Escuela Superior Tcnica del Ejrcito
Escuela Superior Tcnica
ELECTRICIDAD PARA EL AUTOMOTOR
PROFESOR: Reith, Gerhard
TRABAJO PRCTICO: N 1 Circuitos elctricos
EQUIPO: N 3
AO: 2015
ALUMNOLEGAJODNICORREO
Cervantes, Santiago0018/[email protected]
Chiari, Santiago0021/[email protected]
Vila, Martn0013/[email protected]
CIRCUITOS ELCTRICOS VEHICULARES
OBJETIVO
Calcular y disear el sistema elctrico de iluminacin de un
triler.Calcular cableado y conductividad de un motor de
arranque.
NDICE
1. INTRODUCCIN..2
2. CLCULOSDISEO DEL ACOPLADO4SELECCIN DE FUSIBLES..10MOTOR DE
ARRANQUE..12CALCULO DE LA CONDUCTIVIDAD24VERIFICACIN..27
3. NORMATIVA....29
4. REFERENCIAS.31
5. ANEXOSDIMENSIONES DEL TRACTOR-TRAILER32TABLA DE CABLES
UNIFILARES PVC33PLANO DEL CIRCUITO ELECTRICO.34
1. INTRODUCCIN
Un vehculo de fabricacin serie tiene varios sistemas que lo
constituyen, uno de ellos es el sistema elctrico el cual est divido
en varios subsistemas como son: el de alumbrado, carga, arranque,
de encendido, de seguridad, sealizacin.
La batera se constituye en el estabilizador de la tensin en el
sistema elctrico. El motor de arranque es un motor de corriente
continua, cuando se cierra el interruptor de puesta en marcha,
queda conectado elctricamente a la batera, y al recibir la
corriente de esta, arrastra en su movimiento de rotacin al
cigeal.
El alternador transforma la energa mecnica que le suministra el
motor en energa elctrica. Esta energa devuelve a la batera la
corriente consumida para hacer girar el motor en el arranque, el
alternador tambin suministra corriente para accionar otros
dispositivos elctricos del automvil.
SISTEMA DE ARRANQUEEl sistema de arranque consta de dos
circuitos relacionados, el circuito del motor y el circuito de
control.
El motor de arranque requiere intensidad de corriente electrica
de gran intensidad en perodos de tiempo pequeos (segundos) para
hacer girar el motor de combustin interna, la velocidad de arranque
en la mayor parte de los motores es de 200rpm, si el motor de
arranque no hace girar el motor a esa velocidad, se tendr como
resultado probable un arranque difcil o un problema de no
arranque.
La corriente vara de 150 a 200 amperios en motores de 3, 4 y de
6 cilindros, el motor de arranque toma esta corriente intensa por
slo unos segundos, un motor de gasolina que funciona adecuadamente
debe arrancar a los 2 o 3 segundos de estar impulsndolo.
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE ARRANQUEEl motor de arranque es un
motor de corriente continua de excitacin en serie, de similar
construccin a la de un generador de corriente continua, pero el
arrollamiento de excitacin y el arrollamiento del inducido estn
conectados en serie.
A causa de su gran consumo de corriente (unos 150 a 200 A) son
de pocas espiras de alambre de cobre grueso, la intensidad de
corriente y el momento de rotacin son mximos al comienzo de
rotacin.
CLASIFICACIN DE LAS LUCES DE ALUMBRADOLas luces que forman parte
del triler, y que hacen falta segn norma son:
1. Luces de posicin, laterales y traseras2. Luz de freno3. Luz
de retroceso4. Luz de giro5. Luz de matrcula6. Luz de
identificacin
2. CLCULOS
LONGITUD DE LOS CONDUCTORES:
Tipo de lmparaLargo del cable desde la Bat/Alt (m)Largo total
del cable (m)
(*)(**)
Luces de posicin
11+5+0.5+1.3+2+212
21+5+0.5+1.3+8+1.517.5
31+5+0.5+1.3+10+3.521.5
41+5+0.5+1.3+10+3.521.5
51+5+0.5+1.3+8+1.517.5
61+5+0.5+1.3+2+212
Total102
Luz de matrcula
11+5+0.5+1.3+10+1.521.5
Luces de giro
11+5+0.5+1.3+8+1.517.5
21+5+0.5+1.3+10+3.521.5
31+5+0.5+1.3+10+3.521.5
41+5+0.5+1.3+8+1.517.5
Total78
Luces de retroceso
11+5+0.5+1.3+10+3.521.5
21+5+0.5+1.3+10+3.521.5
Total43
Luces de freno
11+5+0.5+1.3+10+3.521.5
21+5+0.5+1.3+10+3.521.5
Total43
Luces de identificacin1+5+0.5+1.3+10+3.5+627.5
(*) Las dimensiones son tomadas con la vista superior del
vehculo tractor y triler, teniendo en cuenta sus tres ejes x, y, z,
con este ltimo perpendicular a la hoja.
(**) Esta dimensin cuenta con una pequea porcin extra destinada
a uniones y/o empalmes
Las dimensiones del vehiculo tractor-trailer estn en el
Anexo
SECCIN DE CABLES ELCTRICOS POR NORMA INTERNACIONAL:
CABLEADO PARA EL SISTEMA DE ALUMBRADODebido a la adaptacin del
remolque, es indispensable el uso de rels y cambio del cableado del
sistema de iluminacin para no tener problemas debido al mayor
requerimiento de corriente y precautelar los interruptores y evitar
calentamientos en la instalacin del sistema.
Clculo de consumo de corriente de luces de posicin:
2 traseras (P1, P2) Tipo: ampolla esfrica de 5W cada una 4
laterales (P3, P4, P5, P6) Tipo: ampolla esfrica de 5W cada una
PT = Potencia totalP = Potencia lmpara de posicinRi =
resistencia interna del cable
El largo mximo para las luces de posicin es de 21.5 metros, por
lo que seleccionaremos un cable de 4mm2 de seccin:
Clculo de consumo de corriente de luz de matrcula:
1 matrcula (M1) Tipo: ampolla esfrica de 10W cada una
PT = Potencia totalM = Potencia lmpara de matrculaRi =
resistencia interna del cable
El largo para las luces de posicin es de 21.5 metros, por lo que
seleccionaremos un cable de 4mm2 de seccin:
Clculo de consumo de corriente de luces de retroceso:
2 traseras (R1, R2) Tipo: ampolla alargada de 25W cada una
PT = Potencia totalR = Potencia lmpara de retrocesoRi =
resistencia interna del cable
El largo mximo para las luces de retroceso es de 21.5 metros,
por lo que seleccionaremos un cable de 6mm2 de seccin:
Clculo de consumo de corriente de luces de giro:
2 traseras (G1, G2) Tipo: ampolla alargada de 21W cada una 2
laterales (G3, G4) Tipo: alargada de 21W cada una
PT = Potencia totalG = Potencia lmpara de giroRi = resistencia
interna del cable
Como tomamos 2 lineas diferentes para las luces de giro
izquierdas y derechas, este valor resulta 3,5 A por linea.El largo
mximo para las luces de giro es de 21.5 metros, por lo que
seleccionaremos un cable de 25mm2 de seccin:
Clculo de consumo de corriente de luces de freno:
2 traseras (F1, F2) Tipo: ampolla alargada de 21W cada una
PT = Potencia totalF = Potencia lmpara de frenoRi = resistencia
interna del cable
El largo mximo para las luces de freno es de 21.5 metros, por lo
que seleccionaremos un cable de 2.5mm2 de seccin:
Clculo de consumo de corriente de luces de identificacin:
3 traseras (D1, D2, D3) Tipo: ampolla esfrica de 5W cada una PT
= Potencia totalD = Potencia lmpara de identificacinRi =
resistencia interna del cable
El largo para las luces de identificacin es de 27.5 metros, por
lo que seleccionaremos un cable de 2.5mm2 de seccin:
* Todas las secciones de los cables calculadas estn normalizadas
y en el ANEXO se encuentra la tabla de cables unifilares
recubiertos con PVC Fonseca S.A.
POTENCIA NOMINAL MXIMA Y CORRIENTE MXIMA DEL SISTEMA
La suma de las corrientes totales es:
IT = 2.5A + 0.83A + 4.16A + 7A + 3.5A + 1.25A = 19.24ALa
potencia nominal mxima es:
P = V * I = 12V * 19.24A = 230.88W
SELECCIN DE FUSIBLES
La utilizacin de fusibles en un circuito elctrico, es
indispensable como medio de seguridad del mismo. Su utilizacin
principal se realiza a 24V en corriente continua, tambin se pueden
utilizar en otros valores.
Fusible para luz de posicin:
Se selecciona un fusible de 4A, segn norma su color es rosa.
Fusible para luz de matrcula:
Se selecciona un fusible de 2A, segn norma su color es gris
Fusible para luz de retroceso:
Se selecciona un fusible de 7.5A, segn norma su color es
marrn.
Fusible para luz de giro: (son dos lneas cuyas intensidades son
iguales)
Se selecciona dos fusibles de 7.5A, segn norma su color es
marrn.
Fusible para luz de identificacin :
Se selecciona un fusible de 3,5A, segn norma su color es
marrn.
Fusible para luz de identificacin:
Se selecciona un fusible de 2A, segn norma su color es gris.
MOTOR DE ARRANQUE
Representacin grfica resistividad temperatura:
Para el intervalo 0-100 C, la correlacin observada obedece a la
ecuacin:
Siendo y las resistividades a las temperaturas T y a 293 K, el
coeficiente trmico resistivo en, y es la diferencia entre las
temperaturas T y 293 K.
Evolucin de la resistividad para distintas temperaturas y
materiales:
Se logra observar de la grfica anterior que:
La resistividad es considerada nula en el cero absoluto. En los
distintos metales con un aumento de la temperatura se obtiene un
aumento de la resistividad.
La justificacin cualitativa de la resistividad parte del modelo
clsico, contemplando adems estas correlaciones a partir de la
hiptesis de Einstein: que supone una estructura cristalina formada
por restos atmicos (ncleos+electrones internos) y electrones de
valencia actuando como resortes elsticos, para mantener unidos a
los tomos del metal.
En el siguiente grafico se representa la hiptesis anterior, en
la que los tomos vibran alrededor de su posicin de equilibrio, de
acuerdo a un modelo de oscilador armnico.
Los tomos vibran alrededor de su posicin de equilibrio, dada por
la distancia media de separacin de sus vecinos, con una frecuencia
y amplitud especficas. La frecuencia de vibracin caracterstica, n,
del oscilador armnico obedece a la expresin:
En la que k es una constante relacionada con las deformaciones
elsticas alrededor del punto de equilibrio que aparece en la grfica
energa potencial de enlace-distancia interatmica, diferente en cada
material. La amplitud mxima de la vibracin A0 es una funcin de la
temperatura T:
Siendo K la constante de Bolztman y M la masa del tomo del
metal. El aumento de la temperatura implica un aumento de la
amplitud y un aumento en la probabilidad de interferencia de los
restos atmicos en las trayectorias de los electrones de valencia
que forman el gas de electrones moviles para la conduccin
elctrica.
Las causas del aumento de la resistencia elctrica parecen
justificarse con el aumento de las fuerzas de rozamiento que se
oponen al libre movimiento de los electrones, consecuencia de las
interferencias entre stos y los restos atmicos, contemplados como
osciladores armnicos excitados por la temperatura.
En el mismo sentido podramos justificar la resistividad tan baja
a 0 K. A temperaturas tan bajas, el oscilador se encuentra
"congelado", con una amplitud prcticamente nula, siendo
extraordinariamente baja la interaccin entre electrn y restos
atmicos. El electrn libre no interacciona con la red cristalina,
formada por los restos atmicos que se encuentran en reposo sobre
sus posiciones de equilibrio.
Para cualquier otro valor de la temperatura, las interacciones
entre el electrn libre, gas electrnico en circulacin, y los tomos,
vibrando cual oscilador armnico, significan una aceleracin del
electrn frente al campo y prdida posterior de la velocidad por
choque contra un tomo oscilando, y as sucesivamente, iniciando un
nuevo ciclo de aceleracin y frenado hasta el prximo choque.
Puesto que son muchos los electrones y tomos, podemos plantear
el problema en trminos estadsticos. Tendramos una longitud promedio
l entre choque y choque, a lo largo de su recorrido, transcurriendo
un tiempo ts.
Durante este perodo de tiempo, el electrn adquiere una velocidad
mxima Vm, funcin de cada temperatura.
Velocidad de deriva frente al tiempo despus de sucesivas
colisiones. El tiempo transcurrido entre dos colisiones
consecutivas es:
De manera que al sustituir dicho tiempo en la ecuacin, se
obtiene para la expresin de la intensidad de corriente:
En la que Ts/2 representa el tiempo de relajacin t. Por analoga
formal con la ley de Ohm, concluimos que la resistividad se expresa
como:
La resistividad es inversamente proporcional al tiempo de
relajacin. La resistividad crece al disminuir el tiempo entre
colisiones. Menores tiempos de relajacin implican mayores
temperaturas y amplitudes de oscilacin.
Por ltimo, para evaluar la facilidad de movimiento del electrn
en el interior de la red se recurre al concepto de movilidad, m. En
efecto, el flujo de electrones J que atraviesa el material es I/S y
el campo elctrico E que provoca el flujo V/L. La anterior ecuacin
de Ohm tomara la forma:
Todo flujo es directamente proporcional al gradiente que lo
produce y a una magnitud que cuantifica la facilidad para la
conduccin de ese flujo. En el caso de la conduccin de un flujo
electrnico, se comprende que la resistividad sea la inversa de la
conductividad. De la combinacin de las ecuaciones anteriores,
obtendremos:
En la que la movilidad electrnica m = e t / m. La movilidad es
directamente proporcional al tiempo de relajacin. Mayores
temperaturas y amplitudes implican menores tiempos de relajacin,
por tanto, menor movilidad. Si disminuye la movilidad, disminuye la
conductividad elctrica.
En consecuencia, la concepcin clsica atribuye la resistividad a
la prdida de energa que sufren los electrones del metal, acelerados
en el interior por efecto del campo elctrico aplicado, al chocar
con los tomos de la red cristalina.
Para el respectivo calculo nos basamos en los conceptos de
corriente elctrica de pico la cual se obtiene a partir del producto
de la intensidad de corriente elctrica con un factor que se
encuentra entre los valores 3.5-16.
CLCULO DE LA SECCINSegn grfico de potencia, par e intensidad de
corriente elctrica otorgado por el fabricante:Intensidad de
corriente elctrica mxima: 210 ACada de potencial mxima: 9.5SECCIN
DEL CABLE DEL MOTOR DE ARRANQUE
Dimetro: 4.5 mmSe considera el dimetro obtenido como el
necesario para un primer arranque sin influencias de factores de
rendimiento, servicio y temperatura.
CALOR PRODUCIDO POR EFECTO JOULE
Q = calor producido por efecto Joule [caloras]R = resistencia
del conductor []I = intensidad de corriente elctrica que circulat =
tiempo [s]
resistencia debido a un T de temperaturaLa resistencia varia con
el aumento o descenso de la temperatura, por lo tanto calcularemos
para el caso extremo para el cual fue diseado el motor de arranque,
segn el catalogo indiel (el cual se encuentra en los anexos) el
motor de arranque est diseado para un funcionamiento a una
temperatura mxima de 110C.
Calor producidoConsiderando intensidad de corriente para
potencia y temperatura mxima durante 30 segundos
Recalculo de la seccinresistividad del cobre debido a un un T de
temperatura
Dimetro = 5,249mmEl dimetro calculado del conductor, es obtenido
de las condiciones mximas a las que se puede encontrar el motor, es
decir, potencia y temperatura mxima a la que fue diseado. El
funcionamiento real de un motor de arranque analizando las curvas
de potencia se logra observar que el motor no se encuentra
constantemente otorgando potencia mxima, es por este motivo que al
considerar las condiciones anteriormente nombradas como constantes
la seccin calculada se encuentra sobredimensionada.Teniendo en
cuenta que el motor de arranque se podra encontrar frente a
encendidos repetidos en intervalos de tiempo pequeos que no
permiten la disipacin del calor generado en el mismo. Sin embargo
se debe tener en cuenta el rendimiento y el factor de servicio.
OTRO MTODO DE CLCULODebido a que el motor no funciona
constantemente a condiciones mximas o mnimas utilizaremos valores
medios
Se obtuvo valores de potencia, intensidad de corriente elctrica
y cada de potencial de la curva otorgada por el manual.
CLCULO DE LA SECCIN
Se considera esta seccin como la necesaria para un primer
arranque del vehculo el cual se encuentra a 20C.
Dimetro = 6.18mm
FACTOR DE SERVICIO
El factor de servicio es un indicador de la capacidad de
sobrecarga que puede soportar un motor elctrico, como ejemplo el
valor de 1.1 significa que el motor puede trabajar al 110%; sin
embargo esto no quiere decir que tenga que trabajar continuamente a
ese valor, el factor de servicio debe entenderse como una capacidad
adicional que posiblemente se llegue a ocupar en muy raras
ocasiones, de hecho los motores sobrecargados reciben mayor
corriente elctrica que la nominal, calentndose en mayor medida y
reduciendo notablemente su vida til, adems de bajar la eficiencia
de su operacin.
CLCULO DEL FACTOR DE SERVICIO
Potencia mxima en sobrecarga
Potencia de funcionamiento
Potencia del motor = 1KW =1000W
RENDIMIENTOSe deber tener en cuenta diversos factores a
considerar en lo que respecta al rendimiento, debiendo considerar
que el conductor y el motor no funcionan en un 100% de su
capacidad, se deber considerar factores como las prdidas producidas
por rozamiento en el motor, histresis, las perdidas por aumento de
temperatura (para tener en cuenta dicha modificacin ya hemos
calculado el aumento de la resistencia con la mayor variacin de
temperatura posible).
En el primer arranque no se tendr en cuenta las variaciones en
el clculo producidos por la temperatura.
Considerando las condiciones extremas de funcionamiento en lo
respectivo a temperatura, el dimetro obtenido ser:
Anteriormente se ha calculado la resistividad obtenida en
condiciones mximas de temperatura.Potencia de prdida por
temperatura:
Para lograr proporcionar la adecuada circulacin de corriente
elctrica, aumentada en su valor debido al incremento de la
resistividad del conductor, se redimensionara el dimetro:
Dimetro = 13.26mm
Se deber tener en cuenta el factor de servicio, el rendimiento
de un conductor y el coeficiente de seguridad para obtener las
correctas dimensiones.
Seleccionaremos un dimetro de 10mm (seccin = 78.539)
calor producido por efecto Joule
Calculo de calor a 20C
Calculo de calor a 110C
Comprobacin de cada de potencial admisible en el conductorLa
cada de potencial en el conductor utilizado deber ser menos a un
5%
La resistividad del cobre a 20C :
Resistencia a 20C:
Resistencia a 110C:
CLCULO DE LA CONDUCTIVIDAD
Para el este clculo usaremos el modelo de Drude-Lorentz
El modelo Drude-Lorentz de conduccin elctrica fue desarrollado
hacia el 1900 por Paul Drude para explicar las propiedades de
transporte de electrones en materiales, especialmente metlicos.
Este modelo proporciona una base de la mecnica clsica para la
conductividad de los metales, se basa en la aplicacin de la teora
cintica a los electrones en un slido.
Segn este modelo, un material dielctrico est formado
microscpicamente, por una red cristalina en la que existen tanto
electrones ligados como electrones libres que se muevan por la red.
Supone que el material contiene iones positivos inmviles y que un
"gas de electrones" clsicos, que no interactan entre s de densidad
n, donde el movimiento de cada uno se encuentra amortiguado por una
fuerza de friccin producto de las colisiones de los electrones con
los iones, caracterizada por un tiempo de relajacin . Los
electrones ligados estn sometidos a una fuerza elstica que los hace
oscilar alrededor de los iones de carga positiva, mientras que los
electrones libres son los responsables de la conductividad.
La aproximacin de suponer que los electrones se mueven sin
influencias de los otros electrones se conoce como la aproximacin
de electrones independientes, la suposicin de la no influencia de
los "iones" se conoce como la aproximacin de electrones libres. Las
colisiones, en el modelo de Drude, son eventos instantneos que
alteran la velocidad del electrn de forma abrupta.
La probabilidad de que un electrn sufra una colisin por unidad
de tiempo es 1/. En este modelo, el tiempo de colisin se supone
independiente de la velocidad o posicin del electrn. Durante el
tiempo los electrones recorren una distancia l = vo , llamada
recorrido libre medio. vo es la velocidad electrnica promedio.
CLCULO PARA UN METAL
El modelo de Drude permite explicar la ley de Ohm y se puede
estimar, dentro del modelo, la resistividad de un conductor
Siendo n la densidad de electrones, e su carga, y m su masa
De la tabla siguiente podemos obtener el tiempo a 20C
* Usamos que 20C son 293 KExtrapolando
Despejando x obtenemos que el el tiempo a 20C para el cobre es
de 2.54*10-14
Reemplazando en la ecuacin general determinamos la
conductividad
Los datos a reemplazar seran:
e = 1.602176565 * (35) * 1019 C
m = 9.10938291 * (40) * 1031 kg
n = 1028 e/m3
2.54*10-14
Valor de comparacin en tablas: 5.96 * 107
VERIFICACIN
Para la verificacin del dimetro del conductor, hemos comparado
las dimensiones del mismo con un motor el cual debera requerir un
motor de arranque de caractersticas similares a las requeridas por
este trabajo prctico.
Las fotos han sido obtenidas de un Volkswagen Gol 2011, motor
1.4 litros. El motor analizado est diseado para vehculos con
cilindrada menor a 1.6 litros, por lo tanto debera aproximarse en
dimensiones.
MOTOR
MOTOR DE ARRANQUE
CONDUCTOR A COMPARAR
ESPESOR DE LOS CABLES DE LA BATERIA
Luego de observar el motor de arranque y su conductor, se analiz
el dimetro del cable proveniente de la batera a los distintos
elementos del motor. Se utiliz un calibre Venier para lograr
realizar las mediciones de los distintos elementos, arribando a
valores ms pequeos de los calculados, el cable de la batera no
supera los 10mm y en el motor de arranque debido a su dificultad de
medicin (se encuentra tomado con precintos) se logr medir
aproximadamente 8mm.
3. NORMATIVA
TABLA REMOLQUES
(1) Obligatorio para anchura superior a 1,60 m y opcional para
anchura igual o inferior a 1,60 m.(2) Obligatorio en vehculos cuya
longitud supere los 6 m.(3) Si su anchura es superior a 2,10 m.(4)
Si estn agrupados a otros dispositivos traseros de sealizacin.(5)
La situacin y altura de cada dispositivo se ajustar a lo dispuesto
en la reglamentacin vigente de vehculos automviles.(6) En el
exterior del remolque, de forma que sea visible por el conductor
del vehculo tractor, desde su espejo retrovisor.(7)
Transitoriamente se autorizar su instalacin con carcter
excepcional, en funcin de la compatibilidad con la cabeza
tractora
Para valores de corriente, intensidad, iluminacin dados por la
norma podemos encontrarlas en el Anexo
4. REFERENCIAS
http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm08/fcm8_3.htmlhttp://www.infoleg.gob.ar/infolegInternet/anexos/30000-34999/30389/dto779-1995-anexoI.htmhttp://www4.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/Apuntes_EyM/Capitulo_6_Perdidas_y_calentamiento.pdfhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fusibles_en_automoci%C3%B3n
5. ANEXOS
ESQUEMA DEL TRACTOR-TRAILER
Orden de calculo de las lucesDe posicin
Giros
Freno y retroceso
Tabla de cables unifilares recubiertos con PVC Fonseca S.A.
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