Carrito eléctrico 1-12-2002

Este documento explica por encima uno de los inventos más útiles que he fabricado con la ayuda de varios compañeros del trabajo.

El carrito eléctrico, un banco de trabajo motorizado, con el que es muy útil para desplazarnos por la fábrica donde trabajamos, al ser muy grande pues los desplazamientos se hacen más deprisa y podemos llevar todas las herramientas necesarias sin tener que llevarlas a mano o con otros medios manuales.

El primer diseño del carrito lo hicimos a finales del 2002, y hasta ahora se ha modificado mucho.

Las imágenes del carrito:
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En un princípio el carrito se movía con baterías de coche usadas de desgüaces, el motor que hacía mover el carrito era de un ventilador de radiador de coche, pero daba poca poténcia (de 100 a 300watios según modelo) y el carrito se movia muy lento o se quemaba antes de conseguir acelerarlo.

Luego modifiqué el motor y puse dos motores en paralelo y uno enfrente del otro, unido por una unión de motores y con una polea que hacía mover el reductor y del reductor hacia las ruedas con una cadena.
Con los dos motores la poténcia proximáda era de 700 watios , y una vez lanzado y a velocidad de régimen los motores consumían unos 400 a 500 watios.

La velocidad final del carrito era como una persona corriendo, supongo que unos 10 Km hora o algo más. El carrito pesababa unos 250 kilos sin nadie encima.
Con una batería de coche de 72 amperios, se podían hacer unos 5 kilómetros consumiendo un 80% de la batería, éso hacía que las baterías duraran no más de 1 mes. Luego había que cambiarla por que sus ciclos de carga-descarga habían llegado a su fin.
Las baterías de plomo-ácido no duran más de 200 o 300 cargas-descargas, y si son de automóvil, esas 200 o 300 descargas es a una descarga de no más del 50%, si se supera la descarga de más del 50% entonces se reduce muchísimo la vida de la batería. Lo ideal era usar baterías de tracción, pero el alto costo y otros factores nos hacían imposible conseguirlas.

El problema de los contactores, el carrito funcionaba a 12 voltios, con lo que necesitaba una intensidad de hasta 100 amperios para arrancar, eso hacía que los contactores sufieran mucho y había que cambiarlos cada mes.

Luego el problema de la caida de tensión por los cables, conexiones y escobillas de los motores, al final la tensión en escobillas era de solo 6 voltios para arrancar el motor, eso hacía unas perdidas muy grandes y si la batería estaba un poco gastada entonces le costaba mucho arrancar.

Otro problema era parar el carrito, tenía que invertir el sentido del motor para renarlo, y eso suponía mucho más de 100 amperios , y el par tan grande que sufría tanto el reductor como los motores.

Entre tantas averías, cambio de baterías, cambio de escobillas, cambio de motores por que sufrían mucho, la unión del motor con el eje que los unía sufrían mucho, luego el reductor mecánico sufría mucho y perdía aceite por los retenes, los cambiábamos pero la fuerza del carrito rompía la corona principal del reductor, y otra avería.

A los dos años de tener el primer prototipo en marcha, nos pusimos manos a la obra para fabricar otro mejor y con la experiencia del primero.
El nuevo carrito estaba reforzado desde la estructura y era un poco más estrecho para pasar por las puertas de acceso de personal, a veces es útil para subirse encima de la mesa y cambiar fluorescentes u otras cosas.
Lo mejor del segundo carrito fue que encontré unos convertidores de 12 voltios a 220 voltios con una poténcia de 1000W. Éstos convertidores me permitían dejar los cables gordos y cortos directamente conectados a la batería y luego con 220 voltios conecté un variador de frecuencia y un motor trifásico con freno.

Con este nuevo carrito me dí cuenta de que no se necesitaba tanta poténcia para hacer mover el carrito, con un motor de 0,37Kw en trifásico y sin reductor, el carrito se movía bastante bien. el motor iba diréctamente unido a través de una cadena con las ruedas, un piñón de 8 dientes conectado al motor y un piñón de 28 dientes en las ruedas que eran un poco más grandes de diámetro que el piñón grande. Con esa relación necesitaba a la fuerza un motor de bajas revoluciones, con lo que los motores de 900 rpm fueron los idóneos.
Al finál el motor de 0,75 KW fué mejor y más potente para mover el carrito y ponerle más peso. Al conseguir baterías de tracción el peso fué mayor y la ganancia en poténcia fue "como anillo al dedo".

Otra ventaja de este sistema era los contactores, al no haber contactores, menos averías.
Otra ventaja del variador de velocidad es que el arranque es suave y la frenada también con lo que los piñones, cadenas y todo el conjunto es mucho más fiable. Aunque para frenar usando el variador de frecuencia, es necesário conectar una resistencia de frenado, la mayoría de modelos un poco poténtes ya llevan los dos bornes para la resisténcia, si no se conecta cuando intentas renar el motor, éste hace de alternador y eleva la tensión en el convertidor, al sobrepasar los 350 o 400 voltios de contínua en el convertidor, entonces entra en fallo y deja el carrito "muerto", suerte del freno mecánico en el motor, y lo frenaba antes de que ocurriera algún accidente.

Luego ajustar el convertidor lleva su trabajo, primero necesitas que no arranque muy deprisa sinó sobrepasa la intensidad de trabajo y el variador entra en fallo, o puede sobrepasar la intensidad de entrada y el convertidor de 12 a 220 entra en fallo por sobreintensidad. Luego la frenada, todo y con la resisténcia no se le puede dar demasiada frenada, por que entonces el motor "pierde el paso" y deja de frenar. Igual que al acelerar, si el motor es "pequeño" para el peso del carrito, pasa que el variador aumenta la velocidad pero el motor no lo sigue y pasa que pierde el paso y el motor queda libre , la desviación máxima que soportan estos motores es de no más de 20 herzios.
Una técnica para que no pierda el paso, es bajar la intensidad de arranque, de esta manera si sobrepasa la intensidad crítica donde el motor puede perder el paso, el variador se espera a que el motor baje la intensidad y entonces sigue subiendo la velocidad.

En vista de lo bien que fué el convertidor y el variador de velocidad, el primer carrito lo modificamos y le pusimos igual que el segundo. En éste el motor fue de 1,5 KW, el variador de velocidad de 1,1KW, y el convertidor de 12 a 220 de 1700W. Limité la intensidad de arranque para que el motor de 1,5KW no sobrepasara la permitida del Variador y del Convertidor, y perfecto, el motor al ser más grande, permite frenarlo mucho mejor y pierde menos el paso en arranques o paradas.

Los carritos no fueron hechos del todo por mí, me ayudaron varias personas del trabajo, Joan Gutierrez, Eduard Dalmau, Jordi Camacho, Daniel Cornel, y el resto de la plantilla van ayudando en las averías mecánicas y el mantenimiento.

10-2008

Revisión y evolución de los carritos.

Tenemos dos carritos funcionando , los dos con convertidores de 1500W, variadores de velocidad de 1,1kW i motores trifásicos de inducción de 1,1kW de 900 rpm.

A lo largo del tiempo, por el uso y las vibraciones al pasar por dierentes suelos, han sufrido diversas averías, principalmente por electrónica de potencia.
Las averías mecánicas se solventan rápido por simple cambio de cojinetes, cadenas, tensores, etc., pero las electrónicas llevan un trabajo extra.

La solución pasa por tener 4 convertidores, dos en uso y dos de recambio. Pero el problema con el tiempo, es que los convertidores se hacen viejos, todas las soldaduras de estaño-plomo sufren y acaban por estropear la electrónica.
Llega un momento en que están todos los convertidores por reparar y poco tiempo para dedicarle, ya que las prioridades en una empresa son las maquinas para poducir, no las maquinas para ayudar al servicio.

En vista del problema y aprovechando mis conocimientos y práctica en electrónica de potencia, decidí fabricar yo mismo los convertidores para que fuesen robustos y duraderos.
Aprovechando materiales reciclados como variadores de velocidad para motores DC de toros de 24-36 voltios, adaptarlos a 12 voltios, y varias piezas de otros aparatos electrónicos.

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Este es el convertidor, se puede ver que he aprovechado una parte del control PWM de un SAI, está compuesto por un UC3846 de dos canales.

Debajo de la placa de control PWM hay un modulo de potencia de un variador de carretilla eléctrica. Modificada con 20 mosfets de 60 amperios cada uno, lleva también unos 8 condensadores de 1000uF y 50 voltios.

Los dos "Drain" comunes de los mosfets atacan a un transformador de ferrita aprovechado de una maquina de soldar inverter, por lo que está adaptado para soportar hasta 3000 watios, según especificaciones. Trabajando a 1500w no habrá peligro de saturación.

El transformador está compuesto por 3+3 espiras de primario con hilo de 15mm^2 y de secundario 80+80 espiras de 0,35mm de diámetro. El secundario es algo justo para dar algo más de 5 amperios, pero las pruebas han sido satisfactorias, por lo que se deja así. Las 3+3 espiras del primario se pueden mejorar usando chapa de cobre que cubra mejor todo el espacio del transformador.

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Este es uno de los carritos donde se ha montado el convertidor de 12 a 260 voltios DC, de una potencia de 1500 watios.
El convertidor no necesita trabajar con AC en la salida, ya que los variadores de frecuencia convierten la AC en DC para poderla trabajar, por lo tanto si aplicamos DC directamente funcionan igual.

Retos en el buen diseño del convertidor:

- El principal problema de un convertidor de 12 a 260 voltios y de 1500 watios, son como es de lógica las pérdidas por efecto joule.
Desde la propia batería, cables de alimentación hasta el convertidor, circuito impreso, cables conductores del transformador y la propia resistencia interna de los mosfets.
- El segundo problema ha sido el bajo voltaje que llega al convertidor cuando consume más de 100 amperios, que puede bajar hasta 10 o 9 voltios. Con 9 voltios y para dar los 1500 watios se necesitan 166 amperios, si luego aplicamos un rendimiento de conversión del 60 o 70%, pues nos 265 amperios mínimo. (una vez lanzado , las pérdidas son bajas, por lo que se estabiliza a unos 500 watios)
- El tercer problema asociado al bajo voltaje al consumir tanta potencia en los arranques, pues es el poco voltaje en el circuito de control y el ataque a las puertas de los mosfets. Al ser mosfets de 36 voltios, se necesita por encima de 10 voltios en las puertas para que la resistencia de saturación sea baja.
La solución a este problema y mejorando el diseño comercial del convertidor, ha sido usar unos diodos rápidos en los Drain de los mosfets que reciben la tensión inversa al desconectar los bobinados del transformador. Estos diodos llevan la tensión que puede llegar a ser de picos de 60 u 80 voltios hacia un condensador, de allí a un pequeño regulador de tensión de 16 voltios con un zener y dos transistores, y con ello se ataca el circuito de control y las puertas de los mosfets con muy baja resistencia.
- El rise time de los mosfets es algo bajo para trabajar a 20 o 30 KHz, por lo que la frecuencia de chopeado se ha ajustado a 10KHz, es un ruido no muy molesto, considerando que es un vehículo en movimiento y produce más ruido que la propia electrónica.
El mejorar el rise time hace que los mosfets trabajen menos tiempo en la zona de resistencia alta y hacen que disipen menos potencia, por lo tanto el rendimiento aumenta.

23-04-2011

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