Automatización de edificaciones inteligentes para ...sappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20060221_3269.pdf · temperatura, iluminación, humedad, y presencia de personas. ... propuestos

Automatización de edificaciones inteligentes para optimizar el consumo y distribución de energía mediante la utilización de celdas solares y sensores ópticos.

Registro asignado por la CGPI: 20060221 Director de proyecto de investigación

Dr. Jorge Adalberto Huerta Ruelas

Resumen.- El sistema de monitoreo y control se realizó por medio de una computadora personal en una primera etapa. Este sistema genera reportes de actividad a los usuarios mediante una interfaz amigable y fácil de utilizar para cualquier miembro de una familia o de un personal de laboratorio. Controla las siguientes variables ambientales: Temperatura, humedad, iluminación y movimiento. Subsistema de alimentación La distribución de energía dentro de la edificación inteligente se puede realizar mediante dos redes: una de corriente alterna (CA) y otra de corriente directa (CD). El sistema de alimentación de corriente directa consiste de un banco de baterías, que se carga de dos modos diferentes: un conjunto de paneles solares y un ejercitador físico que pone en movimiento un generador eléctrico (que fue parte de otro proyecto SIP del programa a cargo del M.C. Maximiano Ruiz). El sistema central lleva estadísticas generadas con los datos de la base que contiene las lecturas de todos los sensores Este sistema puede alimentar al sistema de iluminación, al sistema de sensores y a los equipos que operen con corriente directa (laptops, carga de celulares, carga de baterías, teléfonos, televisiones portátiles, señales de video, ruteadores de red, etc.) Subsistema de Iluminación El Sistema de Iluminación a desarrollar consiste de lámparas de CD y CA que optimizan el uso de la energía disponible. Se utilizan LEDs (Light Emitting Diodes) en sustitución de lámparas convencionales, ya que los primeros pueden llegar a tener un tiempo de vida hasta 50 veces mayor. La conversión de energía eléctrica a luminosa, de estas fuentes de luz es de mayor eficiencia. Este sistema de iluminación, incluye la generación de señales para operar mecanismos motorizados para la apertura/cierre de ventanas y persianas. El sistema de iluminación hace uso de la red de sensores para optimizar su operación y ahorrar energía. Subsistema de sensores En los sistemas de medición y control utilizados, proporcionan información de temperatura, iluminación, humedad, y presencia de personas. La velocidad del viento que inicialmente se propuso no fue desarrollada por considerarse poco relevante para los fines propuestos. Esta información permite tomar decisiones al sistema de iluminación, y actuadores en general que permiten activar alarmas y controlar el sistema de recarga de baterías. Características del sistema completo a) Se utilizan celdas fotovoltaicas y el mecanismo ejercitador para alimentar la red de

corriente directa. b) Para la operación del sistema global ya es posible mediante el uso de la base de datos de los sensores generar algoritmos de control como lógica difusa y redes neuronales que permitan una toma de decisiones que involucren patrones de comportamiento y relaciones entre las variables determinadas por la red de sensores. c) La plataforma inicial es un sistema operativo Windows de Microsoft, utilizando como lenguaje de programación C++ utilizando un compilador estándar de distribución gratuita asegurando así la portabilidad del software desarrollado que permita migrar a una sistema operativo gratuito (Linux), para ponerlo al alcance de distintos usuarios. La programación de los microcontroladores se realizó en lenguaje ensamblador

Introducción.- En México la principal fuente de energía utilizada en la actualidad, la constituyen los hidrocarburos. A pesar de que somos una nación con grandes reservas, nuestra escasa infraestructura tecnológica nos limita para su amplio aprovechamiento, además de tratarse de un recurso no renovable. Ante esta situación, es necesario desarrollar nuevas tecnologías que permitan realizar un uso más eficiente de la energía, considerando además el uso de fuentes de energéticas alternativas como son la solar y la eólica. De acuerdo estudios de la comisión nacional de ahorro de energía (CONAE) el consumo de energía eléctrica correspondiente a la iluminación representa aproximadamente una tercera parte del consumo total de una casa habitación, y otra tercera parte es consumida por el refrige rador. Por ello es necesario implementar estrategias que hagan un uso más eficiente de la energía reflejándose en un beneficio económico para el usuario y disminuir la demanda de energía a las plantas generadoras del país, que tienen pérdidas por transmisión y que consumen en su mayoría recursos no renovables.

Desarrollo experimental.- Diseño del sistema, diseño electrónicos, fabricación de impresos, armado y prueba de circuitos, cableado y puesta a punto mediante la toma de datos continua de las variables a medir.

Resultados.- Las metas propuestas en el proyecto fueron:

1 10

Creacion de base de datos Busqueda de información Reuniones de discusión Carga en sistema biblioscape

Enero 2006 Marzo 2006

2 20

Diseño de red alambrica y sistema de iluminación Red de energía Red de señales

Febrero 2006 Mayo 2006

3 30 Desarrollo de software del sistema Febrero 2006 Diciembre 2006

Programacion de algoritmos de control Adquisición de datos Formatos de informes

4 20

Desarrollo de sistema de sensores opticos Diseño de los acondicionadores Diseño del sistema de toma y procesamiento de las señales

Mayo 2006 Octubre 2006

5 20

Integración del sistema completo Acoplamiento del sistema de alimentacion, iluminacion, sensores y software

Noviembre 2006 Diciembre 2006

Meta 1. El diseño de red alambrica y sistema de iluminación fue realizado en los tiempos estipulados e igualmente la red de energía y red de señales. Fue necesario realizar una redistribución de estas redes por el cambio de edificio que se realizó en los meses de Julio-Septiembre de 2006. Actualmente se tiene instalado en el laboratorio de metrologia optica y se tiene programada la reinstalación del sistema en dos laboratorios contiguos con apoyo de tres estudiantes del ITESM que realizan practicas profesionales. Meta cumplida. Meta 2. Desarrollo de software del sistema, programacion de algoritmos de control y adquisición de datos. El desarrollo del software se realizó durante toda la duración del proyecto. Consiste en tres partes primordialmente: la adquis ición de los datos por el microcontrolador, el envio de los datos al sistema central y la construcción de la base de datos que puede ser consultada de manera remota. Detalles del sistema estan incluidos en el articulo anexo a este reporte que tiene como titulo “Monitoreo de un laboratorio a distancia”. La programación de algoritmos de control se realizará por los usuarios del sistema en función de las necesidades de los experimentos. Esta parte fue reemplazada por el desarrollo de tres diferentes mecanismos de transmisión de datos, via serial RS-485, ethernet Rj-45 e inalambrica 803.11b/g. La adquisición de datos se realizó mediante un proceso completo de acondicionamiento de señal, digitalización y transmisión de datos hacia el sistema central que ordena éstos en una base de datos. Meta cumplida Meta 3. Desarrollo de sistema de sensores opticos, diseño de los acondicionadores y diseño del sistema de toma y procesamiento de las señales fue realizada de acuerdo a lo programado. Inicialmente se proyectó que todos los sensores serian opticos pero en el caso de la temperatura y la humedad se consideró mas practico utilizar componentes y dispositivos convencionales disponibles en el mercado, los cuales tienen probada estabilidad, precision y exactitud para la medición de estos parámetros. Meta cumplida Meta 4. Integración del sistema completo, acoplamiento del sistema de alimentación, iluminación, sensores y software. El sistema de monitoreo de las condiciones ambientales se encuentra operando y tiene un valor agregado que no fue considerado al inicio como es la generación de reportes donde el usuario le puede solicitar graficas en el periodo de

tiempo que le interesa. El sistema de alimentación cuenta con un panel solar y le será agregado el mecanismo ejercitador en cuanto se termine el generador. El sistema de sensores es 100%funcional. Meta cumplida. Impacto.-Este sistema desarrollado que incluye un prototipo con software permite mejorar las condiciones ambientales de cualquier área habitable y que permite generar algoritmos de control que habiliten actuadores que permitan ahorrar energía y aumenten la comodidad de los que habitan la edificación. Es especialmente importante este sistema en laboratorios de investigación ya que el monitoreo y control de las condiciones ambientales permite asegurar que los datos obtenidos en los sistemas experimentales sean reproducibles y confiables al tener bien caracterizados las condiciones en las que se realiza la toma de datos. La capacidad del sistema de poder ser consultada la base de datos a distancia permite que el usuario pueda tomar acciones a distancia en función de los datos almacenados por el sistema. Una perspectiva muy importante es que este sistema se convierta en un subsistema de apoyo a una base de datos proveniente de los sistemas experimentales de manera que le permita al investigador asegurar que los experimentos se realizan bajo condiciones controladas y pueda analizar resultados y generar reportes con la certeza de minimizar los efectos que pueden producir las condiciones ambientales a los resultados de los estudios realizados. Otra aplicación muy importante es que al integrar actuadores a los sistemas experimentales, será posible la operación a distancia de los equipos, aumentando la cobertura en cuanto al uso del equipamiento dentro de la institución. Esta aplicación tendría potencial aplicación para todos los laboratorios en el país..

Anexos que son adjuntos a este documento 2 artículos en extenso aceptados para Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica Zacatecas, Zac, Marzo 28—30, 2007 que describen mas a detalle los logros de este proyecto

Encuentro de Investigación en IE, 28 — 30 de Marzo, 2007

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Resumen — Este trabajo tiene la finalidad de desarrollar un sistema de monitoreo de las condiciones ambientales en un laboratorio para así poder tomar una acción de control para regular a estas condiciones y así desarrollar un experimento de una manera mas confiable además de poder estar en contacto con éste de una manera remota mediante una conexión a Internet. Todo esto con tecnología fácil de encontrar y compatible con los estándares mas comunes del mercado. Las variables que se consideraron para este trabajo son la intensidad en la iluminación, detector de presencia, cuantificación de la humedad relativa en el ambiente y por ultimo la temperatura. Estas variables son las variables más comunes para realizar un experimento bajo condiciones controladas y estandarizar la manera en que se realiza una serie de experimentos, ayudando a la reproducibilidad de las mediciones. La transmisión de datos a un sistema central se realiza de tres protocolos diferentes: vía RS-485, vía inalámbrica 802.11b/g y vía Ethernet. Abstract — Main purpose of this work is to develop a monitoring system to monitor research lab ambient conditions and generate a feedback control signal to maintain conditions under control which assure reliable measurements. A WEB control capability is also considered to get remote control of research systems. Low cost commercial electronic components are used to guarantee easy construction and long time life cycle.

Variable considered for this system are temperature, humidity, illumination and motion, which are the most common variables which affect experimental measurements. When this parameters are under control contribute to standardize procedures that improve reproducibility. Data transmission to central system is made by three different protocols: serial RS-485, wireless 802.11b/g and Ethernet RJ-45.

Descriptores — Bases de datos, Redes, Sensores, monitoreo remoto.

I. INTRODUCCIÓN OS resultados del trabajo en laboratorio se pueden ver influenciados por las condiciones ambientales

imperantes en el momento de la toma de datos, por lo que un desarrollo de un sistema que ayude a garantizar unas condiciones ambientales bajo control toma especial importancia. Algunas de las variables ambientales más importantes a considerar al momento de realizar un experimento se consideraron para poder monitorearlas y poderlas controlar, a continuación se describen algunas de ellas y como es que se midieron.

Juan Carlos Osorio Resendiz1, Franco Arias Celma2, Oscar Peñalva Soto2, Julio César López Guerrero2, Isaac García Díaz2, Jesús Daniel Ramírez

Sánchez2, Rodrigo Novo Espinosa de los Monteros2, Jorge Adalberto Huerta Ruelas1

1 Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del IPN

Laboratorio de Metrología Óptica, IPN, Querétaro CP-76000

2 Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey Campus Querétaro.

Monitoreo de un laboratorio a distancia

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Una parte muy importante de este trabajo es la manera que se transmiten los datos a un sistema central. Dependiendo de las características del laboratorio como la posición de los sensores, el acceso a fuentes de alimentación, áreas de riesgo, fuentes de interferencia electromagnética, dimensiones físicas, entre otros, se define el tipo de medio de transmisión de los datos del monitoreo.

II. METODOLOGIA El diagrama general del trabajo que se presenta se describe en la Figura 1, la cual es un diagrama de bloques que muestra de una manera grafica la forma en que esta integrado este sistema de monitoreo.

Figura 1: Diagrama de bloques del proyecto

A continuación se hará una descripción de cada una de las partes que componen este diagrama. Sensores Los sensores son la parte que entra en contacto directo con la variable a medir. Implica una transformación de ésta a una variable eléctrica tal como una corriente o voltaje que generalmente es de baja intensidad por lo que se requiere un elemento acondicionador que amplifique y elimine ruido antes de ser digitalizada en un microcontrolador. A continuación se dará una descripción cualitativa de cada sensor utilizado. Iluminación Conociendo esta información se podrían tomar decisiones en cuanto a la cantidad de luz requerida para realizar el trabajo en las condiciones lumínicas adecuadas que limiten prender o apagar lámparas y/o abrir o cerrar ventanas por ejemplo. Esto es de

especial importancia en un laboratorio de mediciones ópticas el cual ha sido la primera aplicación de este sistema.

El elemento principal del sensor de iluminación es un fotodiodo el cual convierte la radiación electromagnetica a una pequeña corriente eléctrica proporcional a su intensidad. Sin embargo la salida en voltaje del fotodiodo es muy pequeña por lo que esta señal es amplificada y posteriormente enviada a un seguidor de voltaje, esto con el objetivo de obtener un nivel de salida de entre 0 a 5 Volts para mínima y máxima exposición a la luz. Presencia Este sensor tiene como objetivo detectar a alguna persona delante del mismo, con el propósito de que también se pueden tomar decisiones a partir de la información que proporcione, como el encendido de la iluminación, activar alguna alarma o pausar el experimento, por mencionar algunas. Para realizar esta implementación se utilizo el sensor de presencia infrarrojo (PIR) LHI 968 el cual funciona a partir de un transistor de efecto de campo el cual ya es proporcionado con todos sus aditamentos en las tiendas de autoservicio, este sensor puede ser implementado para activarse a una distancia de hasta 10 metros en un rango de 0° hasta 180°, dado que este dispositivo accionaba a un relevador se tuvo que modificar un poco para que tuviera una salida adecuada para el PIC (Peripheral Interface Controller) Sensor de Humedad Este tipo de sensor tiene como objetivo medir la humedad relativa que existe en el ambiente donde es activado, la finalidad de esta medición también es justificada por la razón de que esta humedad puede significar una menor o mayor variación de resultados en un experimento. Se utilizó el sensor de humedad HX92 de la marca Omega. Este sensor funciona a partir de una capa delgada de polímeros y es relativamente lineal en su salida, 0 Volts representa 0% de humedad y 1 Volt equivale al 100%. Trabaja en un rango de 20° a 75° con un error aproximado de 2% RH, el sensor es muy


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fácil de implementar y gracias a su linealidad los resultados obtenidos son muy buenos y cumple ampliamente con las necesidades del proyecto. Temperatura Para la medición de la temperatura se implementó el LM35 el cual regresa un valor lineal proporcional en Volts a la temperatura ambiente. Tras un acondicionamiento de la señal entregada por este elemento se realiza la conversión analógica digital en el PIC. Procesamiento de la señal Para el procesamiento de las señales de cada una de las variables se usó el microcontrolador 18F252 del fabricante Microchip. Los datos obtenidos se midieron en intervalos regulares de un segundo a una hora, dependiendo de las necesidades. Los datos obtenidos se etiquetan con respecto al lugar donde fueron obtenidos para su procesamiento. El PIC envía la información por vía serial a los distintos módulos de transmisión de datos para que sean encapsulados y transmitidos. RS-485 La Comunicación es via serial, utilizando el protocolo RS-485 para poder realizar la comunicación dentro de una distancia relativamente larga utilizando cable. El procedimiento de transmisión permite minimizar el ruido electromagnético que pudiese existir, por lo que es muy utilizado en ambientes industriales. Para implementar este protocolo fue usado el integrado MAX3162 el cual cuenta con 4 entradas seriales de 5V y 2 entradas del protocolo 485 (una de transmisión y otra de recepción), en el dispositivo de recepción es necesario incorporar un integrado MAX232 para convertir los voltajes de TTL (0 a 5V) a niveles serial de la computadora (-12 a 12 V). Ethernet Para implementar este tipo de comunicación se utilizó el microcontrolador ENC28J60 y el PIC18F252 los

cuales crean una interfaz de red Ethernet. El ENC28J60 es el encargado de acondicionar la señal a niveles eléctricos y el PIC18F252 es el encargado de la etapa lógica y del empaquetamiento de los datos además de la asignación de IP dinámicamente (DHCP Y ARP), este dispositivo permitió una buena conectividad. También el costo de implementación de las tarjetas alambricas es muy bajo ya que todo se desarrollo bajo código abierto en C para PIC, haciendo muy barato la utilización de este medio de comunicación en el proyecto. Además es compatible con las tecnologías existentes dándole la cualidad de ser implementado a las necesidades futuras del proyecto. Inalámbrico (Wireless) Para implementar este tipo de comunicación se utilizó el kit de desarrollo Wiport del fabricante lantronix el cual es un dispositivo que convierte nuestra comunicación serial en una comunicación ethernet inalámbrica. Este kit permite implementar los protocolos establecidos con mucha facilidad además de brindar un manejo fácil de datos ya que realiza el empaquetamiento de datos desde la capa lógica hasta la capa de aplicación sin la necesidad de programación avanzada. También resuelve la necesidad de controlar su frecuencia y potencia de la señal ya que trabaja dentro del rango de 2.4GHz, utilizando 11 bloques establecidos para evitar interferencia con otras redes y que permite se puedan utilizar diversas antenas con una ganancia controlada dependiendo de las necesidades de la red. Servidor El servidor recibe los datos por medio de la red local permitiendo utilizar las instalaciones existentes de cableado estructurado o de ruteadores inalambricos comerciales. El servidor el cual cuenta con una IP fija , al momento de recibir los datos los desempaqueta para que con las direcciones asignadas a los dispositivos guarde en una base de datos la información para después ser manejados ya sea por una programa de tomas de decisiones o por una pagina Web que de a conocer en tiempo real la información requerida. Pagina Web


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La pagina web cuenta con varias opciones para poder mostrar la información al usuario además de algunos factores de seguridad para poder acceder a ésta desde cualquier computadora con Internet, conociendo la contraseña.

Figura 2: Pantalla de entrada

Esta es la primera pantalla que se puede observar al ingresar al servidor principal vía Web, para continuar es necesario tener una cuenta y una contraseña permitiendo una selección de perfil y de acceso a datos dependiendo de los permisos del usuario.

Figura 3: Visualización de estados

Después de ingresar los datos descritos anteriormente se muestra el estado de todos los cuartos. Si se desea se puede acceder a algunas graficas que muestran los datos almacenados en la base de datos lo que permite un monitoreo continuo de un sistema ya que en las graficas se puede seleccionar un rango de tiempo especifico.

III. CONCLUSIÓN Se desarrolló un sistema muy conveniente para poder manejar, monitorear y almacenar información utilizando tecnología compatible que permite un control

especifico de las variables ambientales remotamente.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo otorgado de la Secretaria de Investigación y Posgrado del Instituto Politécnico Nacional a través del proyecto SIP-20060221.

REFERENCIAS [1] www.80211-wireless.com [2] TANENBAUM ,ANDREW, Redes de computadoras,

Editorial Prentice Hall, Mexico 2003 [3] www.microchip.com [4] www.lantronix.com/ [5] http://www.lantronix.com/


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Resumen — El presente trabajo, muestra el diseño de un dispositivo multifuncional cuyo principal objetivo es generar energía eléctrica a partir del ejercicio físico del usuario. Este dispositivo es multifuncional porque engloba tres actividades físicas las cuales se consideran, principalmente, como cardiovasculares. El diseño del dispositivo tuvo en mente considerar aspectos psicológicos que motiven una actividad recreativa de mayor satisfacción personal debido a que se obtiene un valor agregado mediante la producción de energía eléctrica de una manera limpia y renovable. Esta fuente de energía es parte de un sistema de alimentación de una red de corriente directa, que contiene tres fuentes diferentes de generación. La energía acumulada puede ser utilizada en electrónica personal, iluminación y equipos de DC de bajo consumo de energía, principalmente. Este proyecto es parte de un programa para el desarrollo de tecnologías para su uso en edificaciones inteligentes. Abstract — Present work shows a design about a multifunctional device which uses the physical-human exercise to produce electrical energy. This machine is said multifunctional because user can do three different kinds of physical exercises on it. These exercises are cardiovascular mainly. Design device considered psychological variables which should induce better recreational activity satisfaction, due by additional benefit of electric energy production, clean and renewable. This energy generator device is part of a complete energy DC system, which contains three different generation sources. Acumulated energy can be used to charge electronic

personal devices, illumination and low consumption DC equipment. This project participate in a program to develop technologies to be used in intelligent buildings.

Descriptores — Edificaciones inteligentes, Generador eléctrico, mecanismo ejercitador.

I. INTRODUCCIÓN n condiciones donde no se tiene disponible una red de suministro de corriente alterna se requiere del

uso de sistemas de generación de energía eléctrica, a partir de otra fuente de energía como es el caso de los generadores movidos por motores de combustión interna o las celdas fotovoltaicas. Estos sistemas presentan varios inconvenientes como son por un lado la dependencia de combustibles fósiles, la no operación de las celdas fotovoltaicas en ausencia de luz solar o en un caso de emergencia donde se requiere proveer de cierta potencia en un lapso de tiempo corto. En este contexto se propone un sistema que contribuya a resolver estos inconvenientes.

El presente trabajo consiste en el desarrollo de un sistema ejercitador multifuncional que incluya la generación de energía eléctrica a partir de la energía mecánica generada por una persona que realiza ejercicio. Este sistema ofrece un doble beneficio,

Milton Jiménez Ángeles1 Daniel Grijalva Hernández1,2, Juan de Dios Ortiz Alvarado1, Maximiano Ruiz Torres 1, Jorge A Huerta Ruelas 1

1. CICATA-IPN, Querétaro, Qro., México Teléfono 442 2121111 ext. 120 Fax ext. 103 e-mail: [email protected] 2. Instituto Tecnológico de Veracruz, Calz. Miguel Ángel de Quevedo #2779,

Veracruz, Ver.

Diseño y Construcción de Ejercitador Multifuncional con Generador Eléctrico

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mejorar la salud del usuario por medio de la práctica del ejercicio físico y tener disponible energía para su uso en determinadas aplicaciones de bajo consumo.

A partir de este contexto se ha diseñado una máquina ejercitadora que sirve para ejecutar tres tipos especificos de ejercicio (bicicleta estacionaria, remadora y bicicleta inversa) y no sólo uno, como usualmente las máquinas comerciales lo hacen sino que incluye una variedad de ellos. El dispositivo presenta ventajas ergonómicas sobre otras máquinas tanto para la comodidad del usuario como para generar una potencia mecánica más eficiente para generar energía eléctrica, función que no tienen contemplada las máquinas disponibles en el mercado.

Para esta aplicación se debe considerar un diseño especial del generador de energía eléctrica, en este caso un alternador, debido a las condiciones mecánicas de operación como velocidad y fuerza que una persona promedio puede desarrollar con el sistema ejercitador. Este sistema podrá utilizarse en escenarios que van desde las residencias inteligentes, donde podrá servir como fuente de suministro auxiliar para energizar dispositivos eléctricos convencionales hasta en las zonas rurales donde la energía comercial no se encuentra disponible , pasando por el consumidor medio que requiere mejorar su bienestar físico con un beneficio adicional en cuanto a sus necesidades de energía eléctrica.

II. MECANISMO EJERCITADOR

Anteriormente se han diseñado mecanismos ejercitadores para generar energía eléctrica de tipo de bicicleta; algunos de estos ya incluyen además de un dinamo o generador de energía un sistema de carga de batería y un inversor para convertir el voltaje de CD de las baterías al nivel de CA de línea domestica.

En estas bicicletas descritas, el generador se construye solo como un accesorio que podría ser operado por cualquier bicicleta ordinaria sin ser considerados algunos requerimientos ergonómicos para asegurar la postura del usuario de una manera correcta o para una mayor eficiencia del dispositivo.

En base a lo anterior, se buscó que el dispositivo permitiera realizar ejercicio cardiovascular, donde las principales actividades son la bicicleta, el remo y la bicicleta inversa. La selección de éstos fue en base a contar con un cuadro completo y balanceado que permitiera lograr los beneficios a la salud en la mayor parte del cuerpo y que conlleva a un estado fisico proporcionado si se realiza de una manera regular. Se buscó la ergonomía en el diseño, entendiendola como el campo de conocimientos multidisciplinarios que estudia las características, necesidades, capacidades y habilidades de los seres humanos, analizando aquellos aspectos que afectan al entorno artificial construido por el hombre relacionado directamente con los actos y gestos involucrados en toda actividad de éste [n]. La máquina debe ser estacionaria, planeada para estar instalada en un cuarto de gimnasio o en un cuarto de servicio.

El diseño conceptual fue hecho en software

AUTOCADTM. Las magnitudes de longitud utilizadas son promedio ya que el diseño tiene en consideración pequeños ajustes de acuerdo al tamaño de las personas y a ajustes finales durante la caracterización. La figura 1 muestra el esquema del diseño conceptual del mecanismo ejercitador.

Figura 1.- Diseño conceptual del mecanismo ejercitador.

A continuación se describen los ejercicios

cardiovasculares considerados en el diseño: 1) Bicicleta y Bicicleta inversa: Para el diseño de


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la bicicleta se eligió utilizar, primeramente, un asiento con respaldo. El asiento con respaldo muestra la ventaja de que ayuda a reducir los efectos de la gravedad y en la circulación sanguínea del usuario. El asiento es deslizable por unos rieles que contiene el perfil del banco para poder lograr el ajuste de tamaño y espacio del usuario, y podrá ser sujeto además de que se obtiene una mayor potencia. La bicicleta inversa fue pensada para el ejercitamiento de las extremidades superiores, y es especialmente útil para el usuario discapacitado o en rehabilitación de sus extremidades inferiores. El mecanismo de ambas puede ser identificado, de color amarillo, en la Figura 2.

2) Remo: Se propuso utilizar un mecanismo Grashof de 4 barras, el cual tiene una función análoga al mecanismo de biela encontrado en las locomotoras. El mecanismo de la remadora puede observarse por debajo del banco en la Figura 2.

El movimiento de los tres elementos de ejercitación

se transmite a una sola polea por medio de un juego de bandas.

A esta polea se acopla alternador por medio de una flecha para transmitir el movimiento hacia el rotor. La figura 2 muestra el esquema completo del mecanismo ejercitador indicando la transmisión de potencia mecánica al generador.

Figura 2.- Esquema general del sistema ejercitador que muestra la

ubicación del generador.

III. DISEÑO DEL GENERADOR Para el diseño del generador se tomo como datos iniciales los requerimientos de suministro de potencia.

Para la carga típica de una batería de 12 V es deseable tener un suministro de corriente de hasta 10 Amp. Por lo tanto se requiere generar una potencia eléctrica de 120 W.

Tomando en cuenta las condiciones de operación mecánicas de la máquina ejercitadota, la cual fue diseñada para proporcionar una velocidad nominal de 350 r.p.m, poco peso en los componentes mecánicos y mínimo mantenimiento se decidió utilizar el esquema de alternador con imanes permanentes en el rotor. El diseño contempla 20 polos para obtener suficiente disponibilidad de potencia generada a la velocidad de 350 r.p.m. La estructura mecánica del alternador se construyó de madera para disminuir el peso, y evitar los inconvenientes de la inercia mecánica, así como permitir que el mecanismo sea fácil de transportar e instalar.

Para el rotor se utilizaron imanes permanentes de neodimio (NdFeB) que contienen una alta densidad de flujo magnético, en este caso el valor nominal residual es de 12,300 gauss. Los imanes se colocan equidistantes entre si en el centro de la superficie periférica del rotor, como se muestra en la figura 3 y se fijan con adhesivo epóxico.

Figura 3.- Ubicación de los imanes permanentes en la superficie

periférica del rotor.

En el estator se encuentran los devanados en los que se induce la fuerza electromotriz producto del campo magnético giratorio. De acuerdo a la ley de Faraday y considerando un área efectiva de 13.85 cm2 en cada polo de los imanes se puede calcular la fuerza


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electromotriz inducida por espira.

)1(dtd

Eindφ

=

Donde f es el flujo total cortado por la espira y es igual a el producto del área efectiva del imán por la densidad de flujo. Así mismo debe considerarse una variación senoidal de la densidad de flujo magnético percibida por el devanado producida por el cambio de posición de los imanes en cada revolución. De esta manera flujo magnético que induce al devanado respecto al tiempo queda de acuerdo a (2).

( ) )2(tsent m ωφφ = El valor de ? corresponde a la velocidad angular de giro del rotor multiplicada por el número de pares de polos que se tienen en el rotor en este caso 10. Sustituyendo (2) en (1) y aplicando los valores antes mencionados se obtiene la expresión para el voltaje inducido por espira.

)3(.538.0 VtCosVind ω= El valor de amplitud obtenido sirve como referencia para determinar el número de espiras requerido en cada devanado. Hay que considerar sin embargo que el material del núcleo de los devanados del estator debe seleccionarse para obtener el máximo de eficiencia en la inducción de voltaje. El alambre conductor utilizado para el devanado es calibre 18 AWG acorde con el requerimiento de corriente.

IV. RESULTADOS Para estimar el desempeño del alternador se tomó el voltaje obtenido en uno de los devanados respecto a la velocidad de giro del rotor, de esta manera se puede estimarse cuanto afecta este parámetro al voltaje generado.

Para la caracterización, se acopló el eje del mecanismo a un motor de CD de velocidad controlada y se utilizó un devanado de 50 espiras con núcleo de aire para inducir voltaje. La figura 4 muestra la forma de onda de voltaje senoidal obtenida en el osciloscopio. La frecuencia de la onda senoidal depende de la velocidad de giro del rotor.

Figura 4.- Forma de onda del voltaje inducido en uno de los devanados del estator.

La amplitud del voltaje obtenido a la velocidad nominal de 350 rpm fue de 560 mV. Este valor aumentara sustancialmente si se utiliza un núcleo de material ferromagnético, al mejorarse la inducción de fuerza electromotriz en las espiras del devanado. Se tomaron lecturas de la amplitud de voltaje senoidal obtenido en función de la velocidad de giro. La figura 5 muestra los resultados obtenidos normalizados respecto a la amplitud de voltaje obtenida a la velocidad nominal de 350 rpm.


5

0 50 100 150 200 250 300 3500

20

40

60

80

100

% r

elat

ivo

al v

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loci

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inal

Velocidad [rpm]

Figura 5.- Gráfica del porcentaje del voltaje generado a diferentes

velocidades respecto al valor obtenido a la velocidad nominal.

La gráfica comprueba la relación lineal que existe entre el voltaje generado y la velocidad de giro. Es importante analizar esta característica del alternador si se tiene por objeto utilizarlo para la carga de baterías, ya que en este caso se requiere que el voltaje obtenido no varíe en un rango muy grande, y siempre se mantenga mayor o igual que el valor de voltaje de la batería que se busca cargar.

V. CONCLUSIONES El mecanismo diseñado presenta multiples ventajas respecto a mecanismos ejercitadotes comerciales. La caracterización del sistema jugará un papel fundamental para la validación del diseño y mejorar en la práctica cualquier dificultad o molestia que le ocasione al usuario y optimizar la relación esfuerzo físico/energía generada. Durante el diseño del alternador se tomó en cuenta los problemas que puede generar la intensidad de flujo magnético que generan los imanes de Neodimio al momento de que el usuario quiera poner en movimiento al generador, el peso del diseño fue otro punto a considerar ya que se pensó en la facilidad para poder mover el sistema ejercitador. Dentro de las aplicaciones, los principales problemas

que puede presentar el alternador es que su velocidad de operación no sea constante, esto provocaría una falla en el momento de almacenar la energía en un banco de baterías. Para mejorar el desempeño del alternador en condiciones donde la velocidad de giro es variable, es factible implementar un sistema regulador de voltaje que consista en modificar la conexión entre los devanados en serie o paralelo y cubrir la demanda de corriente o voltaje requerida. Otra mejora es emplear fibra de vidrio o nylamid para formar la base del rotor y estator, ya que este material es mas ligero de manera que se podría incrementar la velocidad de operación del alternador con un esfuerzo menor.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo otorgado de la Secretaria de Investigación y Posgrado del Instituto Politécnico Nacional a través de los proyectos SIP-20060221 y SIP-20061607.

REFERENCIAS

[1] Bicycle based emergency battery charging system, Francis Bienville, P.O. Box 7083, Torrance, CA (US) 90504-0983, April 6,2004. US 6,717,280 [2] http://users.erols.com/mshaver/bikegen . [3] Exercise stationary Bike; Kazuhiko Arai, Saitama-Ken (JP);Takeshi Inoue, Saitama-Ken (JP); Harukaze Koga, Tokyo (JP); Combi Corporation, Tokyo (JP); September 30, 2003. US D480,120 S [n] http://es.wikipedia.org/wiki/Ergonom%C3%ADa [4] Multi-mode exercise machine, David M. Raffo, Hillfarm House Wicker Lane Guilden Sutton, Chester, United Kingdom ; Grant David Purvis, 142 Totara Road, Miramar 6003, New Zealand, June 6, 2000. 6,071,215F. A. Saunders, “Electrotactile sensory aids for the handicapped (Presented Conference Paper style),” presented at the 4th Annu. Meeting Biomedical Engineering Society, Los Angeles, CA, 1973.


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[5] Teoría y análisis de las maquinas eléctricas, Kingsley, Kusko y Fitzgerald, Ed. Mc Graw Hill. [6] Maquinas Eléctricas, Stephen J. Chapman, Segunda Edición, McGraw Hill. [7] Electricidad y magnetismo, cuarta edición, Raymond A. Serway, Ed. Mc Graw Hill.

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