UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CARGA
ELÉCTRICO INALÁMBRICO POR INDUCCIÓN PARA UN
VEHÍCULO ELÉCTRICO PROTOTIPO EN MOVIMIENTO.”
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JIMÉNEZ TORRES LENIN ALEXIS
DIRECTOR: ING. YÁNEZ ZURITA IVÁN ERNESTO, MSc
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1723297592
APELLIDO Y NOMBRES: Jiménez Torres Lenin Alexis
DIRECCIÓN: San Enrique de Velasco y calle A
EMAIL: Leninj256@hotmail.com
TELÉFONO FIJO: 3408090
TELÉFONO MOVIL: 0987849270
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
SISTEMA DE CARGA ELÉCTRICO
INALÁMBRICO POR INDUCCIÓN PARA UN
VEHÍCULO ELÉCTRICO PROTOTIPO EN
MOVIMIENTO.
AUTOR O AUTORES: Lenin Jiménez
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
Septiembre 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Iván Yánez MSc.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Este proyecto de investigación bibliográfica
se presentó para generar una nueva
tecnología sobre el sistema de carga
inalámbrico para vehiculos eléctricos que sea
amigable al ambiente usando el método de
inducción magnética para la generación de
electricidad y así lograr cargar las baterías de
ion de litio del vehículo eléctrico de tal
manera que el vehículo no se encuentre
conectado a la red, este nuevo dispositivo
tecnológico fue basado en la ley de Faraday
para la FEM inducida, la cual expresa la
generación de líneas de flujo magnético las
electrones por un área determinada y una
distancia entre bobinas, la particularidad de
este proyecto de investigación de carga
inalámbrica es que estas bobinas se
encuentran separadas por aire ya que este
posee un coeficiente de resistencia mínimo.
El procedimiento realizado para lograr
generar el prototipo de carga inalámbrico por
inducción fue el diseño cinemático y eléctrico
del vehículo eléctrico (V.E.C.W), al obtener
los factores que podrían alterar los valores de
generación de energía eléctrica por inducción
se procedió a realizar su implementación, una
vez realizado esto se procedió a crear el
dimensionamiento de la pista en la cual se
experimentó posteriormente el sistema de
generación de energía eléctrica, una de las
pruebas más importantes fue realizada junto
con su análisis sobre el rendimiento del
sistema de carga inalámbrico y lograr
determinar la auto sustentabilidad del
prototipo, otra de las pruebas fundamentales
es establecer la factibilidad del sistema de
carga y si es posible implementar en el
distrito metropolitano de Quito. Como punto
final se obtiene que los diseños electrónicos
teóricos versus los aspectos reales son
similares con unos ligeros márgenes de error
esto a causa de los distintos parámetros los
cuales pueden determinar un cambio en el
sistema electrónico, estos se pueden
presentar al cambiar un componente por
mínimo que este sea.
PALABRAS CLAVES: Inducción magnética, flujo magnético, FEM
inducida, rendimiento eléctrico.
ABSTRACT: This bibliographic research project is to
generate a new technology for Wireless
DEDICATORIA
A Dios, por haberme dado el don de la vida, la fortaleza, la sabiduría para seguir adelante en el camino de la vida y lograr alcanzar las metas propuestas ya que sin Él no existirá triunfo alguno.
A mi madre Guadalupe de Jesus Torres Torres, quien me dio la vida por haberme enseñado con paciencia, firmeza y sobre todo amor, mis pasos que hoy son la base de lo que soy, por darme ejemplo de responsabilidad, honestidad y la mejor herencia el estudio, gracias por su amor incondicional, gracias madre por enseñarme que después de una caída uno tiene que levantarse con fuerza y mirar en alto y demostrar al mundo que poseo la misma fortaleza que tu posees. Soy feliz por tenerla.
A mi padre Lenin Agusto Jiménez Sánchez, por estar en los momentos determinantes de mi vida por enseñarme a enfrentar las diferentes adversidades de la vida con coraje, por darme el carácter de no retroceder a las decisiones que he tomado en mi vida, gracias padre por la guía que durante años me has brindado.
AGRADECIMIENTOS
La elaboración de este Informe, no solo implica mi preparación académica y profesional, es además el producto de una lucha constante por lograr una meta. Por tal razón agradezco.
A mis familiares, amigos por confiar en mí, apoyarme siempre; para así crecer con valores sentimentales y profesionales durante mi formación de vida.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... ix
ABSTRACT ... x
1.INTRODUCCIÓN ... 1
2.MARCO TEÓRICO ... 3
2.1.ANTECEDENTES DE CARGA INALÁMBRICA ... 3
2.2.CORRIENTE ELÉCTRICA ... 4
2.2.1. TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA ... 5
2.2.1.1. Corriente continua ... 5
2.2.1.2. Corriente alterna ... 5
2.3. MAGNETISMO ... 6
2.3.2. LÍNEAS DE FLUJO MAGNÉTICO ... 8
2.3.3. EL FLUJO MAGNÉTICO (ΦM) ... 9
2.3.4. LEYES DE MAXWELL ... 10
2.3.4.1. Primera ley de maxwell ... 10
2.3.4.2. Segunda ley de maxwell ... 11
2.3.4.3. Tercera ley de maxwell ... 11
2.3.4.4. Cuarta ley de maxwell ... 12
2.4. LA FEM INDUCIDA ... 13
2.5. LEY DE FARADAY PARA LA FEM INDUCIDA ... 13
2.5.1. APLICACIÓN DEL TRASFORMADOR ... 14
2.5.2. CÁLCULO DEL TRASFORMADOR EN FUNCIÓN DE VOLTAJES ... 15
2.6. RECTIFICADORES DE CORRIENTE ... 18
ii
2.6.2. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA ... 20
2.6.2.1. Corriente positiva de la tensión alterna ... 21
2.6.2.2. Corriente negativa de la tensión alterna. ... 22
2.7. MOTOR ELÉCTRICO ... 22
2.7.1. FUNCIONAMIENTO ... 23
2.7.2. TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS ... 24
2.7.2.1. Motor eléctrico de corriente continúa ... 24
2.7.2.2. Motor eléctrico de corriente alterna ... 25
2.7.3. COMPONENTES DE UN MOTOR ELÉCTRICO... 26
2.8. ACUMULADORES DE CORRIENTE ... 27
2.8.1. PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LOS ACUMULADORES ... 28
2.8.1.1. Tensión ... 28
2.8.1.2. Corriente ... 28
2.8.1.3. Capacidad de carga ... 29
2.8.1.4. Carga eléctrica ... 29
2.8.1.5. Energía... 29
2.8.1.6. Rendimiento ... 30
2.8.1.7. Constante de carga y descarga ... 30
2.8.2. ACUMULADORES DE CORRIENTE PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS ... 30
2.9.2.1. Batería de ion de litio ... 31
2.9. SISTEMAS DE CARGA INALÁMBRICA ... 32
2.9.1. TIPOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA INALÁMBRICA ... 32
2.9.1.1. Transferencia de energía por recarga electromagnética ... 32
2.9.1.2. Recarga por resonancia magnética ... 33
2.9.1.3. Transferencia de energía por microondas... 33
2.9.1.4. Transferencia de energía por calor ... 33
2.9.1.5. Transferencia de energía por luz. ... 34
2.9.1.6. Transferencia de energía por sonido ... 34
2.9.1.7. Transferencia de energía por inducción ... 34
iii 2.9.1.7.2. Principios básicos de la trasmisión de energía por
inducción magnética ... 36
2.9.1.7.3. Eficiencia de la transferencia ... 37
2.9.1.7.4. Impacto ambiental ... 38
2.9.1.7.5. Es peligroso para el ser humano? ... 38
3. METODOLOGÍA ... 39
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 41
4.1. CÁLCULOS DE TRANSFERENCIA INDUCTIVA. ... 41
4.2. DISEÑO DEL PROTOTIPO (PISTA) ... 49
4.2.1. CÁLCULOS DE LA ESTRUCTURA DEL PROTOTIPO (PISTA)... 49
4.2.2. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE LA PISTA ... 50
4.2.3. DISEÑO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DE LA PISTA (FUENTE) ... 51
4.3. DISEÑO DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO (VECW) ... 52
4.3.1. CÁLCULOS DE LA ESTRUCTURA DEL (VECW) DEL PROTOTIPO ... 52
4.3.2. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL VEHICULO (VECW) ... 54
4.3.3. DISEÑO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DEL VEHICULO (VECW) ... 55
4.4. IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO ... 56
4.5. PRUEBAS DEL PROTOTIPO DE SISTEMA DE CARGA INALÁMBRICO POR INDUCCIÓN. ... 59
4.5.1. PRUEBA DE CONTINUIDAD. ... 59
4.5.2. PRUEBA DE CARGA INALÁMBRICA ... 60
4.5.3. PRUEBA DE CARGA INALAMBRICA ESTÁTICA ... 61
4.5.4. PRUEBA DE CARGA INALÁMBRICA DINÁMICA ... 61
iv 4.6.1. CUÁL ES EL NÚMERO MÁXIMO DE BOBINAS QUE
PUEDE TENER LA PISTA ... 64
4.6.2. EL TIEMPO DE DESCARGA DE LA BATERÍA DE VEHICULO SIN CARGA INALAMBRICA ... 64
4.6.3. CANTIDAD DE ENERGÍA NECESARIA PARA PRODUCIR UN MOVIMIENTO PERMANENTE DEL VEHICULO ... 65
4.6.4. CUÁL ES LA DISTANCIA MÍNIMA ENTRE BOBINAS. ... 66
5.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 67
5.1.CONCLUSIONES ... 67
5.2. RECOMENDACIONES ... 68
BIBLIOGRAFÍA ... 69
v
ÍNDICE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Carga inalámbrica de vehiculos Eléctricos. ... 3
Figura 2. Corriente Continua. ... 5
Figura 3. Corriente Alterna. ... 6
Figura 4. Magnetismo. ... 7
Figura 5. Campo magnético circular. ... 7
Figura 6. Líneas de flujo magnético. ... 9
Figura 7. Flujo magnético. ... 9
Figura 8. La FEM inducida. ... 13
Figura 9. Ley de Faraday (FEM). ... 13
Figura 10.Dimensionamiento del trasformador. ... 16
Figura 11. Circuito rectificador de media onda. ... 20
Figura 12. Circuito rectificador de onda completa. ... 21
Figura 13. Motor eléctrico. ... 22
Figura 14. Despiece de motor eléctrico. ... 27
Figura 15. Batería de ion de litio. ... 31
Figura 16. Sistema de carga inalámbrica. ... 35
Figura 17. Inducción magnética entre anillos. ... 36
Figura 18. Eficiencia del sistema de carga. ... 37
Figura 19. Esquema del prototipo (V.E.C.W.). ... 41
Figura 20. Vista superior de la pista. ... 50
Figura 21. Pista a inclinación 30° ... 51
Figura 22. Pista longitudinal, inclinación a 30°. ... 51
Figura 23. Circuito eléctrico de la pista. ... 52
Figura 24. Diagrama de cuerpo libre. ... 53
Figura 25. Vista superior del (V.E.C.W.). ... 55
Figura 26. (V.E.C.W.), inclinación a 30°. ... 55
Figura 27. Circuito eléctrico (V.E.C.W.) ... 56
Figura 28. Paneles de MDF ... 56
vi
Figura 30. Pista del prototipo. ... 57
Figura 31. Estructura del vehículo eléctrico (V.E.C.W) ... 58
Figura 32. Pista terminada. ... 58
Figura 33. Prototipo (V.E.C.W) terminado. ... 59
vii
ÍNDICE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Potencia vs vueltas voltio. ... 16
Tabla 2. Amperajes vs diámetros de cobre ... 17
Tabla 3. Baterías eléctricas. ... 31
Tabla 4. Materiales ferromagneticos. ... 46
Tabla 5. Prueba de carga inalámbrica. ... 60
Tabla 6. Tabla de rendimiento de carga. ... 63
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1.
Imanes ... 71
ANEXO 2.
Las líneas de campo magnético ... 73
ANEXO 3.
Ley de lenz ... 74
ANEXO 4.
Graficas de análisis del sistema de carga inalámbrico por
inducción con distinto número de bobinas en la pista. ... 75
ANEXO 5.
Planos del prototipo del sistema de carga inalámbrico
ix
RESUMEN
x
ABSTRACT
1
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad la producción de vehículos eléctricos posee puntos a favor y en contra referente a su inserción en la sociedad. Uno de los puntos negativos observable en la adquisición de un vehículo eléctrico es que debe permanecer conectado a una fuente de energía para lograr cargar la batería del vehículo eléctrico en su totalidad. Por esta razón se ha decidido realizar este proyecto de investigación para poder generar de manera amigable al ambiente una forma de carga inalámbrica a las baterías de los vehículos eléctricos por medio de inducción magnética.
Históricamente los vehículos eléctricos han sido un gran paso en las sociedades modernas, debido a que con este tipo de vehículos podemos contribuir a no depender de la utilización de combustibles fósiles que afectan directamente al medio ambiente, pero como todo avance tecnológico posee aspectos positivos y negativos. Uno de los aspectos negativos más significativos de estos vehículos es el tiempo de carga y lo que el vehículo debe permanecer conectado para que la batería logre cargarse completamente.
El sistema de carga inalámbrica por inducción, será un enfoque positivo en toda la comunidad de las distintas ciudades del país; puesto que con este sistema los usuarios de vehículos eléctricos pueden proceder a cargarlos para utilizarlos en todo momento, mientras realizan sus ocupaciones diarias. Tecnológicamente este proyecto requiere un alto nivel de conocimientos de diseño y construcción por medio del estudio de inducción de energía electro-magnética, a través de los distintos componentes eléctricos, los cuales ayudan a la fabricación del dispositivo de carga inalámbrica.
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1. ANTECEDENTES DE CARGA INALÁMBRICA
El sistema de carga por inducción desarrollado por BMW y Daimler supone una ventaja crucial, aseguran ambos, frente a las estaciones de carga convencionales, ya que supone la conexión sin cables entre el punto de suministro y la carga de alto voltaje de la batería (Ibérica motores, 2015). El sistema de carga inalámbrica por inducción para vehículos eléctricos funciona de manera que la bobina captadora que se encuentra en el vehículo logra recibir la energía eléctrica transferida por la bobina fuente que está en los puntos de carga ubicados en las calles. El intercambio de energía se realiza a través del principio de inducción electro-magnética entre las bobinas fuente y captadora como se muestra en la figura 1. La bobina captadora genera una corriente alterna que trabaja conjuntamente con un rectificador y acumulador de corriente que se encuentran en el vehículo. Es capaz de cargar la batería del vehículo eléctrico en su máxima capacidad en un tiempo menor, que si solo fuera cargado en una electrolinera estática (Ibérica motores, 2015).
Figura 1. Carga inalámbrica de vehiculos Eléctricos.
4 El sistema de carga por inducción magnética da como resultado una disminución en el tiempo de carga de las baterías de los vehículos eléctricos, el tiempo de carga por el sistema de inducción magnética se reduce en un 30% al no obtener la carga del cableado eléctrico de la red. (Ibérica motores, 2015).
La meteorología no es un problema, La estación de carga por inducción puede utilizarse independientemente de las condiciones meteorológicas. Ni la nieve ni la lluvia tienen un efecto negativo en la alimentación de energía, ya que todos los componentes conductivos del sistema están protegidos. Lo que significa que la bobina fuente puede instalarse incluso al aire libre sin riesgos de que existan averías (Ibérica motores, 2015).
2.2. CORRIENTE ELÉCTRICA
Corriente eléctrica o Intensidad eléctrica. Es el flujo de electrones o carga eléctrica que a traviesan a un conductor dentro de un circuito eléctrico cerrado. Supongamos que la carga se mueve en un alambre, si la carga (q) se traslada a través de una sección trasversal dada del alambre en un tiempo (t), matemáticamente se expresa como: (Bueche, 2011).
[1]
Donde:
I: Intensidad de corriente (amperios). Q: carga eléctrica (coulomb).
t: tiempo (segundos).
Si, se toma la dirección de la corriente como la que corresponde a la dirección del flujo de la carga positiva. De este modo se obtiene la magnitud de la intensidad de corriente, la unidad de medida es el amperio.
5
2.2.1. TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA
2.2.1.1. Corriente continua
Se denomina corriente continua o corriente directa (CC), al flujo de cargas eléctricas que no cambia de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica a través de un material conductor o semi-conductor, se establece entre dos puntos de distinto potencial. Cuando hay corriente continua, los terminales de mayor y menor potencial no se intercambian entre sí. Es errónea la identificación de la corriente continua con la corriente constante (ninguna lo es, ni siquiera la suministrada por una batería). Es continua toda corriente cuyo sentido de circulación es siempre el mismo, como muestra la figura 2. Independientemente de su valor absoluto (Merwe, 2010).
Figura 2. Corriente Continua.
(Merwe, 2010)
2.2.1.2. Corriente alterna
6
Figura 3. Corriente Alterna.
(Merwe, 2010)
Este tipo de corriente es la más usada en la actualidad, creada fundamentalmente por Nikola Tesla, la corriente alterna superó las limitaciones que aparecían al emplear la corriente continua (CC), la cual constituye un sistema ineficiente para la distribución de energía a gran escala debido a problemas en la transmisión de potencia (Merwe, 2010). La razón del amplio uso de la corriente alterna, resulta ser que minimiza los problemas de trasmisión de potencia, viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la corriente continua. La energía eléctrica trasmitida viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo (Merwe, 2010).
Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica dependen de la intensidad, se logra mediante un transformador modificar el voltaje hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente (Merwe, 2010).
2.3. MAGNETISMO
7 espacio una carga que se mueve, ahí experimenta una fuerza (diferente a la fricción) debida a su movimiento, como se muestra en la figura 4. La cual posee una sola dirección que es de norte a sur y esta puede ser similar a los polos magnéticos geográficos (Bueche, 2011).
Figura 4. Magnetismo.
(Bueche, 2011)
El campo magnético es el espacio que rodea a una masa magnética. Sea (ΔL) un elemento de longitud de un conductor por el que circula una corriente de intensidad (I). En un punto (P) la inducción magnética elemental creada, como muestra la figura 5. Siendo (r) la distancia de (ΔL) a (P), (θ) el ángulo que forma (r) con el elemento (ΔL) y (µ0) la cual es la constante de
permeabilidad magnética, capacidad de una sustancia o medio para trasmitir un campo magnético, su valor es 4π.10-7
N/A2. La magnitud de la inducción magnética es el tesla (Merwe, 2010).
Figura 5. Campo magnético circular.
8
[2]
Dónde:
B: Campo magnético (tesla). µ0: Permeabilidad magnética.
I: Intensidad (amperios). r: Radio (metros).
Π: Constante pi. L: Longitud (metros) Ѳ: Angulo de la espira.
Utilizando el método de derivación se obtiene el campo magnético en el centro de la espira, para lograr identificar el campo magnético generado por toda la espira solo se multiplica el número de espiras en la formula anterior.
[3]
Dónde:
B: Campo magnético (tesla).
K: Constante de permeabilidad magnética. I: Intensidad (amperios).
r: Radio (metros). N: Número de espiras. Π: Constante pi.
2.3.2. LÍNEAS DE FLUJO MAGNÉTICO
9
Figura 6. Líneas de flujo magnético.
(Toribio, 2013)
2.3.3. EL FLUJO MAGNÉTICO (ΦM)
A través de un área (A vectorial) se define como el producto de (B perpendicular) y (A) donde (B perpendicular) es la componente de (B
vectorial) perpendicular a la superficie de área (A), como se muestra en la figura 7, se obtiene la ecuación matemática (Bueche, 2011).
Figura 7. Flujo magnético.
(Toribio, 2013)
∫ [4]
Dónde:
ΦM: Flujo de campo magnético (weber).
B: Inducción del campo magnético (tesla). A: Área del campo magnético (centímetros).
10
[5]
Dónde:
ΦM: Flujo de campo magnético (weber).
B: Inducción del campo magnético (tesla). A: Área del campo magnético (centímetros). Φ: ángulo del centro de la espira.
“En donde θ es el ángulo entre la dirección del campo magnético y la
perpendicularidad al área sobre el flujo magnético. El flujo se expresa en weber (Wb) “ (Bueche, 2011, pág. 300).
2.3.4. LEYES DE MAXWELL
Las relaciones entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos fueron expuestas en las investigaciones sobre la ley de Gauss, ley de Ampere y la ley de Faraday para la FEM inducida, las ecuaciones de Maxwel, las cuales expresan matemáticamente las leyes experimentales de la electricidad y el campo magnético (J. Puente, N. Romo, M. Pérez, J. Alonso, 2010).
2.3.4.1. Primera ley de maxwell
“La primera ley expresa la ley de Gauss, es decir describe el flujo del vector intensidad de campo eléctrico “E” a través de una superficie. Su fundamento
experimental es la ley de Coulomb. Implica que el vector campo eléctrico
debido a una carga puntual varía de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.” (J. Puente, N. Romo, M. Pérez, J. Alonso, 2010, pág. 296).
11 Dónde:
F: Fuerza (newton). K: Constante eléctrica. q: Cargas (coulomb). r: Radio (centímetros).
2.3.4.2. Segunda ley de maxwell
“Expresa la denominada ley de Gauss del campo magnético, que describe
que el flujo del vector inducción magnética a través de una superficie cerrada
es cero.
Corresponde a la evidencia experimental de que las líneas de campo
magnético no divergen ni convergen en ningún punto del espacio, es decir, que no existen polos magnéticos aislados” (J. Puente, N. Romo, M. Pérez, J. Alonso, 2010, pág. 296).
∮ [7]
Dónde:
E: Campo eléctrico (Newton/Coulomb). Q: Cargas eléctricas (coulomb).
ε0: Flujo electro magnético (weber).
r: Radio (centímetros).
B: Inducción del campo magnético (tesla). S: Área del campo magnético (centímetros).
2.3.4.3. Tercera ley de maxwell
12
∮ ∫ [8]
Dónde:
ε: Flujo electro magnético (weber/segundos). N: Numero de espiras.
ΦM: Flujo de campo magnético (weber).
t: tiempo (segundos).
L: longitud de la espira (metros)
2.3.4.4. Cuarta ley de maxwell
“Expresa la ley de Ampére-Maxwell; la ley de Ampére establece la relación
cuantitativa entre el campo magnético y las corrientes que lo producen;
Maxwell la amplio de modo que recogiera también la producción del campo
magnético por un campo eléctrico variable: Describe como rodea a una
superficie las líneas de campo magnético cuando a través de dicha superficie pasa una corriente eléctrica “ (J. Puente, N. Romo, M. Pérez, J. Alonso, 2010).
( ) ∮ ∫ [9]
Dónde:
H(p): Campo magnético variable. I: Intensidad (amperios).
Φ: Flujo del campo magnético (weber). B: Campo eléctrico (Tesla).
L: Longitud (metros).
µ0: Constante de permisividad.
E: Campo eléctrico.
S: sección o área de las bobinas. Π: Contante pi.
13
2.4. LA FEM INDUCIDA
En una bobina (con N espiras), siempre que ocurra un cambio en el flujo magnético (movimiento del imán) a través del área de la espira. La fuerza electromotriz (FEM) inducida se induce durante el tiempo en que está cambiando el flujo magnético a través del área de contacto del devanado de cobre. Como se observa en la figura 8 (Bueche, 2011).
Figura 8. La FEM inducida.
(Bueche, 2011)
2.5. LEY DE FARADAY PARA LA FEM INDUCIDA
Supóngase que una bobina con (N) vueltas se somete a un cambio en el flujo magnético a través de la bobina. Si ocurre una modificación en el flujo (ΔΦM) en un tiempo (Δt), entonces la fuerza electromotriz (FEM) promedio
inducida entre las terminales de la bobina, como se muestra en la figura 9, la ecuación está dada por (Bueche, 2011).
Figura 9. Ley de Faraday (FEM).
14
[10]
Dónde:
ε: Fuerza electro motriz (weber/segundos). N: número de vueltas del bobinado.
ΦM: flujo de campo magnético (weber).
Δt: variación de tiempo (segundos).
La FEM, (
ε
) está en volts si (ΔΦ/ Δt) su magnitud es Wb/s. El signo menos indica que la FEM inducida se opone al cambio que la produce, como está establecido en la ley de Lenz es una consecuencia de la conservación de la energía. Si este no fuera el caso, las corrientes inducidas acrecentarían el cambio de flujo que hace que se inicien y el proceso se llevaría a cabo indefinidamente (Bueche, 2011).2.5.1. APLICACIÓN DEL TRASFORMADOR
Si se aplica una fuerza electromotriz de corriente alterna en la bobina fuente, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos de la bobina captadora. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (EF), la
aplicada a la bobina fuente la fuerza electromotriz inducida (EC), la obtenida
en la bobina captadora, es directamente proporcional al número de espiras de la bobina fuente (NF) y la bobina captadora (NC) (Neamen, 2010).
La variación del flujo magnético en el núcleo común de acero dulce es igual para las dos bobinas el devanado de cobre puede tener el mismo diámetro para transmitir la misma corriente o sea el caso se transfiera un voltaje diferente:
15 Dónde:
ΕF: FEM en la fuente.
EC: FEM en el captador.
NF: Espiras de la fuente.
NC: Espiras del captador.
El flujo magnético (ФMF) al estar canalizado en el núcleo, induce en las
espiras de la bobina captadora una fuerza electromotriz (Ec). Las espiras de
la bobina fuente también están en la influencia del (ФMF). Por lo tanto en
ellas se va a inducir una fuerza contra electromotriz (Ef), que se opone al
voltaje de alimentación, dando como resultado una disminución de la intensidad de corriente (IF)(Neamen, 2010).
Cuando se le aplica carga (V) a la bobina captadora, circula por la bobina una intensidad de corriente (IC), la cual produce el flujo magnético de la
bobina captadora (ФMC), opuesto al (ФMC), por lo tanto reduce el flujo
resultante en el núcleo dando como resultado que la fuerza contra electromotriz disminuya y la intensidad de corriente (IF) aumente.
El término inductancia mutua en el circuito primario representa la carga del secundario, tiene el signo negativo porque ayuda a la bobina fuente para producir más corriente en respuesta al aumento de la carga en el circuito secundario, esto dependiendo del devanado y el número de espiras con la cual este conformado la bobina inductora y el número de espiras de la bobina captadora (Neamen, 2010).
2.5.2. CÁLCULO DEL TRASFORMADOR EN FUNCIÓN DE VOLTAJES
16
Figura 10.Dimensionamiento del trasformador.
Al tener las dimensiones del núcleo se observa en la tabla 1, los diferentes parámetros como el número de vueltas por voltio, la potencia que se genera en el área del campo magnético (Tamiet, 2013)
Tabla 1. Potencia vs vueltas voltio.
NÚCLEO POTENCIA MÁXIMA VUELTAS POR VOLTIO ÁREA Cm ²
1.6 x 1.9 9W 14 3.04
2.2 x 2.8 37W 7 6.16
2.5 x 1.8 20W 9.3 4.5
2.5 x 2.8 49W 6 7
2.8 x 1.5 17W 10 4.2
2.8 x 2.5 49W 6 7
2.8 x 3.5 96W 4.3 9.8
2.8 x 5 196W 3 14
3.2 x 3.5 125W 3.75 11.2
3.2 x 4 163W 3.3 12.8
3.2 x 5 256W 2.625 16
3.8 x 4 231W 2.76 15.2
3.8 x 5 361W 2.21 19
3.8 x 6 519W 1.85 22.8
3.8 x 7 707W 1.58 26.6
3.8 x 8 924W 1.38 30.4
3.8 x 9 1170W 1.22 34.2
3.8 x 10 1444W 1.1 38
3.8 x 11 1747W 1.004 41.8
3.8 x 12 2079W 0.921 45.6
17 En la tabla 2 se puede observar que con los respectivos cálculos para determinar el amperaje en cualquier sistema de inducción eléctrica y así designar el diámetro del alambre de cobre esmaltado para las bobinas fuente y captadora, en el sistema de intercambio de energía eléctrica inalámbrica se presenta como una caracteriza sobre el amperaje el cual es el mismo al momento del intercambio de energía.
Tabla 2.Amperajes vs diámetros de cobre
AWG Diam. Mm Amperaje AWG Diam. mm Amperaje
1 7.35 120 16 1.29 3.7
2 6.54 96 17 1.15 3.2
3 5.86 78 18 1.024 2.5
4 5.19 60 19 0.912 2.0
5 4.62 48 20 0.812 1.6
6 4.11 38 21 0.723 1.2
7 3.67 30 22 0.644 0.92
8 3.26 24 23 0.573 0.73
9 2.91 19 24 0.511 0.58
10 2.59 15 25 0.455 0.46
11 2.30 12 26 0.405 0.37
12 2.05 9,5 27 0.361 0.29
13 1.83 7,5 28 0.321 0.23
14 1.63 6,0 29 0.286 0.18
15 1.45 4,8 30 0.255 0.15
(Aponte, 2005)
La ley de la potencia eléctrica es el producto entre el voltaje y la intensidad de corriente.
[12]
Dónde:
18 Para determinar el número de vueltas de la bobinas utilizamos la ecuación que expresa la relación del producto entre el potencial eléctrico y el número de vueltas por voltio.
[13]
Dónde:
NB: Número de vueltas de la bobina.
V: Voltaje (voltios).
nv: Numero de vueltas por voltio (vueltas / voltio).
2.6. RECTIFICADORES DE CORRIENTE
El rectificador es un dispositivo electrónico encargado de transformar la corriente alterna en corriente continua por medio de un puente de diodos rectificadores, estos pueden ser conductores o semi-conductores (J. Millman, C. Halkias, 2015).
El rectificador consta de una placa metálica denominada puente en la cual se encuentran ubicados en diferentes posiciones los diodos rectificadores, ya que estos aprovechan la cualidad de conducir la corriente en un solo sentido, cuando el diodo conduce la corriente se denomina polarización en forma directa y cuando no conduce se denomina polarización en forma indirecta.
En la corriente alterna cuando su onda senoidal se repite, esto se determina como ciclo. El período es el tiempo que transcurre para que logre completarse un ciclo, normalmente se mide en milisegundos. La frecuencia es inversa al período ya que determina cuantos ciclos ocurren dentro de un segundo, se mide en Hertz (J. Millman, C. Halkias, 2015).
19 obtendrá el valor eficaz de la tensión que se representa con la expresión matemática (J. Millman, C. Halkias, 2015).
√ [14] Dónde:
V eficaz: Voltaje (voltios). Vp: Voltaje de entrada (voltios).
Los rectificadores poseen diodos, los cuales son componente electrónicos que se encargan de direccionar la corriente en un solo sentido por lo cual corrigen la corriente alterna que posee ambos sentidos.
2.6.1. RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA
El rectificador de media onda es un dispositivo electrónico, el cual solo transforma una sección de la corriente alterna en corriente continua, la composición del rectificador de media onda consta de un diodo, una fuente de alta tensión y una resistencia para poder medir los valores de tensión, una vez que la corriente logre circular por el diodo (J. Millman, C. Halkias, 2015).
La activación del diodo sucede con una tensión aproximada de 0,7v. Si la tensión desciende de este valor, el diodo no se polarizara y no convertirá la tención alterna en continua. Físicamente cuando la onda senoidal de la tensión alterna se encuentra en la sección de picos de corrientes negativos, el diodo se polarizara de manera inversa, por lo cual la tensión obtenida será un valor de cero (J. Millman, C. Halkias, 2015).
20
[15]
Dónde:
Vcd: Voltaje de diodo (voltios). Vp: Voltaje de entrada (voltios). π: Constante pi.
Los rectificadores de media onda posee un par (2) de diodos los cuales corrigen la direccion de la corriente alterna en un solo sentido como ya fue explicado en la parte anterior de este tema, pero al tener un número par de diodos solo rectificamos la mitad de la corriete alterna, por lo que obtenemos una onda de corriente continia semiconstante.
Figura 11. Circuito rectificador de media onda. (J. Millman, C. Halkias, 2015)
2.6.2. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
Es un dispositivo electrónico compuesto de un puente de diodos, el rectificador de onda completa se encarga de trasformar la corriente alterna en corriente continua, tomando en cuenta que la corriente alterna posee ciclos de tensión negativa (J. Millman, C. Halkias, 2015).
21 cual se encuentra conectado al puente de diodos por su bobinado secundario. A esto se le denomina tensión de entrada la cual es de corriente alterna, al circular por el puente de diodos se obtendrá una corriente continua constante denominada tensión de salida la cual se mantiene constante pero ocurre una peculiaridad con el amperaje ya que este no se mantiene y puede existir perdidas en la trasferencia de energía entre la bobina y el trasformador de corriente, como se observa en la figura 12 (J. Millman, C. Halkias, 2015).
Figura 12. Circuito rectificador de onda completa. (J. Millman, C. Halkias, 2015)
2.6.2.1. Corriente positiva de la tensión alterna
22
2.6.2.2. Corriente negativa de la tensión alterna.
Al circular la corriente alterna por los diodos D3 y D4 se polarizarán en forma directa, cuando una tensión aproximadamente 0,7V circule por ellos, ambos diodos se activarán y conducirán la corriente (J. Millman, C. Halkias, 2015).
Durante este período de trabajo los diodos D1 y D2 se polarizan en inversa por lo cual no se activan y por resultado no transmiten corriente, sobre la resistencia, la corriente que ingresa será de un potencial mayor, que el potencial de salida, la tensión obtenida en la salida del circuito será positiva (J. Millman, C. Halkias, 2015).
2.7. MOTOR ELÉCTRICO
Es un dispositivo eléctrico, el cual transforma la energía eléctrica en energía mecánica por acción de campos magnéticos generados por sus bobinas, son máquinas que usan energía eléctrica para producir un movimiento rotatorio usando un estator y rotor, como se observa en la figura 13 (Bueche, 2011).
Figura 13. Motor eléctrico. (Bueche, 2011)
23 son diseñados con esta cualidad para que funcionen en vehículos eléctricos o híbridos (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas, 2015).
Los motores eléctricos pueden ser impulsados por distintos tipos de corriente tales como corriente continua o corriente alterna, la corriente continua o corriente directa proviene de fuentes de almacenamiento que se encuentran dentro de los distintos aparatos electrónicos. De tal formal la corriente alterna se utiliza para distintos aparatos electrónicos, la fuente que se puede obtener directamente de la red eléctrica o alternadores puede ser básica o trifásica (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas, 2015).
La corriente que circula por la estructura del motor eléctrico, interactúa con el campo magnético y produce un torque (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas, 2015).
[16]
Dónde:
T: Torque (vatio). I: Intensidad (Amperio). A: Área (metro).
B: Campo magnético Θ: Angulo vectorial.
2.7.1. FUNCIONAMIENTO
24 La fuerza es determinada por los factores fundamentales los cuales podrían cambiar como es la carga eléctrica “q” y el campo magnético “B”. La fuerza se encuentra regida bajo la ley de Coulomb que actúa bajo el flujo eléctrico.
( ) [17]
Dónde:
F: Fuerza (N).
q: Carga (coulomb). V: Voltaje (voltios). B: Campo magnético.
Los motores eléctricos poseen un rendimiento del 75% al 80% aumentando a medida que se incrementa la potencia de la máquina, su potencia es la misma pero con una estructura reducida, posee un par de giro constante y elevado (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas, 2015).
2.7.2. TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS
Los motores eléctricos se dividen en dos clases: motores eléctricos de corriente continua y motores eléctricos de corriente alterna, estos a su vez se clasifican en motores síncronos y asíncronos.
2.7.2.1. Motor eléctrico de corriente continúa
Los motores eléctricos de corriente continua son los que usan corriente continua para generar energía mecánica, estos se clasifican según su forma como estén conectados:
Motores en serie.
25 serie, esto permite que independiente del aumento del campo magnético, la carga se mantenga constante, de tal manera se obtendrá un torque y potencia constate, pero cuando el flujo eléctrico aumenta por consecuencia la carga eléctrica también aumentará, por esta relación tendremos que la velocidad disminuirá (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas; Francisco a. Ruz , 2015).
Motores en paralelo
Este motor eléctrico se caracteriza por su conexión en paralelo, el cual se presenta en un bobinado inductor conectado en paralelo con los circuitos y bobinado inducido o inductor auxiliar; los bobinados principales están constituidos por un número elevado de espiras de baja sección, por lo que la resistencia del bobinado principal es muy grande (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas, 2015).
En el instante que el motor empieza a ejecutar su trabajo el par motor será menor, para lograr tener una velocidad constante se debe reducir la intensidad obtenida del régimen de giro, esta tendrá una disminución despreciable (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas, 2015).
2.7.2.2. Motor eléctrico de corriente alterna
Los motores eléctricos de corriente alterna son los que usan corriente alterna para generar energía mecánica, estos se dividen en motores síncronos y motores asíncronos:
Motor síncrono.
26 frecuencia de la corriente alterna, esto produce que la velocidad sea constante y síncrona con los polos del motor y del rotor (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas, 2015).
[18]
Dónde:
n: Velocidad del sincronismo de la máquina (metros/segundos). f: Frecuencia de la corriente alterna (segundos).
P: Número de pares de polos que tiene la máquina. p: Número de polos de la máquina.
Motor asíncrono.
El motor eléctrico de corriente alterna asíncrono se compone de un rotor y un estator que se encuentran desfasados 120°, cuando la corriente se induce en un mismo ángulo de 120° se logra inducir un campo magnético. Durante el tiempo que se induce el campo magnético, es directamente proporcional al aumentó de inducción magnético con su velocidad, utiliza corriente trifásica (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas, 2015).
2.7.3. COMPONENTES DE UN MOTOR ELÉCTRICO
La constitución de un motor eléctrico depende del tipo de motor, por lo general los componentes fundamentales se observan en la figura 14.
1. Tapa de soporte rodamiento lado eje. 2. Rodamiento
27 7. Caja de bornes.
8. Estator.
9. Soporte semi eje escobillas. 10. Ventilador.
11. Tapa ventilador. 12. Carcasa.
Figura 14. Despiece de motor eléctrico. (Jose M. Martines; Francisco J. Cánovas, 2015)
2.8. ACUMULADORES DE CORRIENTE
28
2.8.1. PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LOS ACUMULADORES
Los parámetros de los acumuladores son factores que determinan el rendimiento y capacidad del acumulador.
2.8.1.1. Tensión
Es el primer parámetro a considerar, por lo que la tensión suele determinar si es un acumulador que posee los requerimientos para lo que está destinado, los acumuladores se basan bajo la ley del potencial de reducción.
[19]
Dónde:
V: Voltaje (voltios). W: Trabajo (joules). q: Carga (coulomb). t: Tiempo (segundos).
2.8.1.2. Corriente
Es la tasa neta de carga que circula por un conductor, en el caso de un motor eléctrico síncrono, si la corriente es fuerte se logra obtener un torque más alto gracias a su aumento de intensidad (Forcada, 2013).
[20]
Dónde:
29
2.8.1.3. Capacidad de carga
La capacidad de carga de un elemento o acumulador es el segundo parámetro fundamental de los acumuladores, este va a depender de la intensidad de corriente máxima obtenida para la carga del acumulador esto dependerá del tipo de aculado (Forcada, 2013).
2.8.1.4. Carga eléctrica
La carga eléctrica es una expresión matemática del tiempo de carga y descarga de un acumulador de energía eléctrica (Forcada, 2013).
[21]
Donde:
I: Intensidad (amperios). q: Carga (Coulomb). t: Tiempo (segundos).
2.8.1.5. Energía
La energía se mide por su capacidad de suministrar la tensión necesaria para realizar un trabajo, cuando los requerimientos exceden la capacidad de suministrar la tensión al acumulador generará dentro del mismo una energía térmica, resultado de su resistencia interna (Forcada, 2013).
[22]
Donde:
30
2.8.1.6. Rendimiento
Es la diferencia porcentual entre el tiempo de carga del acumulador y el tiempo de descarga, este porcentaje se encuentra entre el rango de 80% y 90% en las baterías de ion de litio y polímero de litio respectivamente, el rendimiento se puede representar directamente con la potencia que posee el acumulador ya al ser este la capacidad con la que se descarga la energía en un tiempo determinado (Forcada, 2013).
2.8.1.7. Constante de carga y descarga
Es una expresión física creada por el tiempo de descarga de los acumuladores eléctricos, expresada en miliamperios esta constante de carga por lo general se encuentra en las especificaciones (Forcada, 2013).
[23]
Donde:
C: Constate de carga y descarga.
X: Capacidad del acumulador (mili amperios).
2.8.2. ACUMULADORES DE CORRIENTE PARA VEHÍCULOS
ELÉCTRICOS
31
Tabla 3. Baterías eléctricas.
Tipo Energía/ peso
Tensión por elemento (V) Duración (número de recargas) Tiempo de carga Auto-descarga
por mes (%
del total)
Plomo 30-40 Wh/kg 2 V 1000 8-16h 5 %
Ni-Fe 30-55 Wh/kg 1.2 V + de 10 000 4-8h 10 %
Ni-Cd 48-80 Wh/kg 1.25 V 500 10-14h * 30 %
Ni-Mh 60-120 Wh/kg 1.25 V 1000 2h-4h * 20 %
Li-ion 110-160 Wh/kg 3.7 V 4000 2h-4h 25 %
Li-Po 100-130 Wh/kg 3.7 V 5000 1h-1,5h 10 %
(Forcada, 2013)
2.9.2.1. Batería de ion de litio
Las baterías de ion de litio (li-ion),). Los acumuladores de ion de litio son una tecnología no muy explotada con grandes atributos como es la densidad de carga y descarga. Posee una alta densidad de capacidad de carga, posee un efecto de memoria con la cual puede cargarse sin encontrarse en estado de descarga, los efectos de cambio de temperatura no son favorables, no es recomendables las descargas completas de las baterías. Su tiempo de carga va a depender de la densidad del acumulador esta batería no sufre descarga pero al ocurrir se deteriora muy rápidamente, en la actualidad este tipo de baterías son comúnmente usadas en los celulares como se observa en la figura 15 (Forcada, 2013).
32
2.9. SISTEMAS DE CARGA INALÁMBRICA
La carga inalámbrica es la transferencia de energía a un dispositivo captador con el fin de poder generar una corriente eléctrica, para cargar la batería del dispositivo de una manera amigable al ambiente sin malgastar recursos no renovables, esta carga inalámbrica es una tecnología futurista para el concepto de carga en un vehículo eléctrico de manera ecológica al ambiente y no lograr depender del combustible fósil ya que en la actualidad existe escases del mismo (Leandros A. Maglaras; Frangiskos V. Topalis, 2015). La carga inalámbrica es usada en dos formas una es de baja potencia la cual es utilizada para dispositivos eléctricos pequeños de poco voltaje. La carga inalámbrica de alta potencia está destinada a la carga de vehículos eléctricos (Leandros A. Maglaras; Frangiskos V. Topalis, 2015).
La existencia de carga inalámbrica se presenta por diferentes tipos, que logran generar una corriente eléctrica para la recuperación de las baterías en su totalidad (Leandros A. Maglaras; Frangiskos V. Topalis, 2015).
2.9.1. TIPOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA INALÁMBRICA
Existe una variedad de maneras de generar energía eléctrica de manera amigable al ambiente, las cuales son investigaciones no muy explotadas en las por su porcentaje inferior de generación de energía, la carga inalámbrica se presenta como una alternativa de generar una carga constante y de alta densidad, para no depender de la corriente de la red.
2.9.1.1. Transferencia de energía por recarga electromagnética
33 o al medio ambiente, ya que las ondas de flujo magnético se dispersan a una corta distancia del bobinado (Nindl, 2015).
2.9.1.2. Recarga por resonancia magnética
Este método utiliza bobinas que logran interactuar a distancias mayores como 50 cm, la interacción ocurre cuando una bobina se posiciona frente a otra, de esta manera las bobinas generan una resonancia magnética y generar energía eléctrica. En este caso puede no ser necesario un acumulador eléctrico. La transferencia de energía se da cuando las bobinas poseen la misma frecuencia y debe estar alejadas lo suficiente para que exista una generación de líneas de flujo eléctrico (Nindl, 2015).
2.9.1.3. Transferencia de energía por microondas
Las microondas reaccionan con los imanes y bobinas captadoras generando un campo magnético para crear energía eléctrica y restaurar la carga de los acumuladores. Este sistema de carga por microondas tiende a afectar el entorno en el cual ejercen los puntos de carga ya que las líneas de flujo magnético se dispersan al ambiente y pueden alcanzar largas distancias antes de disiparse. El sistema de cargas por microondas trabaja con una frecuencia de 2,54 HGz aproximadamente (Nindl, 2015).
2.9.1.4. Transferencia de energía por calor
34 calorífica es la histéresis, es la perdida de energía calorífica en pequeñas cantidades que trabajando conjuntamente con los multiférricos logran generar una gran cantidad de energía eléctrica (Nindl, 2015).
2.9.1.5. Transferencia de energía por luz.
La energía solar es usada para la generación de energía eléctrica por medio de paneles fotovoltaicos que por medio de la radiación del sol, logran generar energía calorífica, que esta reacciona en el sistema de procesamiento de los paneles y generan energía eléctrica para su consumo. Este sistema va a depender de la cantidad de radiación solar a la cual se expongan los paneles fotovoltaicos (Nindl, 2015).
2.9.1.6. Transferencia de energía por sonido
La generación de energía por medio del sonido se puede interpretar como energía mecánica, ya que el sonido es generado por vibraciones que viajan a través de ondas, las cuales gracias a los materiales pizoeléctricos de óxido de zinc, poseen una mayor sensibilidad y con ayuda de nanogeneradores, todo este sistema capta las vibraciones del sonido y logra generar energía eléctrica. Como ejemplo de este sistema en una sección de material se instaló 100 nanogeneradores y se logró generar 50mv. Este sistema de generación de energía eléctrica inalámbrica puede ser usado en un vehículo en movimiento por las ondas sonoras que el vehículo emite al recorrer por una carretera (Nindl, 2015).
2.9.1.7. Transferencia de energía por inducción
35 este por medio de electromagnetismo o resonancia magnética. La interacción de las bobinas fuente como captadora crearán una corriente alterna de alta intensidad, por lo cual una de las placas tendrá que poseer un corrector de corriente y un almacenador para transformar la corriente a baja intensidad para su uso. El sistema necesitará un grupo de condensadores o almacenadores de corriente. Los puntos de carga de las bobinas tienden a ser mínimo frente al entorno, es decir no existen fugas de energía eléctrica hacia los exteriores. Se necesita un conjunto de condensadores los cuales pueden ser incorporados en cualquiera de las dos placas para poder almacenar la corriente, este sistema puede funcionar en viceversa. Este sistema de carga por inducción es muy seguro frente a la delincuencia ya que puede estar al aire libre, este sistema se encuentra anclado al suelo (Nindl, 2015).
2.9.1.7.1. Técnica de campo cercano
El sistema de transmisión de energía inalámbrica por inducción. Se presenta en la interacción de una bobina captadora y una bobina fuente las cuales se encuentran una frente a la otra; de esta manera se logra generar un campo magnético gracia a la inducción de la bobina fuente, para generar energía eléctrica. La creación del campo magnético dependerá de la ubicación de las bobinas y la distancia a la que se encuentren separadas. Si la separación excede el rango apropiado para la generación del campo magnético, este no tendrá el flujo electro-magnético necesario, para la generación del mismo, como se observa en la figura 16 (Miller, 2014).
36 Se demuestra la inducción eléctrica hacia la bobina fuente desde los pulsos del oscilador hacia la bobina captadora, la cual se encuentra en un rango de distancia apropiado para generar el campo magnético, la corriente eléctrica obtenida es de tensión alterna, debe circular por un rectificador para finalmente ser usada (Miller, 2014).
2.9.1.7.2. Principios básicos de la trasmisión de energía por inducción
magnética
La figura 17. Se compone de una bobina fuente “L1” y una bobina captadora “L2”. Ambos anillos forman un sistema de bobinas acopladas magnéticamente.
Figura 17. Inducción magnética entre anillos. (André Hurs, Marin Soljacic, 2015)
Una fuente de alimentación eléctrica conectada a la bobina fuente, genera un campo magnético que induce un voltaje a la bobina captadora. Este voltaje se puede utilizar para alimentar un dispositivo externo conectado a la bobina captadora (André Hurs, Marin Soljacic, 2015).
37
2.9.1.7.3. Eficiencia de la transferencia
La figura 18. Establece la eficiencia disminuye de forma dramática con una mayor separación de las bobinas (z/D >1) o con una mayor diferencia de diámetro entre bobinas (D2/D < 0.3) (André Hurs, Marin Soljacic, 2015). La mayor eficiencia (>90%) se consigue cuando las bobinas están más cerca (z/D < 0.1) y cuando sus anillos son de diámetros similares (D2/D = 0.5 ‐ 1)
Esto demuestra que la transmisión de energía inductiva a una gran distancia es muy ineficiente. Hoy en día, todavía no podemos malgastar energía para electrificar dispositivos en general a través del aire mediante el uso de dicho sistema (André Hurs, Marin Soljacic, 2015).
Figura 18. Eficiencia del sistema de carga. (André Hurs, Marin Soljacic, 2015)
Se puede observar la eficiencia del sistema en función de la dependencia entre la distancia entre bobinas (z) y su diámetro de circunferencia (D).
38 una función de la distancia axial entre las bobinas (z /D). El parámetro es el diámetro de la bobina D2 más pequeños (André Hurs, Marin Soljacic, 2015).
2.9.1.7.4. Impacto ambiental
El sistema de carga inalámbrica por inducción posee un aspecto positivo frente a la generación de energía no contaminante al ambiente, un parámetro determínate es que la energía generada por el campo electromagnético se mantiene durante la interacción de flujo magnético entre las bobinas al no existir fuga de radiación electromagnética al ambiente ningún ser vivo se encuentra en peligro de ser afectado, las pocas ondas que no logran ser absorbidas por completo a cierta distancia son disipadas por el ambiente. La inducción magnética no genera desechos contaminantes (Canga, 2009).
El impacto más notorio de contaminación sobre la carga inalámbrica por inducción serían las bobinas, cuando culmine su tiempo de vida útil el metal ferromagnético tendría que pasar por un proceso de fundición para ser reutilizado (Canga, 2009).
2.9.1.7.5. Es peligroso para el ser humano?
Para que la inducción magnética se produzca, el anillo receptor debe ubicarse a la misma posición que el emisor. Por este motivo, parece evidente que los objetos circundantes que no están a la distancia apropiada para la generación del campo magnético no se verán afectados (André Hurs, Marin Soljacic, 2015).
39
3. METODOLOGÍA
Se realizó la investigación bibliográfica para determinar el principio de intercambio inalámbrico de energía eléctrica usando el método de inducción el cual se basa en la ley de Faraday para la fuerza electromotriz (FEM) inducida de trasformadores. El sistema de intercambio de energía utilizado es factible siempre y cuando el flujo magnético tenga una permitividad de las líneas de flujo magnético y fuerzas de campo magnético de una bobina hacia otra. Se aplicó la ley de Faraday para la FEM inducida, para el caso específico del intercambio de energía inalámbrico, se encuentra ubicada la bobina fuente en la pista y la bobina captadora en el prototipo VECW que se encuentran separadas por una distancia determinada en la cual se encuentra aire.
El diseño de la pista se realizó según los requerimientos de las medidas estructurales y de ubicación de las bobinas para lograr tener una carga de la batería del vehículo eléctrico para que este pueda poseer una autonomía. El diseño del vehículo eléctrico fue determinado por la ubicación de la bobina captadora para que esta posea un área de contacto mayor y así la inducción eléctrica logre trasmitir por más tiempo y más fuerte la energía eléctrica en el vehículo también se compone del circuito rectificador el cual se encarga de transformar la corriente alterna en continua y de la batería de ion de litio la cual se emplea para almacenar la energía generada por las bobinas.
40 corriente alterna a corriente continua y una batería de ion de litio la cual se encuentra conectada directamente al circuito rectificador y al motor eléctrico. La implementación del prototipo de carga inalámbrica se presentó después de los diseños estructurales y eléctricos para proceder a realizar los cortes de los paneles para la construcción de la pista en la cual se encuentra ubicadas las bobinas fuentes, el segundo panel posee un dimensionamiento menor que el primer panel ya que posee los cortes de la pista circular, los cuales conforman los rieles de la pista, las conexiones eléctricas se realizan por debajo del prototipo de carga inalámbrico.
La implementación del vehículo eléctrico (VECW), se realizó con la fabricación de un chasis improvisado en aluminio, posee los componentes antes ya especificados en el diseño de tal forma que el vehículo eléctrico se acople perfectamente en los rieles de la pista con un ligero juego entre las ruedas y la pista.
41
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En la figura 19, se observa el esquema del sistema de carga inalámbrico por inducción del prototipo, el cual será utilizado como base fundamental para poder establecer los puntos principales para la creación del prototipo.
Figura 19. Esquema del prototipo (V.E.C.W.).
4.1. CÁLCULOS DE TRANSFERENCIA INDUCTIVA.
El sistema de carga se encuentra regido por la ley del Faraday del trasformador y por el tipo de corriente que usara la bobina captadora la cual es corriente alterna ya que esta posee la facilidad de trasformación.
Formula de área de la bobina. Datos:
V1: 110 v corriente alterna. Alimentado r de Corriente. Bobin a fuente . Bobin a capta dora.
Rectificador. Acumulado r. Motor eléctrico. 5 volts; 1,5 amp. 3 volts; 1,5 amp. 9 volts; 1,3 amp. 9 volts; 1,3 amp. 12 volts; 1,3 amp. 110 volts;
60 amp.
42 V2: 9 V corriente alterna.
f: 60 Hz. r: 2cm. Desarrollo:
( )
Calculada el área de la bobina fuente se procede a observar la tabla 1 de potencia vs vueltas/voltio que se encuentra en el subtema 2.3.5.2. Que es del cálculo del trasformador en función de voltajes del marco teórico y determinar la potencia del bobinado de la fuente y su número de vueltas por voltio el cual da como resultado el dato del área de la bobina que es 12,57 cm2, tenemos una potencia de 163 watts y el número de vueltas por voltio es de 3,3 espiras.
Nv = 3,3 vueltas/V. P = 163 w.
Con la potencia ya determinada por la tabla y el voltaje que se obtiene como dato se calcula la intensidad de corriente que generara a la bobina fuente.
Con el dato de número de vueltas por voltio que observamos en la tabla 1 podemos determinar el número de espiras que tendrá la bobina fuente, la cual estará inducida con 110v.
43
( )
Usando la ley de Faraday de los trasformadores podemos determinar el número de espiras que tendrá la bobina captadora.
( )
Para determinar el campo magnético recorremos a la fórmula 4 de la sección 2.3 del campo magnético creado por la inducción electromagnética que genera la bobina fuente.
De tal manera se determina el campo magnético de la bobina captadora.
44 Para determinar el flujo magnético del campo magnético el cual será distinto para ambas bobinas por lo que estas poseen un número distinto de espiras, pero al poseer un mayor número de espiras y por lo tanto un mayor flujo magnético predomina la bobina fuente, para determinar este valor se usa la ecuación 6 de la sección 2.3.3 del marco teórico.
Wb
Calculo de altura necesaria para determinar la máxima transferencia de energía eléctrica entre la bobina fuente y captadora como se expresa en la sección 2.10.1.7.2 de transferencia de energía por inducción, para determinar la altura o distancia entre bobinas se utilizó sus respectivos diámetros.
Datos: DC: 2 cm.
DF: 4 cm.
Desarrollo:
Usando la ecuación 10 de la sección 2.3.4.3 se determina la variación del campo eléctrico generado por un campo magnético el cual determina la cantidad de energía eléctrica genera por medio de la inducción de la bobina captadora.
45
Se realiza una operación aritmética sencilla para logra determinar la potencia de la bobina captadora.
( )
Una vez determinada la potencia de la bobina captadora podemos determinar la intensidad de corriente.
Siguiendo el procediendo del diseño y cálculo de las bobinas una vez determinado el amperaje procedemos a ver la tabla 2 de amperajes versus diámetros de cobre, que se encuentra en el subtema 2.3.5.2. Que es del cálculo del trasformador en función de voltajes del marco teórico, con el cual determinado el diámetro del alambre de cobre esmaltado, así que con un amperaje de 1,6 amperios aproximadamente tendremos que utilizar un diámetro de alambre de 0.8 milímetros.
Referente al amperaje de la bobina captadora podemos verificar en la tabla AWG el diámetro del alambre (cobre esmaltado) de la bobina captadora como fuentes.
46 corriente eléctrica y genera un campo magnético con mayor velocidad al momento de la inducción, como se determina en la tabla 4.
Tabla 4. Materiales ferromagneticos.
Metales Conducción de
electricidad Porcentaje de rendimiento Número laminas Costo ($) Dirección de
líneas de flujo(%)
Oro Si 100% 100 150 95%
Plata Si 90% 100 80 80%
Hierro Si 90% 100 40 85%
Acero Dulce Si 85% 100 50 95%
Acero Si 65% 100 35 75%
Cobre Si 90% 100 25 60%
El material idóneo para usar en las bobinas fuentes como capadora es el acero dulce por sus característica de ser un material ferromagnético y poder una facilidad de direccionar las líneas de flujo magnético, con un gran rendimiento.
El cálculo de distribución de voltaje hacia el dispositivo rectificador de tensión, el cual necesita un voltaje mínimo para su ejecución de cambio de corriente necesaria para que los diodos rectificadores logren realizar su trabajo.
Datos:
Vp: 9 v corriente alterna.
Constante: 0,7 v.
47 En el cálculo del puente rectificador podemos observar que el punto rectificador necesita 2 voltios mínimo para su funcionamiento.
El voltaje necesario para que el motor trabaje en su rendimiento máximo requiere cierta cantidad de tensión y de corriente. Los distintos cálculos establecen que tipo de motor eléctrico vamos a necesitar.
Datos: V: 3V. I: 1,5A. t: 1h. Desarrollo:
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Para obtener el rendimiento del motor eléctrico multiplicamos la potencia por el rendimiento del motor eléctrico el cual es de 80%.
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Para determina el consumo del motor eléctrico solo multiplicamos la potencia real en kilowatts por el tiempo de uso del dispositivo eléctrico en este caso será de 1 hora.
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48
Para determinar la pérdida del motor eléctrico se resta la potencia teórica de la potencia de rendimiento real y obtenemos a las pérdidas del motor eléctrico.
La capacidad de carga de un acumulador se encuentra determinada por los materiales que la conforman, este valor es otorgado por los fabricantes.
Datos:
X: Capacidad de almacenamiento Desarrollo:
Batería de ion de litio. Datos:
V: 3,7V. I: 1,5A. t: 1h. Desarrollo:
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49 Similar al cálculo del consumo del motor eléctrico podemos determinar el consumo de la batería, que es la cantidad de energía eléctrica perdida en el trascurso de una hora.
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4.2. DISEÑO DEL PROTOTIPO (PISTA)
El diseño del prototipo posee dos partes importantes, en este capítulo principal de análisis de resultados se observara todo lo referente al cálculo y diseño de la pista, en la cual se encuentran ubicadas las bobinas fuentes, estas se encuentran conectadas al sistema eléctrico de la red, el cual trabaja con 110 voltios y una frecuencia de 60 Hz.
4.2.1. CÁLCULOS DE LA ESTRUCTURA DEL PROTOTIPO (PISTA)
Los cálculos son asignados a la pista realizando una escala apropiada para el intercambio de energía eléctrica entre las bobinas.
Donde:
Medidas del tablero: 90,00cm x 70,00cm Pista: Circular.
Diámetro externo: 30,00cm
Diámetro medio de la pista: 24,75cm Dímetro interno: 19,50cm
Desarrollo:
