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• David Reyes

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Regenerative Brake Abstract—In this article the regenerative braking model is presented as a bet to improve the use of usable power, product of braking that causes losses in the form of calories, kinetic energy when stopping a movement. Analyzing the principles that govern its operation of said brake, and of the parts that compose it in a regime of its analysis. Keywords— Regenerative brake; electromagnetism; Kinetic energy; power; traction.

I. INTRODUCCIÓN n este artículo se presenta el modelo de frenado regenerativo como una apuesta por mejorar el aprovechamiento de las potencias aprovechables, producto del frenado que provoca perdidas en forma de calor, energía cinética al detener un movimiento. Analizando los principios que rigen su funcionamiento de dicho freno, y de las partes que lo componen en un régimen de su análisis.

E

II. SISTEMA DE FRENO REGENERATIVO En el freno regenerativo, el motor actúa como un generador para que la energía cinética del motor y de la carga sean devueltas a la alimentación. Generalmente este sistema se usa más en vehículos híbridos quienes hacen usos de dos motores (motor de combustión interna y un motor eléctrico), los cuales requieren de energía a partir de combustibles fósiles y energía eléctrica respectivamente. A. Freno convencional Es una máquina que fuerza convertir energía cinética en calor. Se utiliza, para detener objetos en movimiento, por tanto, es un sistema de seguridad mayormente conocido su uso en coches. Algunos de los problemas más destacables con los frenos convencionales es que tienen desgaste, pero lo más importante para este documento es el hecho del calor generado por la fricción. Cabe recalcar que a causa del desplazamiento dinámico de la carga sobre los ejes al frenar, las ruedas delanteras de un vehículo pueden ser frenadas con más fuerza que las traseras, de modo que los frenos delanteros son de mayores dimensiones en comparación con las traseras [1]. Estas situaciones provocan deficiencias en la frenada. B. Generador y Motor Eléctrico Los generadores y los motores eléctricos tienen una construcción muy parecida. Siendo la diferencia que en un generador se convierte energía mecánica en energía eléctrica y en el motor el proceso contrario. Sin embargo,

ambos dependen de los principios electromagnéticos que rigen su funcionamiento: Acción del generador, se le conoce también como de inducción en el cual el voltaje se puede inducir en un conductor que se encuentra dentro de un campo magnético, esto sucede cuando el flujo magnético corta por el conductor que en algunos casos se mueve el alambre, o se mueve el campo, o ambos consecutivamente (a diferentes velocidades). Acción del motor, éste es simplemente las fuerzas mecánicas entre imanes, en el cual por física de los imanes o electroimanes se cumple que cuando se aproximan dos o más imanes, uno es atraído o repelido respecto al otro de acuerdo a la orientación de sus polos magnéticos. En motores se usan un imán permanente y un electroimán, en otros en cambio usan dos electroimanes, que de cualquier forma, la energía eléctrica crea al menos uno de los campos magnéticos, con motivos que las fuerzas entre los campos cree movimiento [2]. C. Baterías Las baterías eléctricas son dispositivos que cumplen la función de almacenar electricidad en forma de energía química para posteriormente mediante procesos electroquímicos producir energía eléctrica. La gran utilidad de estos dispositivos es que permiten repetir dicho proceso un determinado número de veces. Basado en el principio: Redox, un proceso en el cual uno de los componentes se oxida, es decir pierde electrones y el otro componente se reduce o gana electrones de tal forma que ambos no resultan consumidos sino únicamente cambian estados de oxidación y dependiendo las circunstancias externas, vuelven a su estado original, como por ejemplo el cierre del circuito eléctrico o la aplicación de una corriente externa [3]. D. Principio de Transferencia de Energía de una Fuente CD a otra de un Votaje mas Álto Un pulsador se puede utilizar para elevar in voltaje de cd fig.01:

E. Freno Regenerativo en Autos Conocido también como KERS (sistema de recuperación de energía cinética), cuyo uso se da más en autos (híbridos).

Figura. 1. Operación Elevadora

Cuando el interruptor SW se cierra durante el tiempo t1, la corriente del interruptor se eleva y la energía se almacena en el interruptor L. Si durante el tiempo t2 el interruptor se abre, la energía almacenada del inductor se transfiere a la carga a través del diodo D1 [2] y la corriente del inductor aparece fig.1c. El voltaje instantáneo de salida es: 𝑉𝑜 = 𝑉𝑠

1 1−𝐾

Figura. 3. Diagrama de bloques Simulink (freno regenerativo en un auto híbrido) [3]

Tensión de bus DC se mantiene regulada durante los transitorios y ante la presencia de corrientes negativas (durante el frenado regenerativo):

(1)

Si se conecta un capacitor CL grande a través de la carga, como muestra en la fig.1ª, el voltaje de salida será continuo y Vo se convertirá en el valor promedio [2]. Y se puede ver que en la ecuación 1, que el voltaje a través de la carga se puede elevar variando el ciclo de trabajo “k”, y que el voltaje de salida mínimo Vs es cuando k=0, sin embargo, el pulsador no se puede conectar continuamente de forma que k=1. Por lo cual este principio puede aplicarse para transferir energía de una fuente de voltaje fig.2.

Figura. 4. Ensayo del Convertidor DC-DC bidireccional [3]

F. Principio de Control de Freno Regenerativo Del inciso anterior se determina la aplicación de los pulsadores de cd, y para este caso del freno regenerativo que puede explicarse en la figura 4. Sin embargo, es necesario volver a acomodar el interruptor del modo de potencia para el frenado regenerativo. El voltaje promedio por el pulsador es: 𝑉𝑐ℎ = (1 − 𝑘)𝑉𝑠

(2)

Si Ia es la corriente promedio de la armadura, entonces la potencia regenerada puede determinarse a partir de: 𝑃𝑔 = 𝐼𝑎 ∗ 𝑉𝑠 ∗ (1 − 𝑘)

Figura. 2. Transferencia de Energía

(3)

El voltaje generado por el motor que actúa como generador es: 𝐸𝑔 = 𝐾𝑣 ∗ 𝐼𝑎 ∗ 𝑤 (4) = 𝑉𝑐ℎ + 𝑅𝑚 ∗ 𝐼𝑎 = (1 − 𝑘)𝑉𝑠 + 𝑅𝑚 ∗ 𝐼𝑎 Tal que “Kv” es la constante de la máquina y w es la velocidad de la misma en rad/s. Por lo tanto, la resistencia

equivalente de la carga del motor que actúa como generador es: 𝐸𝑔 𝑉𝑠 𝑅𝑒𝑞 = = (1 − 𝑘) + 𝑅𝑚 (5) 𝐼𝑎

𝐼𝑎

común, sensible a las fluctuaciones del voltaje de la alimentación y es necesaria una rápida respuesta dinámica para proporcionar un control de frenado adecuado. La aplicación de un pulsador de DC permite el frenado regenerativo de los motores de DC debido a su rápida respuesta dinámica [2]. Un motor de CD de excitación independiente es estable en el frenado regenerativo. Ta que se pueden controlar tanto la armadura como el campo en forma independiente para proporcionar el par motor requerido durante el arranque. Tanto los motores de DC serie alimentados por pulsador como los de excitación independiente son adecuados para las aplicaciones de tracción.

[1] Figura. 4. Freno regenerativo de motores de cd con excitación independiente.

[2]

Las ecuaciones 5 hace ver que, si se modifica el ciclo de trabajo “k”, se puede variar la resistencia equivalente de la carga vista por el motor desde Rm hasta (Vs/Ia+Rm) y la potencia regenerativa se puede controlar. Teniendo en cuenta que las condiciones para una transferencia de potencia controlable son: 0 < 𝑉𝑠 < 𝐸 (6) Ya que, si no se satisface estos puntos, la corriente en el inductor explicado en el inciso anterior para transferencia de energía seguirá creciendo y tendrá lugar una situación de inestabilidad. Y de la ecuación 6, las condiciones para las potenciales y polaridades permisibles de ambos voltajes son: 0 < (𝐸𝑔 − 𝑅𝑚𝐼𝑎) < 𝑉𝑠

(7)

Lo que da la velocidad mínima de frenado del motor como: 𝐸𝑔 = 𝐾𝑣 ∗ 𝑊𝑚𝑖𝑛 ∗ 𝐼𝑓 = 𝑅𝑚 ∗ 𝐼𝑎 (8) Dónde: 𝑊𝑚𝑖𝑛 =

𝑅𝑚 𝐼𝑎 𝐾𝑣 𝐼𝑓

; (W ≥ Wmin)

(9)

Para determinar la velocidad máxima de frenado de un motor en serie puede determinarse a partir de la ecuación 7, quedando, por tanto: 𝑊𝑚𝑎𝑥 =

𝑉𝑠 𝐾𝑣∗𝐼𝑓

+

𝑅𝑚 𝐼𝑎 𝐾𝑣 𝐼𝑓

(Wmax ≥ W )

(10)

El frenado regenerativo sólo es eficaz si la velocidad del motor está entre estos dos límites de velocidad mínima y máxima, es decir 𝑤𝑚𝑖𝑛 < 𝑤 < 𝑤𝑚𝑎𝑥. A cualquier velocidad menor a Wmin, será necesario algún dispositivo de frenado alterno. Aunque tradicionalmente los motores de serie DC se utilizan para las aplicaciones de tracción, debido a su alto par motor de arranque, un generador excitado en serie es “inestable” cuando funciona en una alimentación de voltaje fijo. Por lo tanto, para operar sobre la alimentación de la tracción, se requiere de un control de la excitación independiente, esta organización de motor serie es por lo

[3]

[4]

Sistemas de freno convencionales y eectrónicos, Bosch, Edición 2003, pp 38 El Libro Practico de los Generadores, Transformadores y Motores Eléctricos, Enrique Harper Design of the Regenerative Braking System for Hybrid Cars, Méndez Cuello Andy ; Cely Vélez Mauricio ; Monar Monar Willan Simulación de un Sistema de Propulsiónn Eléctrico para EV, Gabriel Eirea, Fernando Chiaramello, Francisco Souza, Sergio Santana Negrín