DISEÑO DE BATERIA.pdf

U NI V E R S I D AD P O L IT C NI C A D E C A RTA G E N AE S C UE L A T C NI C A S U PE RI OR DE I N GEN IE R A I N DUS T R I A L

P R O Y E C T O F IN D E C AR R E R A 2 0 1 0-1 1

Titulacin: I.T.I. Electrnica IndustrialIntensificacin: Automtica IndustrialAlumno: Juan Jos Ros GimenoDirector/a/s: Pedro Daz Hernndez

Cartagena, 29 de febrero de 2012

Diseo de la tarjeta de control de uncargador de bateras de 1.5kW, basado en un

rectificador controlado monofsico.

UPCT PFC: Tarjeta de Control de un Cargador de Bateras

Juan Jos Ros Gimeno Pgina 1-2

I N D I C EAlarmas y estado del sistema................................................................................................... 1-20Anexos...................................................................................................................................... 5-56Anexos a la memoria................................................................................................................ 1-26Bibliografa ............................................................................................................................... 1-31Clculos justificativos ............................................................................................................... 1-26CONDICIONES GENERALES....................................................................................................... 3-49Esquemtico............................................................................................................................. 2-34Instalacin del sistema.............................................................................................................1-25Introduccin ............................................................................................................................... 1-3INTRODUCCIN........................................................................................................................ 3-49Memoria..................................................................................................................................... 1-2Memoria Descriptiva.................................................................................................................. 1-3Normativa................................................................................................................................... 1-4Panel de control ....................................................................................................................... 2-46PCB ........................................................................................................................................... 2-39PLACA DE CONTROL ................................................................................................................. 2-34PLANO DE SITUACIN .............................................................................................................. 2-33Planos ....................................................................................................................................... 2-32Pliego de condiciones .............................................................................................................. 3-48Presupuesto ............................................................................................................................. 4-53Sensores ................................................................................................................................... 1-16Sincronizacin de red ............................................................................................................... 1-11Sistema de alimentacin ............................................................................................................ 1-5Sistema de carga......................................................................................................................... 1-7Sistemas de seguridad.............................................................................................................. 1-23Unidad de Control .................................................................................................................... 1-12



1 MEMORIA



1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA1.1.1 INTRODUCCIN1.1.1.1 OBJETIVO DEL PROYECTOSe trata de realizar el diseo de la tarjeta de control de un cargador de bateras de 1.5kW,basado en un rectificador controlado monofsico, que nos permita cargar una determinadabatera a corriente constate. Este cargador nos permitir cargar bateras de 48 V. Tambin nospermite elegir la corriente aplicada durante la carga.1.1.1.2 TIPO DE BATERA Y MODOS DE CARGAEn funcin de sus diferentes propiedades elctricas hemos escogido las bateras de plomo-cido como las ms apropiadas para este proyecto ya que son las ms empleadas con losrequerimientos de potencia especificados en la ficha tcnica del proyecto.Teniendo en cuenta las diversas construcciones de las bateras de plomo pueden subdividirseen distintos tipos en funcin del puenteado y tambin estn las bateras conocidas comodryfit. Por tanto poseen distintos tiempos de carga. Tenemos pues bateras de los siguientestipos:

Bateras para carga de corta duracin (< 1 h) Bateras para cargas de larga duracin (carga capacitiva, > 1 h)

Por ello, y para establecer distintos modos de carga de la batera, disponemos unpotencimetro que nos permite elegir la intensidad de corriente aplicada durante la carga delas bateras.



1.1.2 NORMATIVALa normativa que vamos a aplicar en este proyecto es la UNE-EN_60335-2-29_2006 quecontrola los requisitos de seguridad para cargadores de bateras. Esta normativa complementaa la EN_60335-1 Aparatos electrodomsticos y anlogos. Seguridad. Parte I: requisitosgenerales, y por tanto la aplicacin a sido conjunta de ambas normativas.Tambin se a tenido en cuenta la UNE 1000-3-2 a modo de control de armnicos. En toda estanormativa, se deduce que no se requieren equipos con una distorsin armnica total pequeapara la corriente de entrada, sino un cumplimiento individual de los lmites para cadaarmnico. Esta circunstancia avala las soluciones pasivas, pues ellas no consiguen un THDpequeo pero son capaces de limitar las amplitudes de los armnicos de la corriente pordebajo de lo establecido en la normativa.Adems el proyecto tambin se atiene a toda la normativa relacionada a simbologa en losesquemas elctricos y electrnicos dispuesta por AENOR.



1.1.3 SISTEMA DE ALIMENTACINPara el diseo de la alimentacin se ha tenido en cuenta que este proyecto cuenta con tresetapas bien diferenciadas que son la etapa de potencia (Figura 1), la etapa de control y laetapa de alimentacin (Figura 2).La etapa de potencia est formada por el sistema de carga (apartado 1.1.4) que proporciona laenerga necesaria para la carga de la batera. Desde la toma de red interpondremos untransformador cuya funcin es aislar galvnicamente y reducir la tensin al valor deseado deentrada en el sistema de carga, posteriormente mediante el rectificador controlado seadecuaran las tensiones y corrientes deseadas para la carga de la batera.

FIGURA 1

La etapa de alimentacin es la encargada de ofrecer energa a la etapa de control y a lossensores proporcionando aislamiento galvnico de la tensin de red y la etapa de potencia.Esta etapa cuenta con un transformador de 12V con toma intermedia, entre bornes deltransformador tenemos un puente rectificador de diodos con capacidad de 2A cuya se conectaa tres fuentes de alimentacin lineal dispuestas en paralelo para obtener valores estables detensin a 12V, -12V y 5V; a la salida del puente rectificador y antes del filtrado y conversin detensin se conecta la entrada de la fase de sincronizacin de red (apartado 1.1.5).

FIGURA 2

La etapa de control est formada por la unidad de control (apartado 1.1.6), los sensores(apartado 1.1.7) y los sistemas de alarmas y visualizacin (apartado 1.1.8).1.1.3.1 FILTRADOAntes y despus de la fuentes de alimentacin lineal de la etapa de control se filtra mediantecondensadores para asegurar que la alimentacin de los sensores y el sistema de control es lomas estable posible.



Se dispone de un filtro RC a la entrada del semiconvertidor desde la red para minimizar laentrada de armnicos al sistema.Por ltimo tenemos otro filtro RC antes de la fase de sincronizacin de red, para evitar que losarmnicos introducidos por la inductancia del transformador confundan al circuito.



1.1.4 SISTEMA DE CARGADe entre las topologas disponibles entre los rectificadores monofsicos controlados hemoselegido como mejor opcin al semiconvertidor monofsico por su relativa sencillez deimplementacin y por ajustarse debidamente a las especificaciones solicitadas.1.1.4.1 SEMICONVERTIDOR MONOFSICO CON TIRISTORESLa disposicin del circuito de un semiconvertidor monofsico aparece en la Figura 3, donde lacarga est formada por una batera y una resistencia. La corriente de carga se supone continuay libre de componentes ondulatorias. Durante el medio ciclo positivo, el tiristor T1 tienepolarizacin directa. Cuando el tiristor T1 se dispara en t = , la carga se alimenta a laalimentacin de entrada a travs de T1 y D2 durante el perodo t . Durante el perodo t (+), el voltaje de entrada es negativo y el diodo de marcha libre Dm tienepolarizacin directa. Dm conduce para proporcionar la continuidad de corriente de la cargainductiva. La corriente de carga se transfiere de T1 y D2 a Dm, y el tiristor T1 as como el diodo D2se desactivan. Durante el medio ciclo negativo del voltaje de entrada, el tiristor T2 queda conpolarizacin directa y el disparo del tiristor T2 en t = + invierte la polarizacin Dm. El diodoDm se desactiva y la carga se conecta a la alimentacin a travs de T2 y D1.

FIGURA 3

La Figura 4 muestra la regin de operacin del convertidor, donde tanto el voltaje como lacorriente de salida tienen polaridad positiva. La Figura 5 muestra las formas de onda para elvoltaje de entrada, el voltaje de salida, la corriente de entrada y las corrientes a travs de T1 yT2, D1 y D2. Este convertidor tiene un mejor factor de potencia, debido a la operacin del diodode marcha libre.

FIGURA 4



FIGURA 5

El voltaje promedio de salida se puede encontrar a partir de:

= (1 + cos( ))Donde VDC varia desde 2 / hasta 0 al variar desde 0 hasta .1.1.4.2 DRIVER DE DISPARO DE LOS TIRISTORESSupondremos inicialmente que los tiristores usados en el semiconvertidor son de tipo SCR, porlo que para activarlos efectivamente necesitamos interponer un transformador de pulsos quetome como entrada la seal de activacin enviada por la unidad de control y que genere a lasalida una corriente suficiente entre puerta y ctodo (Figura 6).



FIGURA 6

La extincin del tiristor ocurrir naturalmente en cada semiperiodo cuando la corriente entrenodo y ctodo sea cercana a cero por lo que si sincronizamos las seales de activacin coneste evento no seria necesario un circuito de extincin forzada.

FIGURA 7

En el caso de que la solucin expuesta mas arriba no sea suficientemente adecuada laalternativa mas sencilla seria la de seleccionar tiristores de tipo GTO que tienen las mismascaractersticas para el disparo y extincin natural que los de tipo SCR y adems permiten laextincin forzada aplicando una corriente negativa entre los terminales de puerta y ctodo



(Figura 7), por lo que simplemente necesitamos una seal extra de la unidad de control paracada tiristor que indique cuando se debe forzar la extincin de dicho tiristor. En la Figura 8podemos ver el driver implementado.

FIGURA 81.1.4.3 ESTABILIZACIN DE CORRIENTE A LA SALIDA.Para que el circuito descrito anteriormente mantenga la corriente continua a la salida, hemosdispuesto una bobina en serie con la batera, la cual debemos dimensionar correctamente, quenos permite mantener un valor de corriente constante a la salida.Podemos apreciar en el circuito simulado que el valor de la bobina est calculado para que elrizado de la corriente de salida sea lo ms pequeo posible, y evitar as que sta entre enrgimen discontinuo.



1.1.5 SINCRONIZACIN DE REDPara sincronizar la seal triangular con la seal sinusoidal de la alimentacin de red usaremosun detector de paso por cero, que como su propio nombre indica, proporcionara un pulso en lasalida cada vez que la entrada este prxima a 0 Voltios.

FIGURA 9

Para implementar el detector de paso por cero usaremos un comparador de ventana (Figura 9)con un circuito clamper a la salida que nos proporcionara pulsos de 5V de amplitud. Usandolos dos potencimetros de la Figura 10 ajustaremos el umbral de deteccin para obtener laduracin de pulso deseada.

FIGURA 10



1.1.6 UNIDAD DE CONTROLEl ncleo del sistema de control est formado por un microcontrolador PIC de la empresaMicrochip. El flujo de programa principal es el mostrado en la Figura 11 y se encarga de lossiguientes puntos:

Generar las seales de disparo de los tiristores Procesar la informacin de los sensores Mostrar el estado del sistema y la gestin de alarmas.

Por ahora nos centraremos en el primer punto ya que los dos siguientes son explicados condetalle en sendos apartados.

FIGURA 11



1.1.6.1 SEAL DE DISPARO DE LOS TIRISTORESLo primero que necesitamos para controlar el disparo de los tiristores es generar una sealdiente de sierra de referencia de la misma frecuencia a la que queremos disparar los tiristores.

FIGURA 12

Para generar dicha seal usaremos uno de los temporizadores internos del microcontrolador, ydado que hemos elegido que la frecuencia de activacin coincida con la frecuencia deextincin natural de los tiristores en el semiconvertidor, la que pondremos a cero cada vezque la etapa de sincronizacin de red (ver apartado 1.1.5) nos lo indique.

FIGURA 13



Para elegir la potencia que deseamos entregar a la batera disponemos de un potencimetrocon el cual podemos elegir la corriente de carga entre 0 y 30 Amperios. Este potencimetroest conectado a uno de los puertos del conversor A/D del microcontrolador y entrega unatensin de 0 Voltios cuando la corriente seleccionada es de 0 Amperios, y una tensin de 5Voltios cuando la corriente seleccionada son 30 Amperios. Esto nos permite maximizar laresolucin del conversor A/D.

FIGURA 14

De la batera monitorizaremos la corriente real que inyectamos en la batera, cuyo valorcompararemos con el valor establecido mediante el potencimetro y a la diferencia entre elvalor deseado y el valor medido aplicamos un algoritmo PID que explicaremos ms abajo, elresultado de dicho algoritmo lo compararemos con la seal triangular y en el caso de que elvalor de la seal triangular sea superior generaremos el pulso de disparo del tiristor. Como semuestra en la Figura 141.1.6.2 ALGORITMO PIDUn PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentacin quecalcula la desviacin o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener, paraaplicar una accin correctora que ajuste el proceso. El algoritmo de clculo del control PID seda en tres parmetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valorProporcional determina la reaccin del error actual. El Integral genera una correccinproporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de controlsuficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reaccin del



tiempo en el que el error se produce. Los controladores PI son particularmente comunes, yaque la accin derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puedeevitar que se alcance al valor deseado debido a la accin de control.La respuesta del controlador puede ser descrita en trminos de respuesta del control ante unerror, el grado el cual el controlador llega al "setpoint", y el grado de oscilacin del sistema.La parte proporcional consiste en el producto entre la seal de error y la constanteproporcional (Kd) como para que hagan que el error en estado estacionario sea casi nulo. Lafrmula del proporcional esta dada por:

El modo de control Integral tiene como propsito disminuir y eliminar el error en estadoestacionario, provocado por el modo proporcional, el error es integrado, lo cual tiene lafuncin de promediarlo o sumarlo por un perodo determinado; Luego es multiplicado por unaconstante Ki. La formula del integral esta dada por:

La accin derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error, Lafuncin de la accin derivativa es mantener el error al mnimo corrigindoloproporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el errorse incremente. Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante Kd y luegose suma a las seales anteriores (P+I). Es importante adaptar la respuesta de control a loscambios en el sistema ya que una mayor derivativa corresponde a un cambio ms rpido y elcontrolador puede responder acordemente. La frmula del derivativo esta dada por:



1.1.7 SENSORES1.1.7.1 SENSOR DE TENSINPara medir la tensin usaremos un transformador de DC de relacin 12:1 lo que nos permitirmedir una tensin de hasta 60 en bornes de la batera y nos proporciona en aislamientogalvnico que necesitamos.

FIGURA 15

En la Figura 15 podemos observar que hemos incluido un pequeo condensador de 100nF paraestabilizar la tensin ofrecida por el trafo y a continuacin un circuito seguidor de tensin cuyasalida conectaremos al conversor A/D del microcontrolador.

FIGURA 16



1.1.7.2 SENSOR DE CORRIENTEPara la medida de la corriente disponemos del ACS755xCB-050, un sensor integrado de efectorhall con circuito de acondicionamiento de seal interno y aislamiento galvnico. Este sensorproporciona una salida de 0 a 5 Voltios para una entrada de 0 a 50 Amperios con un errormximo de 0.1 Amperios.

FIGURA 17

Hemos conectado el pin 4 y 5 en serie con la batera, los pines 1 y 2 a la alimentacin de laetapa de control y el pin 3 a la entrada del conversor A/D de nuestro microcontrolador.

FIGURA 18



FIGURA 191.1.7.3 SENSOR DE TEMPERATURAPara medir la temperatura de los disipadores usaremos el sensor MCP9801, un sensor digitaldotado de bus I2C y 3 bits para programar la direccin que tiene asignado en dicho bus por loque podramos conectar hasta ocho sensores usando los mismos dos cables.

FIGURA 20

Adems cuenta con aviso de exceso de temperatura e histresis para dicho aviso programablespor lo que podemos controlar la desconexin del sistema independientemente de la unidad de



control, o avisar a esta inmediatamente cuando esto suceda y la UC realice las accionespertinentes. En la Figura 21 vemos la lgica de funcionamiento del sensor.

FIGURA 21

La resolucin de la medida varia entre 0,5 C/Bit hasta 0,0625 C/Bit en funcin de laresolucin configurada para el conversor A/D interno entre 9 y 12 Bits, mientras que el errorde precisin mximo en el rango de -10C hasta 85C es de 1C, por lo que el error total de lamedida es inferior al 5%.



1.1.8 ALARMAS Y ESTADO DEL SISTEMA1.1.8.1 EXCESO DE TEMPERATURAEn caso de sobrecalentamiento de los tiristores usaremos los sensores indicados en la seccin1.1.7.3, que como ya hemos comentado pueden forzar la desconexin del sistemaindependientemente de la unidad de control.

FIGURA 22

Como se observa en la Figura 22 usaremos esta seal de sobrecalentamiento que nos ofrece elsensor para encender un LED y avisar a la unidad de control del problema. Programaremoseste aviso de temperatura en 70C. En la Figura 23 podemos observar el funcionamientonormal del cargador, ste comprobara peridicamente la temperatura del sistema y en el casode que la temperatura supere los 80C se proceder a la desconexin total de la etapa depotencia y se impedir la puesta en funcionamiento hasta que la temperatura descienda de60C.



FIGURA 231.1.8.2 ESTADO DE CARGA DE LA BATERASabemos que cada celda de una batera de acido-plomo entrega aproximadamente 2 Voltiosde tensin, concretamente cuando la celda esta descargada esta tensin es de 1.95V y de 2.1Vcuando la batera esta completamente cargada. Una batera de 48V est compuesta por 24celdas en serie por tanto, suponiendo una carga homognea entre todas las celdas, la tensinsin carga en bornes de la batera oscilara entre 46.8V y 50.4. Con esos datos podemosmonitorizar el estado de carga de la batera mediante la unidad de control. Opcionalmentepodemos incluir un sistema de medida basado en amplificadores operacionales similar al de laFigura 24 que indique el nivel de carga en la batera.



FIGURA 241.1.8.3 SISTEMA DE VISUALIZACIONPara la visualizacin de las variables del sistema (valores de tensin y corriente), as como paraalgn mensaje sobre el estado del proceso, se ha optado por un LCD 16x2 como el de la Figura25 controlado por el chip HD44780, bastante comn en este tipo de aplicaciones. Dicho LCD hasido conectado al microcontrolador usando cuatro lneas para el bus de datos, tres lneas paralas seales de control y alimentacin necesaria.

FIGURA 25



1.1.9 SISTEMAS DE SEGURIDAD1.1.9.1 INTERRUPTOR DE POTENCIAA la entrada de la lnea de red el sistema lleva un interruptor de encendido-apagado con unfusible en serie que nos permite apagar el equipo en cualquier momento y nos protege desobreintensidades.

FIGURA 26

En la Figura 26 podemos observa todos los conectores disponible en placa.1.1.9.2 SISTEMA DE VENTILACINSe ha de tener en cuenta que estamos trabajando con bateras de tipo plomo-cido, en las queel sistema de carga consiste en que el la solucin alcance una tensin de gasificacin, estopuede generar algn tipo de prdida de gases o vapores txicos y corrosivos. Estas emisionesson nocivas para cualquier persona e incluso ser corrosivos para cualquier objeto que seencuentre cerca de la instalacin.Por ello se estipula que las bateras han de cargarse en un entorno ventilado y con la suficienterenovacin de aire. Considerando la opcin ms apropiada un sistema de ventilacin forzadacon un punto de extraccin de aire sobre la zona en donde se van a alojar las bateras durantela carga. A continuacin vemos un esquema bsico de cmo funcionaria el sistema deventilacin.



FIGURA 27

En el Anexo II sistemas de ventilacin se incluye un catalogo del extractor de la figura dearriba y un manual de instrucciones bsico para el mismo.1.1.9.3 SEGURIDAD ANTI INCENDIOS.Como medida de seguridad para la prevencin de incendios, el local donde se instale eldispositivo especificado en este proyecto ha de contar con un extintor de polvo seco y otroextintor de Anhdrido Carbnico (CO2), que no es conductor de la electricidad.En el Anexo III Prevencin de incendios se ha incluido un manual editado por un cuerpo debomberos en el que explica desde los tipos de extintores y las medidas de mantenimiento,hasta el modo de empleo.



1.1.10 INSTALACIN DEL SISTEMALa instalacin del sistema consistir en enchufar el cargador a una toma de tensin monofsicaa 230 Vrms, es decir a una toma de corriente normal de uso domestico con enchufe depotencia.En el Anexo IV Criterios para instalaciones elctricas se incluye una pequea gua de cosas atener en cuenta a la hora de hacer la instalacin del cableado y dems, para el caso deinstalacin de una nueva toma.Para la disposicin del sistema se ha seleccionado un garaje, que podra ser un sitio tpico paraencontrar un dispositivo de estas caractersticas. El croquis se puede encontrar en la seccinde planos.



1.2 ANEXOS A LA MEMORIA1.2.1 CLCULOS JUSTIFICATIVOS1.2.1.1 CLCULO DE LA CORRIENTE DE SALIDA DEL SEMICONVERTIDOR.Para poder buscar el valor de la corriente de salida del semiconvertidor, debemos buscarprimero el valor de la tensin media. La tensin media en la salida es la siguiente:

El valor de Vdc puede modificarse o variar, desde 2Vm/ hasta 0 al variar el ngulo de disparo() de los tiristores desde 0 hasta . El voltaje promedio mximo de salida es

y el voltaje promedio de salida normalizado

Una vez obtenemos el valor del voltaje medio de salida, podemos obtener fcilmente el valorde la corriente de carga de la batera. Dicho valor lo obtenemos de la siguiente manera:

Donde Rbat es la resistencia serie que tienen todas las bateras y Ebat es el valor de la batera.Para poder disear correctamente el valor de la bobina en la carga, debemos saber el valor delos armnicos de la corriente de carga. Para calcular los armnicos, debemos hallar primero losarmnicos de la tensin de salida del semiconvertidor. El valor de stos armnicos son lossiguientes:

A partir de la ecuacin (5), podemos obtener el valor de los armnicos de la corriente de cargade la batera, haciendo las transformaciones con la ecuacin (6).



Los valores de los armnicos correspondientes al rizado de la corriente de salida, losobtenemos dando valores a Isn. Estos armnicos los podremos reducir, colocando una bobinaen la carga.1.2.1.2 CLCULO DE LA CORRIENTE DE ENTRADA DEL SEMICONVERTIDOR.Para el clculo de la corriente de entrada del semiconvertidor, tendremos en cuenta la tensinde alimentacin del circuito (220V), y el ngulo de disparo de los tiristores. Con estas doscondiciones, el valor de los armnicos se calcula de la siguiente manera:

Donde: Ia= es la corriente media que tenemos en la salida del semiconvertidor. Isn= es el valor n del armnico de la corriente de entrada.

En la ecuacin (7), hallamos el valor de la corriente de entrada del semiconvertidor. Lasecuaciones siguientes nos mostrarn el clculo de los armnicos.



La ecuacin (8), nos muestra el clculo del valor rms de la componente armnica de orden nde la corriente de entrada.

De la ecuacin (8), el valor rms de la corriente fundamental es

La corriente de entrada rms, tambin la podemos calcular a partir de la ecuacin (8).

Los valores de la ecuacin (9), deben cumplir la norma UNE-EN 61000-3-2, con lo cualdebemos elegir el valor del ngulo de disparo de los tiristores que nos permite cumplir lanorma.1.2.1.3 CLCULO DE LOS FILTROS UTILIZADOS EN EL SEMICONVERTIDOR CONTIRISTORES.En el semiconvertidor con tiristores, hemos colocado una bobina entre la carga y la salida delsemiconvertidor. sta bobina, tiene como objetivo mantener el valor de la corriente en lacarga, y eliminar un porcentaje del contenido de los armnicos en la carga.En ste semiconvertidor, hemos probado poner un filtro paso bajo (RC) en la entrada, parapoder eliminar los armnicos de la corriente de entrada. A continuacin mostraremos losclculos que hemos utilizado en stos filtros.1.2.1.4 DISEO DE BOBINA EN LA CARGA DEL SEMICONVERTIDOR.La bobina en la carga la hemos diseado, para permitirnos mantener la corriente constante enla salida y para eliminar un porcentaje los armnicos de la corriente de salida delsemiconvertidor.En la figura 1, podemos ver un esquema del filtro utilizado en el semiconvertidor con tiristores.



El primer paso a seguir, es buscar los armnicos de la corriente de entrada delsemiconvertidor. El clculo de la bobina lo haremos para el peor caso, que es el de una baterade 48V y una corriente de carga de 30A.El valor del inductor limitar la corriente rms de la componente ondulatoria Ica 1% .La impedancia de carga es:

Para el clculo del rizado de la corriente de salida, utilizamos la armnica de orden ms bajo(n=2), como la significativa. Tenemos la siguiente ecuacin del armnico ms significativo:

Usando el valor de la corriente continua (Icd), obtenemos la ecuacin del factor de lacomponente ondulatoria descrita en la ecuacin.

En nuestro caso, para reducir la componente ondulatoria ms del 1%, seguiremos lossiguientes pasos:Lo que tenemos que hacer primero, es buscar el ngulo de disparo que nos permite obteneruna corriente de 30A con una batera de 48V.

= 78.11



Una vez obtenemos el valor del ngulo de disparo, buscaremos el valor de la componenteondulatoria (Isn) de orden ms bajo (n=2). Dicha componente la buscamos a partir de laecuacin (6).Para n=2 obtenemos el siguiente valor de la corriente ondulatoria:

Is1 = 0.843A.Una vez obtenido el valor de la componente ondulatoria, podremos buscar el valor de labobina que nos reduzca como mnimo el 1% de la componente ondulatoria. Dicho valor localculamos y obtenemos:

H = 0.5HPodemos ver como el valor de la bobina para reducir el 1% de la componente ondulatoria esL=0.5 H. En la simulacin hemos elegido una bobina de L=50mH ya que nos proporcionamejores resultados para los armnicos de la corriente de entrada del semiconvertidor.En la simulacin, hemos podido comprobar que las bobinas con valores altos nos mejoran losarmnicos altos y nos empeoran los bajos. En cambio, las bobinas con valor pequeo nosempeoran los armnicos altos y nos mejoran los bajos. Por ste motivo, hemos consideradoutilizar bobinas con valor bajo, aunque nos empeore el valor del rizado de la corriente desalida, ya que ste no importa que tenga un cierto rizado



1.3 BIBLIOGRAFA[1] Muhammad H. Rashid, Electrnica de potencia. Circuitos, dispositivos y aplicaciones.Ed. Prentice Hall, 1995.[2] B.M. Bird, K.G. King, D.A.G. Pedder, An introduction to power electronics. Ed.Wiley, 1993.[3] Philip T. Krein, Elements of power electronics. Ed. Oxford University Press, 1998[4] Robert W. Erickson, fundamentals of power electronics. Ed. Kluwer AcademicPublishers (KAD), 1999.[5] Kjeld Thorborg, Power electronics. Ed. Prentice Hall, 1988.[6] Jos Arrillaga, Bruce C. Smith, Power system harmonic analysis. Ed. Wiley, 2000.[7] Miro Milanovic, Electrnica de potencia. Universidad de Maribor, 1997.[8] http://www.forosdeelectronica.com



2 PLANOS



2.1 PLANO DE SITUACINDebido a la naturaleza del producto concretado en este proyecto, es un dispositivo que sepuede encontrar en diferentes sitios, aun as he seleccionado un garaje de un taller, ya podraser un entorno tpico donde encontrar nuestro producto.En realidad no es un plano, sino ms bien un croquis de una distribucin apropiada del garaje yel emplazamiento del dispositivo y algn elemento de seguridad como el extintor que no debesituarse lejos del dispositivo. Y el sistema de ventilacin debera de ir sobre el hueco entre las 2lneas de los conectores que es el emplazamiento de las bateras.

FIGURA 28. CROQUIS DE SITUACIN

El dispositivo se situara en el cuadrado negro y las dos lneas de la derecha serian los cables deconexin con la batera.



2.2 PLACA DE CONTROL2.2.1 ESQUEMTICOEl esquemtico se ha organizado en un solo plano de conjunto que nos aporta una visinglobal de todos los elementos que incorpora nuestro sistema de control de carga.Para facilitar su comprensin se ha establecido una disposicin bastante modular en la que seaprecian bastante independientes los distintos bloques: por un lado la etapa de potencia sesita en la zona superior del esquemtico, junto con los sensores que toman medidas de ella ylos drivers para el disparo de los tiristores; por debajo de sta encontramos la etapa dealimentacin, el paso por cero; debajo de la alimentacin tenemos el modulo de control, conlos indicadores, la pantalla LCD y el resto de componentes.El circuito est diseado para la impresin en un formato A2 por lo cual est disminuido a uncuarto de su tamao real. Para facilitar su examinacin tambin se proporcionan esquemas decada bloque para su impresin en formato A4.Listamos a continuacin dichos esquemas:

Figura 29. Circuito completo Figura 30. Etapa de potencia Figura 31. Etapa de alimentacin Figura 32. Etapa de control



FIGURA 29. CIRCUITO COMPLETO



FIGURA 30. ETAPA DE POTENCIA



FIGURA 31. ETAPA DE ALIMENTACIN



FIGURA 32. ETAPA DE CONTROL



2.2.2 PCBLa disposicin de la PCB se ha realizado teniendo en cuenta que la etapa de potencia introduceruidos y armnicos al sistema que podran distorsionar nuestras seales de control, yestropear as el buen funcionamiento. Por ello, a pesar de estar realizado todo el circuito enuna sola placa para minimizar costes de fabricacin de placas y de conexionado entre lasmismas, la placa esta fabricada con 2 capas interiores.El sensor de temperatura se encuentra junto a los disipadores de los tiristores en la zona depotencia que es donde la temperatura es ms elevada, ya que las prdidas por disipacin sonaltas.Los conectores son los indicados en los anexos, capaces de soportar tensiones muy superioresa las que tenemos y corrientes de hasta 40A de continua y el cable de conexionado con labatera es de 1.5 metros de largo. El ancho de pista en de 2.54 cm para soportar la corrienteque debe circular por la placa.El panel de control por tanto se situara en la zona inferior de la caja del dispositivo y quedaracon una apariencia parecida a la del esquema del apartado 2.2.3.



FIGURA 33. PLACA COMPLETA



FIGURA 34. CAPA TOP



FIGURA 35. CAPA INNER1



FIGURA 36. CAPA INNER2



FIGURA 37. CAPA BOTTOM



FIGURA 38. PCB TERMINADA



2.2.3 PANEL DE CONTROLEste plano es simplemente un boceto de cmo quedara el panel de control en funcin de ladistribucin que han seguido los componentes a la hora de situarse sobre la placa de circuitoimpreso. Es una simple ayuda para visualizar el resultado del prototipo sin entrar en el diseodel formato de la caja del dispositivo

FIGURA 39. PANEL DE CONTROL



2.2.4 NOTA FINALEl diseo de todos los esquemticos y PCB se ha empleado el programa Proteus.

Para el apartado de esquemas y simulaciones se ha usado el modulo ISIS 7Professional.Para la creacin de la placa y diseo de la PCB se ha usado el modulo ARES 7Professional.

El croquis de la ubicacin est realizado en Autocad.El boceto del panel de control est realizado en LabVIEW.



3 PLIEGO DE CONDICIONES



1.1 INTRODUCCINEste documento contiene las condiciones legales que guiarn la realizacin, en este proyecto,de Solucin Integral en materia de Seguridad Electrnica. En lo que sigue, se supondr que elproyecto ha sido encargado por una empresa cliente a una empresa consultora con la finalidadde realizar dicho sistema. Dicha empresa ha debido desarrollar una lnea de investigacin conobjeto de elaborar el proyecto. Esta lnea de investigacin, junto con el posterior desarrollo delos programas est amparada por las condiciones particulares del siguiente pliego.

1.2 CONDICIONES GENERALESSupuesto que la utilizacin industrial de los mtodos recogidos en el presente proyecto ha sidodecidida por parte de la empresa cliente o de otras, la obra a realizar se regular por lassiguientes condiciones generales:

I. La modalidad de contratacin ser el concurso. La adjudicacin se har, por tanto, a laproposicin ms favorable sin atender exclusivamente al valor econmico,dependiendo de las mayores garantas ofrecidas. La empresa que somete el proyecto aconcurso se reserva el derecho a declararlo desierto.

II. El montaje y mecanizacin completa de los equipos que intervengan ser realizadototalmente por la empresa licitadora.

III. En la oferta, se har constar el precio total por el que se compromete a realizar la obray el tanto por ciento de baja que supone este precio en relacin con un importe lmitesi este se hubiera fijado.

IV. La obra se realizar bajo la direccin tcnica de un Ingeniero Superior Industrial,auxiliado por el nmero de Ingenieros Tcnicos y Programadores que se estimepreciso para el desarrollo de la misma.

V. Aparte del Ingeniero Director, el contratista tendr derecho a contratar al resto delpersonal, pudiendo ceder esta prerrogativa a favor del Ingeniero Director, quien noestar obligado a aceptarla.

VI. El contratista tiene derecho a sacar copias a su costa de los planos, pliego decondiciones y presupuestos. El Ingeniero autor del proyecto autorizar con su firma lascopias solicitadas por el contratista despus de confrontarlas.

VII. Se abonar al contratista la obra que realmente ejecute con sujecin al proyecto quesirvi de base para la contratacin, a las modificaciones autorizadas por lasuperioridad o a las rdenes que con arreglo a sus facultades le hayan comunicado porescrito al Ingeniero Director de obras siempre que dicha obra se haya ajustado a lospreceptos de los pliegos de condiciones, con arreglo a los cuales, se harn lasmodificaciones y la valoracin de las diversas unidades sin que el importe total puedaexceder de los presupuestos aprobados. Por consiguiente, el nmero de unidades quese consignan en el proyecto o en el presupuesto, no podr servirle de fundamentopara entablar reclamaciones de ninguna clase, salvo en los casos de rescisin

VIII. Tanto en las certificaciones de obras como en la liquidacin final, se abonarn lostrabajos realizados por el contratista a los precios de ejecucin material que figuran enel presupuesto para cada unidad de la obra.

IX. Si excepcionalmente se hubiera ejecutado algn trabajo que no se ajustase a lascondiciones de la contrata pero que sin embargo es admisible a juicio del IngenieroDirector de obras, se dar conocimiento a la Direccin, proponiendo a la vez la rebaja



de precios que el Ingeniero estime justa y si la Direccin resolviera aceptar la obra,quedar el contratista obligado a conformarse con la rebaja acordada.

X. Cuando se juzgue necesario emplear materiales o ejecutar obras que no figuren en elpresupuesto de la contrata, se evaluar su importe a los precios asignados a otrasobras o materiales anlogos si los hubiere y cuando no, se discutirn entre el IngenieroDirector y el contratista, sometindolos a la aprobacin de la Direccin. Los nuevosprecios convenidos por uno u otro procedimiento, se sujetarn siempre al establecidoen el punto anterior.

XI. Cuando el contratista, con autorizacin del Ingeniero Director de obras, empleemateriales de calidad ms elevada o de mayores dimensiones de lo estipulado en elproyecto, o sustituya una clase de fabricacin por otra que tenga asignado mayorprecio o ejecute con mayores dimensiones cualquier otra parte de las obras, o engeneral, introduzca en ellas cualquier modificacin que sea beneficiosa a juicio delIngeniero Director de obras, no tendr derecho sin embargo, sino a lo que lecorrespondera si hubiera realizado la obra con estricta sujecin a lo proyectado ycontratado.

XII. Las cantidades calculadas para obras accesorias, aunque figuren por partida alzada enel presupuesto final (general), no sern abonadas sino a los precios de la contrata,segn las condiciones de la misma y los proyectos particulares que para ellas seformen, o en su defecto, por lo que resulte de su medicin final.

XIII. El contratista queda obligado a abonar al Ingeniero autor del proyecto y director deobras as como a los Ingenieros Tcnicos, el importe de sus respectivos honorariosfacultativos por formacin del proyecto, direccin tcnica y administracin en su caso,con arreglo a las tarifas y honorarios vigentes.

XIV. Concluida la ejecucin de la obra, ser reconocida por el Ingeniero Director que a talefecto designe la empresa.

XV. La garanta definitiva ser del 4% del presupuesto y la provisional del 2%.XVI. La forma de pago ser por certificaciones mensuales de la obra ejecutada, de acuerdo

con los precios del presupuesto, deducida la baja si la hubiera.XVII. La fecha de comienzo de las obras ser a partir de los 15 das naturales del replanteo

oficial de las mismas y la definitiva, al ao de haber ejecutado la provisional,procedindose si no existe reclamacin alguna, a la reclamacin de la fianza.

XVIII. Si el contratista al efectuar el replanteo, observase algn error en el proyecto, debercomunicarlo en el plazo de quince das al Ingeniero Director de obras, puestranscurrido ese plazo ser responsable de la exactitud del proyecto.

XIX. El contratista est obligado a designar una persona responsable que se entender conel Ingeniero Director de obras, o con el delegado que ste designe, para todorelacionado con ella. Al ser el Ingeniero Director de obras el que interpreta elproyecto, el contratista deber consultarle cualquier duda que surja en su realizacin.

XX. Durante la realizacin de la obra, se girarn visitas de inspeccin por personalfacultativo de la empresa cliente, para hacer las comprobaciones que se creanoportunas. Es obligacin del contratista, la conservacin de la obra ya ejecutada hastala recepcin de la misma, por lo que el deterioro parcial o total de ella, aunque sea poragentes atmosfricos u otras causas, deber ser reparado o reconstruido por sucuenta.

XXI. El contratista, deber realizar la obra en el plazo mencionado a partir de la fecha delcontrato, incurriendo en multa, por retraso de la ejecucin siempre que ste no seadebido a causas de fuerza mayor. A la terminacin de la obra, se har una recepcinprovisional previo reconocimiento y examen por la direccin tcnica, el depositario de



efectos, el interventor y el jefe de servicio o un representante, estampando suconformidad el contratista.

XXII. Hecha la recepcin provisional, se certificar al contratista el resto de la obra,reservndose la administracin el importe de los gastos de conservacin de la mismahasta su recepcin definitiva y la fianza durante el tiempo sealado como plazo degaranta. La recepcin definitiva se har en las mismas condiciones que la provisional,extendindose el acta correspondiente. El Director Tcnico propondr a la JuntaEconmica la devolucin de la fianza al contratista de acuerdo con las condicioneseconmicas legales establecidas.

XXIII. Las tarifas para la determinacin de honorarios, reguladas por orden de la Presidenciadel Gobierno el 19 de Octubre de 1961, se aplicarn sobre el denominado en laactualidad Presupuesto de Ejecucin de Contrata y anteriormente llamadoPresupuesto de Ejecucin Material que hoy designa otro concepto.

1.3 CONDICIONES PARTICULARESLa empresa consultora, que ha desarrollado el presente proyecto, lo entregar a la empresacliente bajo las condiciones generales ya formuladas, debiendo aadirse las siguientescondiciones particulares:

I. La propiedad intelectual de los procesos descritos y analizados en el presente trabajo,pertenece por entero a la empresa consultora representada por el Ingeniero Directordel Proyecto.

II. La empresa consultora se reserva el derecho a la utilizacin total o parcial de losresultados de la investigacin realizada para desarrollar el siguiente proyecto, bienpara su publicacin o bien para su uso en trabajos o proyectos posteriores, para lamisma empresa cliente o para otra.

III. Cualquier tipo de reproduccin aparte de las reseadas en las condiciones generales,bien sea para uso particular de la empresa cliente, o para cualquier otra aplicacin,contar con autorizacin expresa y por escrito del Ingeniero Director del Proyecto, queactuar en representacin de la empresa consultora.

IV. En la autorizacin se ha de hacer constar la aplicacin a que se destinan susreproducciones as como su cantidad.

V. En todas las reproducciones se indicar su procedencia, explicitando el nombre delproyecto, nombre del Ingeniero Director y de la empresa consultora.

VI. Si el proyecto pasa la etapa de desarrollo, cualquier modificacin que se realice sobrel, deber ser notificada al Ingeniero Director del Proyecto y a criterio de ste, laempresa consultora decidir aceptar o no la modificacin propuesta.

VII. Si la modificacin se acepta, la empresa consultora se har responsable al mismo nivelque el proyecto inicial del que resulta el aadirla.

VIII. Si la modificacin no es aceptada, por el contrario, la empresa consultora declinartoda responsabilidad que se derive de la aplicacin o influencia de la misma.

IX. Si la empresa cliente decide desarrollar industrialmente uno o varios productos en losque resulte parcial o totalmente aplicable el estudio de este proyecto, debercomunicarlo a la empresa consultora.

X. La empresa consultora no se responsabiliza de los efectos laterales que se puedanproducir en el momento en que se utilice la herramienta objeto del presente proyectopara la realizacin de otras aplicaciones.



XI. La empresa consultora tendr prioridad respecto a otras en la elaboracin de losproyectos auxiliares que fuese necesario desarrollar para dicha aplicacin industrial,siempre que no haga explcita renuncia a este hecho. En este caso, deber autorizarexpresamente los proyectos presentados por otros.

XII. El Ingeniero Director del presente proyecto, ser el responsable de la direccin de laaplicacin industrial siempre que la empresa consultora lo estime oportuno. En casocontrario, la persona designada deber contar con la autorizacin del mismo, quiendelegar en l las responsabilidades que ostente.



4 PRESUPUESTO



Bill Of Materials para cargador de baterasDesign Title :Cargador de baterasAuthor :Juan Jos Ros GimenoDesign Last Modified :martes, 28 de febrero de 2012Total Parts In Design :6415 ResistenciasCantidad: Referencia Valor Precio Ud Total2 R1, R2 220 0.30 0.60 3 R3, R6, R7 10k 0.30 0.90 2 R4, R5 4.7k 0.30 0.60 3 R8-R10 330 0.30 0.90 1 RP1 1k 2.00 2.00 2 RV1, RV2 100 0.60 1.20 2 RV3, RV4 10k 0.60 1.20

15 CondensadoresCantidad: Referencia Valor Precio Ud Total3 C1, C2, C8 2200uF 1.50 4.50 2 C3, C9 220uF 1.00 2.00 5 C4, C6, C7, C10,

C11100nF 0.50 2.50

1 C5 1uF 0.50 0.50 2 C12, C13 33pF 0.50 1.00 1 C14 10nF 0.50 0.50 1 C15 1nF 0.50 0.50

10 Circuitos IntegradosCantidad: Referencia Valor Precio Ud Total1 U1 7812 1.50 1.50 1 U2 7912 1.50 1.50 1 U3 7805 1.50 1.50 1 U4 ACS755XCB-050 3.00 3.00 1 U5 MCP6001 2.00 2.00 1 U6 LM393 2.00 2.00 1 U7 MCP9801 4.00 4.00 1 U8 PIC18F452 5.00 5.00

1 Transistores



Cantidad: Referencia Valor Precio Ud Total1 Q1 IRF7103 2.50 2.50

12 DiodosCantidad: Referencia Valor Precio Ud Total7 D1-D7 1N4005 0.50 3.50 1 LED1 LED-RED 0.75 0.75 1 LED2 LED-YELLOW 0.75 0.75 1 LED3 LED-GREEN 0.75 0.75 2 U9, U10 THYRISTOR 5.00 10.00

21 OtrosCantidad: Referencia Valor Precio Ud Total1 BR1 2W02G 3.00 3.00 1 FU1 40A 0.50 0.50 2 J1, J3 SIL-100-02 0.50 1.00 1 J2 CONN-SIL4 0.75 0.75 1 L1 20mH 1.20 1.20 1 LCD1 LM016L 25.00 25.00 1 SW1 SW-DIP4 1.50 1.50 3 TR1, TR3, TR4 TRAN-2P2S 5.00 15.00 1 TR2 TRAN-2P3S 6.00 6.00 1 X1 CRYSTAL 3.00 3.00

Resumen:

Parte PrecioResistencias 7.50 Condensadores 11.50 Circuitos integrados 20.50 Transistores 2.50 Diodos 15.75 Otros 56.95 Impresin de circuito 80 Desarrollo (100 Horas) 900

Total 1100



5 ANEXOS



Los anexos se entregan en formato electrnico. ndice de documentos incluidos:I. Reglamento para cargadores de baterasII. Sistema de ventilacinIII. Seguridad anti incendiosIV. Instalaciones elctricasV. Datasheet tiristorVI. Datasheet ConectoresVII. Datasheet ACS755xCB-050VIII. Datasheet HD44780IX. Datasheet IRF7103X. Datasheet LM393XI. Datasheet MCP6001XII. Datasheet MCP9801XIII. Datasheet PIC18F452XIV. Manual de programacin PIC18XV. Diagramas de flujo de softwareXVI. Cdigo fuenteXVII. Esquemticos y ficheros de simulacinXVIII. Fichero PCB

DISEÑO DE BATERIA.pdf

Documents

Transcript of DISEÑO DE BATERIA.pdf