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miércoles, 29 de agosto de 2018

¿Cómo funcionan los álabes de la turbina a viento?



En el diseño de los álabes de las modernas turbinas a viento, se utiliza el principio de las alas de los aviones, que si bien se usó en  molinos a viento desde unos 600 años antes que en los aviones, se hacía sin una explicación teórica precisa. Además se han estudiado todos los detalles del comportamiento del viento, mientras acciona a la turbina, a fin de capturar la mayor cantidad de energía posible. Algunos llaman “palas”, a los álabes de las turbinas a viento, pero por tratarse de una turbina, el nombre correcto es álabes, reservando la palabra palas para las herramientas que se usan para cavar o mover la tierra.

En la Fig.1 se muestra la sección transversal aerodinámica del ala de un avión.

Fig.1 – Sección transversal del ala de un avión. Cortesía de Wikipedia:
En la Fig.2 se muestra el álabe de una turbina a viento con su sección transversal aerodinámica similar a la del ala de un avión.

Fig. 2 – Álabe de una turbina a viento mostrando su constitución
de perfiles aerodinámicos como las alas de un avión. Captura de

Los conceptos básicos en los aviones
Enunciaremos los conceptos básicos para los aviones. Luego, basándonos en ellos, lo haremos para las turbinas a viento, tratando de asociar ambas cosas.
En la Fig.3 se muestra el detalle de un perfil aerodinámico de la sección transversal del ala de un avión.

Fig.3 – Parámetros básicos del perfil de la sección transversal del ala de un avión

 
Trayectoria de vuelo: Es la dirección seguida por el perfil aerodinámico durante su desplazamiento en el aire; es decir es la trayectoria que siguen las alas y por lo tanto el avión.
Viento relativo: Es el flujo de aire que produce el avión al desplazarse. El viento relativo es paralelo a la trayectoria de vuelo y de sentido opuesto. Su velocidad es la relativa del avión con respecto a la velocidad de la masa de aire en que este se mueve.
Extrados: contorno superior del perfil aerodinámco del ala entre el borde de ataque y el borde de fuga.
Intrados: contorno inferior del perfil aerodinámico del ala, entre el borde de ataque y el borde de fuga.
Línea de cuerda: línea recta definida por dos puntos, el borde de ataque y el borde de salida.
Cuerda: segmento de recta entre el borde de ataque y el borde de salida, contenido en la línea de cuerda.
Borde de ataque: es el borde delantero del ala, o, dicho de otra forma, la parte del perfil del ala que primero toma contacto con el flujo de aire. Es el punto en el que primeramente el aire toma contacto para que posteriormente tome dos rumbos: parte del aire pasa por el extradós y la otra parte del aire pasa por el intradós.
Borde de fuga: es el punto del perfil de un ala en el que el aire del extradós y del intradós abandonan el contacto con el ala. Es el borde posterior del ala.
Ángulo de ataque: es el ángulo agudo formado entre la cuerda del perfil del ala y la dirección del viento relativo.
Las cuatro fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo
En la Fig.4 (a) y (b) se pueden ver las 4 fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo. El empuje o tracción (thrust en inglés) es producido por los motores o turbinas del avión y la resistencia al avance (drag en inglés), también llamado arrastre, es producido por el frotamiento del aire.
Los aeronáuticos descubrieron que cuando el ala de un avión se mueve en el aire, el flujo de aire que circula por la parte superior del perfil (Extrados) lo hace a mayor velocidad que el que circula por debajo (Intrados). A partir de esto, mediante la aplicación del teorema de Bernoullí y la 3º Ley de Newton, llegaron a la conclusión de que la presión del aire contra el ala es mayor en la parte inferior que en la parte superior. Esto trajo como consecuencia que se produzca una fuerza resultante de la diferencia entre ambas presiones, con sentido hacia arriba (sustentación en español y lift en inglés), que compensa la fuerza de la gravedad (peso del avión, weight en inglés) y es lo que les ha permitido volar con un aparato más pesado que el aire. Esto es válido, como veremos a continuación, mientras el flujo de aire se mantenga en régimen “laminar”, en el cual es válido el teorema de Bernoullí.
Si bien hay muchas opiniones encontradas sobre la explicación de algunos detalles de este principio, lo podemos utilizar con tranquilidad porque los aviones se mantienen en el aire con su aplicación.

Fig.4 (a) – Las 4 fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo (en inglés)

Fig.4 (b) – Las 4 fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo (en español)

Importancia del ángulo de ataque en aviación
Cambiando el ángulo de ataque el piloto controla la sustentación, la velocidad, la resistencia, etc. El ángulo de ataque controla directamente la distribución de presiones arriba y abajo de las alas.
A medida que se incrementa el ángulo de ataque tenemos más sustentación (y también más resistencia). Pero este proceso tiene un límite. Cuando el ángulo de ataque excede el “ángulo crítico” comienza a disminuir la sustentación hasta producirse la entrada en “pérdida”.
La pérdida (en inglés stall) es el efecto provocado por la incapacidad de las alas para seguir produciendo sustentación y se produce cuando el avión vuela con un ángulo de ataque mayor que el ángulo de ataque crítico. No hay nada mágico en este ángulo, la sustentación no cae a cero, es más, en este punto es donde se alcanza el coeficiente máximo de sustentación. Lo que sucede es que pasado este ángulo critico, disminuye la sustentación y la resistencia se incrementa dando lugar a la entrada en pérdida.
Flujo laminar: Es un flujo en el cual el fluido puede ser considerado que se mueve en capas uniformes denominadas láminas.
Flujo turbulento: En este tipo de flujo las láminas fluyen desorganizadas, tanto en su dirección como en su velocidad.
Si el régimen del flujo de aire que recorre el perfil deja de ser laminar, se va haciendo cada vez más turbulento, hasta que llegará un momento en que perderá la sustentación o lift y el teorema de Bernoullí deja de ser aplicable.

Fig.5 – El flujo laminar de aire se rompe, no hay fuerza lift para
sostener al avión en el aire cuando el ángulo de ataque es excesivamente
grande.
 Aplicación a las turbinas a viento
Una turbina con el eje del rotor montado horizontalmente (paralelo al suelo) se conoce como turbina eólica de eje horizontal y en la literatura en inglés se la llama HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine). Al aerogenerador de eje vertical se lo llama VAWT (Vertical Axis Wind Turbine). Como ejemplo de VAWT, tenemos a la turbina Savonius, que aprovecha la fuerza Drag, que es mayor en la parte cóncava de los álabes (Fig.6). Esta diferencia entre las fuerzas es lo que hace girar a la turbina sobre el eje vertical.

Fig.6 – Turbina Savonius de eje vertical, que es accionada por la fuerza drag.
A partir de ahora nos referiremos exclusivamente a las turbinas HAWT, es decir de eje horizontal.
Cuando se prueban las diferentes partes de un avión en los túneles de viento, estas permanecen quietas y lo que se mueve es el aire (viento), asemejándose a la realidad de los aerogeneradores. A fin de los análisis, ambas situaciones se consideran equivalentes.
En las modernas turbinas, que tienen un perfil aerodinámico, se aprovecha la fuerza de sustentación (LIFT), para hacer girar los álabes, como muestra la Fig.7.

Fig.7 – Fuerza lift en acción haciendo girar los álabes aerodinámicos.
Utilizando una veleta como sensor de la dirección del viento, un sistema automático de control gira la góndola, de manera que el eje del rotor quede siempre alineado en paralelo con la dirección del viento, para que siempre el viento impacte de frente al rotor, como se muestra en la Fig.8 y en la Fig.9. El giro se realiza mediante un mecanismo con engranajes, ubicado debajo de la base de la góndola. Esta función se denomina Yaw-drive en inglés y se puede ver en la Fig.12.

Fig.8 – Alineamiento de la turbina con el viento, usando una
veleta como sensor, ubicada en la parte superior trasera de
la góndola.


Fig.9 – Vista del anemómetro prara medir la velocidad del viento y de la
veleta para sensar la dirección del viento. Ambos ubicados en la parte
superior trasera de la góndola del aerogenerador.

El viento que llega a los álabes del rotor de un aerogenerador HAWT no viene de la dirección en la que el viento sopla en el entorno, es decir, de la parte delantera de la turbina. Esto es debido a que los propios álabes del rotor se están moviendo.
El viento que llega al perfil de cada sección transversal de los álabes, lo hará con una velocidad resultante de la suma de la velocidad del viento que está alineada con el eje del rotor de la turbina más la velocidad con la que se está moviendo cada sección transversal. (Fig.10).

Fig.10 – Triángulo de velocidades del viento
Al viento cuya velocidad está alineada con el eje del rotor, se le suele llamar “viento real”. Al viento cuya velocidad impacta sobre el perfil de cada sección transversal de los álabes se le suele llamar “viento aparente” o “viento relativo”. Y por último, a la velocidad de cada sección transversal de los álabes, se le suele llamar “viento rotacional”.
La velocidad angular de la turbina (medido en radianes/segundo) será la misma para toda la turbina y para el perfil de cada sección transversal de los álabes la velocidad tangencial será diferente y vendrá dada por:

v = ω . r

Donde v es la velocidad tangencial del perfil de cada sección transversal del álabe (viento rotacional), ω es la velocidad angular del rotor y r es la distancia de cada sección transversal al eje del rotor.
Para una velocidad del viento real dada, la velocidad del viento aparente será diferente en la raíz del álabe que el viento aparente en la punta del álabe, porque la velocidad del viento rotacional es diferente.
El ángulo que forma la dirección del viento aparente con la línea de cuerda del perfil aerodinámico, se define como el ángulo de ataque de la turbina eólicaAl igual que con las alas del avión, la sustentación (lift) aumenta a medida que el ángulo de ataque aumenta de 0º a un máximo de aproximadamente 15º, en cuyo punto cesa el flujo laminar suave del aire sobre el álabe y el flujo de aire se separa del perfil aerodinámico y se vuelve turbulento. Por encima de este punto, la fuerza de sustentación (lift) se deteriora rápidamente mientras que el arrastre aumenta y conduce a un bloqueo.
Para una velocidad angular ω dada, la velocidad tangencial v de las secciones transversales del álabe aumenta desde la raiz a lo largo del álabe hacia la punta, de modo que la inclinación del álabe debe retorcerse para mantener el ángulo de ataque óptimo en todas las secciones transversales a lo largo de la longitud del álabe. Así el giro del álabe estárá optimizado para una velocidad del viento dada. Sin embargo, a medida que la velocidad del viento cambie, la torsión ya no será óptima. Para mantener el ángulo de ataque óptimo a medida que aumenta la velocidad del viento, entrará en acción el mecanismo que, sensando la velocidad del viento con el anemómetro, hace girar los álabes, como se muestra en la Fig.11, para retomar los ángulos de ataque óptimos para el nuevo viento. Este mecanismo se llama Pitch Controler en inglés y se puede ver en la Fig.12.

Fig.11 – Los álabes giran en función
del viento para retomar el ángulo de
ataque óptimo
El pitch controler también tiene la misión de girar los álabes cuando hay un viento muy fuerte, reduciendo la velocidad, para evitar una sobrepotencia o que la turibina se dañe. En síntesis, el Pitch Controler actúa como un regulador de velocidad.
Además las turbinas cuentan con un freno que actúa como una pinza sobre el eje y que las detiene completamente cuando hay un viento muy fuerte, como se muestra en la Fig.13.

Fig.12 – Vista de un aerogenerador General Electric  de 4MW, sin caja multiplicadora, con generador sincrónico de imanes permanentes, rectificador e inversor, tiene Yaw drive para que la góndola rote y se ubique siempre con el eje del rotor paralelo a la dirección del viento, usando una veleta como sensor de la dirección del viento y control electrónico. Dispone además de pitch controller para que las palas (blades) puedan girar y mantener el ángulo de ataque óptimo con la dirección del viento en cada momento, regulando así la velocidad tangencial del rotor.


Fig.13 – Freno que detiene completamente la rotación de la turbina

La curva de potencia de una turbina a viento
La curva de potencia de una turbina eólica es un gráfico que indica cual será la potencia eléctrica de salida para la turbina a diferentes velocidades del viento real.
Las curvas de potencia se trazan mediante mediciones de campo, donde se coloca un anemómetro en un mástil razonablemente cerca de la turbina eólica (no en la propia turbina o demasiado cerca de ella, ya que el rotor de la turbina puede crear turbulencias y hacer que la velocidad del viento no sea confiable).
Si la velocidad del viento no está fluctuando demasiado rápido, se pueden usar las medidas de velocidad del viento del anemómetro y leer la potencia eléctrica emitida por la turbina eólica y trazar los dos valores juntos en un gráfico como el de la Fig.14.
También se pueden usar los datos obtenidos del sistema SCADA que forma parte de la instalación del parque eólico.
La Norma IEC 61400-12-1 es el estándar más aceptado para la medición de la curva de potencia de las turbinas a viento individuales.
El estándar describe la metodología de medición para la curva de potencia medida, que se determina mediante la medición simultánea de la velocidad del viento y la potencia de salida en el sitio de prueba.
La curva se divide en 4 regiones: 1º) Cuando la turbina está parada, a la izquierda, hasta que arranca en cut – in speed, a una velocidad del viento real de 3,5 m/seg; 2º)Desde que la turbina aaranca, hasta que llega a la potencia nominal, con una velocidad del viento real de 14 m/seg; 3º) Desde que llega a la potencia nominal, hasta que es parada por la acción del freno a 25 m/seg. En esta zona actúa el pitch controller, regulando su velocidad; 4º) Desde que es parada por la acción del freno, debido a fuertes vientos, quedando fuera de servicio.
Los valores de los vientos indicados en la curva son típicos para todas las turbinas.

Fig.14 – Curva típica de potencia eléctrica de salida de una turbina a viento, con pitch controller, en función
de la velocidad del viento real.

Notas Relacionadas

miércoles, 25 de julio de 2018

Termocuplas (o Termopares) - EFECTO SEEBECK



EFECTO SEEBECK

Thomas Johann Seebeck
En 1821, Thomas Johann Seebeck (1770-1831), un médico nacido en Estonia y educado en Alemania, accidentalmente unió piezas semicirculares de bismuto y cobre, calentando una de las junturas (Tº1) y manteniendo fría la otra (Tº2). Una brújula cercana indicó que se producía una perturbación magnética (Fig.1). Seebeck experimentó repetidamente con diferentes combinaciones de metales a varias temperaturas, anotando el valor del campo magnético producido en cada caso. Cuando los materiales de los semicirculos eran los mismos, o cuando las temperaturas de las junturas eran iguales, no se producía el campo magnético.
Curiosamente, Seebeck no creyó que una corriente eléctrica estuviera circulando por los alambres y causando los campos magnéticos y resolvió denominar a este efecto “termomagnetismo”.

Fig.1 – El experimento de Seebeck


Seebeck nunca aceptó que hubiera una corriente produciendo el campo magnético que hacía mover la aguja de la brújula. Fue el dinamarqués Hans Christian Oersted (1777-1851), también médico dedicado a experimentar con la física, igual que Seebeck, quien en 1823, repitió la experiencia de Seebeck, pero intercalando un galvanómetro, que permitió apreciar la existencia de una corriente, convenciendo a todos los científicos de la época, menos a Seebeck, de que había una corriente que producía el campo magnético, imponiendo a partir de entonces el nombre de “termoelectricidad” al fenómeno.





Hans Christian Oersted

Como se muestra en la Fig.2-A, cuando los materiales de los dos semicírculos son iguales, digamos Cu (Cobre), se establecen dos fem (fuerzas electro motrices) iguales, pero de sentido contrario, que generan dos corrientes iguales y de sentido contrario (ia = ib), que dan como resultado una corriente nula.
Cuando los materiales son distintos y se eleva la temperatura de la juntura de arriba (Tº1), se siguen generando dos corrientes de sentido contrario, pero esta vez no son iguales (ia ≠ ib) y su diferencia da como resultado una corriente neta (Δi), como se muestra en la Fig.2-B.
La fem que genera la corriente también se puede medir y aprovechar, como de hecho se hace cuando se usa para alimentar la bobina de las electro válvulas de los pilotos de los artefactos a gas, como los calefactores, calefones, hornos, etc, o bien para medir temperaturas.

Fig.2 – A: con iguales materiales en ambas ramas, la fem y la corriente son cero; B: con una
rama de bismuto y la otra de cobre hay corriente neta resultante (Δi), que se puede medir cortando
una de las ramas e introduciendo un galvanómetro.

















En la Fig.3 se ha cortado el lazo y se ha introducido un voltímetro para medir la fuerza electromotriz producida por el efecto Seebeck, llamada fem Seebeck. En español, el nombre correcto sería termopar, para designar a esta unión de dos metales distintos con una juntura a una temperatura mayor que la otra. En inglés se le llama thermocouple. En algunos países, como Argentina y Uruguay, acostumbramos a llamarle termocupla. La condición de esta medición es que las uniones del cobre con el metal b, estén a la misma temperatura que el metal b, para que no se nos produzca una termocupla adicional. El detalle es que la palabra cupla no existe en el diccionario de la RAE y si existe couple en el diccionario inglés, con el significado de par, yunta, pareja, etc.

Fig.3 – Medición de la fem Seebeck en un termopar.
Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la juntura caliente (Tº1) y la fría (Tº2), mayor será la diferencia de potencial medida con el voltímetro V de la Fig.3. Si llamamos ΔT a la diferencia de temperatura entre las dos junturas y V a la diferencia de potencial medida con el voltímetro, definiremos el coeficiente de Seebeck α ab para la termocupla formada por los metales a y b como:

α ab = V / ΔT

El coeficiente de Seebeck depende de la diferencia de temperatura entre las junturas caliente y fría y de la naturaleza de los metales a y b. Las unidades que se suelen utilizar para medirlo son micro voltios por grados Kelvin (μV/ºK) o microvoltios por grados centígrado (μV/ºC).

Fig.4 – La tensión de la juntura caliente en función de su temperatura
A medida que aumentamos la temperatura de la juntura caliente (Tº1), manteniendo la temperatura de la juntura fría constante, digamos a 0ºC, la fem aumenta hasta que alcanza un máximo a una temperatura determinada (Fig.4). La temperatura de la juntura caliente en la que la fem resulta máxima, se denomina temperatura neutra (Tn). La temperatura neutra es constante para un termopar de dos materiales dados (p. Ej. Para Cu-Fe, Tn = 270 ° C). La temperatura neutra es independiente de la temperatura de la juntura fría.
Si la temperatura de la juntura caliente aumenta más allá de la temperatura neutra, la fem comienza a disminuir y a una temperatura particular se vuelve cero; al calentarse ligeramente más, la polaridad de la fem se invierte. Esta temperatura de la juntura caliente se llama temperatura de inversión (Ti).

Otra forma de medir la fem de una termocupla
Para medir la fem de la termocupla también se puede usar el esquema de la Fig.5. No es necesario que los metales a y b estén unidos directamente en el extremo frío, siempre que los dos extremos fríos en su unión con el cobre se encuentren a la misma temperatura Tº2.
Tampoco es necesario que en la juntura caliente (Tº1) los dos metales estén soldados, pudiendo encontrarse enrrollados, como se muestra en la figura. No obstante, en las termocuplas comerciales por lo general están soldados.

Fig.5 – Disposición práctica de la termocupla
Termocupla comandando electroválvula de seguridad en artefacto a gas
El esquema representado en la Fig.6 se encuentra instalado en todos los artefactos a gas que funcionen con un piloto, tales como calefactores, calefones, cocinas, etc.
Los metales a y b están constituídos por aleaciones de Cr-Fe y de Cu-Ni y se han conectado a los cables de cobre que transfieren la tensión de la termocupla (fem) hasta la bobina de la electroválvula, que permite el pasaje de gas hacia el artefacto.

Fig.6 - Esquema de conexión de la termocupla en sistema de seguridad de artefactos a gas que usan piloto.
La electroválvula admite ser abierta manualmente, presionando la perilla de comando, ubicada en el panel frontal del artefacto, permitiendo el pasaje del gas hacia el piloto y entonces este puede ser encendido mediante la aplicación de una llama o chispa. Manteniendo esta situación durante algunos segundos, la tensión de la termocupla aplicada sobre la bobina de la electroválvula, habrá adquirido un valor tal (25 a 30 milivoltios) que permitirá mantener retenida la apertura de la electroválvula al dejar de presionar la perilla de comando.
Luego, mediante el giro de la perilla de comando, se habilita el pasaje del gas de salida de la electroválvula hacia el quemador principal, permitiendo enviar más o menos gas según la perilla se gire hasta máximo o mínimo.
Los dos conductores de cobre en toda su extensión, desde su conexión con la termocupla hasta su conexión con la electroválvula, se encuentran aislados entre si, y en el extremo que se conecta con la electroválvula una arandela aislante de fibra evita su contacto. Uno de los conductores de cobre es el cañito exterior de cobre y el interior es un hilo aislado.
Con esta configuración instalada, si se apagara el piloto, por cualquier causa, como el viento, por ejemplo, se cierra la electroválvula y se corta el ingreso de gas. Por eso es el sistema de seguridad para estos artefactos.
Observese que la tensión que entrega la termocupla, cuando el piloto enciende, no es suficiente para abrir la electroválvula, sino que solo alcanza para retenerla abierta, después que Ud la abrió presionándola con su mano. La tensión eléctrica que sería necesaria para abrirla, es mucho mayor que para retenerla.
Esto ocurre también con los relé: la tensión que hay que aplicarle a su bobina para que accione, siempre es mucho mayor que la tensión necesaria para mantenerlo retenido una vez que fue accionado.
Para probar si una termocupla funciona se debe extraer del artefacto, calentar la juntura caliente en la llama de una hornalla de una cocina, por ejemplo y medir con un voltímetro en la escala de milivoltios, entre el cañito de cobre exterior y el hilo de cobre interior en el extremo que se conecta a la electroválvula. Se deberá observar una tensión de unos 25 mV a 30 mV cuando la termocupla está funcionando correctamente.
Las Termopilas
Es posible conectar termocuplas en serie, aumentando en gran medida la potencia disponible. Esta serie de termocuplas se llama termopila (thermopile en inglés).  Esto se ilustra en la Fig.7, donde se muestra una termopila compuesta por siete termocuplas en serie. Se instala sobre un quemador piloto y suministra una tensión de corriente contínua muy estable a la carga. Se dice que Georg Simon Ohm, usó las termocuplas de Seebeck como fuente de alimentación, por su gran estabilidad, mientras investigaba con electricidad para descubrir la Ley de Ohm. La palabra termopila si está en el diccionario de la RAE.
Las termopilas para usar en controles de temperatura, están diseñadas para producir 750 milivoltios. Otros voltajes usados comúnmente en el pasado con ese fin, incluyeron sistemas de 250 y 500 milivoltios.

Fig.7 – Una termopila compuesta por 7 termocuplas en serie
La firma canadiense Gentherm Global Power Technologies (GPT), anteriormente conocida como Global Thermoelectric, fabrica Generadores termoeléctricos basados en este principio. Los generadores termoeléctricos son utilizados cuando se requiere energía confiable para aplicaciones en sistemas SCADA, Protección catódica, Automatización, Telecomunicaciones, Plataformas marinas, Seguridad y Vigilancia.
Los generadores termoeléctricos, fabricados por GPT, cubren un rango de potencia entre 21W y  550W. También manifiestan que pueden conectarse en serie y en paralelo para alcanzar los 5KW.

Fig.8 – Termo generador (a la derecha) alimentando estación SCADA remota
Por ejemplo (s/especificaciones del fabricante): Un equipo GPT de 21 Watts/12 Voltios, consume  2,1 m3/día de Gas Natural de 8.905,1Kcalorías/m3, dentro de un rango de presión comprendido entre 69 kPa y 172 kPa. El precio: USD 5.600 (entrega en fábrica en Canadá).
Tipos de termocuplas para medición de temperaturas
La utilización de las termocuplas para medición de temperaturas se considera una función muy importante y las termocuplas para ese fin tienen un tratamiento especial. La precisión de esta medición es muy buena. La técnica de la medición sería similar a la mostrada en la Fig.5, donde la llama del mechero se reemplaza por el contacto con el objeto al que se quiere medir su temperatura. Se mantiene a temperatura fija la juntura fría y se gradúa el voltímetro en grados de temperatura.
Hay muchos tipos de termocuplas fabricados con diferentes materiales y aleaciones. Diferentes materiales tendrán diferente sensibilidad, diferentes valores de tensión generada a la misma temperatura y afectarán otras características como la temperatura máxima.
Se han estandarizado varios tipos de termocuplas, asignando letras a cada tipo, según los materiales especificados que utilizan. Algunos de las termocuplas más comunes y sus materiales se enumeran en la tabla de la Fig.9:

Fig.9 – Tipos más comunes de termocuplas y su composición.
En la Fig.10 se muestra el rango de temperatura a medir y los errores de medición de algunos tipos de termocuplas:

Fig.10 – Rangos de temperatura a medir de algunos tipos de termocuplas
En la Fig.11 se muestran curvas características de fem en función de la temperatura para distintos tipos de termocuplas. Estas curvas han sido trazadas considerando que la juntura fría se encuentra a 0ºC, por lo que ΔT = T y se ha tomado a la fem como la tensión de la juntura caliente con respecto a la juntura fría.

Fig.11 – fem de distintos tipos de termocuplas en función de la temperatura a medir.
 Compensación de la juntura de referencia en la medición de temperaturas:
La temperatura de la juntura de referencia de la termocupla (juntura fría – Tº2) debe ser conocida, para obtener una lectura precisa de la temperatura absoluta de la juntura caliente, que será la temperatura a medir.
Temperatura absoluta = ΔT + Tref.
Donde:
Temperatura absoluta= Tº1 =temperatura a medir
ΔT = Tº1 – Tº2
Tref. = Tº2
Cuando las termocuplas se usaron por primera vez para medir temperatura, se hizo manteniendo la juntura de referencia en un baño de hielo. La Figura 12 representa un circuito de termocupla con un extremo a una temperatura desconocida y el otro extremo en un baño de hielo (0° C). Este método se utilizó para caracterizar de forma exhaustiva los distintos tipos de termopares, por lo que casi todas las tablas y curvas de termocuplas utilizan 0° C como temperatura de referencia.
Pero mantener la juntura de referencia de la termocupla en un baño de hielo, no es práctico para la mayoría de los sistemas de medición. En cambio, la mayoría de los sistemas utilizan una técnica llamada compensación de la juntura de referencia (también conocida como compensación de unión fría). La temperatura de la juntura de referencia se mide con otro dispositivo sensible a la temperatura, típicamente un CI, termistor, diodo o RTD (detector de temperatura de resistencia).
La lectura del voltaje de la termocupla se compensa para reflejar la temperatura de la juntura de referencia. Es importante que la temperatura de la juntura de referencia se lea con la mayor precisión posible, con un sensor de temperatura preciso, mantenido a la misma temperatura que la juntura de referencia. Cualquier error en la lectura de la temperatura de la juntura de referencia, aparecerá directamente en la lectura final de la termocupla.
Una variedad de sensores están disponibles para medir la temperatura de  referencia:
1. Termistores: Tienen respuesta rápida y un tamaño pequeño; pero requieren linealización y tienen una precisión limitada, especialmente para un amplio rango de temperatura. También requieren corriente para la excitación, que puede producir autocalentamiento y conducir a errores.
2. Detectores de temperatura de resistencia (RTD): los RTD son precisos, estables y razonablemente lineales; sin embargo, el tamaño y el costo restringen su uso a las aplicaciones de control de procesos.
3. Diodos térmicos remotos: se usa un diodo para detectar la temperatura cerca del conector del termopar. Un chip de acondicionamiento convierte el voltaje del diodo, que es proporcional a la temperatura, en una salida analógica o digital. Su precisión está limitada aproximadamente ± 1° C.
4. Sensor de temperatura integrado: un sensor de temperatura integrado, un CI independiente que detecta la temperatura localmente, debe montarse cuidadosamente cerca de la unión de referencia, y puede combinar la compensación de la juntura de referencia y el acondicionamiento de la señal. Se pueden lograr precisiones dentro de pequeñas fracciones de 1° C.

Fig.8 – Junturas de referencia en baño de hielo
Referencias

domingo, 3 de junio de 2018

Historia de los vehículos eléctricos – 3ra Parte



En 1897, Pope Manufacturing comenzó la producción de un automóvil eléctrico. En 1899, la compañía había producido más de 500 vehículos. La división de vehículos eléctricos se separó ese año del resto de la empresa, como la compañía independiente Columbia Automobile Company, pero fue adquirida por Electric Vehicle Company antes de fin de ese año. 

Fig.40 - Columbia electric Runabout – 1903
El vehículo eléctrico Riker Victoria, diseñado por Andrew L. Riker y construído por la Riker Electric Vehicle Company, fundada en 1898 en  Elizabeth, New Jersey. Se construyó en pequeñas cantidades hasta que la empresa fue absorbida por la Electric Vehicle Company en 1901.(Fig.41)

Fig.41 – Riker Victoria (1900).
 El Baker electric
La compañía fue fundada por Waiter C. Baker y Fred R. White en 1898.

Fig.42 – Baker electric 1898


Fig.43 – Baker electric 1902


Fig.44 – Baker electric 1902. Vista de frente


Fig.45 – Baker electric 1902 – Vista trasera


Fig.46 – Baker electric runabout 1904


Fig.47 – Baker electric 1905


Fig.48 – Baker electric 1908


Fig.49 – Baker electric 1909


Fig.50 – Baker electric 1909


El control de velocidad del Baker electric runabout – 1902    [20]  
El motor eléctrico del Baker electric – 1902 era un motor de corriente contínua, conectado en  configuración serie y su velocidad era controlada por una resistencia variable conectada en serie. Nos introduciremos en el tema analizando la configuración básica, para luego explicar la cuestión sobre la configuración real del motor del Baker. Esta configuración básica se muestra en la Fig.51, donde se encuentra el rotor (también llamado inducido, armadura, etc), con su fuerza contraelectromotriz (E), la bobina de campo (Lc), la resistencia serie de control de velocidad (Rs) y la fuente de alimentación (V), que será constante en todo momento.

Fig.51 – Configuración básica del motor de cc serie, con control de
velocidad por resistencia.
En la Fig.52 podemos ver las curvas de velocidad del motor serie (n ) en función de la cupla motora (T) (también llamada par motor, torque, etc), con la resistencia Rs como parámetro, es decir que a cada curva le corresponde un valor de Rs = cte.

Fig.52 – Curvas de n = f (T), con Rs como parámetro (Rs = cte)
 Observando las curvas de la Fig.52, podemos ver que si vamos reduciendo el valor de Rs, iremos saltando de una curva a la otra y el valor de la velocidad irá aumentando, sea cual fuere la forma de variación de la cupla resistente. Por ejemplo, si la cupla resistente fuera Tr = cte., y la cupla motora fuera igual, es decir sin aceleración, nos moveríamos sobre una línea recta vertical hacia arriba, sobre la representación gráfica de T = cte.

E = K Φ n (Donde Φ es el flujo y  K una constante del motor)

n = E / K Φ
Para invertir el sentido de giro del motor eléctrico serie, se invierte el sentido del campo, lo que hace que el flujo de la ecuación anterior resulte negativo y por consiguiente la velocidad resultará también negativa, es decir girará en sentido contrario al adoptado como positivo en la ecuación. Para esto no hay que mover fisicamente la bobina de campo, sino solo cambiar sus conexiones en el circuito, tal como se muestra en la Fig.53. Esta acción es lo que permitía realizar la marcha atrás del vehículo.

Fig.53 – Inversión del sentido de giro del motor serie
En la Fig.54 se muestra el circuito real completo del control de velocidad del Baker Electric Runabout - 1902. Podemos ver que tiene 6 baterías de 6V conectadas en serie, suministrando una tensión de 36V.
El contacto de freno “S5 Brake” se encuentra inicialmente abierto, por lo que el motor se encuentra en la disposición de motor serie.
Los bornes “Charging Plug” son para conectar el cargador de baterías, por lo que durante la marcha del vehículo estarán abiertos. Cuando se carga la batería, la corriente de carga circula por el amperímetro “A”, que se encuentran en el tablero del vehículo a la vista del conductor y por la resistencia “Shunt”,. En la Fig.55 se muestran el amperímetro y el voltímetro “V”, que le permitía medir la tensión de la batería al conductor, pero de un vehiculo Baker 1912, que usaba una batería de 72V.
Para conectar el motor al negativo de la batería, al iniciar la marcha, el conductor del vehículo cierra la llave “S1”. El positivo de la batería le llega al motor a través del amperímetro y el shunt.

Fig.54 – El circuito real del Baker Electric Runabout
El conductor dispone de un comando consistente en un tambor rotativo instalado en el extremo de un brazo. Cuando el tambor es girado en un sentido el vehículo avanza y cuando es girado en sentido contrario, el vehículo retrocede.
Cuando el tambor es girado en el sentido de avance, cierra  por saltos secuenciales los dos contactos “Forward” y luego, para acelerar, los contactos “S2 Slow”, “S3 Medium” y “S4 Fast”. Para la marcha atrás la operación es la misma, pero girando el tambor en sentido contrario y el contacto que se cierra primero es el “Reverse”.
En avance,  con el primer salto de aceleración, se cierra el contacto “S2 Slow”, quedando el motor alimentado desde el positivo de la batería a través de R1 en serie con el paralelo de R2 y R3. Cada una de las tres resistencias tiene el valor de 1 Ω. O sea que cuando se cierra S1 el motor queda conectado a la batería a través de 1,5 Ω en serie. El motor girará a velocidad lenta, haciendo girar las ruedas traseras, que tracciona engranado, lentamente. El vehículo avanzará a baja velocidad hasta que el conductor gire otro salto angular a su tambor de comando y entonces se cierra “S3”, permaneciendo cerrado “S2”. Entonces el motor recibe el positivo de la batería en serie con el paralelo de R2 y R3. O sea a través de 0,5 Ω.
El vehículo avanzará a velocidad media, hasta que el conductor haga un nuevo salto de giro en el tambor y se cierre “S4”, permaneciendo “S2” y “S3” cerrados también. El vehículo se moverá a velocidad rápida, llegándole el positivo de la batería en forma directa a través del amperímetro y el shunt, sin ninguna de las resistencias R1, R2 y R3 en serie.
Las resistencias de 1 Ω tenían 30cm de largo x 5cm de diámetro y tenían las patas largas, para mejorar la disipación. Observe que por ellas circulaba la corriente del motor. En ellas se producían pérdidas de potencia, pero su intervención no duraba mucho tiempo, de modo que la eficiencia total no era mala.
Las resistencias pierden potencia cuando están en el circuito. Tal controlador es por lo tanto ineficiente excepto a velocidad RÁPIDA. Las velocidades LENTA y MEDIA solo deben usarse brevemente para comenzar. Pero el Baker tiene un ingenioso truco para evitar este problema. El motor también tiene un devanado de campo shunt, lo que lo convierte en un motor compound. Cuando el campo shunt se conecta, al cerrar el interruptor de FRENO S5 (“S5 BRAKE”), se fortalece el flujo. Esto aumenta el par motor y también reduce la velocidad del motor. Esto proporciona una forma de conducir a velocidades más bajas sin las resistencias en el circuito y el consumo de energía.
En la Fig.56 se puede ver que al transformarse el motor serie en compound acumulativo, el torque aumenta y la velocidad baja. Se dice que el motor compound es acumulativo cuando los flujos de los bobinados serie y shunt se suman. Compound diferencial se llama cuando los bobinados producen flujos opuestos, que se restan. En nuestro caso se suman.
El bobinado de campo shunt proporciona otro beneficio: ¡frenado regenerativo! En ALTA velocidad con el interruptor de FRENO activado, el motor intenta mantener una velocidad constante, cuesta arriba o cuesta abajo. Consume más corriente cuesta arriba, tratando de mantener su velocidad. Se convierte en un GENERADOR  cuesta abajo, para limitar su velocidad y recargar las baterías en el proceso.
Cuando el vehículo va cuesta abajo, en una bajada pronunciada con S5 cerrado, podrá llegar la inercia del vehículo a hacer que el motor gire más rápido de lo que lo venía haciendo a expensas de las baterías, tranformándose en un generador y recargando las baterías.

E = K Φ n

Siendo: Φ = Φs + Φsh

Donde Φs y Φsh son los flujos creados por los bobimados serie y shunt respectivamente.

Al hacerse la velocidad n mayor, también lo hará E, superando el valor de V, transformándose en f.e.m, haciendo que la corriente que ella genera en la armadura cambie de sentido con respecto a la que generaba V, cargando la batería. El flujo Φsh permanecerá positivo, ya que el bobinado shunt permanece en todo momento alimentado por la batería. El flujo creado por la bobina serie Φs, cambiará su sentido, siguiendo a la corriente del inducido, pero este flujo es menor que Φsh, porque la bobina serie es de alambre grueso y de pocas vueltas, mientras que la shunt es de alambre fino y de muchas vueltas.
De hecho, ¡el Baker no tiene frenos mecánicos! Depende totalmente del freno eléctrico mientras se conduce, y solo tiene un freno de estacionamiento mecánico para bloquear el motor cuando está parado.
Para un mayor frenado, el conductor podía conmutar a REVERSE mientras iba en forward con S5 abierto. Los interruptores de aceleración S2-S3-S4 ahora proporcionan 3 pasos de par controlado en el sentido reverse para producir la parada. La fuerza de frenado (y la corriente de carga) es bastante grande con S4 cerrado; como para derrapar los neumáticos sobre el pavimento seco.
Para esta última maniobra S5 debe estar abierto, porque si estuviera cerrado al motor compound habría que invertirle los dos bobinados, serie y shunt, para que invierta la marcha. En cambio en el motor serie es necesario solo el serie.

Fig.55 – Voltímetro y amperímetro de  Baker Runabout -1912 (con batería de 72 V)
(fabricado por Weston Electrical Instruments). La corriente será negativa cuando las
baterías se estén cargando.



Fig.56 – Comparación de Torque y Velocidad para serie, shunt y compound

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REFERENCIAS
 [18]   https://www.youtube.com/watch?v=rvaKMVkJiAs   detalles Baker- 1902