Diseño e implementación de un prototipo de un sistema de tracción y carga para vehículos eléctricos usando la rotación de las ruedas

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE UN

SISTEMA DE TRACCIÓN Y CARGA PARA VEHÍCULOS

ELÉCTRICOS USANDO LA ROTACIÓN DE LAS RUEDAS.

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA AUTOMOTRIZ

JENNY GABRIELA TONATO PULLUPAXI

DIRECTOR: ING. IVÁN ERNESTO YANÉZ ZURITA, MSC

DECLARACIÓN

Yo JENNY GABRIELA TONATO PULLUPAXI, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

__________________________________________

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e implementación de un prototipo de un sistema de tracción y carga para vehículos eléctricos usando la rotación de las ruedas”, que, para aspirar

al título de Ingeniera Automotriz fue desarrollado por Jenny Gabriela Tonato Pullupaxi, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.

__________________________________________

Iván Ernesto Yánez Zurita, MSc.

DIRECTOR DEL TRABAJO

DEDICATORIA

El presente proyecto de tesis lo dedicó a Papá Dios y a la Virgen Santísima del Cisne, madre y hermano, pilares fundamentales en mi vida.

Al creador de todas las cosas, el que me ha dado fortaleza para continuar cuando he estado a punto de caer; quien ha forjado mi camino y me ha dirigido por el sendero correcto, el que en todo momento está conmigo ayudándome a aprender de mis errores y a no cometerlos otra vez, enseñándome a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer en el intento.

A mi madre María Celia; por haberme forjado como la persona que soy en la actualidad; muchos de mis logros se los debo a ella; me formó con reglas y con algunas libertades, pero al final de cuentas, me motivaron constantemente para alcanzar mis anhelos; sus esfuerzos son impresionantes y su amor es para mí invaluable junto con mi hermano me han educado, me has proporcionado todo y cada cosa que he necesitado; sus enseñanzas las aplico cada día; de verdad que tengo mucho por agradecer; tus ayudas fueron fundamentales para la culminación de mi tesis. Mamá gracias por darme una profesión para mi futuro, todo esto te lo debo a ti.

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Papá Dios y a la Virgen Santísima del Cisne quienes me dieron fuerza y fe para creer lo que me parecía imposible terminar; y hoy es un sueño hecho realidad aprendí a confiar en mí, y he logrado concluir mi carrera profesional.

Agradezco a mi madre bella María Celia, pilar principal para culminar con éxito este proyecto, que estuvo siempre apoyándome tanto moralmente y económicamente para seguir estudiando y lograr el objetivo trazado para un futuro mejor; su ayuda incondicional es lo que hoy logré cumplir una de mis metas y ser orgullo para ella y toda la familia.

Tía querida María Elena le agradezco por apoyarme incondicionalmente en todo, cuando yo más necesite, al estar conmigo dándome ánimos por ser como una segunda madre para mí, sus consejos sabios he aplicado en mi vida diaria el ser una mujer emprendedora. Gracias tía por quererme tanto, le adoro nunca cambie, gracias por ser como una madre, este logro tiene parte de ti querida tía.

A una persona que desde pequeña me ha dado mucho amor, ha sabido llenarme de consejos siempre, y es una persona que a pesar de sus defectos lo amo y lo respeto; te agradezco querido hermano John Tonato que me has enseñado a luchar por lo que se quiere y se puede conseguir, como hoy te lo he demostrado con la culminación de dicho proyecto.

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 172085390-0

APELLIDO Y NOMBRES: Tonato Pullupaxi Jenny Gabriela

DIRECCIÓN: San Bartolo

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 023080920

TELÉFONO MOVIL: 0987310522

DATOS DE LA OBRA

TITULO: “Diseño e implementación de un

prototipo de un sistema de tracción y carga para vehículos eléctricos usando la rotación de las ruedas”

AUTOR O AUTORES: Tonato Pullupaxi Jenny Gabriela

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN: 29 de Agosto del 2016

DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

Ing. Iván Yánez MSc.

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz

RESUMEN: Mínimo 250 palabras

Este proyecto se basa en el diseño e implementación de un prototipo de un sistema de tracción y carga para vehículos eléctricos usando la rotación de las ruedas, para el sistema de carga se utilizó el método de acoplamiento inductivo resonante, consta de dos partes principales: la bobina fuente ubicada en la pista y la bobina captadora ubicada en el vehículo eléctrico. En la bobina fuente se ha usado cuatro bobinas bifilares de tesla, que auto oscila con un transistor cada una, produciendo la transmisión de energía inalámbrica, y en la bobina captadora ubicada en el vehículo específicamente en la rueda posterior derecha de menor tamaño ajustándose al modelo de la llanta que tiene el (VECW).

Se ha usado un puente de diodos y un rectificador universal para

transformar el voltaje de AC a DC, ajustándose el voltaje de la batería a recargar, la batería utilizada es de ión-litio.

Se ha diseñado un control electrónico, se basa en un micro controlador ATtiny 2313 y un micro-switch el cual permite encender y apagar, las bobinas fuentes, cuando el vehículo pase cerca de dichas bobinas, es para la optimización de energía.

Para que el vehículo eléctrico (VECW) ruede en forma circular se ha diseñado una pista en acrílico la cual tiene una guía del recorrido; cuenta con un motor para cada rueda posterior, variando la velocidad para lo cual se ha implementado un circuito con un micro controlador ATtiny 45 se ha programado, con una PWM (Modulación de ancho de pulso). PALABRAS CLAVES: _{Acoplamiento, inductivo, resonante,}

frecuencia, bobina emisora; bobina captadora

ABSTRACT: _{This project is based on the design} and implementation of a prototype drive system and electric vehicle charging using the rotation of the wheels, for charging system the method of resonant inductive coupling is used, consists of two main parts: source coil located on the track and the pickup coil located on the electric vehicle.

In the coil spring has been used four-wire coils tesla, that self oscillates with a transistor each, producing the wireless power transmission, and the pickup coil located in the vehicle specifically on the right rear wheel smaller depending on the model the rim having the (VECW).

voltage of the battery to recharge, the battery used is lithium-ion battery.

Has designed an electronic control, is based on a micro controller ATtiny 2313 and a micro-switch which can turn on and off, the coils sources, when the vehicle passes near the coils, is for energy optimization. For the electric vehicle (VECW) roll in a circular track is designed acrylic which has a travel guide; It has a motor for each rear wheel, varying the speed for which it has implemented a circuit with a microcontroller ATtiny 45 is

programmed with a PWM

(modulation pulse width)

KEYWORDS _{Coupler, inductive, resonant,}

frequency, emitter coil, pickup coil. Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.

____________________________________ TONATO PULLUPAXI JENNY GABRIELA

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, TONATO PULLUPAXI JENNY GABRIELA, CI 172085390-0 autora del proyecto titulado: Diseño e implementación de un prototipo de un sistema de tracción y carga para vehículos eléctricos usando la rotación de las ruedas, previo a la obtención del título de GRADO ACADÉMICO COMO APRECE EN EL CERTIFICADO DE EGRESAMIENTO en la Universidad Tecnológica Equinoccial.

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de

Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de

Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del

referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de

información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública

respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una

copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio

que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual

vigentes.

Quito, 31 de Agosto del 2016

__________________________________________

TONATO PULLUPAXI JENNY GABRIELA

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN ... x

ABSTRACT ... xii

1. INTRODUCCIÓN ... 1

2. MARCO TEÓRICO ... 3

2.1. SITUACIÓN ACTUAL DE TECNOLOGÍA DE CARGA PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS ... 3

2.2. SISTEMA DE UNIDADES ... 4

2.2.1. LONGITUD ... 5

2.2.2. ÁREA ... 6

2.3. CINEMÁTICA ... 6

2.3.1. MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME ... 7

2.3.2. MOVIMIENTO RECTÍLINEO UNIFORMENTE ACELERADO (M.R.U.A) ... 8

2.4. DINÁMICA ... 8

2.4.1. FUERZAS EN SISTEMAS DINÁMICOS ... 8

2.4.1.1. Peso ... 9

2.4.1.2. Fuerza Normal ... 9

2.4.1.3. Fuerza de Rozamiento ... 10

2.4.1.4. Coeficiente de fricción ... 11

2.4.2. TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA ... 13

2.4.3. TRABAJO ... 13

2.4.4. POTENCIA ... 13

2.4.5. ENERGÍA ... 14

ii

2.4.7. POTENCIA ELÉCTRICA DC ... 15

2.5. TEORÍA ELECTROMÁGNETICA ... 16

2.5.1. CAMPOS MAGNÉTICOS ... 16

2.5.2. LÍNEAS DE CAMPO ... 18

2.6. LEY DE FARADAY - LENZ (inducción electromagnética)... 19

2.6.1.1. Cálculo ... 20

2.6.1.2. Bobina Bifilar de Tesla ... 21

2.6.1.3. Permeabilidad del vacío ... 23

2.6.1.4. Campo Magnético ... 23

2.6.1.5. Flujo Magnético ... 24

2.7. MICROCONTROLADOR ... ¡Error! Marcador no definido. 2.7.1. MICROCONTROLADOR ATtiny 2313 ... 27

(Chau 2006) ... 28

2.7.1.1. Esquema del micro controlador ATtiny 2313 ... 29

2.7.1.2. Descripción de los pines del micro controlador ... 29

2.8. TRANSISTORES ... 30

2.8.1. FUNCIONAMIENTO ... 31

2.8.2. TRANSISTOR 3055 (NPN) ... 32

(Godse 2009) ... 33

2.8.2.1. Diagrama esquemático interno del transistor NPN 3055 ... 33

2.9. RECTIFICADORES DE CORRIENTE ... 34

2.10. ACUMULADORES DE CORRIENTE ... 34

2.10.1. Tipos de baterías recargables ... 35

2.10.1.1. Baterías de Ión- Litio ... 36

2.11. MOTORES ELÉCTRICOS ... 37

2.11.1. El funcionamiento ... 37

2.11.2. Partes del motor eléctrico ... 37

iii

2.11.3.1. Motores de corriente continua ... 38

2.11.3.2. Circuitos de corriente continua ... 39

2.11.3.3. Motores de corriente alterna ... ¡Error! Marcador no definido. 2.12. SISTEMAS DE CARGA INALÁMBRICA ... 40

2.12.1. TIPOS DE TRANSFERENCIA DE CARGA INALÁMBRICA ... 40

2.12.1.1. Acoplamiento inductivo resonante ... 41

2.12.1.2. Transferencia inalámbrica de energía ... 41

2.12.1.3. Transferencia de energía por inducción ... 42

2.12.1.4. Inducción de campo cercano ... 43

2.12.1.5. Transferencia de energía por recarga electromagnética ... 44

2.12.1.6. Transferencia de energía por microondas ... 44

2.12.1.7. Transferencia de energía por calor ... 45

2.12.1.8. Transferencia de energía por luz ... 46

2.12.1.9. Transferencia de energía por sonido ... 46

3. METODOLOGÍA ... 47

4. ANALISIS DE RESULTADOS ... 49

4.1. CÁLCULOS DE TRANSFERENCIA INDUCTIVA ... 49

4.2. CÁLCULO DE LA PISTA ... 52

4.2.1.1. Potencia de la pista ... 52

4.2.2. CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA de la PISTA ... 53

4.2.3. DIAGRAMA DE LA ESTRUCTURA DE LA PISTA ... 55

4.3. DISEÑO DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO (V.E.C.W) ... 56

4.3.1. CÁLCULOS DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO (V.E.C.W)... 56

4.3.2. PLANO DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO POR CARGA WIRELESS (V.E.C.W) ... 57

iv

4.4. DISEÑO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DE LA PISTA ... 62

4.4.1. DISEÑO DEL CIRCUITO AUTOMÁTICO DE LAS BOBINAS (FUENTE)... 63

4.4.1.1. Diseño del circuito eléctrico de las bobinas fuente (PISTA) ... 65

4.5. DISEÑO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DEL VEHÍCULO ... 67

4.5.1. DIAGRAMA DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DEL VEHÍCULO ... 67

4.5.2. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE LOS MOTORES DEL (VECW) ... 68

4.6. CONSTRUCCIÓN DE LA PISTA ... 70

4.7. CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO DE LA PISTA ... 71

4.8. CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO DEL VEHÍCULO... 72

4.9. PRUEBAS DEL PROTOTIPO DE SISTEMA DE CARGA INALÁMBRICA (WIRELESS) POR INDUCCIÓN ... 73

4.9.1. PRUEBA DE CARGA INALÁMBRICA ESTÁTICA ... 73

4.9.2. PRUEBA DE CARGA INALÁMBRICA DINÁMICA ... 75

4.10. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 78

4.10.1. EL NÚMERO MÁXIMO DE BOBINAS QUE SE PUEDE IMPLEMETAR EN LA PISTA ... 78

4.10.2. TIEMPO DE DESCRGA DE LA BATERÍA DE IÓN LITIO DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO SIN CARGA INALÁMBRICA ... 79

4.10.3. CANTIDAD DE ENERGÍA SUFICENTE PARA PRODUCIR UN MOVIMIENTO PERMANENTE EL VEHÍCULO ELÉCTRICO. ... 79

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 81

5.1. CONCLUSIONES ... 81

5.2. RECOMENDACIONES ... 82

v

BIBLIOGRAFIA ... 84

vi

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Vehículos eléctricos con sus principales características. ... 4

Tabla 2. Coeficiente de fricción de distintos materiales ... 12

Tabla 3. Magnitudes y unidades en el Sistema Internacional ... 15

Tabla 4. Características del micro controlador ATtiny 2313 ... 28

Tabla 5. Pines del puerto A con funciones alternativas ... 30

Tabla 6. Pines del puerto B con funciones alternativas ... 30

Tabla 7. Características del transistor TIP3055 ... 33

Tabla 8. Especificaciones del transistor NPN TIP3055 ... 33

Tabla 9.Tipos de baterías recargables ... 36

Tabla 10. Distancia entre bobinas ... 75

Tabla 11. Valores de la prueba dinámica ... 76

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Longitud de la circunferencia ... 5

Figura 2. Movimiento rectilíneo uniforme ... 7

Figura 3.Representación del peso ... 9

Figura 4.Representación de la fuerza normal ... 10

Figura 5. Representación de la fuerza de fricción ... 11

Figura 6. Teoría electromagnética. ... 16

Figura 7. Campo magnético de un imán ... 17

Figura 8. Líneas de campo eléctrico ... 18

Figura 9. Circuito cerrado que produce corriente inducida ... 19

Figura 10. Voltaje proporcional al número de vueltas ... 21

Figura 11. Dimensiones físicas de una bobina... 22

Figura 12. Gráfica de la permeabilidad del vacío ... 23

Figura 13. Líneas de campo de una bobina ... 24

Figura 14. Bloques funcionales básicos del micro controlador ... 26

Figura 15. Esquema del micro controlador ... 27

Figura 16. Micro controlador ATtiny 2313 ... 28

Figura 17. Micro controlador Pinout ATtiny 2313 ... 29

Figura 18. Símbolo del transistor NPN ... 31

Figura 19. Simbología del transistor PNP ... 31

Figura 20. Funcionamiento de un transistor ... 32

Figura 21. Transistor TIP3055... 32

Figura 22. Diagrama esquemático interno ... 33

Figura 23. Ondas de Rectificadores ... 34

Figura 24.Partes del Motor Eléctrico ... 38

Figura 25. Sistema de carga por inducción ... 43

Figura 26. Sistema de carga inalámbrica. ... 44

Figura 27. Transferencia de calor de diferentes tratamientos ... 45

Figura 28.Diagrama de cuerpo libre ... 49

viii

Figura 30. Plano de la pista ... 55

Figura 31. Diagrama del vehículo eléctrico ... 58

Figura 32. Dimensiones de la bobina captadora ... 59

Figura 33. Bobina bifilar de tesla con sus respectivas medidas ... 60

Figura 34. Micro controlador activación de bobinas ... 63

Figura 35. Bobina Fuente 1 ... 65

Figura 36. Bobina emisora 2 ... 66

Figura 37. Bobina emisora 3 ... 66

Figura 38. Bobina emisora 4 ... 67

Figura 39. Circuito del vehículo eléctrico ... 68

Figura 40. Control del motor ... 68

Figura 41. Plancha dile acrílico ... 70

Figura 42. Perforaciones de las bobinas ... 70

Figura 43. Pista del prototipo ... 71

Figura 44. Construcción de las bobinas bifilares ... 71

Figura 45.Control de encendido para la activación de las bobinas ... 72

Figura 46. Circuito eléctrico del vehículo eléctrico ... 72

Figura 47. Vehículo eléctrico del prototipo ... 73

Figura 48. Transferencia de corriente alterna a diferentes distancias ... 74

Figura 49. Prueba de carga estática ... 75

Figura 50. Gráfico de voltaje vs tiempo ... 77

Figura 51. Gráfico de corriente vs tiempo con carga inalámbrica ... 78

ix

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA ANEXO 1.

IMANES ... 92

ANEXO 2. LEYES DE MAXWELL ... 95

ANEXO 3. LEY DE GAUSS PARA EL CAMPO ELÉCTRICO ... 97

ANEXO 4. LEY DE GAUSS PARA EL CAMPO MAGNÉTICO ... 99

ANEXO 5. LEY DE AMPÉRE GENERALIZADA ... 100

ANEXO 6.

CONFIGURACIONES DE PINES DEL PUERTO B ... 102

ANEXO 7.

x

RESUMEN

xii

ABSTRACT

This project was based on the design and implementation of a prototype drive system and electric vehicle charging using the rotation of the wheels, for charging system the method of resonant inductive coupling is used, consists of two main parts: source coil located on the track and the pickup coil located on the electric vehicle. In the coil Source Four-wire coils tesla was used, that self oscillates with a transistor each, producing the wireless power transmission, and the pickup coil located in the vehicle specifically on the right rear wheel smaller depending on the model of the rim having the (VECW). a diode bridge rectifier and a universal used to transform the voltage from AC to DC, adjusting the voltage of the battery to recharge, the battery used is lithium-ion battery. An electronic control is designed; it is based on a micro controller ATtiny 2313 and a micro-switch which can turn on and off the coils sources, when the vehicle passes near the coils to optimize energy. For the electric vehicle (VECW) roll in a circular track is designed acrylic which has a travel guide; It has a motor for each rear wheel, varying the speed for which it has implemented a circuit with a microcontroller ATtiny 45 was programmed with a PWM (modulation pulse width) that is controlled by a driver current to drive the engines; and modify the voltage being the rear left wheel, the lower speed; so above the car it has only one direction of rotation. It was concluded that (V.E.C.W) has a greater transfer of energy when the pickup coil is as close as possible to the source coil; in this project was carried out with the distance of 0.1cm 100% energy transfer efficiency was obtained. In static conditions the transfer of energy is 13.5 watts. In dynamic conditions of energy transfer moving at constant speed is 0,174m / s at which the transfer is decays to 0.5 watts.

1

1. INTRODUCCIÓN

En los vehículos eléctricos el problema que existe es que se utiliza la conexión plu - ing para cargar, el vehículo eléctrico debe estar conectado mientras se carga.

Además los vehículos eléctricos tienen limitado su autonomía debido a la baja densidad de carga de las baterías por lo que se requiere recargarlas continuamente.

Las nuevas tecnologías de propulsión tratan de resolver estos problemas, en el presente proyecto se utiliza el sistema de propulsión y carga eléctrica totalmente amigable con el medio ambiente,

En el presente proyecto se trata de resolver los problemas a través de un sistema de carga inalámbrica; en donde la rueda posterior genera electricidad usando los principios electromagnéticos para cargar baterías; y en las ruedas delanteras desempeñan el sistema de tracción.

La necesidad de implementar un sistema de carga eléctrica y propulsión en los vehículos eléctricos utilizando principios electromagnéticos, como la inducción permiten transmitir energía al vehículo y minimizar el uso de baterías de esta manera se logra aumentar la autonomía de los vehículos eléctrico (VE).

2 inducirá una corriente en una segunda bobina, tal como lo explica la ley de Faraday, esto es esencialmente como funciona un transformador se denominada como bobinado fuente o primario.

Un factor fundamental en la transmisión inalámbrica de energía es la eficiencia, y para que el sistema sea eficaz, debe tener una gran proporción de energía transmitida por el generador que debe llegar a la bobina captadora; para proporcionar una transferencia inalámbrica de energía de campo cercano, que se utiliza en el presente proyecto el método de acoplamiento inductivo resonante ya que ofrece una eficiencia mayor y es efectiva en distancias relativamente más grandes, ya que el uso de bobinas resonantes reduce notablemente la pérdida de energía, permitiendo que esta se transfiera entre las bobinas.

El presente proyecto tiene por objetivo general, diseñar e implementar un prototipo de un sistema de tracción y carga para vehículos eléctricos usando la rotación de las ruedas.

Para cumplir con el objetivo general se ha previsto los siguientes objetivos específicos: analizar la situación actual en lo que se refiere a tecnología de carga eléctrica inalámbrica, almacenamiento y parámetros de funcionamiento. Diseñar y seleccionar los componentes para la construcción del prototipo del sistema de tracción y carga para vehículos eléctricos usando la energía cinética (rotación) de las ruedas.

3

2.

MARCO TEÓRICO

2.1. SITUACIÓN ACTUAL DE TECNOLOGÍA DE CARGA

PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS

La situación actual del automóvil plantea la necesidad de implantar nuevas tecnologías que reduzcan la dependencia del petróleo y sobre todo, minimice en las emisiones contaminantes. Existe una creciente concientización del usuario final para intentar que el impacto de su actividad sea la menos posible por esta razón la industria automotriz trabajan en la alternativa del vehículo eléctrico para afrontar el reto de la investigación, desarrollo e innovación es este tipo de vehículos (Daniels 2009).

Las previsiones del ministerio de Industria son que en el año 2020 se fabricarán a nivel nacional unos 250.000 vehículos que incorporen estas nuevas tecnologías, que implicarán cambios en los vehículos y también en ciertas infraestructuras. Ya que se tiene que resolver los puntos de recarga, mejorar el almacenaje de energía a pesar de todas estas cuestiones la demanda es inminente. Actualmente la recuperación de la industria del automóvil, se está lanzando al mercado los modelos eléctricos de nueva generación que cubren con todos los segmentos (Daniels 2009).

El vehículo eléctrico es hoy día una tecnología capaz de satisfacer las necesidades de movilidad de buena parte de la población, si bien es cierto que aunque se trata de la única tecnología cero emisiones en propulsión, convivirá durante varias décadas con otras tecnologías alternativas como el gas licuado del petróleo o el gas natural comprimido.

4 El vehículo eléctrico es la tendencia de la nueva era del siglo XXI en las siguientes tabla 1. Se observa un análisis comparativo de diferentes modelos de coches eléctricos, con sus principales características, para que los usuarios escojan el vehículo a su comodidad y lo más importante obtener un vehículo eléctrico para minimizar la contaminación ambiental en el país (Sanz 2012).

Tabla 1. Vehículos eléctricos con sus principales características.

(Sanz 2012)

2.2. SISTEMA DE UNIDADES

El sistema de unidades son conjuntos de unidades convenientemente relacionado entre sí se utiliza para medir diversas magnitudes (longitud, peso, área, etc. Universalmente se conoce tres sistemas de unidades:

Modelo Precio Consumo Autonomía Motor /batería Potencia Emisiones

Chevrolet Volt € 41.950,00 1.2 L /100

km

40-80 en eléctrico y otros 500 km en autonomía extendida

1.4 ECOTEC/ Ión Litio 16 KW/h 150 CV/ 11KW 27g. CO2 /km 22.500,00

€ 5,0 L /100

km

n.d 1.5 i-VTEC 124 CV/ 72KW 117g.CO2/km

22.200,00

€ 4,5 L /100

km

n.d 1.3 i-VTEC 98CV/ 72KW 104g CO2/km

18.100,00

€ 4,3 L /100

km

n.d 1.3 i-VTEC 98CV/ 72KW 100g CO2/km

Honda CR-Z

Honda Insight

5

 MKS o sistema Internacional

 Sistema CGS

 Sistema Técnico

En el presente proyecto se utilizará el sistema internacional y unidades específicas como la longitud y el área de una figura geométrica es el circulo, en la pista del prototipo es un circunferencia los cálculos son en base la dicha figura geométrica. (Resnick 2010).

2.2.1. LONGITUD

En el sistema internacional la unidad de medida es el metro se representa por la letra (m); y es la distancia recorrida que se encuentra entre dos puntos; representada por la letra (L); en este caso la longitud de una circunferencia como se observa en la figura 1 (Resnick 2010).

Figura 1. Longitud de la circunferencia

(Resnick 2010)

La longitud de una circunferencia se observa en la ecuación 1.

𝐿 = 𝑟 𝑥 2𝜋 [1] Dónde:

L= Es la distancia recorrida su unidad de medida en metros (m) r= Es el radio de la circunferencia

6

2.2.2. ÁREA

El área es una medida de extensión de una superficie, expresada en unidades de medida denominadas unidades de superficie metro cuadrado; es un concepto métrico que requiere el espacio donde se define o especifique una medida (Resnick 2010).

En este caso se realizará el área de un círculo como se observa en la siguiente ecuación 2.

𝐴 = 𝜋 𝑥 𝑟2 [2] Dónde:

A= es el área su unidad de medida en metro cuadro

𝜋 = Pi su valor es de 3,1416 r= Es el radio de la circunferencia

2.3. CINEMÁTICA

La cinemática comprende de una rama de la física que estudia los movimientos de los cuerpos en el espacio independientes de las causas que lo producen. (Burbano Santiago de Ercilla 2003).

Los elementos de la cinemática son:

 Posición.- Corresponde al espacio geométrico que ocupa un cuerpo u objeto en el espacio.

 Trayectoria.- Es una representación de la línea que une todas las posiciones tomadas por el cuerpo, se clasifica en curvilíneas y rectilíneas.

 Tiempo.- Es el que indica la duración del movimiento de un cuerpo

 Rapidez y Velocidad.- Es la rapidez en la que cambia de posición un móvil.

7

2.3.1. MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME

El movimiento rectilíneo uniforme es aquel donde la trayectoria es línea recta y la posición del punto móvil queda determinada por una sola coordenada. La velocidad permanece constante y no existe una alteración de la aceleración (a) en el transcurro del tiempo, como se puede observar en la figura la velocidad (variación de la posición) se define como la distancia el recorrido (desde la posición 𝑥1 hasta la posición 𝑥2) y el tiempo que ha

transcurrido, como se observa en la figura 2 (Giancoli 2006).

Figura 2. Movimiento rectilíneo uniforme

(Giancoli 2006)

Como se indica la ecuación 3 corresponde a un movimiento rectilíneo uniforme donde la velocidad permanece constante en la trayectoria.

𝑉 = 𝑑_𝑡 [3]

Dónde:

V= velocidad se mide en (m/s) d= distancia recorrida en (m)

8

2.3.2. MOVIMIENTO RECTÍLINEO UNIFORMENTE ACELERADO (M.R.U.A)

El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (M.R.U.A) también conocido como movimiento rectilíneo uniformemente variado (M.R.U.V). Este es un movimiento de aceleración constante y la velocidad varía linealmente con una posición cuadráticamente con tiempo (Resnick 2010).

Presenta dos características fundamentales:

 La trayectoria es rectilínea

 La aceleración sobre la partícula son constantes sabiendo que la masa es un valor constante, la aceleración constante tiene como causa una fuerza resultante constante, como se observar en la ecuación 4 (Resnick 2010).

𝐹 = 𝑚 𝑥 𝑔 [4]

Dónde:

F= fuerza es una magnitud vectorial se mide en Newton m= Es la masa de un cuerpo se mide en kg

g= Es la gravedad es 9,8𝑚/𝑠2

2.4. DINÁMICA

La dinámica es la parte de la física que estudia la relación existente entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y los efectos que se produce sobre el movimiento de ese cuerpo; como se indicara adelante las fuerzas en sistemas dinámicos (Francis Weston Sears 2005).

2.4.1. FUERZAS EN SISTEMAS DINÁMICOS

9

2.4.1.1. Peso

El peso se representa por la letra (w); el peso de un cuerpo está relacionado con su masa que es atraída por la atracción de la tierra, como se puede observar en la ecuación 5. En la mayoría de los casos se supone que tiene un valor constante e igual al producto de la masa (m), del cuerpo por la aceleración de la gravedad (g), como se puede observar en la figura 3 (Francis Weston Sears 2005).

𝑤 = 𝑚 𝑥 𝑔 [5]

Dónde:

w= Es el peso se mide en Newton m= Es la masa se mide en Kg

g= Es la gravedad cuyo valor es de 10𝑚/𝑠2

Figura 3.Representación del peso

(Francis Weston Sears 2005)

2.4.1.2. Fuerza Normal

10 esta fuerza es la que denominamos Normal y la representamos con la letra N; como se puede observar en la figura 4, la fuerza normal siempre es perpendicular a la superficie de contacto por lo cual está dirigida hacia arriba, es decir, hacia fuera de la superficie de contacto (Giancoli 2006).

Figura 4.Representación de la fuerza normal

(Giancoli 2006)

En general la magnitud de la fuerza normal es la proyección del peso del cuerpo, sobre la superficie de esta manera, el vector de la fuerza normal se encuentra multiplicando la masa por la gravedad como se observa en la siguiente ecuación 6 (Giancoli 2006).

𝐹_𝑁= 𝑚 𝑥 𝑔 [6]

Dónde:

𝐹𝑁= Es la fuerza normal que se mide en Newton

m= Es la masa se mide en Kg

g= Es la gravedad cuyo valor es de 10𝑚/𝑠2

11 La fuerza de rozamiento estudia el movimiento de los cuerpos; es una fuerza que aparece cuando existe dos cuerpos en contacto; además esta fuerza de rozamiento dinámica es menor que la fuerza de rozamiento estática.

La fuerza de rozamiento entre dos cuerpos no depende del tamaño de la superficie de contacto, pero depende del ambiente, es decir de los materiales que lo formen si es más o menos rugosa; como se observa en la figura 5. La magnitud de fuerza de rozamiento entre dos cuerpos es proporcional a la fuerza normal como se puede observar en la siguiente ecuación 7. (Goldemberg 2006).

Figura 5. Representación de la fuerza de fricción (Goldemberg 2006)

𝐹_𝑅 = 𝜇 𝑥 𝑁 [7]

Dónde:

𝐹_𝑅= Es una fuerza en la dirección de la horizontal que se mide en Newton

𝜇 = Es el coeficiente de rozamiento la unidad es adimensional

𝐹_𝑁= Es la fuerza normal que se mide en Newton

2.4.1.4. Coeficiente de fricción

12

 Fricción estática.- Se produce por interacción de irregularidades de las dos superficies se incrementa cualquier movimiento relativo hasta un límite donde ya empieza el movimiento.

 Fricción cinético.- Es cuando dos superficies se mueven una respecto de la otra, la resistencia de fricción es casi constante, para un amplio rango de velocidades bajas; el coeficiente de fricción cinético es el que va ser utilizado en el presente proyecto la razón de que se encuentra en movimiento el prototipo (V.E.C.W) (Llano 2007).

Para el presente proyecto el coeficiente de fricción es el caucho sobre el acrílico como se puede observar los diferentes valores de coeficiente de fricción en la siguiente tabla 2 (Llano 2007).

Tabla 2. Coeficiente de fricción de distintos materiales Superficie Coeficiente de fricción

estático

Coeficiente de fricción cinético

Madera sobre madera 0,4 0,20

Metal sobre metal 0,15 0,71

Caucho sobre cemento 1 0,80

Caucho sobre madera 1,1 0,30

Caucho sobre acrílico 1,2 0,53

(Llano 2007)

El coeficiente de fricción a utilizar es el caucho sobre el acrílico con un valor 0,53 unidad adimensional (Llano 2007).

13

2.4.2. TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA

En mecánica clásica, se utiliza trabajo potencia o energía en esta sección se precisara su significado, para los previos cálculos de trabajo (T), de una potencia (P) desarrollada por un dispositivo o el control de la energía (E) consumida o almacenada; resultando una alternativa de ayuda para un previo mantenimiento (Álvarez 2011).

2.4.3. TRABAJO

El trabajo es una magnitud física escalar representada por la letra (w) y se expresa en unidades en julios o Joules (J) en el sistema internacional de unidades.

Se dice que es una fuerza (expresada en Newton) mueve un cuerpo y libera la energía potencial de este; es decir un cuerpo realiza un trabajo cuando vence una resistencia a lo largo de una trayectoria. Como se puede expresar en la ecuación 8 (Medina 2011).

𝑇 = 𝐹 𝑥 𝑑 [8] Datos:

T= T= Es el trabajo que realiza su unidad de medida en Joules F= Es la fuerza

d= Es la distancia su unidad de medida en metros (m)

2.4.4. POTENCIA

14 𝑃 = _{𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜}𝑇 [9]

Dónde:

P= Es la potencia su unidad de medida en watts

T= Es el trabajo que realiza su unidad de medida en Joules t= Es el tiempo su unidad de medida en segundos

2.4.5. ENERGÍA

La energía es la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo. La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera se mide en Joule y representada por la letra (J), como se puede expresar en la siguiente ecuación 10. (Medina 2011).

𝐸 = 𝑃. 𝑡 [10]

Dónde:

E= Es la energía representada por la unidad de medida en Joules P= P= Es la potencia su unidad de medida en watts

t= Es el tiempo su unidad de medida en segundos

2.4.6. LEY DE OHM Y POTENCIA ELÉCTRICA

Las magnitudes eléctricas fundamentales son:

 Intensidad (I).- Su unidad de medida es el amperio (A) y el instrumento de medida, el amperímetro o galvanómetro.

 Tensión o diferencia de potencial.- Su unidad de medida es el voltio (v) y el instrumento de medida se llama voltímetro.

 Resistencia.- Su unidad de medida es el ohmio o conocido como omega “ ” (Mengíbar 2014).

15 𝐼 = 𝑉_𝑅 [11]

Dónde:

I = Es la intensidad de corriente su unidad es el amperio (A) V = Es la diferencia de potencial su unidad es el volts ( v ) R = Es la resistencia su unidad de medida es el ohmio ( )

Como se observa en la tabla 2. Contiene las magnitudes y unidades, fundamentales en el sistema internacional (Mengíbar 2014).

Tabla 3. Magnitudes y unidades en el Sistema Internacional

Magnitud Unidades Símbolo

Potencia eléctrica (P)

Vatios W

Energía eléctrica (E)

Julios J

Resistencia eléctrica (R)

Ohmios

Intensidad de Corriente

(I)

Amperios A

(Mengíbar 2014)

2.4.7. POTENCIA ELÉCTRICA DC

16 𝑃 = 𝑉 𝑥 𝐼 [12]

Dónde:

P= Es la potencia en watts (W) V= Es el voltaje su unidad voltios (v) I= Es la intensidad su unidad amperios (A)

2.5. TEORÍA ELECTROMÁGNETICA

La teoría electromagnética están relacionados los fenómenos eléctricos con los fenómenos magnéticos; el cual cada variación en el campo eléctrico se origina un cambio en el campo magnético. La luz es una onda electromagnética transversal que se transmite perpendicularmente, como se observa en la figura 6 se encuentran 3 vectores, el vector (x) se propaga al campo eléctrico; el vector (y) transmite la dirección de propagación y el vector (z) transmite el campo magnético (Hayt 2006).

Figura 6. Teoría electromagnética.

(Hayt 2006)

2.5.1. CAMPOS MAGNÉTICOS

17 norte y sur de un imán son los puntos de concentración de un campo magnético que lo rodean dicho campo se muestra gráficamente en 2 dimensiones pero respectivamente tienen 3 dimensiones en el espacio que rodea al imán. Como resultado de la interacción del campo que rodea al mismo se puede utilizar a un imán para poner en un movimiento al otro atrayendo cuando los polos cercanos son opuestos y repelando cuando los polos son iguales, como se observa en la figura 7 la fuerza invisible del magnetismo es la que se dispersa en todas las direcciones del imán las líneas que salen del imán representan el campo magnético (Resnick 2010).

Figura 7. Campo magnético de un imán

(Donate 2009)

18

2.5.2. LÍNEAS DE CAMPO

El científico inglés Michael Faraday fue el primero en introducir el concepto de líneas de campo, las denomino “líneas de fuerza pero es preferible el término “líneas de campo”. Como se observa en la figura 13. Los campos eléctricos se representan mediante las líneas de campo, que son unas líneas imaginarias que simbolizan la interacción con la que actúa el campo eléctrico sobre la unidad de carga puntual positiva (Francis Weston Sears 2005).

Figura 8. Líneas decampo eléctrico

(Dulce María Andrés Cabrerizo 2008)

Las líneas de campo:

 Las líneas de campo son tangentes al vector 𝐸⃗ en cada uno de sus puntos.

 Las líneas de campo salen de las cargas positivas y se dirigen hacia las cargas negativas.

 El número de líneas que se obtenga de las cargas positivas o ingresen en la negativa debe ser proporcional a dicha carga.

 Las líneas de campo nunca se cruzan porque no pueden cortarse, pues en ese punto se producirán dos vectores de campo distintos, lo que sería incoherente.

19

2.6. LEY

DE

FARADAY

-

LENZ

(INDUCCIÓN

ELECTROMAGNÉTICA)

La ley más conocida experimental que enunció el científico inglés Michael Faraday es la de inducción electromagnética en el año 1831 que establece que la magnitud de la fuerza electromotriz (f.e.m) inducida en un circuito es igual a la razón de cambio en el tiempo del flujo magnético a través del circuito (P. G. Hewitt 2004).

La ley de Faraday establece:

 Si el flujo que vincula una vuelta varía como una función de tiempo, se induce un voltaje entre los terminales.

 El valor del voltaje inducido es proporcional a la velocidad del cambio de flujo (Wildi 2007).

El científico físico ruso Heinrich Friedrich Emil Lenz enuncio la ley de Lenz en el año 1833; es un principio independiente, se deduce de la ley de Faraday está permite determinar el sentido de la corriente inducida por una variación del flujo abarcado por un circuito. La inducción electromagnética deducida por Michael Faraday indica que en un conducto que se mueva cortando las líneas de fuerzas de un campo magnético lo que produce una fuerza electromotriz (f.e.m) inducida; si se aplicara en un circuito cerrado se produce una corriente inducida, como se observa en la figura 6 lo mismo sucede si el flujo magnético que atraviesa al conductor es variable, por lo tanto es una tensión inducida (Donate 2009).

Figura 9. Circuito cerrado que produce corriente inducida

20

2.6.1.1. Cálculo

Por definición y de acuerdo con el sistema SI de unidades cuando el flujo dentro de una vuelta varía a razón de 1 weber por segundo, se induce un voltaje de 1 voltio (v) entre sus polos, Entonces si el flujo cambia depende del N vueltas de la bobina, el voltaje inducido está dado por la ley de fradar que se lo puede en la ecuación 13. (Irving, Máquinas eléctricas y transformadores 2001).

∮ 𝐸⃗ = −𝑁

𝑑Φ 𝑑𝑡

(𝐿𝑒𝑦 𝑑𝑒 𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦) [13]

Dónde:

∮= La integral del primer miembro es la circulación o integral de la línea del campo magnético a lo largo de una trayectoria cerrada

𝐸⃗ = Voltaje inducido (v)

𝑑Φm= cambio de flujo dentro de la bobina (Weber)

𝑑𝔱= Intervalo de tiempo durante cual cambia el flujo (s)

(-)= El signo negativo establece que la ecuación es correcta afirma que la f.e.m inducida hará que fluya una corriente en el circuito cerrado, con dirección tal que se opone al cambio de flujo magnético.

Como se enuncia la ley de Lenz que una corriente inducida fluirá en una dirección tal que por medio de su campo magnético se opondrá al movimiento del campo magnético que la produce (Martínez 2003).

La ley de Faraday establece que los voltajes de las bobinas son directamente proporcionales al número de vueltas de la bobina como se observa en la figura 10 (Martínez 2003).

En la siguiente ecuación 14 se observa que los voltajes son directamente proporcional al número de vueltas de la bobina (Martínez 2003).

𝑉_𝑉1

2=

𝑁1

21 Dónde:

𝑉₁ = El voltaje de la primera bobina se mide en voltios

𝑉₂ = El voltaje de la segunda bobina se mide en voltios

𝑁1 = El número de vueltas de la primera bobina

𝑁₂ = El número de vueltas de la segunda bobina

Figura 10. Voltaje proporcional al número de vueltas (Martínez 2003)

2.6.1.2. Bobina Bifilar de Tesla

Una bobina es un dispositivo que sirve para almacenar la energía eléctrica el cual genera un campo magnético, al momento que circula la intensidad de corriente. El parámetro relevante de una bobina es la autoinducción L, que se mide en unidades de henrios (H) y que se obtiene una relación existente entre el campo magnético originado y la intensidad de corriente que circula por la bobina (Cirovic, Electrónica fundamental: dispositivos, circuitos y sistemas 2003).

La bobina bifilar es uno de los inventos de un brillante ingeniero; Nikola Tesla el cual consiste en dos embobinados paralelos; de ahí surge el nombre bifilar el cual se refiere; bi viene dado de dos y bifilar de filamento, en este caso, está compuesta por un hilo doble de cobre de dos grosores diferentes, el cual están enrollados en el mismo sentido y con el mismo número de vueltas (Cirovic, Electrónica fundamental: dispositivos, circuitos y sistemas 2003)

22 La inductividad de una bobina basándose en sus dimensiones físicas como se observa en la figura 11, además de los diferentes tipos de materiales de origen tiene diferentes valores, el cual permite calcular el resultado de una bobina teórica, como se observa en la siguiente ecuación 15 (Cirovic, Electrónica fundamental: dispositivos, circuitos y sistemas 2003).

Figura 11. Dimensiones físicas de una bobina.

(Cirovic 2003)

𝐿(𝑢𝐻) = 𝑟

2_𝐴2

30∗𝐴−11∗𝐷𝑖 [15]

Dónde:

L = es la inductividad de la bobina en henrios

𝑟 = El radio se mide en mm A= Es el área se mide en mm

23

2.6.1.3. Permeabilidad del vacío

Se representa mediante el símbolo 𝜇0 ; la permeabilidad magnética del

vacío, conocida también como constante magnética, en unidades del sistema internacional tiene un valor predeterminado como se expresa en la siguiente ecuación 16 (Cirovic, Electrónica fundamental: dispositivos, circuitos y sistemas 2003).

𝜇0 = 4𝜋 𝑥 10−7(_𝐴𝑁2) [16]

Como se puede observar en la figura 12. El valor de la permeabilidad del vacío que viene dado por la pendiente de la recta (Cirovic, Electrónica fundamental: dispositivos, circuitos y sistemas 2003).

Figura 12. Gráfica de la permeabilidad del vacío

Cirovic 2003)

2.6.1.4. Campo Magnético

La unidad de campo magnético representado por la letra B; el cual todo conductor por una corriente crea a su alrededor un campo magnético, dicha corriente aumenta si tiene mayor número de espiras, formando las bobinas; en este caso las bobinas bifilares de Tesla. (Castillo 2012)

24 B= 𝜇0 𝑛_𝐿 𝐼 [17]

Dónde:

B= Es la intensidad del campo magnético o inducción magnética (Tesla) T=𝑁. 𝐴−1. 𝑚−1

𝜇 = Es la permeabilidad magnética del vacío. En el S.I se mide en m.kg/𝐶2 I = Corriente eléctrica que circula por el conductor, su unidad en el S.I es el amperio (A)

L= Longitud de la bobina en metros

2.6.1.5. Flujo Magnético

El flujo magnético está representado por su símbolo (𝛷) es una medida de la cantidad de líneas magnéticas, como se observa en la figura 13 el flujo magnético atraviesa el área; el número total de líneas de campo en una bobina o el número total de líneas de campo que salen por un terminal que se le denomina flujo magnético (Wilson 2003).

Figura 13. Líneas de campo de una bobina

(Senner 1994)

El flujo magnético a través de superficies puede variarse de muchas maneras distintas:

25 El flujo magnético a través de superficies puede variarse de muchas maneras distintas:

 Pueden moverse unos imanes permanentes acercándolos o alejándolos de la superficie

 Se puede hacer girar el propio circuito en un campo magnético fijo.

 Aumentar o disminuir el área del circuito (Amador 2009).

En la interpretación de Faraday, la variación del flujo magnético a través del circuito origina una fuerza electromotriz (f.e.m) inducida responsable de la aparición de la corriente transitorio (desde ahora, corriente inducida).

El flujo magnético a través de una superficie es la f.e.m inducida depende del ritmo de cambio del flujo; no importa el número concreto de líneas de campo y es muy importante tener en cuenta que existe una (f.e.m) inducida solo mientras el flujo está variando, como se puede observar en la ecuación 18 y el área en la ecuación 19 (Amador 2009).

Φ = 𝐵𝐴 [18]

Dónde:

Φ= Flujo magnético es el volt-segundo (Vs) ó weber (Wb) se usa en las leyes de maxwell

B= Es la intensidad del campo magnético (constante en el área) A= Es el área su unidad en metros

𝐴 = 𝜋 𝑟2 [19] Dónde:

A= Es el área su unidad de medida en metro cuadro

26 función principal; procesos los cuales son definidos mediante la programación (P. A. Miguel 2016).

Un micro controlador es un circuito integrado que en su interior tiene una unidad central de procesamiento denominado por sus siglas (CPU), unidades de memoria (RAM y ROM), además tiene puertos de entrada, salida y periféricos las cuales se encuentran interconectadas en la parte interna del micro controlador, el cual en conjunto forma lo que se conoce como microcomputadora (P. A. Miguel 2016).

Se puede decir que un micro controlador es una microcomputadora completa encapsulada en un circuito integrado, como se puede observar en la siguiente figura 14 (P. A. Miguel 2016).

Figura 14. Bloques funcionales básicos del micro controlador

(P. A. Miguel 2016)

Los bloques son:

 CPU (Unidad Central de Procesos)

 Memoria ROM (Memoria de solo lectura)

 Memoria RAM (Memoria de acceso aleatorio)

 Líneas de entrada y salida (periféricos)

27 funciones con tan solo cambiar el programa del micro controlador. Las aplicaciones del micro controlador son amplias, se puede decir que se encuentran limitadas por la imaginación del usuario, como se puede observar en la figura 15. , el esquema básico del micro controlador con periféricos de entrada y salida (Rossano 2009).

Figura 15. Esquema del micro controlador

(Rossano 2009)

La ventaja del micro controlador cuando se le diseña tiene todos los componentes integrado en el mismo chip, no requiere otros componentes especializados para su óptima ejecución, ya que los circuitos que corresponden a los periféricos de entrada o salida; se encuentran incorporados, es por esta razón que se ahorra tiempo y espacio al momento de construir un dispositivo (Usategui, y otros 2010).

Además están diseñados para disminuir el coste económico y el consumo de energía de cualquier sistema a realizarlo, por lo cual el tamaño de la CPU, la cantidad de memoria y los periféricos de entrada y salida dependerá de dicha aplicación (Usategui, y otros 2010).

2.7.1. MICROCONTROLADOR ATTINY 2313

28 más características útiles como de almacenamiento tiene una capacidad de 2 KB y un rango de voltaje de 2,7 – 5,5 v (Chau 2006).

Figura 16. Micro controlador ATtiny 2313

(Chau 2006)

Los microcontroladores AVR son reguladores automáticos de tensión cuya función es la de alimentar al circuito de excitación de tal manera de mantener constante la tensión de salida del generador dentro de ciertos rangos de frecuencia y carga. El ATtiny2313 es un micro controlador de baja potencia de 8 bits basado en los reguladores automáticos con un gran alcance en un solo ciclo de reloj, el ATtiny2313 logra rendimientos que se acerca MIPS (millones de instrucciones por segundo) es una forma de medir potencia de los microprocesadores. Entonces se acerca 1MIPS por MHz que permite en el sistema al momento de diseñar optimizar en consumo de energía frente a la velocidad de procesamiento. (Chau 2006)

Se detallará en la siguiente tabla 4. Las características del micro controlador utilizan en el diseño del circuito eléctrico de la pista.

Tabla 4. Características del micro controlador ATtiny 2313

FLASH EEPROM SRAM RELOJ VOLTIOS

2KB 128B 128B 0-20MHz 2,7- 5,5 V

29

2.7.1.1. Esquema del micro controlador ATtiny 2313

Como se puede observar en la figura 17. El pinout del ATtiny 2313, se describe los pines a utilizar.

Figura 17. Micro controlador Pinout ATtiny 2313

(Atmel 2010)

2.7.1.2. Descripción de los pines del micro controlador

VCC.- Tensión de alimentación digital.

GND.- Tierra

30

Tabla 5. Pines del puerto A con funciones alternativas Pines del puerto A Funciones Alternativas

PA2 RESET, dW

PA1 XTAL2

PA0 XTAL1

(Atmel 2010)

Los pines del puerto B con funciones alternativas se puede observar en la siguiente tabla 6.

Tabla 6. Pines del puerto B con funciones alternativas Pines del puerto B Funciones Alternativas

PB7 USCK/SCL7PCINT7

PB6 DO/PCINT6

PB5 DISDA7PCINT5

PB4 OC1B/PCINT4

PB3 OC1A/PCINT3

PB2 OC0A/PCINT2

PB1 AIN1/PCINTT1

PB0 AIN0/PCINT0

(Atmel 2010)

2.8. TRANSISTORES

Fue denominado transistor bipolar o transistor electrónico, se inventó en el año 1951, es un dispositivo semiconductor, que permite el control y la regulación del flujo de corriente o tensión (corriente maximiza, o encendido ON, y con una mínima corriente, apagado OFF; funciona como interruptor o amplificador para señales electrónicas (Cirovic 2003).

El transistor es un elemento de tres terminales denominados emisor, colector y base; respecto a su fabricación existen de dos tipos:

 NPN

 PNP

31

Figura 18. Símbolo del transistor NPN (Cirovic 2003)

Como se puede observar el las siguiente figura 19 el símbolo del transistor NPN.

Figura 19. Simbología del transistor PNP (Rashid 2004)

2.8.1. FUNCIONAMIENTO

32

Figura 20. Funcionamiento de un transistor (Rashid 2004)

2.8.2. TRANSISTOR 3055 (NPN)

En el presente proyecto se utiliza el transistor TIP3055 (NPN); como se puede observar en la siguiente figura 21. El transistor TIP3055. (Enterprise 2014).

Figura 21. Transistor TIP3055 (Enterprise 2014)

El transistor TIP3055 es un planar epitaxial del silicio- base NPN, transistor montado en TO-218 paquete de plástico, se utiliza para circuitos de conmutación, serie y reguladores y amplificadores de alta fidelidad. Se aplica en amplificadores de audio de uso general, fuentes de alimentaciones lineales y conmutadas (Godse 2009).

33

Tabla 7. Características del transistor TIP3055

1 Baja tensión de saturación colector (C) - emisor (E)

2 Complementaria NPN – PNP

transistores

(Godse 2009)

2.8.2.1. Diagrama esquemático interno del transistor NPN 3055

Como se puede observar en la siguiente figura 22. El diagrama interno del transistor NPN 3055.

Figura 22. Diagrama esquemático interno (Godse 2009)

Como indica en la figura anterior el terminal número (1) se conecta a la base, el terminal número (2) se conecta al colector y el terminal número (3) se conecta al emisor; es la correcta conexión del transistor NPN TIP3055. Algunas especificaciones se puede observar en la siguiente tabla 8.

Tabla 8. Especificaciones del transistor NPN TIP3055

Polaridad NPN

Marca STMicroelectronics (ST)

Tipo de montaje A través del agujero/ DIP (dual In-line Package)

Tipo de paquete TO-218

Recuento de plomo 3

Sin plomo tipo -

Compatible con RoHS -

Embalaje 30 unidades/tubo

34

2.9. RECTIFICADORES DE CORRIENTE

Los rectificadores de corriente son dispositivos que cambian de corriente alterna en continua denominada corriente directa, por lo tanto un rectificador está formado por varias placas de cobre recubiertas, por una sola cara, con un material de semi - conductor y los más conocidos son: Óxido de cobre, Selenio y silicio; el cual trabajan con una corriente de 6 a 12 voltios la cual pasa en un solo sentido, pero la que circula en sentido contrario no pasa, transformándose en calor que se denomina el (Efecto Joule). (Llano 2007). La corriente que llega al rectificador es de onda completa, la que sale es de media onda, según se observa en la figura 23. Los rectificadores deben instalarse en lugares en un 100% ventilado ya que tienden a disipar el calor del efecto Joule y más si se realiza del material de selenio ya que se quema al recibir un sobre-calentamiento o sobre-cargas, de este tipo de material solo se utiliza en algunos equipos pequeños (Llano 2007).

Figura 23. Ondas de Rectificadores

(Llano 2007)

2.10. ACUMULADORES DE CORRIENTE

35 eléctrico enchufadle depende de la batería en un porcentaje determinante. El tipo y la capacidad de la batería condicionan la velocidad máxima, autonomía entre recargas, el tiempo de recarga y la duración de la batería (Ceña y Santamarta 2009).

2.10.1. TIPOS DE BATERÍAS RECARGABLES

En la siguiente tabla 9. Se observa los tipos de baterías recargables, como las de Níquel-Cadmio (Ni-Cd); plomo ácido; Zebra (NaNiCl); polímero de litio y ión litio consta de las siguientes características principales:

 Densidad Energética (Wh/kg)

 Energía /Volumen (Wh/litro)

 Potencia/Peso (W/kg)

 Número de Ciclos

 Eficiencia Energética en porcentaje

El presente proyecto se utilizará la batería ion-litio ya que son las que tienen mejores prestaciones reflejadas fundamentalmente por su alta densidad energética; y por su alta eficiencia energética, por lo cual son las baterías que se utiliza en los vehículos eléctricos puros; y es reconocida por su alta capacidad de almacenamiento, a diferencias de las otras baterías, como se detalla en la tabla 9. Una ventaja de las baterías de ión-litio acumula mucha mayor carga por unidad de peso y volumen, consta de un alto voltaje por célula cada batería proporciona 3,7 voltios, como se puede observar en la figura 24 lo mismo que tres baterías de Ni-MH (Bosch 2005).

Figura 24. Batería de ión-litio

36

Tabla 9.Tipos de baterías recargables TIPOS DE BATERÍAS RECARGABLES DENSIDAD ENERGÉTICA (Wh/kg) ENERGÍA /VOLUMEN (Wh/litro) POTENCIA /PESO (W/kg) Número de ciclos Eficiencia Energética %

Zebra (NaNiCl) 125 300 150 1.500 92.5

Polímero de Litio 200 300 300 1.000 90

Iones de Litio 80-160 170-450 1.800

1.000-3.000 90

Níquel-Hidruro

Metálico (NiMH) 70-80 140-300 200-1.000 300-600 70

Níquel-Cadmio

(Ni Cd) 60 50-150 250 1.500 72.5

Plomo-ácido 36 60-75 250 400-800 82.5

(Antonio Colmenar Santos 2015)

2.10.1.1. Baterías de Ión- Litio

Es de una nueva tecnología, la cual ofrece una densidad de energía de 3 veces la de una batería plomo-acido, esta gran mejora viene dada por su bajo peso atómico 6,9 vs 209 para el plomo. Además cuenta con el más alto voltaje por celda 3.5 voltios lo cual reduce el número de celdas en serie para alcanzar cierto voltaje, lo que reduce su costo de manufactura; tiene una baja tasa de auto descarga (Paloma Rodríguez Soler 2015).

Las baterías Ión litio (Li-ion) emplea como electrolito una sal de litio que da a lugar a una reacción electroquímica entre el ánodo y el cátodo, estas baterías ofrecen una gran ventaja de no afectarles el efecto memoria. La ligereza de sus componentes, su elevada capacidad de almacenamiento (Paloma Rodríguez Soler 2015).

37 células es de 3,7 voltios. Tienen la ventaja de que el litio, al ser el metal más ligero que existe, a igual de capacidad de estas baterías resultan ser más ligeras, lo que permite obtener energía con un peso muy inferior (Antonio Colmenar Santos 2015).

2.11. MOTORES ELÉCTRICOS

El motor eléctrico es la máquina destinada a transformar energía eléctrica en energía mecánica. El motor de inducción es el más usado de todos los tipos de motores, ya que combina con las ventajas de utilización de energía eléctrica, bajo costo, facilidad de transporte, limpieza, simplicidad de comando; con su construcción simple y su gran versatilidad de adaptación de cargas y un óptimo rendimiento del motor eléctrico (Harper 2005).

2.11.1. El funcionamiento

El funcionamiento del motor eléctrico tanto como corriente alterna y continúa se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. El conductor funciona como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor (F. M. Domínguez 2001).

2.11.2. Partes del motor eléctrico

Las partes principales del motor eléctrico como se observa en la figura 24 son:

1. El estator

38

3. Bobinado

4. Carcasa

5. Rodamientos

6. Placa de bornes

7. Placa de características

8. Ventilador

Figura 25.Partes del Motor Eléctrico

(F. M. Domínguez 2001)

2.11.3. CLASIFICACIÓN DE MOTORES ELECTRICOS

La clasificación de los motores eléctricos es:

 Motores de corriente continua

 Motores de corriente alterna

2.11.3.1. Motores de corriente continua

39 El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica. Son motores de costo más elevado y además de eso precisan una fuente de corriente continua, o un dispositivo que conviertan la corriente alterna en continua. Pueden funcionar con velocidad ajustable, entre amplios límites y se prestan a controles de gran flexibilidad y precisión, por eso, su uso restricto a casos especiales en que estas exigencias compensan el costo mucho más alto de la instalación y del mantenimiento (Viloria 2005).

 De excitación independiente

 De excitación de serie

 De excitación (shunt) o derivación

 Sin escobillas

2.11.3.2. Circuitos de corriente continua

En los circuitos de corriente continua la potencia eléctrica puede ser obtenida a través de la relación de la tensión (U) y la corriente (I) y resistencia (R) implicadas en el circuito. Como se observa en las ecuaciones 20,21 y 22.

𝑃 = 𝑈 . 𝐼 [20]

𝑃 = 𝑈_𝑅2 [21]

𝑃 = 𝑅 . 𝐼2 [22]

Dónde:

U= Es la tensión se mide en voltios.

I= Es la intensidad de corriente se mide en amperios. R= Es la resistencia eléctrica se mide en Ohm.

40 Se da el nombre de motor asíncrono al motor de corriente alterna cuya parte móvil gira a una velocidad distinta a la de sincronismo. Aunque la frecuencia industrial la velocidad para regular la velocidad de estos motores (Harper, Motores de Corriente Alterna 2004).

 Motores Asíncronos :

 Monofásicos

 De bobinado auxiliar

 De espira e cortocircuito

 Universal

 Trifásicos

 De rotor bobinado

 De rotor en cortocircuito (jaula de ardilla)

Los motores de corriente alterna asíncronos, tanto monofásicos de bobinado auxiliar, de espira como trifásicos de rotor bobinado y rotor en corto circuito (jaula de ardilla), son los que tienen una aplicación más generalizada, gracias a su facilidad de utilización, poco mantenimiento y bajo costo de fabricación (Harper, Motores de Corriente Alterna 2004).

2.12. SISTEMAS DE CARGA INALÁMBRICA

La carga inalámbrica es una tecnología del futuro ya que su teoría es generar electricidad de manera ecológica al ambiente, la carga inalámbrica es la transferencia de energía a un dispositivo captador con el objetivo de poder generar una corriente eléctrica, para cargar la batería del dispositivo. La carga inalámbrica genera corriente para muchos dispositivos electrónicos, incluso a vehículos eléctricos cuándo la carga inalámbrica es de alta potencia (Leandros Maglaras 2015).