Electrónica, Electricidad y Telecomunicaciones: Historia de los vehículos eléctricos

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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.