corriente por fase de tal forma que siempre circule la corriente mínima para evitar malfuncionamiento del motor y que sea más estable todo el conjunto. Están formados por una etapa de control basada en un microprocesador y una etapa de potencia equivalente a la de los graduadores como elementos básicos. Su uso es indicado para controlar los picos Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 54 de corriente en el arranque, para proteger la carga limitando el par de arranque y para prolongar la vida de los motores que trabajan con un elevado número de arranques. o B) Variación de la resistencia rotórica: Este método solo es aplicable a motores de rotor bobinado o anillos rozantes consiguiéndose una regulación continua con estrecho margen. La característica parvelocidad varía en función de la resistencia conectada al rotor. El método no es muy satisfactorio y en la realidad solo se utiliza para el arranque de motores de gran potencia. Esto es debido a la brusquedad del cambio de velocidad cuando variamos las resistencias exteriores para modificar la velocidad. Su uso es frecuente en la industria en sistemas de elevación y transporte. Imagen 32 – Control de velocidad por variación de la resistencia rotórica. o C) Mediante la cascada subsíncrona(o hiposíncrona): La idea de la regulación de la velocidad de un motor asíncrono de anillos rozantes es bastante simple, consiste en un control de velocidad por variación del deslizamiento en el que la potencia de deslizamiento no se disipa térmicamente en ninguna resistencia, sino que se devuelve a la red. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 55 En el pasado se realizaba este tipo de regulación utilizando conversores rotativos, ello conducía a máquinas de coste y mantenimiento elevado pero debido al gran avance en materia de control, se ha sustituido el conversor rotativo por un convertidor estático. Imagen 33 - Balance energético mediante cascada hiposíncrona. El control de la velocidad se lleva a cabo de la siguiente manera, el inversor proporciona, en función del ángulo de disparo de sus tiristores, una tensión determinada cuya componente continua es la existente en el rectificador. Para obtener esa tensión a la salida del rectificador se requiere un valor determinado de la tensión trifásica a su entrada o tensión inducida en el rotor. Esto implica que los devanados del rotor deberán cortar con una cierta velocidad el campo magnético que se alimenta a frecuencia constante, para que en ellos se genere esa tensión. Así pues, variando el ángulo de disparo de los tiristores se modifica de forma automática de velocidad del motor. Debemos dimensionar el convertidor electrónico. oo U n nn U2 1 min1 35.1 − = . Cuanto más elevada sea la velocidad mínima prefijada menor será el margen de regulación de velocidad. Este sistema resulta interesante cuando la velocidad mínima se sitúe por encima del 70% de la velocidad de sincronismo. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 56 Con este sistema el flujo de potencia solo puede circular en el sentido rectificadorinversor. No es posible el funcionamiento de la máquina como generador y solo puede controlarse la velocidad del sistema por debajo de la síncrona. La principal ventaja es el rendimiento del sistema motor-cascada hiposíncrona, además de que se necesita un convertidor de pequeña potencia. Su principal defecto es el bajo factor de potencia que presenta y el gran contenido en armónicos en el lado de continua, los cuales son variables en función de la velocidad. Además con esta configuración solo podemos obtener valores inferiores a la de sincronismo. 5.3.2. Control del motor C.C. Habrá que tener en cuenta la intensidad consumida por el motor que dependerá de la F.C.E.M. inducida y de las resistencias del circuito. A medida que aumenta la velocidad aumenta la F.C.E.M. disminuyendo la intensidad consumida. El principal problema es que la intensidad en el arranque esta únicamente limitada por la resistencia del devanado de inducido y puede alcanzar valores 20 veces de la intensidad nominal. Estos valores de intensidad plantean diversos problemas, sobre todo en el arranque de la máquina. Provocan calentamientos excesivos, ya que el par de arranque es muy alto, y problemas de caídas de tensión en la red. 5.3.2.1. Arranque Este aspecto suele ser bastante crítico dada la necesidad de corriente necesaria para el arranque, para que se alcance el par de arranque. Por tanto para que el arranque sea óptimo hay que cumplir con dos condiciones fundamentales que determinan el valor máximo y mínimo de la intensidad, por un lado la limitación derivada de la legislación, y por otro la necesidad propia del funcionamiento deseado: Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 57 • La intensidad tiene que ser menor o igual que la marcada por el reglamento Diretiva de Baixa Tensão 2006/95/CE. • La intensidad debe ser lo suficientemente elevada como para asegurar un par de arranque mínimo para conseguir la puesta en marcha del motor en el tiempo necesario. Para cumplir con estos requisitos el control del arranque se basa en el control de la tensión en los bornes del motor. Existen varias técnicas: • Reostatos de arranque. • Configuraciones electrónicas de potencia. Solo nos interesa el último, el primer control consiste en conectar una resistencia variable (reostato) en serie con el inducido e ir disminuyendo paulatinamente el valor de la resistencia hasta que la velocidad alcance el régimen permanente. Las configuraciones electrónicas de potencia utilizan dispositivos semiconductores total o parcialmente controlados que permiten una variación perfectamente lineal y controlada de la tensión en bornes del motor. Así también se controla la intensidad y se controla el par de arranque y la aceleración. 5.3.2.2. Control de la velocidad • Configuración de excitación independiente: la velocidad se puede modificar si modificamos alguno de los siguientes parámetros: resistencia del inducido, tensión en bornes y flujo de excitación. El primer método consiste en disminuir la velocidad del motor a base de incrementar la resistencia del inducido, colocando un reostato variable en serie con el inducido. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 58 Los dos siguientes se hacen mediante grupos motor-generador, que no nos interesan para el cortacésped por ser caro, ruidoso y tener un rendimiento pobre, y por medio de configuraciones electrónicas de potencia. o El control por medio de configuraciones electrónicas de potencia se basa en dispositivos semiconductores total o parcialmente controlados que permiten una variación de la tensión en bornes del motor completamente lineal. El control será lineal y se tendrá una gran precisión de la velocidad. Un equipo de regulación consta de varios elementos tales como un generador de rampas, comparador de velocidad, regulador de velocidad, comparados de intensidad, regulador de intensidad, circuito de disparo, una etapa de potencia, una dimano tacométrica y un sensor shunt de intensidad. Con dos ramas en bucle cerrado con realimentación. o El control por variación del flujo de excitación se consigue reduciendo el valor del flujo de excitación aumentando la velocidad del motor a cambio de reducir el par entregado a la carga. Este método es conocido por regulación por debilitamiento de campo y su control se realiza mediante dispositivos electrónicos de potencia similar a los reguladores de tensión usados en el control de la velocidad por variación de tensión. • Configuración de excitación derivación: tiene las mismas posibilidades de control que el motor de excitación independiente. Su control resulta mas complejo al tener el devanado de excitación en paralelo con el inducido y una variación de la tensión en bornes afecta a ambos (inducido y excitación). • Configuración de excitación serie: hay dos métodos, por la modificación de la conexión de un grupo de motores y la regulación mediante dispositivos electrónicos (troceadotes). Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 65 Las ventajas son: • Bajo coste. • Es muy estable. Y sus desventajas: • No tiene en cuenta las perturbaciones. • Es necesaria una alta precisión a la hora de establecer el modelo matemático. 5.4.2. Control en bucle cerrado Los problemas que tienen los sistemas en bucle abierto se corrigen adoptando la estructura bucle cerrado. La acción que desarrollan los elementos de control sobre las entradas o entradas del sistema, es función de la entrada de referencia o de mando y del valor de la salida que es llevado a los elementos de control mediante la realimentación. En caso de que actúe una perturbación sobre el sistema el valor de la salida cambiará. Se detectará un error entre la entrada y la salida del sistema, y se creará una acción sobre el sistema de manera que corrija este error. Los sensores son los que se encargan de procesar la señal de salida y enviar una pequeña señal por la realimentación para que el microcontrolador ejecute las operaciones necesarias y devuelva la corrección. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 66 Imagen 39 – Control de un sistema en bucle cerrado. En un vehiculo eléctrico, los sensores pueden ser tacómetros, “encoders” o sensores de efecto Hall acoplados en el eje, con finalidad de medir velocidad y/o posición. Las ventajas son: • Tienen en cuenta las perturbaciones que aparecen en el sistema. • Disminuyen las no linealidades. Y sus inconvenientes: • Puede hacer inestables los sistemas estables. • Tiene un coste alto. Para la aplicación de este modelo en un cortacésped, son necesarios más sensores adicionales, haciendo que el sistema se vuelva más caro y complejo de implementar. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 67 6. SELECCIÓN DEL MOTOR Ya calculamos todos los parámetros mecánicos calculados para saber las necesidades el motor eléctrico para operar de forma óptima: - Potencia: Tiene que ser cercana a 9561W. - Velocidad de rotación del motor: 2700 r.p.m (3600 r.p.m. en condiciones máximas). - Tensión: 48 V (ver especificaciones, apartado 3). - Par: falta este cálculo por dimensionar ya que dependerá de la polea de radio R que fijemos para transmitir el movimiento del motor al sistema. Habrá que llegar a un compromiso velocidad-par. 6.1. Configuración y tipo de motor elegidos Dentro de los 4 tipos de motores hemos de ver sus ventajas e inconvenientes y elegir el motor óptimo. Tampoco será únicamente las características del motor las que determinen la elección de uno u otro, el control y la alimentación también serán aspectos a tener muy en cuenta e influirán tanto o más que la elección de un tipo de motor u otro. Por no hablar de aspectos como el tamaño y su viabilidad de meterlo en el chasis del cortacésped. Incluso la posibilidad de realizar un mecanizado para mantener la posibilidad. Antes de entrar en qué motor seria mejor o peor hay que dar respuesta a varias preguntas: Número de motores Para ello debemos pensar en que tipos de movimiento necesitamos, y la respuesta es 2: uno para las cuchillas, y otro para las ruedas. Por tanto cabe pensar en montar un motor para el movimiento del cortacésped y otro para el movimiento de las cuchillas del corte. El motor del cortacésped tendría como misión desarrollar la velocidad y el par suficiente para que el cortacésped trabaje cumpliendo las exigencias del apartado 3. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 68 Mientras que el segundo motor iría destinado para la función de mover las cuchillas para cortar el césped. Esta es la primera duda que tenemos que resolver. A priori parece buena opción de dos motores ya que tenemos un control independiente de cada uno, y eso daría mayor flexibilidad de funcionamiento al cortacésped además de dar un conjunto más eficiente. Sin embargo todo el sistema de poleas se vería perjudicado, y podría necesitar de numerosas modificaciones, de la compra y ensamblaje de piezas, para un modelo demasiado antiguo, el JE 130 de 1991, lo cual obviamente repercutirá muy negativamente en el costo de dichas piezas y en la posibilidad de compatibilidad con otras nuevas, resultando un desastre el sistema resultante. Esto sin contar con el problema que supondría el control de varios motores, que requeriría varios controladores, lo cual dispararía el precio. Visto todo esto se eligió como mejor alternativa la configuración de un motor, ya que por las características del cortacésped resulta mucho más simple su instalación, y por tanto el coste es también menor. Tipo de motor Al seleccionar la configuración con un motor desechamos automáticamente el motor “HUBwheel” o “Directdrive”, ya que además de movimiento y par hemos de mover las cuchillas. También con este tipo de motores hubiéramos tenido que quitar el eje y sustituir las ruedas por unas de mayor diámetro, al ser las originales de un diámetro bastante pequeño para los motores que se comercializan. La compra de un nuevo eje y ruedas más grandes vuelve a suponer un aumento considerable de gasto, algo totalmente inviable en este proyecto. El motor de inducción tenía para nosotros como principales inconvenientes que la alimentación del motor es de corriente continua, por tanto precisábamos de controles electrónicos adicionales (circuitos de potencia) para el correcto funcionamiento del motor y que los variadores y convertidores eran muy caros para este tipo de aplicación, por no decir que su implementación resulta difícilmente viable, puesto que convertir una Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 69 fuente de continua de 48V en alterna de 220V presentaría grandes dificultades sobre todo a la hora de suministrar corrientes excesivas. Este tipo de motores son más baratos que los motores de corriente continua aunque el precio del conjunto accionamientomotor de inducción llega a ser más caro para motores de potencias medias y bajas. Con hincapié en la simplicidad del control preferimos explorar la vía de los motores CC. Por otro lado los motores BLDC, aunque poseen muy buenas características como ya comentamos, incluyendo el control puesto que tienen comportamiento parecido a los motores DC, siguen presentando el grave problema de la alimentación. Además mirando algún catálogo de servomotores brushless de LAFERTGROUP, no presentan pares especialmente altos a no ser que trabajen a 400V, y en cambio tienen longitudes bastante mayores al metro, que podrían presentar un impedimento para su instalación. Por otro lado existen motores CC muy eficientes, y que aunque requieran cierto mantenimiento tampoco resulta excesivamente problemático puesto que únicamente requiere una revisión de las escobillas una vez al año, para ver si necesitan ser reemplazadas, lo cual no debería ser un elemento especialmente crítico a la hora de decidirse por un tipo de motor u otro. Por ello nos decantamos por un motor de corriente continua, estos motores poseen las características de simplicidad de control y buena regulación que estábamos buscando. Además, aunque sean más caros que los motores de inducción, el motor solo necesita de un microcontrolador para su control. Si podemos obtener un motor que funcione con el voltaje de 48 V no nos hace falta ningún elemento más, lo cual es una excelente ventaja para la instalación del sistema y su correcto funcionamiento, ya que resulta un diseño bastante compacto. En la siguiente página se muestran características de diversos datasheet que se fueron mirando, aunque no se llegasen a conocer los precios ante la falta de estos datos y la necesidad de contactar con el fabricante para ello. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 70 Imagen 41 – Características de motores monofásicos, BLDC y CC. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 71 6.2. Motor seleccionado Tras estudiar las diferentes posibilidades y realizar búsquedas de los diferentes motores entre diversas empresas del sector, tocaba profundizar en otros factores como, de disponibilidad, económicos, y técnicos. Así pues lo primero que hicimos fue buscar empresas de Portugal que comercializaran motores, encontrando alguna interesante como la siguiente: http://www.batlight.pt/Paginas%20Produtos/Motores/Motores%20DC.htm Podemos encontrar motores DC de varios tipos para diferentes aplicaciones, sobre todo centrados en motos o cochecitos, donde nos ofrecen la posibilidad de comprar 2 motores (opción que ya desechamos anteriormente) y mayores voltajes, y los motores DC que funcionan con voltaje de 48 V no tienen suficiente potencia ni par para nuestras pretensiones. Existen motores eléctricos muy interesantes con potencias iguales o ligeramente inferiores a nuestros requisitos, pero son motores para carros de golf. Tienen la mayoría de nuestras especificaciones requeridas pero solo pueden desarrollar una potencia inferior a los 4kW. El mayor problema que nos encontramos es que la mayoría de los motores de 48 V que existen en el mercado son para conversiones para motos o bicicletas. Finalmente encontramos una página con motores de características parecidas a nuestras especificaciones y muy eficientes: http://www.lmcltd.net/index.php?page=motors-and-generators-2 Este tipo de motor Lynch es un diseño no convencional con una armadura de disco. Presenta las ventajas de uno convencional, y las ventajas de un motor plano (de circuito Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 72 impreso). Es similar a un pancake, pero es más poderoso que cualquiera de estas tecnologías. La armadura disco tiene imanes en ambos lados, doblando la densidad de flujo disponible y acortando el camino para el flujo magnético, lo que obviamente reduce el problema de la dispersión magnética. Por lo tanto, contiene más energía por Kg y cm3 que cualquier otra tecnología de motor (excepto las nuevas versiones de éste mismo modelo claro, tal como los modelos Agni). No es tan barato como los motores DC convencionales, pero para muchas aplicaciones es un motor muy superior. Además incluye ventilador integral, lo cual valga la redundancia, aumenta las prestaciones. Observamos las tablas de características técnicas de los diversos modelos de este tipo de motores para seleccionar el que mejor resultado nos pueda dar. Imagen 42 – Motor LEM tipo 95 S. Imagen 43 – Motor LEM tipo 170-127. Imagen 44 – Motor LEM tipo 200-127. Nuestra elección inicial es el Motor LEM 200-127 DC de imanes permanentes, ya que puede llegar a desarrollar unos 8.55kW de potencia (“Rated Power”) y su par (“Rated Torque”) es mucho mayor que el modelo 170-127. Aunque dicha potencia no llega a la potencia desarrollada por el motor de combustión, al ser su rendimiento mucho más alto lo compensa con creces, por tanto no habrá ningún problema en principio en este aspecto, dando incluso margen de seguridad suficiente como para evitar un gasto excesivo del motor que acorte su vida útil. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 73 Las características más significativas de este motor para nosotros son: - Potencia: 8.55 kW - Rendimiento: 88% - Velocidad de rotación del motor: 2592 r.p.m. - Tensión: 48 V - Par: 31.5 Nm - Corriente: 215 A Y estos son los planos comerciales, en los anexos está el manual de usuario con información más detallada sobre propiedades mecánicas del motor y modos de ensamblaje. Imagen 45 – Medidas del motor LEM-200. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 74 7. PARÁMETROS A DIMENSIONAR Dicho motor no tendría problema en la instalación en cuanto a su cabida dentro del chasis del cortacésped, lo cual se puede comprobar echando un simple vistazo a las medidas del apartado anterior con las medidas del cortacésped, que a pesar de no estar en los planos de los anexos, fueron tomadas en el taller y son presentadas en el siguiente dibujo. Habría que esperar al envío del motor con sus correspondientes piezas de ensamblaje, lo cual quedará pendiente para el departamento de mecánica del ISPV al no cumplirse los plazos estipulados de entrega. Imagen 46 – Medidas obtenidas del cortacésped MTD JE-130 En este apartado, una vez escogido el motor con el que se va a trabajar tenemos que realizar los cálculos de R (relación de la polea que une el eje motriz y el motor con el sistema de poleas) para alcanzar el compromiso velocidad-par deseado. Además de dar a conocer el par requerido por el motor. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 81 Imagen 49 – Capacidad de almacenamiento de las baterías Para cargar estas baterías es recomendable un cargador de baterías de 13,8 hasta 15 voltios con 10 A y con un tiempo de carga de 10 horas. Imagen 50 – Partes de la batería Estas baterías tienen un alto potencial en el arranque en los primeros 10 críticos segundos, una larga vida y pueden ser cargadas muchas veces sin perder sus prestaciones originales. Su nivel de descarga es de 25 A. También son muy resistentes a las vibraciones y son especialmente fuertes en vehículos “off-road”, esto es, vehículos que no usen calles asfaltadas. Este es precisamente nuestro caso, ya que el cortacésped es usado la mayor parte del tiempo en campos de hierba. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 82 Imagem 51 – Baterías OPTIMA Las baterías están hechas con Ácido Sulfúrico (H2SO4). La carcasa es de plástico de polipropileno. Este tipo de plástico que puede ser moldeado simplemente aplicando calentamiento, o sea, es un termoplástico. Por eso, siempre debemos tener mucho cuidado en la carga de las baterías y en su instalación porque el ácido sulfúrico es muy corrosivo y peligroso. Para saber el rendimiento de las baterías nuestro sistema precisa calcular la diferencia entre los distintos potenciales. Imagen 52 – Características eléctricas de las baterías Por tanto tenemos: E=13,1V R= 0.0046Ω Imotor= 215A Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 83 Entonces, si U es la tensión de las baterías, tenemos: VIREU 089.142150046.01.13 = ×+=×+= Ahora para las potencias: IEnP bateriasutil ××= pero para saber I hay que saber cual es la intensidad por los cables del cortacésped: W kW P PPtotalPmotor motorrcontrolado motor totalmotorrcontrolado 27.10227 88.095.0 55.8 = × = × =→××= ηη ηη A V W U P IIUP motor total motortotal 06.213 48 27.10227 ===→×= Entonces: WIEnP bateriasutil 34.1116406.2131.134 = ××=××= La potencia total será: WIUnP bateriastotal 21.1200706.213089.144 = × ×=××= Y el rendimiento: %9.92929.0 21.12007 34.11164 ↔=== W W P P total util baterias η Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 84 9.2. Cableado Ahora tenemos que calcular los cables eléctricos del cortacésped. W kW P PPtotalPmotor motorrcontrolado motor totalmotorrcontrolado 27.10227 88.095.0 55.8 = × = × =→××= ηη ηη Y para saber la intensidad en los cables de nuestro cortacésped: A V W U P IIUP motor total motortotal 06.213 48 27.10227 ===→×= El cortacésped trabajará con una temperatura media de 15 ºC, aunque en los meses de Julio y Junio la temperatura podrá ser de 25-30ºC. Entonces, escogeremos unos cables de la compañía RADALEX, con un factor de corrección de 0.96 relativo a la temperatura. Imagen 53 – Gráfica Intensidad-sección de los cables Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 85 Como podemos ver, los cables tienen que tener una sección entre los 35-50 mm2. Imagen 54 – Tabla de los cables Para tener una mayor seguridad, escogeremos los cables 1/0, ya que en el arranque puede haber un pico de corriente elevado. 9.3. Protecciones Para la protección del motor debemos poner un fusible de elevada capacidad entre las baterías conectadas en serie del motor. El fusible por lo menos será de 215 A porque es la intensidad máxima que el motor consume en condiciones nominales. Pero puede haber intensidades de pico más elevadas en el arranque. Para evitar esto ponemos un fusible de 300 A y 48 V en DC. El mejor posible encontrado es el fusible CF8 “Compact Fuse”, con una capacidad de ruptura de 1500 A a 48 V. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 86 Imagen 55 – Tabla de características del fusible 9.4. Cargador El tiempo de recarga mas recomendable será el tiempo en los Data-sheets de las baterías OPTIMA. - Con alternador de 13.65 hasta 15 voltios. - Con cargador de baterías (la tensión constante): - de 13.8 hasta 15 voltios. - 10 amperios como máximo. Imagen 56 – Tabla de tiempos teóricos de recarga Elegimos cargar las baterías con un cargador del tipo Zivan F4EG 48V Las características de dicho cargador son: Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 87 - Para redes de 230 V en AC y 50 Hz - Corriente de salida de 15 A - Tensión nominal de las baterías de 48 v (4 baterías x 12V cada una) - Capacidades recomendadas de las baterías de 80-190 Ah - Rendimiento mayor que 85% para todas las condiciones de recarga - Peso 2,2 kg - Tamaño: 300x160x80 mm - Frecuencia de conmutación 50 Khz±5% - Factor de potencia (cosφ) de 0.68 Los valores de 80-190 Ah son muy elevados para nuestras baterías, pero el cargador Zivan puede ser reprogramado para cada caso, por tanto en este caso lo reprogramamos para 38Ah. Imagen 57 – Cargador Zivan 9.5. Autonomía La autonomía depende en su mayoría de las baterías y del régimen de funcionamiento del motor. No tiene sentido hablar de km recorridos como en los coches, ya que estos recorren largas distancias y tal es su propósito. Nosotros hablaremos de autonomía en tiempo de trabajo. Aunque cabe reseñar que el tiempo de trabajo no tiene que ser siempre igual, porque no se hace siempre el mismo trabajo, es preferible tomar este concepto ya que es más acorde a la realidad. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 88 Para peores condiciones Capacidad de las baterías= 38 Ah Intensidad máxima necesaria por el motor=213.06 A min427134.0 06.213 438 max max =→= × ==→×= th A Ah I I tItI bat bat Para nmax nmax = 2332.8 r.p.m. Características del motor: Rmotor=22.5 mΩ Ktorque=0.15 Nm/A KV=54 Rpm/V Vn K E v 2.438.2332 54 11 =×=×= Por tanto prácticamente coincide con el peor caso - Para máximo par: Tcond.max.=10.22 Nm, que sumando el corte sería Tmaximo=20 Nm. AM K I t motor 33.13320 15.0 11 =×=×= A vv R EV IEIRV motor motormotormotor 33.213 0225.0 2.4348 = Ω − = − =→+×= Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 89 6814.1 33.133 438 max max =→= × ==→×= th A Ah I I tItI bat bat - Para sólo par de movimiento: AM K I t motor 13,6822,10 15.0 11 =×=×= min13323.2 13.68 438 max max =→= × ==→×= th A Ah I I tItI bat bat 9.7. Tiempo de carga y consumo Tcarga - Tiempo de carga CB – Capacidad nominal de la batería EC – Estado de carga da batería CC – Corriente de carga 2.1 100 )100( arg × × × − =CC CBEC tac Teniendo en cuenta que las baterías están completamente descargadas vamos a asumir el estado de carga igual a 5% porque las baterías sufren descarga constantemente. Y dado que en la tabla del datasheet pone que para 48V la CC es de 15A: 4.2 15100 38)5100( 2.1 100 )100( arg = × × − =× × × − =CC CBEC tac Por tanto 2 horas y 24 minutos. Consumo eléctrico de la red Consumo=KwhhAVbateriastP 17284.215124 = × × ×=× Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 90 10. SELECCIÓN Y CONFIGURACIÓN DEL CONTROL DEL MOTOR Después de calcular las características mecánicas necesarias del motor y sus características eléctricas, el próximo paso fue escoger un “driver” para variar la velocidad y el par del motor. El motor elegido tiene como principales características 48V de tensión continua en la alimentación, potencia de 8,55 kW y un consumo de corriente de 215 A. Hay mucha oferta de controladores en el mercado. Al final, fuimos aconsejados por el Ingeniero Vasco Santos para utilizar el controlador de la familia de controladores “Sigmadrive” de la empresa “PG Drives Technology. Esta elección fue debida principalmente a la experiencia con controladores de esta empresa en anteriores conversiones de otros vehículos ligeros, siendo completamente satisfactoria su integración. Estos modelos poseen una consola de programación donde se puede configurar de forma fácil el arranque, la curva de aceleración, la velocidad máxima, etc. Además son capaces de controlar varios tipos de tecnologías de motores, tales como motores CA de inducción, motores CC serie, motores CC de imanes permanentes y de motores CC de excitación externa. Por ello esta elección es óptima por si en un futuro se decide cambiar el motor por otro tipo más pequeño o por otro motor de los antes mencionados. Así solo basta con reconfigurar y adaptar el controlador al nuevo motor que se desee colocar. Dentro de la familia “Sigmadrive” había que escoger el que más se acercase a nuestras necesidades. Por ello, dentro del catálogo de “PG Drives Technology”: http://www.pgdt.com/products/sigma/sigmarange.html Hemos escogido el controlador PMT465M, numero de serie D51065. Existe el PMT465L pero al contactar con la empresa también comercializaban el M (“medium”). Nos interesa más que el modelo L (“Large”) ya que ocupa menos espacio y además pesa menos. La longitud será de 225mm, anchura de 200, altura 49 y peso 4,1 Kg. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 97 - El 3.7 ajusta la fuente de disparo para el contactor de la dirección asistida. Cuando el vehículo ha dejado de conducir, un reloj establece el tiempo que la dirección asistida permanece activa, el tiempo se ajusta en el 1.19. Hay 3 posibles opciones, 0, 1 y 2. Cada opción establece cuando deja de funcionar, después de pisar el freno, hasta que se desconecta el contacto de adelante y atrás o hasta que el contacto del asiento se cierra (se levanta el operario). - La 3.8 ajusta la función de las entradas 3 y 4 (pins) del conector 4. Tiene dos opciones programables 0 y 1. El 0 habilita las entradas pin 3 para ser un pedal y el 4 para ser un interruptor del asiento. El 1 habilita esos pines para una configuración del vehiculo en donde se puedan introducir dos dispositivos (un mando con cable de varios metros) para controlarlo a una cierta distancia y así el operario lo maneja desde fuera del vehículo, por tanto preferimos dejarlo a 0. Imagen 65 - Parámetros del 3.9 al 3.12. - El 3.9 y el 3.12 no tienen uso. - El 3.10 marca el tipo de errores que pueden ser mostrados en el Sigmagauge. Hay 3 tipos. - El 3.11 marca el tipo de información que aparecerá en el Sigmagauge. Hay 5 tipos, del 0 al 4. Imagen 66 – Parámetros del 3.13 al 3.17. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 98 - El 3.13 ajusta el tipo de sensor de temperatura que queramos controlar por medio del pin 4 del conector C. - El 3.14 ajusta las funciones de los pines 8 y 9 del conector A para ver que pin recibe el acelerador y cual el freno. - El 3.15 ajusta cual será la función del pin 4 del conector C y la configuración es a izquierda o derecha dentro de una configuración de motor dual. Hay tres opciones, la 0 será para un control de la temperatura del motor ajustada en el parámetro 4.1. Las otras dos sirven para la configuración dual de los motores. Por tanto la dejamos a 0. - El 3.16 no tiene uso. - Finalmente el 3.17 es para marcar cual es el nodo CAN (un bus que se comercializa aparte). Hay 15 opciones. Si marcamos 0 el controlador será el “Master” y si marcamos otra cosa el controlador será “Slave”. Dado que no poseemos del CAN lo dejamos a 0. Finalmente tenemos los controles del motor. Imagen 67 – Parámetros del 4.1 al 4.38 relacionados con el motor. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 99 - El 4.1 marca cuándo el controlador debe de reducir la corriente para proteger el motor. La temperatura se medirá mediante un sensor externo. El valor irá de los 1 ºC hasta los 151 ºC. Marcamos como temperatura 151 ºC y desactivamos esta opción. - El 4.2 ajusta la relación entre la velocidad rotacional del motor y la velocidad de conducción del vehiculo. En conjunción con el parámetro 1.27 será utilizada para enviar esta información al Sigmagauge. - El 4.3 ajusta el número de pulsos. Es decir, dientes (de tensión) en el “encoder” que corresponden a una revolución del motor. - Del 4.4 al 4.29 no se usan. - El 4.30 ajusta el nivel de corriente, el cual si es excedido se activará el umbral del reloj (4.32). - El 4.31 ajusta el valor de la corriente disponible para el motor una vez que el periodo del reloj 4.32 haya transcurrido. - El 4.32 ajusta el periodo de tiempo, el cual si es excedido, se iniciaría la reducción de la corriente máxima que envía el controlador al motor. Se puede ajustar de 0 a 60 segundos en escalones de 1 segundo. La dejamos a 0. Hay valores máximos permisibles para cada modelo: Imagen 68 – Valores de corriente y tiempo máximos para el parámetro 4.32. - Del parámetro 4.33 al 4.38 son parámetros de fábrica que no deben ser alterados bajo ninguna circunstancia. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 100 Ahora vamos a colocar los valores dentro del controlador. Imagen 69 – Valores de corriente y tiempo máximos para el parámetro 4.32. AC Traction settings Controller: PMT465M Motor Software: 5.3.0 Cliente: ESTV PMS 170 Date: 11-01-11 1.Adjustments: 3.Controller Setup: 4.Motor setup DC 1 Accel 3 Sec 1 Lin/Curv 5 1 TempStrt 151 oC 2 Decel 1 Sec 2 Vp/Tq/Sp 0 2 SpdRatio 1,0 Num 3 Creep 0 Hz 3 Bpro/Off 1 3 SpdTeeth 0 Key 4 SpdMaxF 100 Hz 4 Arol/Off 1 4 SpdPoles NA Key 5 SpdMaxR 75 Hz 5 Spd/Inch 2 5 SPDmin NA Hz 6 Sp1/Inch 100 Hz 6 Spd3/Hbk 1 6 SPDboost NA Hz 7 Spd2/Time 100 Hz 7 PsF/FR/S 0 7 SPDbase NA Hz 8 Spd3 100 Hz 8 Ride/Wlk 0 8 SPDmax NA Hz 9 Dbrake 80,0 % 9 Key/Drv 0 9 Vmin Vrm 10 Nbrake 60,0 % 10 Of/M/M&W 2 10 D Vmin Vrm 11 Fbrake 70,0 % 11 Of/D/V/K 2 11 D Vboost Vrm 12 DBrkRamp 1,5 Sec 12 InitDisp 0 12 D Vbase Vrm 13 NBrkRamp 0,5 Sec 13 MTempTyp 0 13 D Vmax Vrm 14 FBrkRamp 0.3 Sec 14 Accel8/9 1 14 D Smin Hz 15 NBrkEnd 0.5 Sec 15 Si/DL/DR 0 15 D Sboost Hz 16 regSpd 1,0 Hz 16 n/a 0 16 D Sbase Hz 17 MaxCurr 450 Arm 17 CanMode 0 17 D Smax Hz 18 BattV 48,0 V 18 BDVmin Vrm 19 PStrDly 5,0 Sec 19 BDVboost Vrm 20 EBrkDly 0,5 Sec 20 B Vbase Vrm 21 AccMin 3,5 V 21 B Vmax Vrm 22 AccMax 0,1 V 22 BDSmin Hz 23 AuxMin 0,5 V 23 BDSboost Hz 24 AuxMax 0,5 V 24 B Sbase Hz 25 MotMin 0,2 V 25 B Smax Hz 26 MotMax 4,8 V 26 BNVmin Vrm 27 VmaxSpd 12 KPH 27 BNVboost Vrm 28 BDIreset 49,0 V 28 BNSmin Hz 29 BDIempty 42,0 V 29 BNSboost Hz 30 BDIwarn 30,0 % 30 CunTh 450 A 31 BDIcut 10,0 % 31 ImaxLow 450 A 32 BDIspeed 100,0 Hz 32 IthTime 0 s 33 Dmcut/Ac 100,0 % 33 Oset1R 11 bit 34 Dmrev/De 100,0 % 34 Oset2A N/A bit 35 Dmspeed 100,0 % 35 Oset3F 12 bit 36 StdByDly 0,5 % 36 Gain1R 94 % 37 Gain2A 0 % 38 Gain3F 92 % Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 101 Los parámetros han sido elegidos en base al teórico funcionamiento del cortacésped, de todos modos se han explicado todos los apartados y funciones por si, tras las pruebas y ensayos, pudiera ser necesario o recordable utilizar otras opciones. Lo cual es altamente probable puesto que en la mayoría de los casos en la práctica las cosas no funcionan como en la teoría al no tener absolutamente todas las variables en cuenta. Estos parámetros se han realizado con ayuda del Ingeniero Vasco Santos. En el apartado 3.1 nos recomendó la opción 5 en vez de nuestra propuesta de opción 2. La opción 2 es, acelerador con “curved 2” y pedal de freno con “linear”. En cambio la 5 es, acelerador con “curved 2” y freno con “curved 1”. Imagen 70 – Respuesta para el acelerador y el freno. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 102 11. INTERCONEXIONADO Finalmente presentamos el esquema de conexiones que sería necesario para el correcto funcionamiento del mismo, con especial detalle en las conexiones del controlador. Imagen 71 – Esquema de conexiones del controlador, el motor, el fusible y las baterías Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 103 12. RENDIMIENTO El rendimiento una parte muy importante del proyecto, ya que el rendimiento de las máquinas con motor de combustión es muy bajo, cerca de 20-30% y la restante energía es desperdiciada. El rendimiento total es la multiplicación de todas las partes de nuestro sistema, desde la toma de 230V hasta llegar la energía a las ruedas y hojas de corte o cuchillas. También vamos a tener en cuenta el rendimiento de la carga de las baterías, es decir, del cargador. Rendimiento eléctrico - Baterías: μ= 92.9% - Motor: μ=88% (apartado 7.5.2) - Controlador: μ=94% (apartado 7.8) - Cargador μ>85% (datasheet de cargador Zivan NG1) Entonces, el rendimiento eléctrico será de: %8.76768.088.094.0929.0 = → = × × =××= electricomotorcontrbatelectrico μ μ μ μ μ Rendimiento mecánico - Correas de las poleas μ=95-97% Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 104 - Poleas (rozamiento con el eje) μ=98% (casi despreciable) - Caja de velocidades μ=variable, pero la velocidad será controlada por el controlador, quedando fija la polea que hace la relación entre una posición que podrá ser en la 3ª marcha. El cortacésped tiene 6 marchas para adelante, 1 ponto muerto y 1 para atrás. Entonces el rendimiento medio de esta marcha elegida como fija será aproximadamente: μ=70%-80% %17.656517.07.098.095.0 =→ = × × =××= mecanicocajapoleascorreasmecanico μ μ μ μ μ Rendimiento total %505.06517.0768.0 = → = ×=×= totalelectricomecanicototal μ μ μ μ El rendimiento en la práctica debería ser mayor ya que algunos rendimientos como el mecánico están calculados para el peor de los casos. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 105 13. PRESUPUESTO Establece el coste total de todos los componentes que se deben comprar. No incluye las piezas mecánicas que pudieran ser necesarias para la correcta instalación del motor en el chasis o para mejorar la transmisión, por ello deberá esperarse a la recepción del motor y realizar su correspondiente estudio y trabajo, lo cual quedará a cargo del departamento de Mecánica del ISPV en caso de seguir con el proyecto. Descripción Fabricante Cantidad Precio Unitario Precio Total Motor LEM-200-127 DC LEM srl 1 1044.17 € 1044.17 € Controlador PMT465M PG drives technology 1 710,60 € 710,60 € Contactor eléctrico JCG-6 250 Ametek 1 83,20 € 83,20 € Cable de unión del acelerador al controlador Radalex 1 36,50 € 36,50 € Fusible de 250 A Wickman USA Inc. 1 3,36 € 3,36 € Portafusibles (DC DIN43562) SIBA 1 17,50 € 17,50 € Potenciómetro (0-5Komhs) Diotronic S.A. 1 15,60 € 15,60 € Terminales de cobre GC 50-8 Radalex 5 2,50 € 12,50 € Baterías Optima bateries 4 179,29 € 717,16 € Cables PC50-M Radalex 8m 11,60€/4m 23,20 € Post Terminal Clamps – Heavy Duty to suit 60mm Cable Radalex 8 4,41 € 35,28 € Power Cable Terminal Eyelets 35mm2 – 6,8, o 10mm Radalex 8 0,78 € 6,24 € Cargador F4EG 48V Zivan 1 553,20 € 553,20 € Mano de obra (instalación y pruebas y ensayos) 24h 10 € 240,00 € TOTAL: 2.454,34 € Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 106 14. PLANIFICACIÓN Este es el cronograma de la realización del proyecto, desde que fue iniciado el 22 de Febrero hasta su aprobación en Portugal, y posteriormente reconducido en España Mes-año feb-10 mar-10 abr-10 may-10 jun-10 jul-10 oct-10 nov-10 dic-10 ene-11 feb-11 Semanas 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Búsqueda de información Memoria Cálculos Toma de datos Diseño de la solución Desmontaje Instalación de motor, baterías, controlador* Mediciones* Presupuesto Traducción *En estos apartados me fue imposible su realización por causas ajenas a mi trabajo, concretamente la crisis económica y la falta de presupuesto para cumplir los plazos para la llegada del motor y controlador prometidos en un principio por el ESTV Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 113 CPU. Un núcleo suele referirse a una porción del procesador que realiza todas las actividades de una CPU real. MOSFET: acrónimo de “Metal Oxide Silicon Field Efect Transistor”, es decir, transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico. Es el más común de la clase de los transistores de efecto de campo basado en la estructura MOS usados en la microelectrónica. Motor paso a paso: También denominados PaP, son dispositivos electromecánicos que convierten una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control Núcleo de la armadura: está ligado al eje y está construido por láminas de material ferromagnético, presentando una baja reluctancia magnética entre los polos. Las láminas sirven para reducir las corrientes parasitas en el núcleo, y el acero usado tiene características especiales destinadas a producir una baja pérdida por histéresis. El núcleo contiene ranuras axiales en su periferia para la colocación del enrollamiento de la armadura. Polea compuesta: se trata de dos poleas, o más, unidas por un eje y generalmente con diferentes tamaños. Polos: están constituidos de hierro laminado y atornillados o soldados en la carcasa después de la inserción de los enrollamientos de campo en los mismos. La expansión polar es curvada y es más larga que el núcleo polar, para esparcir el flujo uniformemente. PWM: del acrónimo en inglés “Pulse-Width Modulation”. Es una técnica por la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (senoidal o cuadrada) para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga o transmitir una señal de comunicación. Estudio de elección y control de un motor eléctrico en un cortacésped tractor Escola Superior de Tecnología e Gestão de Viseu Página 114 Regulador: sistema de regulación cuyo objetivo prioritario es mantener la salida del sistema en un valor constante, el de la referencia. Sensor: elemento que detecta manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos que aprovecha sus cualidades de tal modo que consigue adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro elemento, generalmente un microcontrolador o procesador. Servomecanismo: sistema de regulación cuyo objetivo prioritario es mantener el error nulo cuando la referencia es variable. Es un sistema seguidor.