INFORME DE LABORATORIO 2
CARGADOR DE BATERIAS
ESTUDIANTES:
CRISTIAN RAMOS
NICOLAS ARRIETA
ZAAR AROCA
INGENIERO JOSE ANTONIO QUINTERO
DOCENTE ELECTRÓNICA ANALÓGICA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
BOGOTÁ
2020-II
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Diseño de Cargador y Banco de Baterías para Inversor DC/AC 2000W/110Vac, Ejercicios de Electrónica
En este documento se presenta el objetivo de diseñar un cargador de baterías y un banco de baterías capaces de alimentar un inversor DC/AC de 2000W/110Vac. Se incluyen detalles del diseño del circuito de un cargador de baterías de 24V con desconexión automática, la simulación de su funcionamiento en Pspice, y la configuración del banco de baterías para suministrar energía al inversor durante 12 horas. Además, se explica la relación de vueltas entre el primario y el secundario y cómo obtener el factor de reducción necesario para la transformación de 110 VRMS a 24 VRMS. Se incluyen conceptos básicos de rectificadores de onda completa y el uso de un diodo Zener como regulador de voltaje.
Tipo: Ejercicios
2020/2021
1 / 15
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INFORME DE LABORATORIO 2
CARGADOR DE BATERIAS
ESTUDIANTES:
CRISTIAN RAMOS
NICOLAS ARRIETA
ZAAR AROCA
INGENIERO JOSE ANTONIO QUINTERO
DOCENTE ELECTRÓNICA ANALÓGICA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
BOGOTÁ
2020 - II
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo General Diseñar un cargador de baterías y un banco de baterías que alimenten un inversor DC/AC de 2000W/110Vac. 1.2. Objetivos específicos
- Diseñar el circuito de un cargador de baterías de 24V con desconexión de corriente automática.
- Simular el funcionamiento del cargador de baterías en el software Pspice.
- Establecer la configuración del banco de baterías a partir de baterías de 12V/5Amperios – hora para alimentar un inversor DC/AC de 2000W/110Vac durante 12 horas.
- Identificar los modelos y funcionamiento de filtros EMI disponibles en el mercado. 5. MARCO TEORICO 2.1. Transformador El transformador es un mecanismo que haciendo uso de la Ley de Faraday y el efecto de autoinducción en bobinado permite aumentar o disminuir tensiones en relación con su coeficiente de transformación. El transformador consta básicamente de dos bobinas que permanecen en un núcleo de hierro (sin embargo, hay transformadores con mucho mas de dos bobinas) la bobina a la cual se conecta la tensión de entrada se llama primario, y la bobina por la cual sale la tensión resultante se llama secundaria. El voltaje de entrada y el voltaje de salida se relaciona directamente con el número de vueltas de cada devanado (Hayt, Kemmerly, & Durbin, 2012). Por la ley de Faraday 𝑉 1 = 𝑁 1 ∗
𝑁 1 : 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑢𝑙𝑡𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜. 𝑉 2 : 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜. 𝑁 2 : 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑢𝑙𝑡𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜. Por lo tanto, la relación del número de vueltas (n) entre el primario y el secundario se obtienen de la ecuación 1 y 2, como resultado se obtiene de la siguiente manera: 𝑛 =
A partir de esto, se puede establecer el factor de reducción necesario para determinar la transformación de 110 VRMS a 24 VRMS usando la ecuación 3, establecido de la siguiente manera:
a) PI: capacitor en paralelo, inductor o resistor en serie y un capacitor en paralelo. Figura 2. Instalación PI T: inductor o resistor en serie y un capacitor en paralelo. Figura 3. Instalación T RC: resistor en serie seguido por un capacitor en paralelo. LC: inductor en serie seguido por un capacitor en paralelo. Figura 4. Instalación LC Figura 5. Instalación Z
b) Filtro EMI de potencia para supresor de ruido CW3-20A-T módulo de alimentación monofásico 115V/250V 50/60Hz Figura 6. Filtro CW3-20A-T Características:
- Los componentes de alta calidad y alto rendimiento proporcionan un efecto de filtrado evidente.
- Los filtros EMI se pueden utilizar para eliminar interferencias generadas por el aparato o por otro equipo para que sea más resistente a las señales de bloqueo electromagnéticas presentes en el medio ambiente.
- Se utiliza en la mayoría de los dispositivos digitales (incluyendo fuentes de alimentación) para eliminar las interferencias de pulsaciones continuas e intermitentes.
- También se puede utilizar con conversores de frecuencia o conversores de frecuencia en electrodomésticos. 5. Adecuado para equipos y aplicaciones médicos especiales (corriente de fuga baja), equipos mecánicos, cintas de correr, etc.
- Universal, compacto y fácil de instalar. Especificaciones:
- Estado: 100% nuevo.
- Tipo de elemento: filtro EMI de potencia.
- Tensión nominal: 115/250 V.
- Frecuencia de trabajo: 50/60 Hz.
- Intensidad nominal: 20 A.
- Prueba de tensión de mantenimiento: 1450 VDC 2 seg (línea a línea de L a L)
- Prueba de tensión: 1500 V CA 2 seg (línea a tierra de L a G) c) Filtro EMI HA32L-20A 50/60Hz 150 KHz - 30 MHz 250 V AC
• Rendimiento de la atenuación: muy alto.
E) Fuentes generadoras de interferencias electromagnéticas La compatibilidad electromagnética medioambiental describe las influencias de los campos electromagnéticos en el medio ambiente y, en especial, en las personas. Las influencias negativas se denominan coloquialmente "electrosmog" o contaminación electromagnética. Los campos electromagnéticos generados por equipos eléctricos y los cuerpos de personas vivas pueden tener efectos tanto positivos como negativos. En el caso de la terapia con corrientes de estimulación, por ejemplo, la corriente favorece la curación o la proliferación de las células musculares. La electroencefalografía (EEG) o el electrocardiograma (ECG) permite medir las ondas cerebrales o el reflejo del músculo cardiaco con la ayuda de electrodos. Aparte de esto, también nos afectan de forma permanente el campo magnético terrestre o la carga electrostática de la atmósfera. Dado que la intensidad de los campos electromagnéticos disminuye drásticamente cuando nos alejamos de la causa que los origina, las fuentes que se utilizan cerca del cuerpo (teléfono móvil, calefacción de asiento) resultan más peligrosas en los que se refiere a sus consecuencias nocivas para la salud. En la Recomendación del Consejo del 12 de julio de 1999, la Directiva CE "sobre la limitación de la exposición del público en general a los campos electromagnéticos (0 Hz a 300 GHz)" ha estipulado lo siguiente: "Es absolutamente necesaria la protección de los ciudadanos de la Comunidad contra los efectos nocivos para la salud que se sabe pueden resultar de la exposición a campos electromagnéticos". Un punto importante en lo que respecta a posibles riesgos para la salud es la diferenciación entre radiación ionizante y radiación no ionizante. Figura 9. Principales fuentes generadoras de interferencias electromagnéticas
2.3. Rectificadores de onda completa Para empezar, “un rectificador convierte corriente alterna en corriente continua, su finalidad es generar una salida continua pura o proporcionar una onda de tensión o corriente que tenga una determinada componente continua” (Hart, 2001). El rectificador de onda completa utiliza ambas mitades de la senoide de entrada; para obtener una salida unipolar, invierte los semiciclos negativos de la onda senoidal en la figura 4 se muestra una posible estructuración, en la que el devanado secundario del transformador es con derivación central para obtener dos voltajes VS1 y VS2 iguales, en paralelo con las dos mitades del devanado secundario con las polaridades indicadas. Nótese que cuando el voltaje de línea de entrada (que alimenta al primario) es positivo, ambas señales marcadas como VS1 y VS2 serán positivas. En este caso D 1 conduce y D 2 estará polarizado Inversamente, el diodo D 1 asume el equivalente de cortocircuito y el D 2 el equivalente de circuito abierto, ahora, durante el semi ciclo negativo del voltaje de ca de la línea, los dos voltajes marcados cómo VS1 y VS2 serán negativos. Entonces D 1 estará en corte y D 2 conduce. El rectificador de onda completa obviamente produce una onda más “energética” que la del rectificador de media onda. en casi todas las aplicaciones de rectificación, se opta por el tipo de onda completa, el voltaje de salida aparece como se muestra en la figura 7. Figura 10. Rectificador monofásico de onda completa con toma intermedia Figura 11. Formas de onda de entrada y salida para un rectificador de onda completa Fuente: (Boylestad & Nashelsky, 2009)
Como se observa en la imagen anterior la tensión VZ se aleja del eje horizontal de forma negativa, esto es debido a la dirección de la corriente, mientras que para el caso del diodo convencional, se polariza directamente cuando la dirección de la corriente va en sentido de la flecha del mismo, para el caso del diodo Zener sucede lo opuesto, se polariza directamente cuando la dirección de la corriente va en contra de la dirección de la flecha del mismo. Sin embargo, este diodo da la posibilidad de poder controlar el VZ de una forma bastante precisa, es por esta razón que una de las aplicaciones mas comunes del diodo Zener es como regulador de voltaje, En el mercado existe diodos que pueden ir desde los 3V hasta los 50V y todavía más. Figura 5. Figura 1 5. Dirección de conducción diodo Zener Fuente: (Boylestad & Nashelsky, 2009) La potencia en el diodo se puede calcular como: 𝑃𝑍𝑚𝑎𝑥 = 4 𝐿𝑍𝑇𝑉𝑍 Sin embargo, el diodo Zener es muy sensible a la temperatura, la cual puede aumentar o disminuir su resistencia fácilmente alterando de esta forma la tensión que cae sobre el mismo. Sin embargo, se puede calcular el potencial Zener teniendo en cuenta su coeficiente de temperatura. (Boylestad & Nashelsky,
𝑇𝐶 =
Usos del diodo Zener En un circuito de DC (corriente continua o directa), el diodo Zener se puede utilizar como regulador de tensión o como referencia de tensión. La función principal del Zener radica en el hecho de que la tensión a través de un diodo Zener permanece constante, aunque haya un cambio importante de corriente Estabilizador de Voltaje
Figura 16. Estabilizador de Voltaje en un diodo Zener Proporciona un voltaje constante a la carga de una fuente cuyo voltaje puede variar en un rango suficiente. La siguiente figura muestra la disposición del circuito del diodo Zener como regulador. Esto sucede cuando el diodo recibe más voltaje en su cátodo que en su ánodo y empieza a funcionar como una fuente de voltaje de una cantidad predeterminada según el diodo utilizado Recortador de Ondas Se utilizan para convertir la onda sinusoidal en ondas cuadradas o en picos sobre una señal según su uso, esto es debido a que durante el semiciclo positio o negativo, cuando el voltaje en los diodos se encuentra por debajo del valor Zener la tensión de entrada aparecerá en las terminales de salida del circuito. Figura 17. Recortador de Ondas en un diodo Zener Como se muestra en la figura anterior, la onda sinusoidal de entrada se recorta en los picos y aparece una onda cuadrada en la salida. 2.5. Tiristor El tiristor (gr.: puerta) es una familia de componentes electrónicos constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación.1 Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales (SCR) o bidireccionales (Triac o DIAC). Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica. Para los SCR el dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo P-N-P-N entre los mismos. Por tanto, se puede modelar como 2 transistores típicos P-N-P y N-P-N, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está a la unión J2 (unión NP).
Figura 1 8. Esquema del cargador de baterías El cargador está compuesto de tres componentes principales: rectificación de onda, carga de batería e interrupción de corriente. El primer componente es un rectificador de onda completa que emplea dos diodos y un transformador con tab central. En el segundo componente del sistema están presentes las resistencias R1 y R 2 , el diodo D3 y el tiristor X1, junto con la batería a cargar. De forma general la carga de la batería sucede cuando esta presenta un voltaje por debajo de los 24 V, provocando que el tiristor X1 permita el paso de la corriente que pasa por la resistencia R2. Cabe aclarar que la relación de las resistencias R1 y R2 permiten la configuración de 2A a 5 A. Por último, en el componente de interrupción se usa el tiristor X2, el diodo Zener D4 y las resistencias R3 y R 4. Estos elementos son los que cierran la compuerta del tiristor X1 cuando la batería alcance el voltaje deseado y la corriente fluya por otra parte del circuito. Específicamente, la relación de R3 y R4 permite la activación del diodo Zener en inversa, lo que provoca que se active el tiristor X2 y quede en corte, ocasionando que la corriente deje de pasar por D3 y tome el paso por X 2. Cabe resaltar que el condensador C1 y la resistencia R 7 se implementaron para evitar posibles disparos no deseados del diodo Zener. Adicionalmente, se implementaron dos LEDs en el circuito para visualizar los estados del cargador: Cargando o carga finalizada. Cuando se active el paso por X2 significa que la batería ha sido cargada, lo que iluminara el LED D7, por otro lado, la intensidad del LED D6 ira aumentando a medida que la batería vaya aumentando su voltaje. 3.3. Banco de baterías El banco de baterías se determina a partir del tiempo total de uso, y la potencia consumida por nuestro circuito utilizando la siguiente ecuación 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =
Debido a que nuestro sistema utilizara 5 A de corriente y las baterías proporcionadas son de 12V /5 A se hará el calculo que corresponda a que nuestras baterías tengan un total de duración de 12 h
Primero determinamos que se necesitaran 2 baterías en serie para así obtener los 24 V requeridos 𝑉 = 12 𝑉 + 12 𝑉 𝑉 = 24 𝑉 Para determinar la cantidad de baterías en paralelo que se necesitaran para alimentar el sistema durante 12 horas utilizaremos la anterior ecuación y despejamos para la corriente que debemos proporcionar 𝐼𝑝 = 𝑇𝐷 ∗ 𝐼𝑐 𝐼𝑝 = 12 ℎ ∗ 5 𝐴 𝐼𝑝 = 60 𝐴ℎ Determinando que debemos proporcionarle al circuito un total de 60 Ah y disponemos de baterías de 5 Ah. 60 𝐴ℎ ⁄ 5 𝐴ℎ= 12 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 Se hará uso de un total de 12 baterías conectadas en paralelo para así obtener los valores requeridos por el sistema.
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Con respecto al funcionamiento del cargador de baterías, se puede hacer énfasis en 4 partes principales del circuito para observar el comportamiento mientras está cargando y cuando se desconecte la batería. En el anexo 1 se encuentran los soportes gráficos del análisis del cargador de baterías. En la primera grafica se puede observar el comportamiento de la corriente mientras se está cargando la batería. Estos datos se obtuvieron cuando la batería presentaba 20 V, por lo tanto, se puede observar como pasa la corriente por R2, mientras que la corriente en el tiristor X 2 es cero. Esto es de esperar debido a que la corriente está pasando por la batería, mientras que en X2 se comporta como un circuito abierto. Por otro lado, en la segunda grafica se puede observar lo contrario, debido a que en este caso la batería se encuentra cargada ( 24 V) y el flujo de la corriente pasa por X2, mientras que el tiristor X1 está abierto. En el tercer gráfico se presenta la configuración de las resistencias R1 y R2 para el suministro de corriente de 2A a 5 A por la batería. Inicialmente, se mantuvo el valor de la resistencia en R2 constante con la finalidad de que a 0V en la batería se presentara el flujo máximo de 5 A, y a medida que se ajuste R2 se puede reducir la intensidad. Por medio de la ley de ohm se puede establecer que la resistencia deseada es de 4.8 ohms, sin embargo, en el simulador se tuvo que hacer uso de un valor e 4 para obtener los 5 A ideales. Por otro lado, a medida que se aumente R 1 se cambia el voltaje que pasa por R2, lo que reduce la corriente. Como resultado, para obtener una corriente de 5A en promedio, se requiere que en R1 sea de 1k, aumentando la resistencia se llega a los 2 A si la resistencia es de 3.4 5 K ohms. En las graficas se puede observar el voltaje que pasa para ambos valores y la corriente promedio sobre R2. Por último, en las graficas 4 y 5 se presenta el valor de la resistencia R4 para activar el diodo Zener cuando la batería alcance los 24V. En el grafico 4 se presenta un análisis en DC que permite visualizar el cambio a medida que se altera R4, por consiguiente, se encuentra que en 1. 2 k empieza a caer