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, Santiago0018/0934.803.789chebusann@gmail.com

Chiari, Santiago0021/1136.028.539santi.chiari@hotmail.com

Vila, Martn0013/1035.229.764vila.martin.22@gmail.com

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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