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INGENIERIA ELECTROMECANICA

CHAVEZ FARIAS ELOY DE JESUS

CONVERSION DE UN DE UN AUTOMOVIL MODELO 94 DE LA MARCA WV A ELECTRICO

PROYECTO DE INVESTIGACION PARA LA MATERIA DE TALLER DE INVESTIGACION I

CON LA GUIA DE LA DOCENTE MTRA SANDRA AIDÉ OLIVARES BAUTISTA

Pregunta: ¿Cuál sería la forma y material adecuados para la conversión de un vehículo automotor a eléctrico puro?

Objetivo: Conversión adecuada y económica de un automóvil a eléctrico, con el afán de reducir la emisión de contaminantes.

Hipótesis: Con el cambio del motor a combustible fósil por uno eléctrico se podrá disminuir las emisiones de gases contaminantes

Justificación: Hoy en día la tecnología automotriz ha llegado al grado de que sus motores ven reducida en gran medida la emisión de contaminantes ambientales, pero siendo estos, generalmente, dirigidos a grupos reducidos de la sociedad. Las personas que no pueden costear un gasto de tal magnitud se ven obligadas, en la necesidad de una ágil movilidad, a optar por vehículos más accesibles pero con tecnología casi obsoleta que emiten grandes cantidades de gases invernadero. Por esto se propone cambiar dichos motores por unos eléctricos más amigables con el ambiente. Dicho esto también se buscara la utilización de motores de bajo consumo, esto para no prolongar los tiempos de recarga y dotarlos de mayor autonomía. Y como un extra se utilizaran los tiempos muertos en la búsqueda de energías alternativas adecuadas para reducir aún más el costo de transportación.

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Marco teórico:

Antecedentes Benjamin Franklin (1752), llevó a cabo un experimento para demostrar que los rayos son también una forma de electricidad, ya que en ese entonces solo se llevaban a cabo experimentos con electricidad estática. En dicho experimento, esperó a que ocurriera una tormenta eléctrica, tomó una cometa y en el cordón sujetó una llave, esta atrajo la energía del rayo dándole una descarga no mortal, lo que lo inspiró a investigar más a fondo, llegando a la conclusión de que existía tanto cargas positivas como negativas y que la electricidad propiamente dicha flotaba entre ellas. Además pudo observar que cuando un conductor cargado negativamente termina en punta, se acumulan los electrones en esa parte y por repulsión abandonan dicho extremo, fijándose sobre las moléculas de aire o sobre un conductor cercano cargado positivamente (tiene carencia de electrones). Aprovechó estos conocimientos y propuso aplicarlos en la protección de edificios, mediante la construcción del pararrayos (Pérez, 2004, pág. 4). Los primeros fenómenos eléctricos fueron descritos por un matemático griego que vivió aproximadamente en el año 600 a.C llamado Tales de Mileto, quién señaló que si se frotaba una bola de ámbar sobre la piel de un gato, era posible atraer algunos cuerpos ligeros como el polvo, cabello o paja. Pérez (2004, ¶ 2). Hacia el año 1850, casi todos los efectos eléctricos importantes habían sido descubiertos y explicados. Había dos importantes excepciones. Una de ellas era la existencia de ondas electromagnéticas. En 1865 el británico James Clerk Maxwell demostró matemáticamente que las ondas (alteraciones electromagnéticas) están asociadas a todas las corrientes eléctricas variables, y 22 años después (en 1887) Heinrich Hertz, produjo y detectó en la realidad las ondas previstas por MaxwelI. Este descubrimiento condujo a la idea, desarrollada extensamente por Guillermo Marconi, de que las ondas electromagnéticas podían ser empleadas para transmitir mensajes sin cables a través del aire. Al principio se las utilizó para enviar señales telegráficas y luego, en el siglo XX, para transmitir sonidos e imágenes. Romero ((…), p. 9).

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La siguiente información presenta un resumen en forma de línea de tiempo de los desarrollos y hechos históricos relevantes de los vehículos con tracción eléctrica. 1834. Thomas Davenport inventa la batería para un auto eléctrico, las cuales no son recargables. 1859. Gaston Plante inventó las baterías de Plomo-Ácido recargables. 1889. Thomas Edison construye un auto eléctrico usando baterías NíquelAlcalina. 1895. Primera carrera de autos en Norte-América, fue ganada por un vehículo eléctrico. 1896. Primera vendedora de Automóviles en Estados Unidos, la cual vendía vehículos eléctricos. 1897. Primer vehículo eléctrico con dirección servo-asistida, éste tenía un sistema autoencendido eléctrico, el cual veinte años después se usaron en los vehículos a gasolina. 1898. En la ciudad de Nueva York, los vehículos eléctricos son los únicos capaces de movilizarse en los caminos dentro de una Tormenta de Nieve. 1900. Gran Problema de contaminación en la Ciudad de Nueva York. Ésta es producida por los caballos, dejando 1.1 toneladas de excremento, 230.000 litros de orina diariamente en las calles; 15.000 caballos muertos son retirados de las calles cada año. 1900. Los vehículos producidos fueron: 33% Vehículos a vapor, 33% Vehículos Eléctricos y 33% Vehículos a Gasolina. 1903 Primera multa de exceso de velocidad, ésta fue cursada a un Vehículo Eléctrico. 1908. Henry Ford le compra a su esposa un Vehículo Eléctrico. La Alta Sociedad de ese tiempo entregó un elogiador apoyo a los Vehículos Eléctricos: “Este vehículo nunca me falla” 1910. Fábrica de vehículos produce autos a combustión interna en volumen, reduciendo el costo por vehículo. 1912. Hay 38.842 Vehículos Eléctricos en las calles. Los camiones cisternas entregan gasolina a las estaciones. 1913. Auto-encendido para autos a gasolina. (10 años después que el Modelo T) 1956 Sistema Nacional de Autopistas Interestatales. Consolidado el 90% en los estados y 90% en el Gobierno Federal. 1957. Sputnik (Satélite Soviético) es lanzado. El programa de espacio estadounidense inicia la investigación y desarrollo de una avanzada batería. 1966. Gran Expectación porque 36 millones de personas están realmente interesadas en Vehículos Eléctricos. Hasta esa fecha los autos eléctricos tienen una velocidad máxima de 60 Km/hr, y una autonomía de 80 Km. 1967. Walter Laski funda la Asociación de Autos Eléctricos. 1968-1978. Congreso aprueba estatutos regulatorios más exigentes enfocados a disminuir los riegos de salud a los usuarios de los autos: colisiones, aire contaminado. 1972. Primer Rally Anual de Autos Eléctricos de la EAA 4 Chávez Farías Eloy de Jesús

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1974. Debuta CityCar en el Simposio de Vehículos Eléctricos en Washington DC. En 1975, la marca de CityCar es vanguardista, siendo la sexta marca de autos de los Estados Unidos. 1990. California establece el Mandato del Vehículo de Emisión Cero, siendo el 2% de los vehículos en 1998 y el 10% para el 2003. 1990. General Motors muestra su inicio en la producción de Auto Eléctricos, con el modelo Impact. Después este es renombrado como EV-1. 1990. El Gobierno de Estados Unidos gastó $194 Millones de Dólares en investigación de sistemas de energía eficiente. Esta inversión fue mucho menos que un billón de Dólares que cuesta un simple día en la Tormenta del Desierto, o un billón de Dólares que sale por semana en el Conflicto de Irak (2003). 1993. General Motors estimó que tomaría 3 meses especificar los nombres de las 5000 personas interesadas en el modelo EV-1. Esto sólo tomó una semana. 1995. Renaissance Cars, Inc comienza la producción del modelo Tropica. 1996. EAA ayuda en la investigación en los Autos Eléctricos a la empresa CALSTART en Alameda, California. 1996 General Motors comienza la producción del EV-1. 1997 Toyota Prius, vehículo híbrido (gasolina-eléctrico) mostrado en el evento “Tokio Auto Show”. 2002. Toyota RAV4-EV venta por pedido. Se estimó que se agotaría en 2 años, pero se agotó en 8 meses. 2003. El Mandato de ZEV (Vehículo de Emisión Cero) debilitó la entrega de créditos para la construcción de ZEV. Toyota detuvo la producción del RAV4-EV, Honda detuvo su nuevo modelo EVPlus y GM hace el mismo EV-1. 2003. 31° Rally EAA EV Anual en Palo Alto, California. Compitieron sobre 30 vehículos: Vehículos Eléctricos Convertidos, de Producción, híbridos y Vehículos personales. 2003. El vehículo tZero de AC Propulsión ganó el Challenge Michelin Bibendum de alto grado, y; tZero tiene las siguiente especificaciones: 480 Kms por carga, 0-96Km/hr en 3.6 segundos, 160 Km/hr como velocidad máxima. (CASTAÑEDA, 2005, p.5-7).

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Electricidad La palabra electricidad proviene del vocablo griego “elektron”, que significa “ámbar”. El ámbar es una resina fósil transparente de color amarillo, producido en tiempos muy remotos por árboles que actualmente están convertidos en carbón fósil. Pérez (2004, ¶1). Córdova (2009) menciona la electricidad como una forma invisible de energía que como resultado produce los llamados electrones libres en los átomos de algunos materiales. Estos al desplazarse por dichos materiales, logran lo que conocemos como corriente eléctrica. La electricidad no es un invento del hombre, sino una fuerza natural, esta originada por cargas eléctricas, estáticas o en movimiento. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce también fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de cargas eléctricas, llamadas positivas y negativas, estas al ser de igual carga se repelen, las de diferente carga se atraen. Según el Instituto tecnológico “El oro” (2009, p4) MOTORES ELÉCTRICOS Fundación Red de Energía - BUN-CA (2009, p3, ¶ 2) La finalidad de los motores eléctricos es convertir la energía eléctrica, en forma de corriente continua o alterna, en energía mecánica apta para mover los accionamientos de todo tipo de máquinas. Partes del motor Estator fijo. Es la parte externa del motor que no gira, en él se encuentra la capacidad magnética del motor, está integrado por polos magnéticos (imanes) y un embobinado de alambres de cobre. El motor eléctrico usa los polos magnéticos (que funcionan como imanes) para producir el movimiento del rotor. El accionar de los motores se basa en la ley fundamental de los imanes: cargas opuestas se atraen e iguales se repelen. Dentro de un motor eléctrico por el embobinado de cobre circula corriente eléctrica, que a su vez genera su campo magnético, asegurando con ello que los polos magnéticos del rotor siempre se encuentren en repulsión, huyendo del estator por la similitud de cargas. Entonces las fuerzas de atracción y repulsión producen el movimiento circular del rotor, expresada físicamente como una fuerza axial denominada torque, al cual se le agrega una extensión llamada flecha o eje, que luego es acoplada al equipo que aprovecha el movimiento que se está produciendo. Rotor móvil. Es la parte del motor que gira a gran velocidad, debido a la acción de los campos magnéticos creados en el motor, su velocidad de rotación expresada en revoluciones por minuto (r.p.m.) depende del número de polos magnéticos del estator. Esta parte se apoya en cojinetes de rozamiento también denominados baleros. El espacio comprendido entre el rotor y estator es constante y se denomina entrehierro. Fundación Red de Energía - BUN-CA (2009, p4)

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Motores de corriente continua Un motor de corriente de continua basa su funcionamiento en la fuerza producida en un conductor a causa de la presencia de un campo magnético B sobre una intensidad de corriente eléctrica I. La expresión que la rige es: FB =

∫ I .dx x B z

Se obtendrá el valor máximo de fuerza cuando el campo magnético sea perpendicular al conductor y se tendrá una fuerza nula cuando el campo sea paralelo al flujo de corriente eléctrica donde 'l' es la longitud del conductor. El par motor M que se origina tiene un valor Esa fuente de campo magnético proviene del devanado inductor. Este es recibido por el devanado inductor, este inductor hace girar el rotor, el cual recibe la corriente eléctrica de la fuente mediante un colector y sistema de escobillas. El colector es básicamente un conmutador sincronizado con el rotor, que conmuta sus bobinas provocando que el ángulo relativo entre el campo del rotor y el del estator se mantenga, al margen de si el rotor gira o no, permitiendo de esta forma que el par motor sea independiente de la velocidad de giro de la máquina. Al recibir la corriente eléctrica e iniciar el giro comienza a producirse una variación en el tiempo del flujo magnético por los devanados, produciendo una Fem. inducida EB que va en sentido contrario a la Fem. introducida por la fuente, e.g, una batería. Esto nos da como resultado un valor de intensidad resultante: I = (V-EB) / R Cuando el motor inicia su trabajo, este inicialmente esta detenido, existiendo un valor de EB nulo, y teniéndose así un valor de intensidad retórica muy elevada que puede afectar el rotor y producir arcos eléctricos en las escobillas. Para ello se conecta una resistencia en serie en el rotor durante el arranque, excepto en los motores pequeños. Esta resistencia se calcula para que el motor dé el par nominal en el arranque. En ciertas condiciones de trabajo, un motor de corriente continua puede ser arrastrado por la carga y entonces funciona como generador. Esto es, el motor absorbe energía cinética de masa giratoria, de manera que la corriente circula ahora en sentido inverso, pues no la suministra la línea, sino que es devuelta a ella, por la Fem. mayor del motor funcionando como generador. Esto reduce la velocidad del motor, teniéndose así un método de frenado. Se puede tener frenado regenerativo cuando la energía retorna a la línea o frenado dinámico cuando la energía se disipa en una resistencia. Extraído del documento Ingeniería eléctrica, motor de corriente continua (2012, ¶4-6)

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Motores de corriente alterna Existen dos tipos de motores que utilizan corriente alterna: – Motores síncronos – Motores asíncronos Motor Síncrono El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. Motor Asíncrono La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de corriente alterna. El motor asíncrono fue creado es su forma más simple por Galileo Ferraris y Nikola Tesla en 1885-86. Dos años más tarde se construyó una máquina con el rotor en forma de jaula de ardilla. El rotor de bobinado se desarrolló a principio del Siglo XX. La diferencia del motor asíncrono con el resto de los motores eléctricos radica en el hecho de que no existe corriente conducida a uno de sus devanados (normalmente al rotor). La corriente que circula por el devanado del rotor se debe a la fuerza electromotriz inducida en él por el campo giratorio; por esta razón, a este tipo de motores se les designa también como motores de inducción. La denominación de motores asíncronos obedece a que la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo, impuesta por la frecuencia de la red. (José López 2004, ¶20-30)

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Metodología: El tipo de investigación en el que se basa mi proyecto es aplicada ya que me basaré en libros e investigaciones que encontré sobre el tema Enfoque: Mi enfoque fue Cuanti-Cualitativo, ya que llevé a cabo investigaciones, observaciones, y preguntas a algunos estudiosos del tema. Método exploratorio Realizaré Investigación experimental y de campo. Necesitaré probar distintos tipos de motores para ver cuál cumple mejor con mis exigencias, además de viajar a talleres especializados en busca de asesoría, así como apoyo en la implementación del motor. Herramientas e instrumentos Entrevistas, computadora, libros, revistas, artículos electrónicos, documentos en pdf. Lugar de aplicación Se espera que el proyecto sea adecuado para desempeñarse en ambientes urbanos mediamente poblados, cuyas distancias no excedan los 30 min entre un punto y otro.

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Actividad Planeación Preparación Investigación Presentación Revisión Corrección Redacción

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