Articles

Artículo técnico: Cómo funciona un sistema de carga de motocicletas – ElectroSport

Los fundamentos de un sistema de carga de motocicletas
En casi todas las motocicletas se encuentra una batería, utilizada para proporcionar energía para el arranque de la moto y para amortiguar una cantidad de energía eléctrica. La batería se carga mediante un generador accionado por el motor, y mientras el motor esté en marcha habrá una corriente que fluye a través de la batería. La tensión en vacío de una batería completamente cargada es de unos 13 Vcc. Para cargarla, el sistema de carga debe proporcionar un voltaje de unos 14,4 Vdc y este debe ser un voltaje constante en todas las velocidades del motor.
El generador en sí está situado en el motor o sobre él, y en la mayoría de las motos hay una unidad reguladora-rectificadora separada situada en algún lugar del bastidor. La razón de esto es que casi todas las motocicletas están equipadas con un generador trifásico de CA (corriente alterna), mientras que el sistema eléctrico de la moto es un sistema de CC (corriente continua). La parte del rectificador dentro del regulador-rectificador se encarga de convertir la corriente alterna en la corriente continua que necesita la batería. El generador de CA trifásico se utiliza con frecuencia porque es mucho más eficiente y fiable que un generador de CC. Puede producir energía para cargar la batería incluso con el motor al ralentí. La parte reguladora del regulador-rectificador se utiliza para regular la tensión de salida (a la batería) a los 14,4 Vdc que se necesitan.
El sistema de generador de imán permanente
Un generador en una moto produce esta energía eléctrica porque tiene un bobinado de alambre de cobre en el estator (la parte estática del generador) que se encuentra dentro de un campo magnético variable. El generador más sencillo utiliza un volante de inercia que funciona sobre el cigüeñal con un par de imanes en su interior. A este volante con sus imanes incorporados lo llamamos rotor.

FIGURA 1: GENERADOR DE IMÁN PERMANENTE
Los propios imanes tienen polos norte y sur y el volante gira alrededor del estator. El estator es un núcleo metálico con muchos polos metálicos que tienen bobinas de hilo de cobre. Como el volante de inercia está girando y hay polos norte y sur en su interior, las bobinas del estator están expuestas primero a un polo norte, luego a un polo sur, luego a un polo norte de nuevo, etc. Este es el campo magnético variable que se necesita para que el propio devanado produzca corriente alterna. Los propios devanados están conectados en estrella (un devanado tiene dos extremos y los tres extremos de los tres devanados diferentes están conectados juntos) por lo que el estator tiene sólo tres cables de salida que salen de él.
Esta configuración del generador la llamamos generador de imán permanente. Esto es porque el volante contiene imanes que son magnéticos todo el tiempo. La salida de un determinado estator depende de la velocidad del motor (cuanto mayor sea la velocidad de la variación del campo magnético, mayor será la salida del estator), y la fuerza del campo magnético (que es constante) Básicamente, el estator produce una determinada salida en un determinado rpm.
Entonces, la corriente alterna es conducida a través del rectificador dentro de la unidad reguladora-rectificadora. El rectificador convierte los tres AC-fases a una sola salida de 14,4 Vdc, una tierra y un positivo. Debido a que el estator está produciendo energía de acuerdo con la velocidad del motor, la salida del estator es demasiado alta todo el tiempo. Esto significaría que el voltaje de salida del regulador-rectificador estaría muy por encima de 14,4 Vdc todo el tiempo, lo que daría lugar a una batería sobrecargada y soplando los componentes eléctricos de la moto que se supone que funcionan con un voltaje entre 12 y 15 Vdc.
Afortunadamente también hay una parte reguladora dentro de un regulador-rectificador. El regulador mira el DC-voltaje a través de los terminales de la batería y cortocircuita una cierta cantidad de energía que es producida por el estator a la tierra. Esto se regula constantemente, por lo que la tensión de salida del regulador-rectificador (que idealmente es la misma que la tensión en los terminales de la batería) se mantiene en 14,4 Vcc todo el tiempo. Uno de los problemas de estos sistemas es el cortocircuito del exceso de potencia. Esto lo hace el regulador-rectificador y esta parte tiene que disipar la potencia que cortocircuita a tierra, lo que significa que se calentará mucho. Esto se debe principalmente al regulador y en parte a los propios diodos rectificadores que se calientan sólo por la corriente que fluye a través de ellos. El interior del regulador-rectificador tiene que estar construido de forma que el calor se transfiera de forma eficiente desde los propios componentes electrónicos a la carcasa de la unidad, que suele estar equipada con aletas de refrigeración. Esta es la parte más importante en el diseño de un regulador-rectificador para su uso en un generador de imán permanente.
La parte del regulador-rectificador necesita medir la tensión continua en algún lugar del sistema. En las unidades más baratas (muchas de las OEM) esto no se hace midiendo la tensión de CC en el sistema de CC, sino mirando la tensión de CA entre una fase del estator y la tierra, y a veces el exceso de potencia se pone en cortocircuito a tierra desde sólo una o dos fases de CA de entrada en lugar de las tres fases que están reguladas. Las unidades mejor construidas miden la tensión de salida de la propia unidad y regulan la entrada de CA en consecuencia cortocircuitando más o menos potencia a tierra, una cantidad igual de las tres fases.

FIGURA 2: GENERADOR DE IMÁN PERMANENTE
Algunas unidades utilizan un cable de entrada adicional (FIGURA 2) para medir la tensión de CC.Este cable normalmente se conecta a través del interruptor de encendido y no directamente a la batería.Así que sólo hay una tensión en este cable si el encendido está activado. Esto se hace para compensar una caída de tensión que puede ocurrir debido a una mala conexión en los cables de la salida del regulador-rectificador a los terminales de la batería. El cable adicional lleva una corriente mucho más baja y el resultado de esta configuración es que la tensión de salida del rectificador-regulador será más alta, la misma tensión continua que la caída de tensión en los cables de alta corriente más 14,4 Vdc. Tiene la ventaja de que la batería se cargará, a pesar de una mala conexión, pero tiene la desventaja de que los cables de alta corriente pueden eventualmente quemarse debido a esto, sin que el propietario se dé cuenta de antemano de que hay un problema en el circuito.
Una cosa a tener en cuenta es que la potencia de salida proporcionada por el bobinado del estator se entrega entre las fases. La tierra en el sistema de carga es la salida negativa del rectificador. La parte de CA del sistema trifásico está flotando respecto a la tierra. Esto significa que la prueba de la salida de CA debe realizarse ENTRE dos de las tres fases, y no de una fase a tierra.
El sistema de generador controlado por campo
El otro sistema utilizado en las motocicletas es el generador controlado por campo. El sistema en sí funciona según los principios de un generador de imanes permanentes, la única gran diferencia es que no hay imanes permanentes sino que hay un electroimán que proporciona el magnetismo necesario. (Este magnetismo se denomina normalmente “campo”) El electroimán es un único y gran devanado sobre un núcleo metálico que se magnetiza en cuanto hay corriente continua fluyendo por el devanado, suministrada por la batería. En la mayoría de los sistemas controlados por el campo, este núcleo de metal tiene polos de garra y dos anillos de deslizamiento. El conjunto gira con el cigüeñal, con el bobinado del estator (al igual que el estator de imán permanente) a su alrededor. Imagina que miras la parte exterior del rotor de lado. Verá dos piezas de metal unidas a presión con un bobinado en medio. Al aplicar la tensión de la batería a través de los anillos deslizantes, el rotor se comportará como un gran electroimán, y el lado izquierdo del rotor será, por ejemplo, un polo norte, y el lado derecho será un polo sur. En el centro se pueden ver las piezas superpuestas, lo que significa que cuando el rotor gire, primero pasará un polo sur, luego un polo norte, luego un polo sur, etc. Este es el campo magnético variable necesario para generar corriente alterna en el bobinado del estator. La salida de CA trifásica del devanado del estator es conducida a través de un rectificador (dentro de la unidad del regulador-rectificador) para convertirla en CC para cargar la batería.

FIGURA 3: CAMPO CONMUTADO
La regulación es realizada por la parte del regulador-rectificador. Detecta el voltaje en el sistema eléctrico de la moto y cuando el voltaje es inferior a 14,4 Vdc enciende el campo (conmuta un suministro de 12Vdc a través de los anillos deslizantes) Entonces hay un campo magnético, por lo que el estator producirá energía. Cuando el voltaje en el sistema de la moto llega a más de 14,4 Vdc el regulador lo detecta y simplemente apaga el campo.Entonces el voltaje caerá porque el estator no produce más energía (no hay campo magnético variable). Cuando la tensión cae por debajo de unos 14,2 V, el regulador vuelve a conectar el campo.
Este es un proceso constante y el resultado de esto es una tensión constante a través de los terminales de la batería de 14,4 Vdc. Debido a que no hay exceso de energía producida por el estator, este sistema es muy eficiente. La contrapartida es que no es tan sencillo y pequeño como un generador de imanes permanentes. El devanado de campo normalmente tiene un lado conectado al positivo de la batería a través del interruptor de encendido. Así que sólo hay energía para el campo cuando el encendido está activado. La regulación se realiza a través de la parte reguladora del regulador-rectificador, conectando o desconectando la masa del campo. En algunas máquinas la configuración es al revés, entonces un lado del campo está conectado a tierra en todo momento, y el otro lado se conecta o desconecta a una alimentación positiva (a través del interruptor de encendido) por el regulador.
El generador controlado por campo sin mantenimiento
Algunas máquinas tienen una configuración ligeramente diferente. Entonces el estator se encuentra dentro de una cubierta, así como el devanado de campo en el centro de la misma. En medio gira una garra-polo de hierro accionada por el motor. El polo de la garra se magnetiza por el devanado de campo y el sistema funciona como el controlado por el campo, como se ha explicado anteriormente. La diferencia es que el campo no gira, por lo que no necesita ser alimentado a través de anillos deslizantes y escobillas, lo que lo hace prácticamente libre de mantenimiento. La contrapartida de esta configuración es el espacio de aire adicional entre el bobinado del campo y el poste de la garra. Normalmente hay un espacio de aire muy estrecho entre el rotor y el estator, necesario para que el rotor gire libremente. Este espacio de aire tiene que ser lo más pequeño posible, cuanto más pequeño sea el espacio de aire, más eficiente será el generador. En este sistema libre de mantenimiento hay un entrehierro extra, por lo que este sistema es menos eficiente.
El Generador Controlado por el Campo de la Unidad
La última variante de este sistema es un generador tipo coche que se atornilla al motor de la moto como una sola unidad. Las únicas conexiones son el cable de salida positivo a la batería y un cable de alimentación desde el interruptor de encendido al regulador, por lo que el regulador se puede activar y desactivar cuando el motor no está en marcha, y puede detectar la tensión en el sistema eléctrico de la moto en este cable. A veces hay un tercer cable que sale de él, que es un cable de tierra, al marco o el negativo de la batería. Así que debido a que el rectificador y el regulador se construyen en el propio generador, sólo hay DC-voltaje (14,4 Vdc) que viene de este generador.