Tutorial: Estado del Regulador

[Sonic]

Cuelgo este tutorial que nos brinda el compañero Arri para su preservación y consulta. Su copia original sigue en el apartado de mecánica donde se puede comentar. ¡Gracias majo!

PARA CONOCER EL ESTADO DEL REGULADOR:

Para entender la electricidad, ayuda la analogía que existe con la fontanería:

Electricidad  <------------------------> fontanería
Cables  <------------------------> Tubos
Circulan electrones <------------------------> circula agua
Corriente (Amperios)  <------------------------> Caudal (litros/segundo)
Tensión (Voltios)  <------------------------>Presión (bares)

1.1.- El circuito eléctrico de la moto

Se compone de 4 elementos principales: alternador, rectificador/regulador (R/R), batería y consumidores de energía eléctrica (figura 1.1 y 1.2) .

Figura 1.1.- Componentes del circuito eléctrico de la moto.

Figura 1.2.- Circuito eléctrico de la moto y detalle del circuito interior de un R/R tipo shunt.

Para realizar la comprobación del funcionamiento del R/R, hay que conocer un poco la teoría básica de cada uno de los elementos descritos anteriormente. A continuación se hace una breve descripción.


1.2.- El alternador

El alternador toma energía mecánica del motor de combustión y la transforma en energía eléctrica, generando tensiones y corrientes alternas. Una tensión alterna entre dos cables significa que durante un tiempo "t" el cable "a" es positivo y el cable "b" negativo. En el siguiente periodo de tiempo "t", cambia la polaridad y ahora el cable "b" es positivo y el cable "a" negativo. Tener corriente alterna significa que la dirección del flujo de cargas eléctricas en movimiento por un cable, va cambiando a intervalos de tiempo "t". Estas alternancias en la polaridad de las tensiones y en el sentido de circulación de las corrientes, se producen cada 60 grados de giro del cigüeñal en la VTEC. Nuestro alternador es trifásico, lo que significa que tenemos un conjunto de tres tensiones y tres corrientes que alcanzan su máximo cada 20 grados de giro del rotor del alternador de forma secuencial: primero Vab, luego Vbc y finalmente Vca,  (Figura 1.3 y 1.5).

Figura 1.3.- Estátor y rotor de un alternador de una VTEC. 18 bobinas que resultan de colocar 6 bobinas en serie por cada una de las 3 fases. El rotor dispone de 6 imanes permanentes, lo que supone un total de 12 polos = 6 polos nortes + 6 polos sur.

En fontanería sería una bomba, que en su salida y durante un tiempo "t", generaría una presión por encima de la atmosférica (tensión +)  y un caudal (corriente +) en dirección saliente. Durante el siguiente periodo de tiempo igual a "t", generaría una presión por debajo de la atmosférica (tensión -) y un caudal (corriente -)  en dirección entrante. 
El la moto tenemos un alternador trifásico, que es como si en fontanería tuviéramos 3 bombas que giran en el mismo eje. Si suponemos que la bomba nº 1 es la primera que genera la presión positiva máxima, la bomba nº 2 lo hará cuando el eje gire 20 º y la bomba nº 3 lo hará cuando el eje gire otros 20 º y así sucesivamente


La frecuencia "f", que se mide en ciclos por segundo o Hertzios (Hz), es la cantidad de veces que las tensiones y corrientes cambian de valores +  a valores  –  y su valor se puede calcular como:

f = (rpm • p) / 120

donde:
rpm: revoluciones por minuto del motor de la moto (Variable con el puño de gas)
p: número de polos del alternador (12 en la VTEC) (constante)

rpm  ->    f (Hz)
1200 -> 120
5000 -> 500
7000 -> 700

Por cada 60 grados de giro del cigüeñal, la tensión entre 2 cables amarillos cambian de polaridad "+" a "–". Por lo tanto, en una vuelta completa,  lo hacen 6 veces.

1.2.1.- Alternador en vacío

Con la moto en marcha, si desconectamos los cables amarillos del R/R y los dejamos "al aire", no circula corriente por ellos: el alternador está en vacío. Hay tensión, pero no corriente. Solo en esta circunstancia, el valor de la tensión "E" (Voltios) que obtenemos entre 2 cables amarillos es igual a (el que medimos en AC con el téster):

E = cte • N • f • Φ

Donde:
cte: número constante que depende de diversos factores.
N: número de espiras de las bobinas, constante una vez bobinado.
f: frecuencia (Hz). Aumenta y disminuye proporcional a las rpm.
Φ : Es el flujo magnético máximo (Weber), constante e impuesto por los imanes permanentes del rotor.

Alternador en vacío
rpm ->    E (V) ->  I (A) 
1200   -> 13,2   ->   0
5000   ->  55     ->   0
7000   ->  77     ->   0
(no he verificado estos valores)

1.2.2.- Alternador en carga

Con la moto en marcha, cuando conectamos algo que consuma energía eléctrica en los cables amarillos, empieza a circular corriente por ellos (Amperios). Ahora hay tensión y también corriente, las dos cosas. Esta corriente crea en los bobinados del estátor un campo magnético que se opone al de los imanes permanentes. Como consecuencia, el flujo resultante es menor que en vacío y la tensión que obtenemos entre los cables amarillos también es menor que en la prueba en vacío. Este es el principio físico que utiliza un R/R tipo shunt para trabajar: ajustar la corriente (Amperios) que circula por los cables amarillos, cortocircuitándolos más veces o menos veces, para que el flujo resultante se mantenga constante (el de los imanes menos el de las bobinas) y por lo tanto la tensión de salida.

Alternador en carga, con R/R conectado
Rpm  ->  E (V)  ->  I (A) 
1200   -> 12,7   ->  20
5000   ->  10     ->   30
7000   ->  10,2  ->   31

1.2.3.- Calentamiento del alternador

Como se ha comentado, el alternador toma energía mecánica del motor y la transforma en un porcentaje elevado en energía eléctrica. El resto se convierte en calentamiento, que habrá que evacuar por algún método, mediante tres fenómenos:

Perdidas en el cobre: es el calentamiento en el cobre de las bobinas del estátor y dependen de la intensidad al cuadrado y de la resistencia del cobre del bobinado: a mas rpm, más intensidad, y por lo tanto más calor que generamos en el alternador. Además, la resistencia del cobre aumenta con la temperatura -> más calor   

Perdidas en el hierro: es el calentamiento que se produce en núcleo magnético donde están arrolladas las bobinas del estátor. Dependen de la frecuencia de las tensiones y corrientes generadas. Según las tablas anteriores, a más rpm, más frecuencia y por lo tanto más calor en el alternador  .

Perdidas por rozamiento: rozamiento con el aceite. Más rpm supone más rozamiento por unidad de tiempo.

En definitiva, si se anda con la moto periodos de tiempo largos a unas rpm elevadas (circuito, curveando fuerte, etc), el alternador se calienta más que andando suave. Nada nuevo.

Figura 1.4.- Perdidas en un alternador (Máquinas eléctricas, Stephen J. Chapman)



1.3.- El rectificador/regulador (R/R)

Lo que llamamos en el club "regulador", internamente se compone de 3 circuitos: rectificador, circuito de fuerza del regulador, circuito de control del regulador.


1.3.1.- Rectificador

El rectificador convierte las tensiones y corrientes alternas que genera el alternador (que van cambiando de polaridad + a -  continuamente) a un tipo de tensión y corriente continua: no cambian de polaridad, un cable siempre es + y el otro - y así es posible cargar adecuadamente la batería.

Los elementos que realizan la conversión de alterna a continua son los diodos D1, D2, D3, D4, D5 y D6 (figura 1.2). Un diodo es un componente electrónico de dos terminales, ánodo y cátodo, que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. La flecha de su símbolo lo indica: solo conduce de ánodo a cátodo. Para ello, es necesario que el ánodo tenga una tensión más positiva que el cátodo (figura 1.2 y 1.5). Cuando esto sucede se comporta como un interruptor cerrado. En fontanería sería una válvula anti-retorno, la cual solo permite el paso de caudal en un sentido, cuando en el ánodo hay más presión que en el cátodo. La figura 1.4 indica los 2 estados de trabajo de un diodo, mediante una batería y una lámpara.

Figura 1.5.- Principio de funcionamiento de un diodo.

En esencia, el principio de funcionamiento  del rectificador que llevamos en la moto (figura 1.2) sería el siguiente: cuando la tensión que genera el alternador en los cables amarillos es mayor que en la batería, los diodos empiezan a conducir por parejas y de forma secuencial, permitiendo el flujo de energía eléctrica hasta la batería. Nunca de la batería hacia el alternador: son "válvulas anti-retorno". Siempre conduce 1 de los 3 diodos superiores (D1 o D3 o D5): el que esté conectado al cable amarillo con tensión más positiva y uno de los 3 diodos inferiores (D2 o D4 o D6): el que esté conectado al cable amarillo con tensión más negativa. En la figura 1.6 se detalla que pareja de diodos trabajan cada 60 grados de giro del cigüeñal. En los primeros 10 grados de giro, la tensión Vcb es la más positiva y conduce el diodo D5 conectado al cable amarillo "c". A su vez, Vbc es la tensión más negativa y conduce el diodo D6 conectado al cable amarillo "b". En los siguientes 10 grados de giro conducen D1 y D6, etc. Como resultado de este proceso, a la batería le llega una tensión y corriente continuas, que no cambia de polaridad, pero con una pequeña ondulación, como se aprecia en la forma de onda inferior de la figura 1.6.

Figura 1.6.- Tensiones generadas en el alternador, tensión en batería y pareja de diodos que conduce en cada momento. "Vab" significa que es la tensión que veríamos entre el cable "a" y "b" en un osciloscopio.


1.3.2.- Circuito de control del regulador

Como hemos visto, la tensión (Voltios) que genera el alternador y que luego se trasladada mediante los diodos a la batería, depende de las rpm a las que se encuentre la moto. El margen de tensiones para que se cargue la batería está entre 13,8  y 15,5 V, según el manual de Honda. El alternador se diseña para que al ralentí sea capaz de suministrar 14,2 V, más o menos. El problema resulta cuando aceleramos: suben las rpm y como consecuencia la tensión en batería. Por encima de 14,4 V, se empiezan a producir reacciones químicas irreversibles en la batería que terminan con su vida útil de forma prematura.

Para evitar todo esto, el Circuito de control del regulador está constantemente midiendo dicha tensión en la batería. Si detecta un valor superior al umbral especificado, da la orden para que se deje de suministrar energía a la batería, cortocircuitando los cables amarillos. Esto provocará que la corriente (Amperios) por el alternador aumente, el flujo creado por las bobinas del estátor aumente y el flujo neto disminuya (flujo imanes menos flujo bobinas), disminuyendo la tensión de salida del alternador.

A altas rpm será necesario cortocircuitar muchas veces para que la corriente (Amperios) por los bobinados del alternador sea grande y así mantener la tensión en valores adecuados.

El circuito de control del regulador lo integran un conjunto de elementos electrónicos que se han sustituido por una caja, con objeto de no complicar más aun el esquema.


1.3.3.- Circuito de fuerza del regulador

El circuito de fuerza del regulador tipo shunt son 3 tiristores (figura 1.2: T1, T2 y T3) o 3 MOSFET conectados entre los cables amarillos y el negativo de salida del R/R.

Un tiristor tiene tres terminales, ánodo, cátodo y puerta. Al igual que el diodo, solo deja pasar corriente (Amperios) en el sentido de ánodo a cátodo, pero el momento en que empieza a conducir está controlado por un impulso de corriente en la puerta. Por lo tanto, para que se comporte como un interruptor cerrado, la tensión en el ánodo tiene que ser más grande que en el cátodo y además debemos suministrarle un impulso de corriente por el terminal de puerta.  Para que deje de conducir, es necesario que la tensión en el cátodo sea mayor que en el ánodo, no necesitándose ninguna señal por la puerta (figura 1.7).

La señal de puerta para que estos tiristores se comporten como interruptores cerrados les llega desde el circuito de control del regulador, esto es, cuando la tensión en la batería supera el umbral. En este momento, el tiristor que esté conectado al cable amarillo con tensión más positiva comenzará a conducir y a través de uno de los 3 diodos inferiores (D2 o D4 o D5), el que esté conectado al cable amarrillo de menor tensión se producirá un cortocircuito de esa fase del alternador. Por ejemplo, en los primeros 10 grados de giro del cigüeñal conducirían T1 y D6, en los siguientes 10 grados T3 y D6, etc.

Figura 1.7.- Principio de funcionamiento del tiristor.





1.4.- Los 2 estados de trabajo del circuito de carga

Resumiendo, el circuito de carga de la batería tiene dos estados de trabajo: rectificando y regulando. En el primero convierte las tensiones y corrientes AC generadas por el alternador a tensiones y corrientes continuas DC  necesarias en la batería y consumo, mediante la conducción de parejas de diodos (figura 1.6 y 1..

Figura 1.8.- En azul el recorrido de la corriente en el circuito de carga de la batería cuando su tensión es menor que la consigna de carga, por ejemplo 14,2 V. Se representa el estado cuando el cigüeñal se encuentra entre los ángulos de giro de 20º a 30 º. En esta situación, la tensión  "Vab" es la más positiva y la "Vba" es la más negativa. En consecuencia, conducen los diodos D1 y D6.



Cuando el circuito de control del R/R detecta una tensión en batería superior a la de consigna (por ejemplo 14,4 V), este da la orden a los tiristores para que pasen al estado de conducción. De esta forma la salida del alternador queda cortocircuitada por un lado y el consumo de la moto se abastece solamente desde batería por otro (Figura 1.9 ).

Figura 1.9.- En azul el recorrido de la corriente en el circuito eléctrico de la moto después de que la tensión en batería haya superado la consigna de carga, por ejemplo 14,4 V. Se representa el estado cuando el cigüeñal se encuentra entre los ángulos de giro de 20º a 30 º. Como antes, la tensión "Vab" es la más positiva y la "Vba" es la más negativa de los tres cables amarillos. El circuito de control a detectado una tensión en batería superior a 14,4 V y envía  la señal para que conduzca el tiristor T3. A través del diodo D6 la salida del alternador queda cortocircuitada.  Por otro lado, el consumo de la moto se realiza solo desde la batería.