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Electricidad del
Motor 1
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Electricidad del Motor 1
Indice
Temas
Página
Motor de Arranque
3
Métodos de Conexión del Motor Eléctrico
5
Seguimiento de Fallas
7
Balance de Energía
8
Acumulador
9
Ciclo de Carga
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Alternador DC
13
Alternador AC
14
Mantención y Seguimiento de Fallas
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Motor de Arranque
El sistema de arranque convierte la energía eléctrica de la batería en energía mecánica para
producir el giro del motor y hacer posible el arranque.
arranque.
Esta conversión se hace con el motor de
La velocidad de giro del motor de arranque es de aproximadamente 60 a 100 rpm en
el motor diesel y de 80 a 200 rpm para motores gasolina. El motor de arranque entrega una
velocidad muy superior a esta para asegurar la suficiente capacidad de arranque.
El sistema de
arranque tiene 5 componentes principales. El interruptor de encendido o botón de arranque,
interruptores de seguridad (si los hay), solenoide de arranque, motor de arranque y batería.
Cuando se gira la llave a la posición START, o se presiona el botón de arranque, la corriente fluye
desde la batería al solenoide de arranque y desde ahí al motor de arranque.
Si el vehículo esta
equipado con un interruptor de seguridad de neutro o con un interruptor de embrague, estos
deben estar activados para permitir el flujo de corriente al solenoide.
El solenoide es un
interruptor electromagnético montado en el motor de arranque. Cuando se energizan las bobinas
del solenoide un vástago es accionado hacia atrás.
En un extremo de este vástago hay una
palanca que esta conectada a un piñón conductor y un conjunto de embrague en el motor de
arranque.
volante.
Al tirar de la palanca el piñón conductor se conecta con el engranaje dentado del
Como el motor de arranque también está energizado este produce el torque para el giro
del volante y mediante este al motor.
El motor de arranque es un motor eléctrico pequeño pero
poderoso que suministra un alto grado de potencia por un corto periodo de tiempo.
Cuando el
conductor libera el interruptor de encendido desde la posición START a la posición RUN, el
solenoide de arranque se desactiva y el resorte interno de retorno hace que el piñón conductor se
separe de la rueda dentada del volante, deteniéndose el motor de arranque.
Mientras que la
descripción anterior es para un piñón del tipo desplazamiento del piñón (más común en los
vehículos de pasajeros), hay otros tipos de motores de arranque disponibles: tipo Bendix y tipo
desplazamiento del inducido.
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La función general es similar a la descrita anteriormente.
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Mirando el solenoide de arranque, se puede reconocer que hay dos circuitos que se usan para la
activación del solenoide.
Los circuitos de la bobina de tracción y bobina de retención.
Para el acoplamiento del piñón ambas bobinas se energizan para entregar fuerza suficiente para
mover el piñón sobre la rueda dentada del volante.
Cuando el piñón no esta completamente
acoplado, el motor de arranque gira lentamente, debido a la caída de voltaje a través de las
bobinas.
Cuando el piñón esta completamente acoplado, se cierra un contacto a través del
vástago.
Esto produce que la bobina de tracción no continúe energizada y que sólo la bobina de
retención mantenga el piñón en posición de acople.
Al mismo tiempo la energía es suministrada
al motor directamente y no a través de las bobinas, de modo que éste gira más rápido permitiendo
el arranque del motor de combustión.
Algunos motores de arranque incorporan un juego de
piñones planetarios con el propósito de incrementar su torque.
Como la velocidad del motor de
combustión es más alta que la velocidad del piñón cuando éste arranca, un sistema de protección
se encuentra instalado para evitar daño en el motor de arranque.
Este es usualmente un
embrague unidireccional, que evita que el motor de combustión arrastre al motor de arranque,
permitiendo que el piñón gire libre en dirección inversa.
Esta es la solución más común. Otro
sistema es el embrague del tipo multidisco: cuando el motor de arranque esta conduciendo al
motor de combustión, las placas están presionadas una contra la otra, de forma que el torque se
pueda transmitir para impulsar el volante. Cuando el motor de combustión arranca, se libera el
embrague multidisco, con la finalidad de evitar el daño al motor de arranque.
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Método de Conexión del Motor Eléctrico
Existen diferentes formas de conectar el motor de arranque a la fuente de poder. Los diferentes
métodos de conexión conducirán a diferentes características.
Motor DC excitado externamente: Este tipo de motor DC esta construido de forma que el campo
no esta conectado al inducido.
Este tipo de motor DC esporádicamente es utilizado.
Motor DC en derivación: Este tipo es llamado “Motor en Derivación” debido a su campo en
paralelo o “en derivación” con el inducido.
Usos del Motor Eléctrico DC Embobinado en
Derivación: Un motor DC embobinado en derivación provee una muy buena regulación de
velocidad y esta clasificado como un motor de velocidad constante, aunque la velocidad disminuye
levemente en la medida que aumenta la carga. Los motores embobinados en derivación se usan
en aplicaciones industriales y automotrices donde se requiere un control preciso de velocidad y
torque.
Un motor DC con embobinado en derivación reduce el torque cuando aumenta la
velocidad.
La reducción de torque versus la velocidad se produce debido a la resistencia del
inducido, caída de voltaje y reacción del inducido.
Con un valor de velocidad cercano a 2.5 veces
la relación de velocidad, la reacción del inducido se hace excesiva, provocando una rápida
reducción del flujo del campo y una rápida disminución del torque hasta que se alcanza una
condición de pérdida de velocidad.
Motor DC en Serie
Los embobinados de campo de un motor en serie están en serie con el inducido.
La ventaja de
un Motor Embobinado en Serie es que desarrolla un alto torque y puede ser operado a baja
velocidad.
Este es un motor que se acomoda bien para arranques de carga pesada; y es
generalmente usado para grúas industriales y huinches donde deben moverse cargas pesadas
lentamente y cargas livianas deben moverse rápidamente. Como el inducido y el campo en un
motor embobinado en serie están conectados en series, la corriente en el inducido y el campo es
idéntica.
En la ilustración de la izquierda se muestran las características de torque versus
velocidad de un motor embobinado en serie con una fuente de voltaje constante.
A medida que
la velocidad disminuye, el torque de un motor embobinado en serie aumenta considerablemente.
A medida que la carga en condición de velocidad es removida desde el motor en serie, la
velocidad aumenta considerablemente.
Por estas razones, los motores con embobinado en serie
deben tener una carga conectada para prevenir daño debido a la alta velocidad.
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Motor DC Compuesto
Un motor DC compuesto esta construido de forma que contiene un campo en derivación y en serie.
Este esquema particular muestra un motor DC acumulativamente compuesto debido a que los
campos en derivación y en series se ayudan uno al otro.
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Seguimiento de Fallas
Junto con revisar el interruptor de encendido, el relé de arranque, los interruptores de seguridad,
el mazo de cables, otras pruebas importantes son: la prueba de tracción, la prueba de retención,
la prueba de desempeño sin carga y la prueba de retorno del piñón.
Para información detallada del seguimiento de fallas en los sistemas de arranque, referirse al
Manual de Servicio del vehículo en particular.
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Balance de Energía y Sistema de Carga
El sistema de carga es una parte importante del sistema eléctrico.
Suministra la energía eléctrica
para las luces, radio, calefacción, sistemas eléctricos del motor y otros accesorios eléctricos.
También mantiene la batería cargada, recargándola cuando sea necesario.
Proporciona la
energía necesaria para arrancar el motor.
El sistema de carga tiene tres componentes principales: el alternador, el regulador de voltaje y la
batería.
Es importante el tamaño y desempeño de la batería y que el alternador sean suficientes
para el vehículo en particular para garantizar un balance positivo de energía aún bajo condiciones
adversas de operación. El alternador genera energía eléctrica para operar los accesorios y para
recargar la batería.
Normalmente es conducido por una correa conectada con el cigüeñal.
La
energía mecánica del cigüeñal es convertida por el alternador en energía eléctrica para recargar la
batería y para suministrar corriente para todos los sistemas eléctricos.
La batería proporciona energía cuando el motor no esta funcionando, suministrando suficiente
energía para el arranque del motor y actúa como un compensador si el consumo de energía es
mayor que la suministrada por el alternador.
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Acumulador
El acumulador es un dispositivo de almacenamiento de electricidad que es capaz de cambiar la
electricidad en energía química durante la carga y para cambiar de vuelta la energía química en
electricidad cuando un consumo se activa.
Sus principales funciones son: suministrar la energía necesaria para el motor de arranque y para
el control del motor/sistema de encendido haciendo posible el arranque del motor, suministrar
corriente a los consumos, tales como, luz de estacionamiento, audio, etc. cuando el motor no esta
funcionando, actúa como un compensador si la corriente de carga no es suficiente debido al
exceso de consumo.
En los vehículos generalmente se usa el acumulador de plomo-ácido.
La ilustración muestra el
esquema típico de un acumulador de 12V, este consistente en seis elementos productores de
voltaje, llamadas celdas.
Como una celda sólo produce y almacena 2.1V (valor nominal), se
incorpora una combinación de seis elementos dentro del acumulador.
Cada elemento individual
nuevamente esta compuesto por diversos componentes. Los componentes principales son: la
placa positiva (ánodo) hecha de peroxido de plomo, el separador que es una estructura porosa
que permite el paso del ácido, la placa negativa (cátodo) de plomo puro, y el electrolito para
transportar la electricidad.
Las placas están sumergidas en el electrolito (ácido sulfúrico).
Durante la carga o descarga el electrolito transfiere los iones entre la placa positiva y la placa
negativa, permitiendo el flujo de corriente.
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Hay otras partes adicionales instaladas como por ejemplo tapones, conectores de las celdas, etc.
Los tapones incorporan un agujero de ventilación para permitir la liberación de gas que se produce
durante la carga, pero al mismo tiempo evita que el ácido escape junto con el gas.
Si es
necesario se puede agregar agua destilada después de remover los tapones para mantener el
nivel requerido de electrolito.
La capacidad de la batería para almacenar carga se expresa en amperes hora.
Si una batería
puede suministrar un ampere (1A) de corriente (flujo) por una hora, tiene una capacidad de 1Ah.
Si esta puede suministrar 1A por 100 horas, entonces su capacidad es 100Ah.
Para obtener una
base común para determinar la capacidad de la batería, este valor se mide en condiciones
específicas.
Debido a la reacción química dentro de las celdas, la capacidad real disponible de
una batería depende de las condiciones de descarga, como la magnitud de la corriente, la
duración de la corriente, el voltaje disponible en terminal de la batería, la temperatura, y otros
factores.
Los fabricantes de baterías usan un método estandar para clasificar sus baterías.
La batería se
descarga con relación constante de corriente en un periodo de tiempo establecido, tales como 10
horas ó 20 horas disminuyendo con un voltaje fijo por celda.
De este modo una batería de 100Ah
esta clasificada para suministrar 5A por 20 horas a temperatura ambiente.
batería no es igual con distinta relación de descarga.
La eficiencia de una
Cuando se descarga con baja relación la
energía de la batería es liberada mas eficientemente que con alta relación de descarga.
Si se
conectan dos baterías en series, el voltaje resultante es el voltaje combinado de las baterías.
Para disponer de 24V deben conectarse dos baterías en serie.
Pero si estas se conectan en
paralelo el voltaje permanece igual que si fuera una sola batería, pero aumenta la capacidad.
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Ciclo de Carga
En condición de plena carga la densidad del ácido es 1,28 g/cm3 (para áreas tropicales la
densidad del ácido puede ser sólo de 1,23 g /cm3). El desempeño del arranque en frió y la
capacidad se reduce, si la batería esta sometida a baja temperatura, debido a que la velocidad del
proceso químico disminuye en estas condiciones.
Una celda de batería completamente cargada
puede alcanzar aproximadamente 2.2V, mientras que la tensión de una celda con 1.75V es
considerada como descargada.
La densidad en la condición descargada es solo 1,16g/cm 3, en
condición cargada las placas positivas están compuestas de peroxido de plomo (PBO2), las placas
negativas son de plomo puro (PB) y el electrolito es ácido sulfúrico (H2SO4) diluido con agua
destilada.
Cuando se pone carga eléctrica a la batería, tiene lugar una reacción química.
Las
moléculas de sulfato en el electrolito se separan y se adhieren a las placas negativas y positivas.
Al mismo tiempo los átomos de oxigeno del peroxido de plomo de las placas positivas se mueven
a la solución del electrolito donde se unen con los átomos de hidrógeno, formando H2O (agua).
Las moléculas del sulfato que se mueven hacia las placas y los átomos de oxígeno que se
mueven hacia la solución liberan energía, la que se usa para suministrarla al consumo.
Debido a
esta reacción, se reduce la densidad del ácido que por lo tanto puede usarse como un indicador
del estado de carga del acumulador.
Cuando la batería esta completamente descargada, ambas
placas son de sulfato de cobre (PbSO4), y la solución es agua (por lo que una batería vacía puede
congelarse).
Cuando se recarga la batería, el proceso se invierte y el PbSO4 de las placas es
cambiado de vuelta a Pb02 y Pb y el agua cambia nuevamente a PbSO4.
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Los estados de plena descarga son extremos. Normalmente, una batería esta parcialmente
cargada o parcialmente descargada.
Por ejemplo, una batería puede estar 25% descargada, lo
que significa que a tenido lugar el 25% de la reacción química, y el 75% de la batería esta en su
condición química original.
Cuando la batería esta con carga completa, pero sigue sometida a
carga, la batería libera hidrógeno (un gas explosivo), debido a que el agua en el electrolito es
descompuesta químicamente.
Esto recibe el nombre de sobrecarga. También cuando se hace
un “puente de arranque” a otro vehículo, la alta corriente puede causar la rápida liberación de
grandes volúmenes de hidrógeno.
Si estos son encendidos por una chispa cercana (por ejemplo,
cuando se remueven los cables de puente) puede ocurrir una explosión.
Las baterías de plomo-
ácido para uso automotriz no están diseñadas para descarga profunda y deben siempre
mantenerse con su máxima carga debido a que su capacidad sufrirá severamente en el ciclo
profundo, debido a sulfatación o endurecimiento del sulfato de cobre.
Debe tenerse precaución debido a la naturaleza extremadamente corrosiva del ácido sulfúrico.
Los diseños modernos tienen el electrolito capturado dentro de un gel.
Debe tenerse especial
precaución de utilizar el cargador de baterías apropiado para evitar daños, especialmente en las
baterías de Gel.
Como durante la carga de las baterías se puede producir gas explosivo, debe
mantenerse alejada de chispas y llamas y seguir las precauciones dadas en el Manual de Servicio.
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Alternador DC (sólo referencia)
En los primeros días del automóvil el alternador que se utilizaba era llamado alternador de
corriente directa.
La rectificación de la corriente se hacia por medios mecánicos, usando un
conjunto especial de polos de suministro de corriente.
escobillas (carbones) se llama conmutador.
Este conjunto, en combinación con las
Cuando la corriente cambia de dirección debido a la
polaridad del campo magnético, también la posición del conmutador (polo positivo y polo negativo)
cambia, lo que finalmente conduce a un suministro de corriente directa a la batería.
Actualmente,
los alternadores de corriente directa ya no se usan, en su lugar se usan alternadores de corriente
alterna. Las razones principales son su alta durabilidad y salida de potencia.
Originalmente, un
regulador de voltaje mecánico se utilizaba para controlar la salida del alternador y evitar la
sobrecarga de la batería.
Este detecta cuando la batería requiere carga, o cuando las
necesidades eléctricas del vehículo aumentan, y ajusta la salida del alternador de acuerdo a lo
anterior.
El regulador de voltaje controla la fuerza del campo magnético de la bobina excitadora,
controlando de esa manera la salida del alternador.
Esto esta hecho para suministrar corriente
de excitación a la bobina en forma directa para un alto desempeño, suministrando la corriente a
través de un resistor o aún sin suministrar corriente.
Como esta tecnología no se usa en los
automóviles hace muchos años, no se darán mayores detalles de estos sistemas, pero se hará
una descripción acerca del alternador de corriente alterna, utilizado actualmente.
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Alternador AC
Un alternador automotriz moderno es un generador de tres fases, con un circuito rectificador
incorporado consistente en seis diodos (se dará una visión mas detallada de estos en el nivel 2).
Con el giro de polea mediante la correa conectada al cigüeñal del motor, gira un imán a través de
un conjunto estacionario de embobinados de tres fases (llamado el estator), usualmente
conectado en una configuración “Y”.
El imán girando es ahora un electroimán, no un imán
permanente. Los alternadores están diseñados de esta forma para poder controlar la fuerza del
campo magnético, con el propósito de poder controlar la salida de voltaje independientemente de
la velocidad del rotor. Esta bobina del rotor magnético (la bobina de campo) es energizada por la
batería, de modo que toma una pequeña cantidad de energía eléctrica en la entrada del alternador
para conseguir que este genere una gran cantidad de potencia de salida.
La energía eléctrica es
conducida a la bobina rotatoria de campo a través de un par de “anillos de cobre para
deslizamiento” montados concentricamente en el eje, contactados por “escobillas” de carbón
estacionarias.
Las escobillas están sostenidas de tal forma que se contactan firmemente con los
anillos de deslizamiento mediante la presión de resortes.
Muchos alternadores modernos están
equipados con un circuito regulador incorporado que conmuta automáticamente la energía de la
batería de ON a OFF hacía la bobina del rotor para regular el voltaje de salida.
Este circuito, sí
esta presente en el alternador que se escogió para el experimento, es innecesario y solo impedirá
la experiencia si se deja en su lugar.
Siéntase libre de “removerlo quirúrgicamente”, sólo
asegúrese de dejar acceso a los terminales de las escobillas de manera de poder energizar la
bobina de campo con el alternador ensamblado. Algunos alternadores están equipados con una
polea de giro libre con la finalidad de evitar efectos negativos en la correa.
Esto se produce por
el hecho que el motor no funciona a velocidad constante, por que hay fluctuaciones de velocidad
causadas por la combustión.
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solution
Aunque existen pocas probabilidades que las fallas en el sistema de carga puedan producir una
falla total del vehículo, pero es importante revisar la condición del sistema regularmente.
Los
puntos importantes para revisar y ajustar son el nivel del líquido, la densidad del ácido (no aplica
para todos los tipos de acumuladores) y la tensión de la correa conductora.
También puede
requerirse la revisión del voltaje de salida en el caso de problemas con sistema.
Nota: el principio de operación de la rectificación de voltaje, etc. se describe en el nivel 2 de
Electricidad, así como los métodos de revisión para esos elementos.
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