CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN GENERADOR DE IMANES PERMANENTES DE 20W
Santiago Castaño Parga Autor
Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda, Ph. D., M. Sc.
Asesor
Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá D.C., Colombia
Mayo 2016
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, quiero agradecer a mis padres por su gran apoyo, no solo durante este proyecto, sino a través de toda mi carrera universitaria. Igualmente, quiero agradecerle al profesor Álvaro Pinilla por su constante guía durante esta investigación. Por último, quiero agradecer a todo el equipo de laboratoristas de la Universidad de los Andes por su gran colaboración.
Bogotá, Colombia. Junio de 2016
Santiago Castaño Parga
RESUMEN
Este trabajo busca construir y probar un generador que sea capaz de generar 20 W de potencia eléctrica, para ser usado en regiones donde no llega la red de suministro nacional. La idea principal es que este pueda ser conectado a baterías de celulares, computadores portátiles, alumbrado, etc. El diseño usado para la construcción de este generador se llevó acabo en el año 2010 en la Universidad de los Andes en conjunto con INDUMIL. Este diseño propone la construcción de un generador de imanes permanentes, de flujo radial, con estator longitudinal y ranurado con los imanes montados en la superficie del rotor. El generador obtenido durante este proyecto tiene exactamente las mismas características que el construido en el 2010.
Las curvas características del generador se obtienen primero en su funcionamiento como AC y luego se agrega una etapa de rectificación. Esta etapa de rectificación consiste de un circuito de seis (6) diodos que transforma la señal sinusoidal en una señal constante. En ambas caracterizaciones se uno una conexión en estrella de las tres fases del generador. En ambos casos se realiza un cambio en la velocidad angular de entrada y en la carga conectada. Para cada punto se obtienen los valores de potencia mecánica de entrada, potencia eléctrica de salida y con estos valores se calcula la eficiencia. Con estos puntos se grafica el comportamiento típico el generador y se obtienen los puntos de máxima eficiencia de este que sería el punto óptimo en el que debería funcionar.
En cuanto a la caracterización AC la eficiencia máxima es de 87.55% con una velocidad angular de 235.7 revoluciones por minuto, al estar conectado a una carga de 68 Ω. El torque de entrada en dicho punto es de 0.26 Nm y la potencia generada es de 5.66 W. Por otra parte, al agregar la etapa de rectificación se obtiene una eficiencia de 69.9% y velocidad angular de 354.4 revoluciones por minuto, nuevamente con una carga de 68 Ω. El torque requerido es de 0.59 Nm generando una potencia de 15.34 W. En esta etapa se alcanzan los 20 W (propuestos) con una eficiencia de alrededor 69.5 % y un torque de 0.67 Nm a una carga de 68 Ω.
Al comprar los resultados con los obtenidos en el 2010, se observan algunas diferencias en la potencia de salida y el torque de entrada. Lo anterior, conlleva a que el generador eólico que se tenga que volver a diseñar para los requerimientos de potencia de entrada del generador actual.
TABLA DE CONTENIDOS
AGRADECIMIENTOS ... 1
RESUMEN ... 2
TABLA DE CONTENIDOS ... 3
LISTA DE FIGURAS ... 4
LISTA DE TABLAS ... 4
LISTA DE GRÁFICAS ... 5
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ... 6
2. MARCO TEÓRICO... 7
2.1. CARACTERISTICAS DE LOS GENERADORES ELÉCTRICOS ... 7
2.1.1. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA (DC) ... 7
2.1.2. GENERADORES DE CORREINTE ALTERNA (AC) ... 8
2.1.3. GENERADORES DE IMANES PERMANENTES ... 11
3. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN Y ENSAMBLE ... 15
3.1. ESTATOR ... 15
3.2. DEVANADO... 15
3.3. ROTOR ... 16
3.4. CARCASA ... 17
3.5. ENSAMBLE ... 18
4. CARACTERIZACIÓN ... 19
4.1. PRUEBAS PRELIMINARES ... 19
4.2. CARACTERIZACIÓN AC (SIN ETAPA DE RECTIFICACIÓN) ... 20
4.3. COMPARACION CON OTROS GENERADORES (AC) ... 24
4.4. CARACTERIZACIÓN CON ETAPA DE RECTIFICACIÓN ... 27
4.5. COMPARACIÓN CON OTROS GENERADORES (DC) ... 31
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 33
6. BIBLIOGRAFIA ... 34
ANEXO A – LISTA DE PROVEEDORES ... 35
ANEXO B – CALIBRACIÓN TORQUÍMETRO ... 36
ANEXO C – PLANOTECA... 37
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Señal de Corriente Continua (Izquierda), Señal de Corriente Alterna (derecha). ... 7
Figura 2: Devanado de Doble Capa (izquierda) Devanado de Capa Sencilla (derecha) [2] ... 10
Figura 3: Conexiones en Estrella y Delta [3] ... 10
Figura 4: Orientación del Entrehierro [4]... 12
Figura 5: Orientación del flujo en el núcleo del estator [4] ... 12
Figura 6: Orientación de los imanes respecto al entrehierro [4]... 13
Figura 7: Estator ... 15
Figura 8: Devanado ... 16
Figura 9: Embobinado de tres fases (izquierda) Embobinado de una fase (derecho) ... 16
Figura 10: EStructura de Madera para imanes (Izquierda) Rotor Final (Derecha) ... 17
Figura 11: Desfase de las fases 1 y 2 sin carga (Superior) Desfase de las fases 1 y 3 sin carga (Inferior). ... 20
Figura 12: Montaje para Caracterización AC ... 21
Figura 13: Circuito Puente de Diodos (Izquierda) Puente de Diodos Construido (Derecha) ... 28
LISTA DE TABLAS
Tabla 1: Generadores de imanes permanents convencionales [4] ... 13Tabla 2: Prueba de Humedad Empack ... 17
Tabla 3: Resistencia del embobinado ... 19
LISTA DE GRÁFICAS
Gráfica 1: Voltaje de Fase Vs. Velocidad Angular ... 22
Gráfica 2: Corriente Vs. Velocidad Angular ... 22
Gráfica 3: Torque Vs Velocidad Angular ... 23
Gráfica 4: Potencia Mecanica Vs Velocidad Angular ... 23
Gráfica 5: Potencia Eléctrica Vs. Velocidad Angular ... 24
Gráfica 6: Eficiencia Vs. Velocidad Angular ... 24
Gráfica 7: Comparación entre Voltajes [5] ... 25
Gráfica 8: Comparación entre Corrientes [5] ... 26
Gráfica 9: Comparación entre Potencias Mecánicas [5] ... 26
Gráfica 10: Comparación entre Potencia Eléctrica [5] ... 27
Gráfica 11: Comparación entre Eficiencias [5] ... 27
Gráfica 12: Voltaje DC Vs. Velocidad Angular ... 28
Gráfica 13: Corriente DC Vs. Velocidad Angular ... 29
Gráfica 14: Torque DC Vs. Velocidad Angular ... 29
Gráfica 15: Potencia Mecánica Vs. Velocidad Angular ... 30
Gráfica 16: Potencia Eléctrica DC Vs. Velocidad Angular ... 30
Gráfica 17: Eficiencia DC Vs. Velocidad Angular ... 30
Gráfica 18: Compración entre Voltajes DC [1] ... 31
Gráfica 19: Comparación entre Corrientes DC [1] ... 32
Gráfica 20: Compración entre Potencia Eléctrica DC [1] ... 32
Gráfica 21: Compración entre Eficiencias DC [1] ... 32
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
En la actualidad, la energía eléctrica juega un papel muy importante en el diario vivir de las personas, debido al gran desarrollo de dispositivos electrónicos como computadores portátiles, celulares, baterías y cientos de otros dispositivos. En su gran mayoría, la fuente principal de energía eléctrica proviene de la conexión de las edificaciones a la red de suministro nacional, la cual genera un cobro según la cantidad mensual consumida. Sin embargo, existen algunas regiones del país que no son suplidas por la red nacional, lo cual causa la necesidad de crear unidades portátiles capaces de generar la energía suficiente para el funcionamiento de dichos dispositivos. Debido a esto, nace la necesidad de desarrollar unidades portátiles (fáciles de ensamblar y livianas) capaces de generar la potencia suficiente para suplir necesidades básicas, a partir de recursos naturales como el viento o corrientes de agua.
Los generadores se encargan de convertir la potencia mecánica en potencia eléctrica. En general, se puede decir que estos dispositivos constan de dos partes principales: La primera es la encargada de convertir la energía mecánica de la fuente en energía roto dinámica. La segunda parte, está conectada a la primera por medio de un eje y convierte este movimiento rotativo en energía eléctrica, es decir generar una diferencia de potencial y una corriente. En la fabricación de estos dispositivos se deben conocer, en primera instancia, las características del generador eléctrico para poder diseñar el rotor encargado de proporcionar la potencia mecánica. Lo anterior se debe a que el generador eléctrico requiere de cierta potencia de entrada, (torque y velocidad angular) para poder entregar la potencia eléctrica necesaria para el funcionamiento de dispositivos comerciales. Debido a lo anterior, este trabajo consiste en la construcción y caracterización de un generador de imanes permanentes capaz de generar la potencia requerida.
El diseño de este generador fue realizado en el 2010 por la estudiante de maestría Maria Fernanda Tafur [1] en la Universidad de los Andes, en asociación con la industria militar colombiana INDUMIL. Por último, cabe mencionar que las características del generador construido hacen que este sea fácilmente acoplable a un sistema eólico que se desarrollará en futuros trabajos en la institución.
El objetivo de este proyecto es construir y probar un generador eléctrico trifásico capaz de generar 20 W de potencia. El proyecto se divide en dos partes: La primera, es la construcción y ensamble del generador. Luego, se debe proceder a obtener las curvas de rendimiento (potencia eléctrica y eficiencia), por medio de las pruebas características correspondientes, funcionando en AC y DC.
2. MARCO TEÓRICO
2.1. CARACTERISTICAS DE LOS GENERADORES ELÉCTRICOS
Un generador eléctrico es un dispositivo que usa una fuente de energía mecánica (en su mayoría energía rotacional) para convertirla en energía eléctrica. Esto se da gracias a la ley de inducción electromagnética de Faraday, que establece que el voltaje inducido o fuerza electromotriz (fem) en un circuito cerrado es directamente proporcional a la razón de cambio en el tiempo del flujo magnético a través de este circuito. Esta ley se expresa matemáticamente de la siguiente manera:
− 𝑑
𝑑𝑡∫ 𝐵𝑑𝑎 = ∮ 𝐸𝑑𝑠
𝐶 𝑆
Esta relación establece que el cambio en el tiempo del campo magnético B que atraviesa la superficie S de contorno cerrado C es igual a la integral de línea del campo eléctrico E alrededor de C. Existen dos formas para crear un campo magnético variable en el tiempo que induzcan una fuerza electromotriz para el funcionamiento de un generador. La primera, es cuando se tiene un conjunto de imanes que crean un flujo magnético uniforme a través de los conductores, y estos se hacen girar creando un flujo magnético variable en el tiempo. La segunda forma, consisten en crear un embobinado, el cual hace las veces de electroimán creando polos magnéticos fijos.
Aunque existen muchos tipos de generadores, estos se clasifican en dos grandes familias de acuerdo al tipo de señal que producen durante su funcionamiento. Si estos producen una señal con un voltaje constante en el tiempo se les denomina de corriente continua (DC), por el contrario, si estos producen una señal que es variable con el tiempo entonces se clasifican como de corriente alterna (AC). Los tipos de señales se presentan en la Figura 1.
Figura 1: Señal de Corriente Continua (Izquierda), Señal de Corriente Alterna (derecha).
2.1.1. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA (DC)
Como su nombre lo indica, los generadores de corriente continua son aquellos que producen una señal de salida constante en el tiempo. En realidad, estos generadores producen una corriente alterna, pero a diferencia de los generadores AC cuentan con un sistema, denominado conmutador, que transforma la corriente variable en el tiempo en una señal constante. Los generadores DC están constituidos por un estator, un rotor, el conmutador y las escobillas, cuyos funcionamientos se explican a continuación.
Estator
Esta es la parte fija del generador que tiene una forma cilíndrica y además es la que se utiliza como soporte mecánico del mismo. El estator sostiene el sistema inductor que es el encargo de crear el campo magnético. Como ya se mencionó, el campo magnético puede ser generado por polos inductores o por un devanado inductor. Los polos inductores, se refieren a elementos con polos fijos que generan campos magnéticos uniformes, es decir imanes. En la mayoría de las ocasiones el número de polos es par. En cuanto al devanado inductor, el estator cuenta con rejillas en las cuales se hace un embobinado que se excita eléctricamente para que actúe como un electroimán. Por último, está la culata construida en un material ferromagnético la cual cierra el circuito magnético y sostiene los polos.
Rotor
Esta es la parte giratoria del generador y sobre la cual se crea la corriente eléctrica de salida. Está compuesta por los embobinados, los cuales son espiras de alambre (que pueden ser de varias vueltas y formas) donde se crea la corriente en el momento de la rotación. Este también consta de un núcleo inducido el cual es un eje que contiene ranuras en las cuales se sujeta el embobinado. Cabe mencionar que los embobinados están conectados al conmutador.
Conmutador y Escobillas
Estos son los elementos encargados de transformar la corriente alterna en corriente directa. El conmutador está conectado directamente a los embobinados por láminas de cobre (una al inicio y otra al final de cada bobina) aisladas eléctricamente entre ellas las cuales están en contacto con las escobillas. El conmutador gira con el rotor haciendo que el contacto con las escobillas cambie cada determinado número grados (dependiendo del número de bobinas que haya) haciendo que la corriente cambie de sentido, anulando el efecto sinusoidal del generador. Las escobillas son elementos de carbono-grafito o metálicas, que entran en contacto con el conmutador y transmiten la corriente al exterior del generador.
2.1.2. GENERADORES DE CORREINTE ALTERNA (AC)
Los generadores de corriente alterna son aquellos que producen una señal de salida que varía con el tiempo como se observa en la Figura 1, estos generadores se pueden clasificar en dos grandes grupos los síncronos y los asíncronos. Debido a que el generador fabricado es de naturaleza síncrona, esta sección se enfocará principalmente en este tipo en específico. A diferencia de los generadores de corriente continua, los de corriente alterna no requieren de conmutadores ni escobillas lo que los hace más sencillos de fabricar. Debido a lo anterior, se sabe que el tipo de energía obtenida es igual al de la red de distribución por lo que se puede conectar a esta directamente. En caso de los generadores de menor potencia estos se pueden conectar directamente a los dispositivos para hacerlos funcionar. Si se quiere obtener una señal de salida DC para conectar a dispositivos como baterías de celulares, se puede hacer uso de una etapa de rectificación que se consigue comercialmente o construyendo un puente de diodos.
En los generadores de corriente alterna la fuente que produce el campo magnético es rotada por medio de una fuente mecánica. Este campo magnético atraviesa unas bobinas o devanado (grupo de bobinas conectadas de una manera particular para conducir una corriente inducida) y la acción rotativa causa que se cree un cambio cíclico de la señal de salida. En el caso de los generadores AC síncronos o alternadores, el voltaje inducido completa un ciclo cada revolución y su frecuencia es la misma que la del rotor, de ahí que se les llame síncronos pues están en sincronía con la velocidad angular de entrada. A partir de esto se puede obtener una relación entre f la frecuencia del motor, n la velocidad angular del motor y P el número de polos, que se presenta a continuación:
𝑓 =𝑛 ∙ 𝑃
60 = 2 ∙ 𝑛 ∙ 𝑃 120
Donde se obtiene la frecuencia en Hertz (Hz) y la velocidad angular en revoluciones por minuto (rpm). A diferencia de los generadores DC, los síncronos solo cuentan con dos partes principales el estator y el rotor. En el caso de las máquinas de corriente continua el estator contiene la fuente que provee el campo magnético y el rotor contiene el embobinado para que este último pueda conectarse al conmutador. Por el contrario, los alternadores contienen el embobinado en el estator y la fuente del campo magnético en el rotor, ya que la señal de salida no se modifica. Esto tiene algunas ventajas como la facilidad de refrigeración del embobinado, que es la parte donde más se genera calor debido a la corriente inducida.
Estator
Este se construye a partir de láminas de acero altamente permeables de modo que se reducen las pérdidas en el núcleo. Las láminas con las que se construye el estator contienen cierto número de ranuras en las cuales se van a acomodar los embobinados o devanados. Estos conductores se organizan de manera simétrica en el estator para crear una polifase balanceada, es decir, que cada una de las fases tengan voltajes y corrientes de igual magnitud. Para este fin, el número de ranuras por cada polo debe ser un número entero. Los generadores síncronos comerciales normalmente tienen su estator en la parte exterior soportados por la carcasa.
Rotor
El rotor es la parte móvil del generador que rota a la velocidad síncrona y como ya se mencionó es el que contiene la fuente de flujo magnético. En el caso en el cual dicha fuente es un devanado o embobinado se le debe aplicar una fuente de corriente DC para que este haga las veces de un electroimán. La segunda fuente de flujo magnético es la incorporación de imanes al sistema, lo cual es una gran ventaja ya que no requiere de una fuente externa de energía para funcionar.
Esto hace que sea de gran utilidad en zonas apartadas ya que tan solo necesita ser acoplado a una fuente de energía mecánica que le provea una potencia de entrada. Este tipo de generadores se clasifica como generador de imanes permanentes.
Devanado
La forma más común de organizar el devanado es conocida como el devanado de bobina completa o de doble capa. Este tipo de organización consiste en que en cada una de las ranuras del estator se ubican dos bobinas una encima de la otra, como se observa en la Figura 2, y se repite el embobinado cada dos o tres ranuras dependiendo del número de fases del generador.
Una forma alternativa de organizar el embobinado es por medio del devanado de capa sencilla, en el cual en cada uno de las ranuras se introduce tan solo un embobinado como se observa en la Figura 2. En esta configuración se concentran cada uno de los embobinados alrededor de polos individuales lo que causa que se aíslen las fases. Este tipo de devanado es más sencillo de construir que el de doble capa, pero desde el punto de vista de la eficiencia no son recomendables ya que no usan eficientemente la periferia del estator y hacen que sea necesario usar ranuras extremadamente profundas, donde se concentra el devanado incrementando el mmf necesario para crear el flujo en el entrehierro [2].
Configuración Eléctrica
La forma más popular de devanado es el de doble capa trifásico, es decir que en el estator se acomodan tres embobinados diferentes. Estos embobinados son iguales en apariencia (número de vueltas por bobina) pero están desplazados uno del otro en exactamente 120° eléctricos de manera tal que se asegura que las fem inducidas están desfasadas 120° en tiempo. Para este tipo de configuración existen dos tipos de conexiones posibles: La conexión estrella o en Y y la
Figura 2: Devanado de Doble Capa (izquierda) Devanado de Capa Sencilla (derecha) [2]
Figura 3: Conexiones en Estrella y Delta [3]
conexión delta o Δ. En la Figura 3 se puede observar la configuración de cada una de las conexiones.
La configuración estrella se caracteriza por tener un punto llamado común donde se une un lado de cada una de las fuentes de voltaje, en este caso cada uno de los embobinados. Los otros tres extremos de las fuentes de voltaje se conectan directamente a la carga [3]. El voltaje en estos circuitos se puede medir como voltaje de fase (voltaje entre cualquier línea y el neutro) o voltaje de línea que es el voltaje entre dos de las líneas conductoras. Para la corriente ocurre lo mismo.
A continuación, se muestran las relaciones matemáticas que los relacionan:
𝑉𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 = √3 𝑉𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑖𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 = 𝑖𝑓𝑎𝑠𝑒
Donde V se refiere a voltaje e i se refiere a corriente. En cuanto a la configuración en delta las relaciones se invierten, y se presentan a continuación:
𝑉𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 = 𝑉𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑖𝑙𝑖𝑛𝑒 = √3 𝑖𝑓𝑎𝑠𝑒 2.1.3. GENERADORES DE IMANES PERMANENTES
Como ya había sido mencionado los generadores de corriente alterna se pueden dividir en dos grandes categorías los síncronos y los asíncronos. En el capítulo anterior, se discutieron las características generales de los generadores síncronos o alternadores. En este capítulo, se quiere profundizar aún más en los generadores síncronos, pero en especial en aquellos cuya fuente de campo magnético está dada por un grupo de imanes al interior de la máquina. Este tipo de generadores tiene varias ventajas sobre los generadores de inducción para el tipo de aplicación que se requiere en este proyecto. La primera ventaja, es que los generadores de inducción contienen una bobina en el estator para suministrar el campo de excitación, luego se necesita de una fuente de energía que cargue dicho embobinado para su funcionamiento. Lo anterior, es una desventaja puesto que se quiere que estos generadores sean utilizados en lugares donde es de difícil alcance cualquier fuente de voltaje. Por el contrario, los generadores de imanes permanentes no requieren de ninguna fuente externa para su funcionamiento. Estos generadores obtienen su fuente de excitación de los polos de los imanes, lo que les permite ser conectados directamente a una fuente de energía mecánica como una turbina eólica.
Adicionalmente, los generadores de imanes permanentes son más compactos y livianos que los de inducción. Esto se debe a que estos últimos, necesitan de un gran embobinado que actúe como electroimán haciendo que se requiera un rotor de mayor magnitud, pues se necesitan crear las ranuras que sostengan el devanado adicional [4].
Una vez conocidas sus ventajas, se puede hablar de la topología y clasificación de dichos generadores. Esta clasificación se da a partir de cuatro características físicas del generador:
Primero, la orientación del entrehierro (air gap) se puede clasificar como radial (R) o axial (A). El entrehierro es el espacio de aire que existe entre el rotor y el estator, si el vector de esta superficie de aire es perpendicular al eje de rotación es radial. Por el contrario, si el vector es perpendicular al eje de rotación es axial. Lo anterior se puede observar en la Figura 4.
La segunda forma de clasificación es de acuerdo a la orientación del flujo en el núcleo del estator, que puede ser longitudinal (L) o transversal (T). Cabe aclarar, que el núcleo del estator es el material ferromagnético que contiene las ranuras que sostienen el embobinado. Si este flujo va en paralelo de la dirección del movimiento es considerado longitudinal. Si este va en dirección perpendicular al movimiento este es transversal como se observa en la Figura 5.
La tercera característica, es la orientación de los imanes con respecto al entrehierro. Estos se pueden caracterizar como montados en la superficie (SM) o como concentradores de flujo (FC).
Esto depende de la orientación de la magnetización de los polos de los imanes con respecto al entrehierro, SM si los vectores son paralelos o FC si los vectores son perpendiculares, como se observa en la Figura 6.
Figura 4: Orientación del Entrehierro [4]
Figura 5: Orientación del flujo en el núcleo del estator [4]
Figura 6: Orientación de los imanes respecto al entrehierro [4]
Por último, se pueden clasificar de acuerdo al tipo de estator observando si este contiene ranuras o no. Si el estator es ranurado se denomina con S (slotted) y si no tiene ranuras se denomina con SL (slotless). En los estatores ranurados, las ranuras se usan para conducir el flujo y para mantener los conductores en su lugar. En cuanto a los estatores sin ranurado los conductores son ubicados en el entrehierro así que el flujo tiene que cruzar un espacio más grueso de un medio no magnético, lo que lleva a usar imanes más gruesos y a una menor densidad de flujo sin carga.
En la Tabla 1, se puede observar una lista de generadores de imanes permanentes comunes con sus respectivas características.
Tabla 1: Generadores de imanes permanents convencionales [4]
El generador elegido para construir en este proyecto es un generador convencional de imanes permanentes síncrono (Conventional PM synchronous machine) o conocido como RPMG por sus siglas en inglés. Normalmente, estos generadores están compuestos por un estator externo cilíndrico dentro del cual gira un grupo de imanes. Sin embargo, en este caso el estator estará en el interior del rotor, compuesto de 12 imanes ensamblados en forma de cilindro.
3. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN Y ENSAMBLE
Como ya se mencionó el propósito de este proyecto es construir y caracterizar un generador de corriente alterna de imanes permanentes, portátil, capaz de producir potencia suficiente para poder cargar elementos como baterías, celulares, computadores portátiles, etc. En este capítulo, se presentarán los pasos que se siguieron para la fabricación de la máquina.
3.1. ESTATOR
Esta es una de las partes más importantes del generador ya que es el soporte del embobinado en el cual se inducirá la fem. El núcleo debe estar fabricado por un material que tenga una alta conductividad térmica, de manera que ayude a mantener refrigerado el sistema. De igual manera, debe tener una baja conductancia eléctrica para evitar que se creen corrientes parásitas de Eddy, que generan calor y por lo tanto pérdidas en el sistema. Por último, el material a utilizar debe tener una alta permeabilidad magnética para que se pueda desarrollar el campo magnético en su interior. Por esta razón se utiliza el ferrosilicio, el cual cumple con las propiedades ya mencionadas. La fabricación se hace por medio de láminas de ferrosilicio con un espesor de 0.5 mm. Estas láminas son cortadas, por medio de corte láser, a la geometría final del estator cuyo plano se encuentra en el anexo C. En la Figura 7 se pueden observar una de las láminas individuales y el conjunto total de láminas.
Se hizo uso de un total de 60 láminas para fabricar el estator. La geometría del eje con cuña en su centro se utilizó de base para lograr posicionarlas de manera correcta. Estas fueron pegadas entre si usando un adhesivo epóxico (3M – DP100).
3.2. DEVANADO
Luego de obtener el núcleo del estator, se procede a realizar un devanado o embobinado. En este caso se realiza un embobinado de doble capa ya que se sabe que mejora la eficiencia del generador. De acuerdo con el número de polos por ranura y al número de capas en cada ranura,
Figura 7: Estator
existen diferentes configuraciones para el devanado. La configuración usada fue establecida mediante una herramienta online utilizada por Tafur [1], el resultado se presenta en la Figura 8.
Figura 8: Devanado
Como se tiene un generador trifásico entonces se fabrican tres embobinados sostenidos por el mismo núcleo. Para insertarlos lo primero que se hace es ubicar papel Prespan de 0.7 mm de espesor para aislar el embobinado del núcleo y reducir aún más las corrientes de Eddy. Luego se introducen cada uno de los embobinados obteniendo el resultado que se muestra en la Figura 9.
El embobinado fue realizado con cable de cobre de calibre 28 (0.32mm de diámetro) de 40 vueltas cada uno. Luego de obtener el embobinado final de las tres fases y de realizar las pruebas pertinentes, se aplica un dieléctrico a los conductores para protegerlos de la humedad y de cortos circuitos en caso de falla mecánica.
3.3. ROTOR
Para la fabricación del rotor se usaron 12 imanes de neodimio de grado 45 con dimensiones de 46mm X 21mm X 10mm. El soporte de los imanes fue fabricado en aluminio, para lograr su ensamble se fabricó un dodecágono en madera el cual tenía la misma geometría final que se deseaba obtener, Figura 10.
Figura 9: Embobinado de tres fases (izquierda) Embobinado de una fase (derecho)
Luego de acomodar los imanes en su posición, estos se adhirieron al cilindro de aluminio por medio de un epóxico (E-20HP Hysol). Por último, la madera fue removida por medios mecánicos para obtener la geometría final de la Figura 10. En el anexo C se presentan los planos del rotor y su ensamble.
3.4. CARCASA
En el trabajo previo realizado por Tafur se probó que la permeabilidad, tanto del PVC como del aluminio, eran aptas para que el sistema pudiera soportar las condiciones ambientales a las que podría llegar a estar expuesto. Teniendo en cuenta lo anterior, se fabrica la carcasa con partes de PVC estándar, ya que de esta manera se agiliza el proceso de fabricación y ensamble pues las piezas ya encajan de manera adecuada entre sí. Se realizó un pequeño cambio al diseño original, pues en este se usan tapones de PVC para ajustar los rodamientos. Sin embargo, no se logró dar este ajuste a los rodamientos con las tolerancias actuales de los tapones. Por esta razón, se fabricaron dos piezas en Empack que tienen geometrías muy similares a los tapones comerciales de PVC y dan la tolerancia adecuada para el ajuste a los rodamientos. Se realizó una prueba de absorción de humedad a las piezas fabricadas en dicho material y se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 2: Prueba de Humedad Empack
Tiempo (h) Peso (g) Cambio en peso (%)
0 30.9792 N/A
24 30.9824 0.01
48 30.9881 0.028
Como se observa en la Tabla 2, el cambio máximo en peso del material luego de 48 horas de estar sumergido es de 0.028%. Esto demuestra que el material no absorbe una gran cantidad de
Figura 10: EStructura de Madera para imanes (Izquierda) Rotor Final (Derecha)
humedad y por lo tanto, no perderá el ajuste de los rodamientos con el tiempo. Los planos de cada una de las partes se presentan en el anexo C.
3.5. ENSAMBLE
Para poder realizar el ensamble final se debe fabricar un eje el cual sirve de soporte a todo el sistema. Este eje se manufactura en aluminio y contiene los ajustes necesarios para permitir que los rodamientos giren sin resbalar. Adicionalmente, contiene un cuñero (y su respectiva cuña) que permiten el ensamble del estator al sistema. Este eje fue construido de acuerdo a los parámetros de Tafur, para que permita un fácil acople a un sistema eólico.
Luego de la fabricación del eje se puede realizar el proceso de ensamble, este inicia con el ajuste que permite sostener la parte inferior de la carcasa. Acto seguido, se introduce el estator y se acomodan los cables finales por una cuña que permite su salida. Por último, se introduce el rotor a la carcasa y se ensambla la tapa superior con su respectivo rodamiento. Los planos de cada componente se encuentran en el anexo C, al igual que un plano explosionado que permite una sencilla visualización del ensamble.
4. CARACTERIZACIÓN
4.1. PRUEBAS PRELIMINARES
Antes de poder conectar el generador a cargas resistivas se debe probar que cada una de las fases se haya fabricado de forma adecuada y que ninguna de estas esté haciendo contacto con la otra. Adicionalmente, se debe probar que en efecto las tres fases estén desfasadas un ángulo de 120° en el tiempo. Para poder corroborar que el embobinado se haya fabricado de manera adecuada se debe medir la resistencia de cada uno de los embobinados.
Tabla 3: Resistencia del embobinado
Resistencia (ohm) Prom.
Fase 1 10.5 10.4 10.3 10.4
Fase 2 10.6 10.7 10.7 10.67
Fase 3 10.7 10.8 10.9 10.8
Se realizaron tres mediciones de cada una de las fases y se obtuvieron los promedios que se presentan en la Tabla 3. Como se observa las tres fases tiene valores muy similares de resistencia lo cual indica que si fueron fabricadas de manera adecuada. Para probar si existe algún tipo de conexión entre las fases, que pueda causar un corto circuito, se usa un multímetro conectando la entrada de una fase con la entrada de otra. El multímetro indica si existe alguna conexión entre estas. Al realizar este procedimiento no se encontró conexión alguna entre las fases. Para probar que las fases si se encuentren a 120° cada una, se conectó el generador a un osciloscopio y de esta manera se observa el comportamiento de dos fases al mismo tiempo, como se muestra en la Figura 11.
Con el osciloscopio se puede obtener la frecuencia del voltaje que se está generando y adicionalmente se sabe el tiempo entre picos de las dos señales. Con esta información se puede calcular el ángulo entre las fases de acuerdo a la siguiente ecuación:
𝜃 =𝜆 ∙ 2 ∙ 𝜋 𝑝
𝑝 =1 𝑓
Donde λ es tiempo de desfase entre los picos, p es el periodo de las señales y f la frecuencia de estas. Remplazando los valores de la Figura 11, se obtienen valores de 126° y 124.8° de desfase los cuales son valores aceptables para el desfase. Una vez realizadas estas pruebas preliminares, se puede proceder a realizar la caracterización con cargas resistivas.
4.2. CARACTERIZACIÓN AC (SIN ETAPA DE RECTIFICACIÓN)
Para realizar la caracterización del generador se decide usar la configuración en estrella cuyo esquema se encuentra en la Figura 3. Luego de esto, se deben añadir tres resistencias de igual valor a cada una de las fases y medir el valor de voltaje y corriente generados. El montaje utilizado
Figura 11: Desfase de las fases 1 y 2 sin carga (Superior) Desfase de las fases 1 y 3 sin carga (Inferior).
Fase 1
Fase 2
Fase 1
Fase 3
se observa en la Figura 12, donde se utilizan tres multímetros (conectados en serie) para medir el valor de la corriente, un osciloscopio (conectado en paralelo) para medir el valor del voltaje y un torquímetro (conectado en la entrada mecánica del generador) para medir el torque de entrada.
Se debe mencionar que los valores de corriente y voltaje obtenidos son RMS (root mean square), de los cuales se puede obtener el valor pico de cada fase de acuerdo las siguientes relaciones:
𝑉𝑟𝑚𝑠 = ( 1
√2) ∙ 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑖𝑟𝑚𝑠 = ( 1
√2) ∙ 𝑖𝑝𝑖𝑐𝑜
El torque de entrada al generador es medido por un torquímetro con un rango de 0 a 5 Nm, que fue calibrado antes de realizar las mediciones. La curva de calibración se presenta en el anexo B.
Con esta medición y la velocidad angular de entrada (obtenida a través de un tacómetro) se puede calcular la potencia de entrada:
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝜔 ∙ 𝑇
Donde 𝜔 es la velocidad angular en rad/s y T es el torque de entrada. Luego se obtiene la potencia de salida la cual es la suma de la potencia de cada una de las fases:
𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑃1 + 𝑃2+ 𝑃3 = 𝑉𝑟𝑚𝑠1∙ 𝑖𝑟𝑚𝑠1+ 𝑉𝑟𝑚𝑠2∙ 𝑖𝑟𝑚𝑠2+ 𝑉𝑟𝑚𝑠3∙ 𝑖𝑟𝑚𝑠3
Donde Vi se refiere al voltaje de la fase i, ii se refiere a la corriente de la i, y Pi a la potencia de la fase i. Obteniendo estos dos valores se puede entonces calcular la eficiencia del generador:
𝜂 = 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 Motor
Generador
Multímetro
Reóstato
Osciloscipio Torquímetro
Figura 12: Montaje para Caracterización AC
A continuación, se presentan los valores de voltaje y corriente rms que se obtuvieron durante el procedimiento experimental. Las mediciones son de voltaje y corriente de fase, es decir que son medidas entre una de las fases y el punto común de la conexión en estrella.
Gráfica 1: Voltaje de Fase Vs. Velocidad Angular
Gráfica 2: Corriente Vs. Velocidad Angular
En la Gráfica 1 se puede observar que el voltaje es mayor cuando está en estado libre, es decir sin ninguna carga resistiva y menor cuando se tiene una resistencia de 10 Ω. En cuanto a la corriente generada se observa que existe un comportamiento contrario al del voltaje, pues con una carga mayor disminuye, como era de esperarse.
En la Gráfica 3, se puede observar que el comportamiento del torque es lineal con respecto a la velocidad angular. Igualmente, se puede notar que al aumentar el valor de la resistencia
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 200 400 600 800 1000 1200
Voltaje (V)
Velocidad Angular (RPM)
Sin Carga 10 Ω 20 Ω 30 Ω 56 Ω 68 Ω 100 Ω
0 0.5 1 1.5 2 2.5
0 200 400 600 800 1000 1200
Corriente (A)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω 20 Ω 30 Ω 56 Ω 68 Ω 100 Ω
conectada al circuito se requiere de un menor torque para llegar a una velocidad angular determinada.
Gráfica 3: Torque Vs Velocidad Angular
Una vez se conoce el torque de entrada se puede entrar a calcular la potencia de entrada al generador por medio de las ecuaciones mencionadas al inicio de este capítulo. La potencia mecánica de entrada tiene un comportamiento no lineal pero positivo, al incrementar el valor de la resistencia la potencia mecánica necesaria para alcanzar dicha velocidad angular disminuye como se observa en la Gráfica 4.
Gráfica 4: Potencia Mecánica Vs Velocidad Angular
En cuanto a la potencia eléctrica esta se calcula sumando las potencias de cada una de las fases como ya se había mencionado. Los resultados de la potencia eléctrica generada se presentan en la Gráfica 5. Cabe notar que esta tiene un comportamiento similar a la potencia mecánica en cuanto en su función con la velocidad angular. Sin embargo, al variar las resistencias se observa
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0 200 400 600 800 1000 1200
Torque (Nm)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω 20 Ω 30 Ω 56 Ω 68 Ω 100 Ω Sin Carga
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0 200 400 600 800 1000 1200
Potencia Mecanica (W)
Velocidad Angular (RPM)
10Ω 20 Ω 30 Ω 56 Ω 68 Ω 100 Ω
que la potencia eléctrica aumenta al incrementar la resistencia de 10 a 20 Ω, pero comienza a disminuir al aumentar aún más este valor.
Gráfica 5: Potencia Eléctrica Vs. Velocidad Angular
Gráfica 6: Eficiencia Vs. Velocidad Angular
En cuanto a la eficiencia, esta se incrementa al aumentar el valor de la resistencia desde un valor de 10 a 68 Ω. Luego de este valor la eficiencia se empieza a reducir. Se obtuvo una eficiencia máxima de 87.55 % a una velocidad de 235.7 revoluciones por minuto y una carga de 68 Ω.
4.3. COMPARACION CON OTROS GENERADORES (AC)
Luego de obtener los resultados característicos del generador construido, estos datos se comparan con los resultados de otras máquinas de la misma naturaleza construidas en la Universidad de los Andes. Aunque no se espera obtener resultados de igual magnitud, si se
-50 0 50 100 150 200
0 200 400 600 800 1000 1200
Potencia Eléctrica (W)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω 20 Ω 30 Ω 56 Ω 68 Ω 100 Ω
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 200 400 600 800 1000 1200
Eficiencia
Velocidad Angular (rpm)
10 Ω 20 Ω 30 Ω 56 Ω 68 Ω 100 Ω
espera que las tendencias del comportamiento tanto del voltaje como la corriente, la potencia mecánica, la potencia eléctrica y la eficiencia, sean similares. En este caso los datos se compararán con los reportados por Diego Fernando Tunarrosa [5], quien construyó un generador de la misma naturaleza en el año 2009.
En cuanto a los valores de voltaje y corriente, se obtuvieron valores muy similares a los reportados por Tunarrosa y además se obtuvo exactamente la misma tendencia, como se puede observar en la Gráfica 7 y la Gráfica 8. En estas solo se presentan los valores de las variables con la resistencia más baja y con la más alta, debido a que la incorporación de todos los resultados de ambos trabajos dificulta su entendimiento. En cuanto a la potencia mecánica (potencia de entrada) se puede observar que es menor para el generador propuesto en este trabajo. De esto, se sabe entonces que el torque necesario para llevar a determinada velocidad angular el generador actual es menor, lo que hace suponer que se encontrarán mejores resultados en cuanto a la eficiencia. Si se observa la Gráfica 9, se puede ver que la resistencia de menor valor en ambos casos no es exactamente la misma, por esta razón se presenta una potencia más grande en el caso actual. Sin embargo, se observa que los valores son muy similares para ambas cargas lo que indica que, si el generador construido en el 2009 se probara a 10 Ω se encontraría una potencia mecánica mayor. En cuanto a la potencia eléctrica, se observa una tendencia muy similar al igual que los valores encontrados para cada punto. Esto era de esperarse al comparar los resultados de voltaje y corriente obtenidos con anterioridad. Por último, se debe comparar la eficiencia de los generadores, como se observa en la Gráfica 11. Se puede ver que la eficiencia del generador actual es superior a la del construido por Tunarrosa, aunque se observa un comportamiento muy similar en la tendencia de los puntos. Se puede notar que al aumentar la resistencia no solo aumenta la eficiencia de cada generador, sino que la diferencia entre los valores también aumenta.
Gráfica 7: Comparación entre Voltajes [5]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 200 400 600 800 1000 1200
Voltaje (V)
Velocidad Angular (RPM)
68 Ω 68 Ω (Tunarrosa) 10 Ω 12 Ω (Tunarrosa)
Gráfica 8: Comparación entre Corrientes [5]
Gráfica 9: Comparación entre Potencias Mecánicas [5]
0 0.5 1 1.5 2 2.5
0 200 400 600 800 1000 1200
Corriente (A)
Velocidad Angular (RPM)
68 Ω
68 Ω (Tunarrosa) 10 Ω
12 Ω (Tunarrosa)
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0 200 400 600 800 1000 1200
Potencia Mecanica (W)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω
12 Ω (Tunarrosa) 68 Ω
68 Ω (Tunarrosa)
Gráfica 10: Comparación entre Potencia Eléctrica [5]
Gráfica 11: Comparación entre Eficiencias [5]
4.4. CARACTERIZACIÓN CON ETAPA DE RECTIFICACIÓN
En la actualidad la mayoría de los dispositivos electrónicos que se usan a diario poseen baterías para que estos puedan ser usados sin necesidad de estar conectados a una toma corriente o a una fuente de voltaje. El sistema de carga de estos dispositivos contiene un convertidor de voltaje y corriente que los transforma de AC a DC, de forma tal que pueda cargar las baterías. Debido a esto, se hace necesario usar una etapa de rectificación y obtener los resultados de voltaje, corriente, potencia mecánica, potencia eléctrica y eficiencia.
-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160
0 200 400 600 800 1000 1200
Potencia Eléctrica (W)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω
12 Ω (Tunarrosa) 68 Ω
68 Ω (Tunarrosa)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Eficiencia
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω
12 Ω (Tunarrosa) 68 Ω
68 Ω (Tunarrosa)
La etapa de rectificación se realiza mediante el uso de un puente de diodos. Un diodo es un componente electrónico el cual solo admite el paso de corriente cuando se tiene un voltaje superior a cierto valor, que en general es un valor positivo. Es decir que si se conecta una señal monofásica AC al diodo solo se observará su parte positiva, con intervalos de voltaje cero (parte negativa). En este caso se usara un puente de diodos de honda completa cuyo circuito equivalente se observa en la Figura 13. Este puente cuenta con el uso de 6 diodos, de los cuales se usan 2 para rectificar la señal de cada una de las tres fases. La señal de salida de las fases del generador, se conecta entre el cátodo y el ánodo de los dos diodos como se ve en el circuito equivalente.
Figura 13: Circuito Puente de Diodos (Izquierda) Puente de Diodos Construido (Derecha)
A continuación, se presentan los resultados de la caracterización obtenida:
Gráfica 12: Voltaje DC Vs. Velocidad Angular 0
20 40 60 80 100 120 140 160
0 200 400 600 800 1000 1200
Voltaje DC (V)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω 20 Ω 30 Ω 50 Ω 100 Ω Sin Carga 68 Ω
Gráfica 13: Corriente DC Vs. Velocidad Angular
El comportamiento de la corriente y el voltaje, con la etapa de rectificación, fue muy similar al obtenido sin dicha etapa. Ambas variables presentan un comportamiento lineal positivo en función de la velocidad angular de entrada al generador. Igualmente, el comportamiento con la variación de las resistencias fue el esperado pues el voltaje aumenta al incrementar la resistencia y la corriente se comporta de manera inversa. Sin embargo, cabe notar que los valores de voltaje y corriente son, en su mayoría, de 50% a 55% mayores que los valores para el caso de la rectificación. En cuanto a los resultados del torque de entrada, Gráfica 14, también se obtiene la misma tendencia que en la caracterización AC. El torque aumenta con la velocidad angular y además aumenta al disminuir la resistencia, lo que quiere decir que se requiere de menos energía para llevar el generador a la misma velocidad angular con una resistencia de 100 Ω que con una de 10 Ω. Al comparar estos valores con los obtenidos en AC se puede notar que son valores muy similares y solo llegan a diferir en un 10%.
Gráfica 14: Torque DC Vs. Velocidad Angular 0
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0 200 400 600 800 1000 1200
Corriente DC (A)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω 20 Ω 30 Ω 50 Ω 100 Ω 68 Ω
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 200 400 600 800 1000 1200
Torque DC (Nm)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω 20 Ω 30 Ω 50 Ω 100 Ω Sin Carga 68 Ω
Gráfica 15: Potencia Mecánica Vs. Velocidad Angular
Gráfica 16: Potencia Eléctrica DC Vs. Velocidad Angular
Gráfica 17: Eficiencia DC Vs. Velocidad Angular 0
50 100 150 200 250 300 350 400 450
0 200 400 600 800 1000 1200
Potencia Mecanica DC (W)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω 20 Ω 30 Ω 50 Ω 100 Ω 68 Ω
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0 200 400 600 800 1000 1200
Potencia Eléctrica (W)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω 20 Ω 30 Ω 50 Ω 100 Ω 68 Ω
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0 200 400 600 800 1000 1200
Eficiencia DC
Velocidad Angular
10 Ω 30 Ω 20 Ω 50 Ω 100 Ω 68 Ω
En cuanto a la potencia mecánica de entrada y la potencia eléctrica generada, se pueden observar comportamientos similares a los de la etapa sin rectificación. La eficiencia, Gráfica 17, también presenta el mismo comportamiento en función de la carga resistiva, pero en este caso el valor es en promedio un 20% menor para todos los casos. El punto de máxima eficiencia se presenta nuevamente con una resistencia de 68 Ω, una eficiencia de 69.9% y velocidad angular de 354.4 revoluciones por minuto.
4.5. COMPARACIÓN CON OTROS GENERADORES (DC)
En este caso se verifican los resultados, realizando una comparación con los resultados obtenidos por Tafur [1] durante su etapa de caracterización. Se observa que para el caso del voltaje y la corriente se obtienen valores más altos. En cuanto a la potencia eléctrica, se puede notar que se obtuvieron valores de casi el doble que los obtenidos por Tafur. Sin embargo, en cuanto a los valores de eficiencia se obtienen resultados muy similares lo que indica que la potencia de entrada al generador actual es mayor, indicando que el torque de entrada a este también debió ser mayor al de Tafur.
Gráfica 18: Compración entre Voltajes DC [1]
0 20 40 60 80 100 120
0 200 400 600 800 1000 1200
Voltaje (V)
Velocidad Angular (RPM)
20 Ω 20 Ω (Tafur) 100 Ω 100 Ω (Tafur)
Gráfica 19: Comparación entre Corrientes DC [1]
Gráfica 20: Compración entre Potencia Eléctrica DC [1]
Gráfica 21: Compración entre Eficiencias DC [1]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0 200 400 600 800 1000 1200
Corriente (A)
Velocidad Angular (RPM)
20 Ω 20 Ω (Tafur) 100 Ω 100 Ω (Tafur)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0 200 400 600 800 1000 1200
Potencia Eléctrica (W)
Velocidad Angular (RPM)
20 Ω 20 Ω (Tafur) 100 Ω 100 Ω (Tafur)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
0 200 400 600 800 1000 1200
Eficiencia
Velocidad Angular
20 Ω 20 Ω (Tafur) 100 Ω 100 Ω (Tafur)
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se construyó un generador síncrono de imanes permanentes cuyo punto de mejor operación, sin etapa de rectificación, es de 87.55% con una velocidad angular de 235.7 revoluciones por minuto, al estar conectado a una carga de 68 Ω. El torque de entrada en dicho punto es de 0.26 Nm y la potencia generada es de 5.66 W. Sin embargo, este generador es capaz de alcanzar una potencia de salida de 114.98 W con una eficiencia de 73.85% sometido a esta misma carga. Se logran obtener potencias de salidas más elevadas con cargas resistivas de menor valor, pero con eficiencias mucho más bajas y un gran calentamiento de todo el sistema. El torque de arranque promedio es de 0.035 Nm. Al comparar los resultados con los obtenidos por Diego Fernando Tunarrosa [5], se puede observar que las tendencias de cada una de las variables es muy similar, sin embargo al observar la eficiencia se puede ver que esta es significativamente mayor como era de esperar por los cambios en el diseño.
En cuanto al punto de mejor operación, con etapa de rectificación, tiene una eficiencia de 69.9%
y velocidad angular de 354.4 revoluciones por minuto, nuevamente con una carga de 68 Ω. El torque requerido es de 0.59 Nm generando una potencia de 15.34 W. En esta etapa se alcanzan los 20 W (propuestos) con una eficiencia de alrededor 69.5 % y un torque de 0.67 Nm. Es muy importante mencionar que al agregar la etapa de rectificación se redujo la eficiencia en un promedio del 20%. Es decir, que se si tenía una eficiencia promedio de 80% con algún valor dado de resistencia, entonces se obtendrá un 60% de eficiencia si se agrega la etapa de rectificación y se prueba con ese mismo valor de resistencia. Al comparar los datos con los obtenidos en el 2010 [1], se puede observar que la eficiencia es muy similar en ambos casos pero se obtuvieron potencias más altas en el trabajo actual. Esto quiere decir que con este nuevo generador se necesita llevarlo a menos revoluciones por minuto para obtener la misma potencia eléctrica.
La tendencia de cada una de las variables, con respecto a un cambio en las resistencias, es exactamente igual tanto para la etapa de rectificación como la etapa sin rectificación. En cuanto a la potencia eléctrica, aumenta al incrementar el valor de la resistencia hasta un valor de 30 Ω, con valores más altos empieza a reducir. En cuanto a la eficiencia, esta aumenta hasta un valor de 68 Ω y luego disminuye al incrementar el valor de la resistencia.
Las pérdidas de potencia con etapa de rectificación se pueden disminuir utilizando un rectificador conmutado forzado, el cual es capaz de suplir al generador de potencia reactiva y permite un mayor flujo en el air gap [5].
En cuanto al rotor eólico, se puede decir que se debe realizar un nuevo diseño ya que la velocidad angular para llegar a producir los 20 W es menor y por lo tanto el torque de entrada es diferente.
Se puede decir que para poder a llegar a cargar baterías con una potencia de 20 W y asumiendo que estas se comportan como resistencias de 20 Ω, se necesita un torque de entrada de 1.35 Nm.
Sin embargo, se debe hacer una caracterización a las baterías para poder saber cuál es su valor equivalente de resistencia y de esta manera saber de manera más exacta el torque necesario. En
caso que se encuentre que las baterías tienen una resistencia equivalente mayor a 20 Ω, el torque necesario disminuirá.
6. BIBLIOGRAFIA
[1] M. F. Tafur , "PORTABLE WIND CHARGER DESIGN FOR PREINDUSTRIAL PRODUCTION,"
Bogotá, Colombia , 2011.
[2] K. Vasudevan, G. Sridhara Rao and P. Sasidhara Rao, "Electrical Machines II".
[3] "Three-phase Y and Delta Configuratios".
[4] M. Dubois, "Optimized Permanent Magnet Generator Topologies for Direct-Drive Wind Turbines," Levis, Canada , 2004.
[5] D. F. Tunarrosa, "Desarrollo de un generador de imanes permanentes para la aplicación en unidades portatiles para el suministro de energía," Bogotá , 2009.
ANEXO A – LISTA DE PROVEEDORES
Torque (Nm) Voltios (V)
0.94 0.96
1.25 1.25
1.45 1.46
1.75 1.74
2.05 2.05
2.55 2.53
2.75 2.73
3.06 3.03
3.46 3.41
3.95 3.85
4.04 4.00
4.64 4.39
ANEXO B – CALIBRACIÓN TORQUÍMETRO
y = 0.3325x + 0.1634 R² = 0.9943
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 2 4 6 8 10 12 14
Torque (Nm)
Voltaje (V)
ANEXO C – PLANOTECA
PARTS LIST
DESCRIPTION PART NUMBER
QTY ITEM
Eje 1
1
Rodamiento 2
2
Soporte Delantero Rodamiento 1
3
Soporte Trasero Rodamiento 1
4
Tapa Delantera 1
5
Acople a Eje 1
6
Carcasa 1
7
Tapa Trasera 1
8
1
1 2
2
A A
B B
Rev. PlanoRev. Tcnico de Laboratorio
Facultad de Ingenier a Depto. Ing. Mec nica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:
Proyecto de Grado Ensamble Final
Material: N/A
CANT:
1
A4
Escala1:4:C digo plano:
Unidades en [mm] - ngulos en [ ] Tolerancia General: 0,05 mm y 1
TIEMPO COSTO
EQUIPO
Nombre del Estudiante: C digo:
E-mail: Celular:
Nombre del Curso:
Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima: -
Santiago Casta o 201223988
s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de grado Alvaro Pinilla
1
4
2
8
7
5
2
3
6
1
1 2
2
A A
B B
Rev. PlanoRev. Tcnico de Laboratorio
Facultad de Ingenier a Depto. Ing. Mec nica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:
Proyecto de Grado Acople de eje a torquimetro Material:
1020
CANT:
1
A4
Escala1:1:C digo plano:
Unidades en [mm] - ngulos en [ ] Tolerancia General: 0,05 mm y 1
TIEMPO COSTO
EQUIPO
Nombre del Estudiante: C digo:
E-mail: Celular:
Nombre del Curso:
Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima: -
Santiago Casta o 201223988
s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de Grado Alvaro Pinilla
10,0 11,0
10,0
35,00
25,4
