Diseño, construcción y realización de pruebas de pico-generador de imanes permanentes de flujo axial

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(1)DIS EÑO, CONS TRUCCIÓN Y REALIZACIÓN DE PRUEBAS DE PICOGENERADOR DE IMANES PERMANENTES DE FLUJO AXIAL. JUAN CARLOS DE LA TORRE FLORIÁN. UNIVERS IDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA DOGOTA D.C. 2005/1.

(2) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. DIS EÑO, CONS TRUCCIÓN Y REALIZACIÓN DE PRUEBAS DE PICOGENERADOR DE IMANES PERMANENTES DE FLUJO AXIAL. JUAN CARLOS DE LA TORRE FLORIÁN. Tesis de grado para optar por el título de Ingeniero Mecánico. Asesor: ÁLVARO PINILLA S . PhD, MsC, DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C. 2005/1. 2.

(3) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Bogotá D.C. 27 de Mayo de 2005. Doctor: Luis Mario Mateus. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería Director de departamento de Ingeniería Mecánica La Ciudad. Respetado Director:. Presento a su consideración el informe de la tesis de grado “diseño, construcción y realización de pruebas de picogenerador de imanes permanentes de flujo axial” realizado durante el segundo semestre de 2004 y el primer semestre de 2005 por Juan Carlos De La Torre Florián, como requisito parcial para optar al título Ingeniero Mecánico.. Cordialmente,. Álvaro Pinilla S . Asesor. 3.

(4) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR Bogotá D.C. 27 de Mayo de 2005. Doctor: Luis Mario Mateus. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería Director de departamento de Ingeniería Mecánica La Ciudad. Respetado Director:. Presento a su consideración el informe de la tesis de grado “diseño, construcción y realización de pruebas de picogenerador de imanes permanentes de flujo axial” realizado durante el segundo semestre de 2004 y el primer semestre de 2005, como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico. Este proyecto cumple con los objetivos planteados y representa un avance importante en el desarrollo de un prototipo de generador de imanes permanentes.. Cordialmente,. Juan Carlos De La Torre Florián. 4.

(5) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. A mis padres y a mi hermano, No tengo palabras para agradecerles todo lo que han hecho por mí. 5.

(6) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. AGRADECIMIENTOS. A mi asesor Álvaro Pinilla por confiar en la viabilidad del proyecto y brindarme las preguntas necesarias para llevarlo a justo fin, también por su comprensión, confianza y paciencia. Al profesor Carlos Amaya, por su valiosa y desinteresada colaboración a lo largo de este proyecto. Al personal de laboratorio de ingeniería mecánica e ingeniería eléctrica por su desinteresada colaboración. A Cristian M oreno por la orientación brindada en la etapa de diseño eléctrico. A Juan Sebastián Vargas por la orientación brindada en el proceso de manufactura del estator.. 6.

(7) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. TABLA DE CONTENIDOS. INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................13 1.. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA...........................................................17. 2. METODOLOGÍA DE TRABAJO .............................................................................17 3. DIS EÑO MECÁNICO Y ELÉCTRICO DEL PROTOTIPO..................................18 3.1 DISEÑO MECÁNICO DEL PICOGENERADOR......................................................18 3.1.1 Diseño del rotor...............................................................................18 3.1.2 Diseño del estator............................................................................20 3.2 DISEÑO ELÉCTRICO DEL PICOGENERADOR.....................................................23 3.2.1 Circuito magnético y curva de carga del sistema........................24 3.2.2 Curva de desmagnetización y punto de operación del sistema...25 3.2.3 Voltaje teórico RMS de circuito abierto...................................27 4 CONSTRUCCIÓN........................................................................................................28 4.1 CONSTRUCCIÓN DEL ROTOR ...........................................................................28 4.2 CONSTRUCCIÓN DEL ESTATOR........................................................................30 4.2.1 Construcción del embobinado.......................................................30 4.2.2 Construcción del eje estático.........................................................31 4.2.3 Construcción del molde, utilización de la resina y desmolde......33 4.3 ENSAMBLE DEL PROTOTIPO ............................................................................38 5 PRUEBAS HECHAS AL PROTOTIPO.....................................................................39 5.1 DESFASE ENTRE VOLTAJES DE CIRCUITO ABIERTO........................................40 5.2 PRUEBA CORTO CIRCUITO..............................................................................43 7.

(8) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 5.3 PRUEBAS DE CIRCUITO ABIERTO.....................................................................43 5.4 PRUEBAS CON CARGA RESISTIVA ....................................................................44 5.4.1 Pruebas con conexión estrella-estrella..........................................44 5.4.2 Pruebas por fase con resistencia “alta”.........................................45 5.4.3 Pruebas por fase con resistencia “baja” .......................................46 5.5 MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA POR FASE.......................................................47 6 ANÁLIS IS Y CONCLUS IONES .................................................................................48 7 RECOMENDACIONES ...............................................................................................57 8 BIBLIOGRAFÍA Y AN EXOS .....................................................................................59. 8.

(9) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. LIS TA DE TABLAS Tabla 1. Frecuencia y periodo de la señal de corto circuito.........................................43 Tabla 2. Frecuencia y periodo de la señal de circuito abierto......................................44 Tabla 3. Valores de potencia por fase y total en la conexión estrella-estrella............45 Tabla 4 Valores de potencia por fase y total en las pruebas con resistencia “alta”...46 Tabla 5. Valores de potencia por fase y total en las pruebas con resistencia “baja”. ............................................................................................................................................46 Tabla 6. Resistencia interna por fase.............................................................................47 Tabla 7. Valores de voltaje y corriente pico a pico en las pruebas realizadas a la conexión estrella-estrella.................................................................................................48 Tabla 8 Voltaje, corriente, frecuencia y temperatura externa de la fase 1 en las pruebas con resistencia “baja”. ......................................................................................52 Tabla 9 Voltaje, corriente, frecuencia y temperatura externa de la fase 2 en las pruebas con resistencia “baja”. ......................................................................................53 Tabla 10. Voltaje, corriente, frecuencia y temperatura externa de la fase 3 en las pruebas con resistencia “baja”. ......................................................................................54 Tabla 11 Potencia perdida por calentamiento en el cobre...........................................55 Tabla 12 Estimativo de eficiencia...................................................................................56. 9.

(10) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. LIS TA DE ILUS TRACIONES Ilustración 1 Flujo radial y flujo axial ...........................................................................15 Ilustración 2 Esquema general del montaje entre el rotor y el estator.......................16 Ilustración 3. Polaridad de los imanes en cada tapa.....................................................19 Ilustración 4 Dirección del flujo magnético debido al posicionamiento de los imanes. ............................................................................................................................................19 Ilustración 5 Geometría de una de las bobinas en el estator........................................21 Ilustración 6 Las seis bobinas en el estator....................................................................21 Ilustración 7 Eje estático.................................................................................................23 Ilustración 8 Circuito magnético con polaridades y piernas 1, 2 y 3...........................24 Ilustración 9 Circuito magnético equivalente y reluctancia equivalente del sistema24 Ilustración 10 Curva de desmagnetización típica de un imán permanente................26 Ilustración 11 Punto de operación del sistema [8]........................................................27 Ilustración 12 Forma de las tapas rotóricas ..................................................................28 Ilustración 13 Tapas rotóricas antes del rectificado.....................................................29 Ilustración 14 Tapas con los imanes permanentes........................................................30 Ilustración 15 Bobinas terminadas.................................................................................31 Ilustración 16 Eje largo y acople entre el eje largo y el marco de resina....................32 Ilustración 17 Posicionamiento del acople con respecto al eje largo...........................32 Ilustración 18 Molde terminado para el marco de resina............................................33 Ilustración 19 Seis cables dentro del eje estático...........................................................33 Ilustración 20 Acople, acople dentro del molde............................................................34. 10.

(11) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 21 Conjunto formado por el molde, embobinado y acople.......................35 Ilustración 22 Conjunto estatórico antes del desmolde................................................36 Ilustración 23 Relación entre las bobinas y las fases ....................................................36 Ilustración 24 Conexión de la bobinas por fase.............................................................37 Ilustración 25 Proceso de destrucción del molde para obtener el estator...................37 Ilustración 26 Ensamble del prototipo...........................................................................38 Ilustración 27 Montaje mecánico....................................................................................39 Ilustración 28 Esquema del montaje y Montaje eléctrico............................................40 Ilustración 29 Desfase entre fases 1 y 3..........................................................................41 Ilustración 30 Desfase entre fases 1 y 2..........................................................................42 Ilustración 31 Desfase entre fases 2 y 3..........................................................................42 Ilustración 32 Corriente de corto circuito.....................................................................43 Ilustración 33 Voltaje de circuito abierto......................................................................44 Ilustración 34 Conexión estrella-estrella.......................................................................45 Ilustración 35 Característica externa fase 1 [11]...........................................................49 Ilustración 36 Característica externa de la fase 2 [11].................................................50 Ilustración 37 Característica externa fase 3 [11]...........................................................50 Ilustración 38 Potencia vs resistencia fase 1..................................................................53 Ilustración 39 Potencia vs resistencia fase 2..................................................................54 Ilustración 40 Potencia vs resistencia fase 3..................................................................55. 11.

(12) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. LIS TA DE ECUACIONES Ecuación 1 Factor de seguridad de las tapas rotóricas.................................................20 Ecuación 2 Factor de seguridad del eje estático............................................................23 Ecuación 3 Reluctancia del sistema [2]..........................................................................25 Ecuación 4 Recta de carga [4] .........................................................................................25 Ecuación 5. Curva de desmagnetización........................................................................26 Ecuación 6 Punto de operación del sistema...................................................................27 Ecuación 7 Cálculo de voltaje inducido por fase [9].....................................................27 Ecuación 8 Estimativo de eficiencia...............................................................................56. 12.

(13) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Introducción La principal motivación de este proyecto de grado es poder aportarle al país soluciones viables ecológica y económicamente en temas relacionados con la conversión y aprovechamiento de la energía.. La idea en concreto surgió debido a la problemática expuesta por el profesor Álvaro Pinilla, dado a la falta de interés que hay en el país hacia una conscientización seria del aprovechamiento de diferentes tipos de energías alternativas, en este caso, la energía eólica.. Tomando ideas de cursos vistos durante mi carrera, tanto de ingeniería mecánica como de ingeniería eléctrica, me plantee el problema de poder diseñar y construir un generador eléctrico que pudiese ser utilizado para aprovechar regímenes de viento de baja velocidad, claro está, dicho generador puede ser acoplado no solo a un rotor eólico sino. 13.

(14) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. también a cualquier tipo de dispositivo que garantice un rango de velocidad angular determinada.. Existen diferentes tipos de generadores, el planteado en este documento posee una característica particular, la cual es la dirección axial del flujo magnético, es decir el flujo magnético es paralelo al eje de giro de la máquina y no perpendicular a este (flujo radial) como en la mayoría de las máquinas eléctricas comerciales (Ilustración 1). La inercia rotacional de una máquina de flujo axial es menor la de una máquina de flujo radial, por eso este arreglo (axial) es atractivo para la conversión eólica de energía.. 14.

(15) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 1 En la primera figura se puede apreciar el flujo axial, en la segunda el flujo radial.. Otra característica muy importante es que el campo magnético de la máquina es proporcionado por un conjunto de imanes permanentes, no existe un embobinado de campo que proporcione un campo magnético adicional, dicho embobinado de campo serviría para incrementar la potencia de salida de la máquina, sin embargo dicho embobinado tendría que estar conectado a una fuente de potencia externa a la máquina, la principal ventaja de no tener este dispositivo en el picogenerador, es la capacidad de generar potencia en lugares donde no exista la posibilidad de acceder a algún tipo de fuente de potencia, lugares donde la red eléctrica nacional no exista.. 15.

(16) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Principio de funcionamiento. El principio de funcionamiento de un generador de imanes permanentes de flujo axial es el mismo que el de cualquier otro tipo de generador: un material conductor eléctrico que se mueve en presencia de un campo magnético tendrá un voltaje inducido en el [1]. En este caso particular el elemento conductor (embobinado) permanece estático siendo la parte fundamental del estator, mientras el campo magnético esta girando alrededor del estator, siendo este la parte fundamental del rotor (Ilustración 2).. Ilustración 2 Esquema general del montaje entre el rotor y el estator. 16.

(17) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 1. Planteamiento del problema Requerimientos del prototipo. •. El prototipo debe generar 120 Vatios a una velocidad angular alrededor de 500 RPM .. •. El prototipo debe ser fabricado con materiales de fácil adquisición en Colombia.. 2. Metodología de trabajo Para poder llevar este proyecto de grado a cabalidad y poder cumplir con los requerimientos planteados para el prototipo se creó el siguiente plan de trabajo:. a. Primera etapa: Diseño mecánico y eléctrico del prototipo. b. Segunda etapa: Construcción física del prototipo. c. Tercera etapa: Realización de pruebas eléctricas al picogenerador, con el fin de comparar lo datos medidos con los teóricos obtenidos en la etapa de diseño.. De aquí en adelante se mostrará como se llevaron a cabo los puntos propuestos en la metodología de trabajo expuesta, junto con los respectivos análisis y conclusiones.. 17.

(18) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 3. Diseño mecánico y eléctrico del prototipo. 3.1 Diseño mecánico del picogenerador A continuación se explicara la metodología de diseño tanto del estator como del rotor del prototipo.. 3.1.1 Diseño del rotor El rotor del picogenerador consta de las siguiente partes: 2 tapas de acero que tienen las mismas dimensiones, 16 imanes de ferrita magnética y cuatro platinas que sirven para unir las dos tapas anteriormente mencionadas con el fin de que estas giren a la misma velocidad angular. Para encontrar el estado de esfuerzos en cada tapa rotórica se realizó un modelaje por elementos finitos en el programa ANSYS, las cargas responsables del estado de esfuerzos son debidas a la ubicación de los magnetos en las tapas rotóricas, cada tapa tiene pegados 8 imanes, la polaridad de cada imán se alterna de la siguiente manera: N-S-N-S-N-S-N-S (en una tapa), y S-N-S-N-S-N-S-N (en la otra tapa), tal como se muestra en la ilustración 3.. 18.

(19) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 3. Polaridad de los imanes en cada tapa. Debido a este posicionamiento de los imanes, se enfrentan polos opuestos haciendo que el flujo magnético valla siempre de la cara norte a la cara sur, como se puede apreciar en la ilustración 4.. Ilustración 4 Dirección del flujo magnético debido al posicionamiento de los imanes.. 19.

(20) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Como consecuencia de lo anteriormente mencionado, se deduce que entre cada polo norte y sur enfrentados existe una fuerza de atracción, dicha fuerza, como anteriormente se mencionó, es la causante del estado de esfuerzo en las tapas de acero donde están adheridos los imanes. La magnitud de dicha fuerza se calculó en el laboratorio de ingeniería mecánica, usando un montaje cuyo elemento de medición fue un dinamómetro. Después del análisis realizado en ANSYS, se obtuvo un esfuerzo máximo de 21M pa, ubicado en el perímetro del agujero central del disco, dicho agujero es donde descansa el rodamiento del picogenerador. Teniendo en cuenta que el material usado para la manufactura de las tapas es acero estructural A36 cuyo esfuerzo de cedencia es de 400M pa se obtiene un factor de seguridad de 19 para esta parte del picogenerador; como se puede apreciar en la ecuación 1. Esfuerzo máximo sentido por la tapa rotórica :σ y Esfuerzo decedencia del material : S y F .S . =. Sy. σy. =. 400 = 19.05 21. Ecuación 1 Factor de seguridad de las tapas rotóricas. 3.1.2 Diseño del estator El estator del prototipo esta constituido de tres partes fundamentales: Eje estático, marco de resina y embobinado. A continuación se explicaran los factores de diseño aplicados a cada una de estas partes.. 20.

(21) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 3.1.2.1 Diseño mecánico del embobinado. El embobinado consiste en seis bobinas auto contenidas, en una bobina auto contenidas todas las espiras pertenecen a planos paralelos y sus espiras están ubicadas unas encima de otras. La geometría de una de las bobinas se puede apreciar en la ilustración 5.. Ilustración 5 Geometría de una de las bobinas en el estator.. Esta geometría disminuye la inercia rotacional del prototipo, ya que al tener 60 grados entre sus dos lados iguales, pueden ser muy bien acomodadas seis de estas en un espacio angular de 360 grados, como se puede apreciar en la ilustración 6.. Ilustración 6 Las seis bobinas en el estator.. 21.

(22) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Puede concluirse que esta geometría minimiza la distancia de las bobinas al centro del círculo estatórico, haciendo que los imanes que proporcionan el campo magnético estén lo más cerca posible al centro de giro de la máquina, esto a su vez disminuye el diámetro de las tapas rotóricas, minimizando así la inercia rotacional del conjunto.. 3.1.2.2 Diseño del marco de resina El embobinado del prototipo esta inmerso en resina de poliéster, para esto se diseñó un molde hueco de M DF con el fin de ubicar dentro de este las seis bobinas para luego verter la resina, dicha estructura está reforzada con fibra de vidrio con el fin de aumentar su resistencia y disminuir la posible propagación de grietas. Otro punto a favor de la resina de poliéster es su capacidad de trabajo a temperaturas relativamente altas, ya que es de esperarse un amperaje considerable en el embobinado, haciendo que el conjunto estatórico se caliente.. 3.1.2.3 Diseño del eje estático La carga principal sobre el eje de acero es su propio peso, se supuso un empotramiento del estator tal como lo muestra la ilustración 7.. 22.

(23) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 7 Eje estático.. El factor de seguridad se calcula a continuación (Ecuación 2). Esfuerzo máximo sentido por la tapa rotórica :σ y Esfuerzo decedencia del material : S y F .S . =. Sy. σy. =. 350 =4 87.6. Ecuación 2 Factor de seguridad del eje estático. 3.2 Diseño eléctrico del picogenerador A continuación se explicaran los factores eléctricos tenidos en cuenta para la realización del prototipo.. 23.

(24) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 3.2.1 Circuito magnético y curva de carga del sistema. Toda máquina eléctrica tiene un circuito magnético asociado a esta, en la ilustración 8 se muestra el circuito magnético correspondiente al prototipo.. Ilustración 8 Circuito magnético con polaridades y piernas 1, 2 y 3.. La reluctancia magnética es una medida que indica la dificultad que tiene el flujo magnético para pasar a través de algún medio [2]. En dicho circuito se puede observar que las áreas de las piernas “1” y “3” son iguales, además el área de la pierna “2” es el doble que las de “1” Y “3”, esto implica que las reluctancias de las piernas “1” y “3” sean el doble que la reluctancia de la pierna “2”[3]. Como consecuencia de lo anterior se llega a un circuito magnético equivalente mostrado en la ilustración 9.. Ilustración 9 Circuito magnético equivalente y reluctancia equivalente del sistema. 24.

(25) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Teniendo en cuenta la simplificación hecha y sabiendo que la permeancia del acero es mucho más grande que la de aire (el aporte de la reluctancia del acero a la reluctancia total es despreciable) se llega a la siguiente reluctancia equivalente del sistema, ecuación 3. l 17 * 10−3 m Avuelta = = 4906205 2 −7 m µAk 0.00275m * 4π 10 Donde : l = longitud del GAP de aire = 17 mm H µ = Permeabilidad del Aire = 4π 10 −7 m A = Area del imán permanente k = Factor de engrosamiento del area debido a disperción del flujo =1.1 R=. Ecuación 3 Reluctancia del sistema [2].. Finalmente se llega a la siguiente recta, dicha recta corresponde a la curva de carga del sistema, ecuación 4 [4]. H = − 4096205B Ecuación 4 Recta de carga [4]. 3.2.2 Curva de desmagnetización y punto de operación del sistema Todo tipo de imán tiene una curva de desmagnetización característica, una curva típica de desmagnetización tiene la siguiente forma [5]:. 25.

(26) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 10 Curva de desmagnetización típica de un imán permanente. El punto de corte con el eje vertical se llama “punto de inducción por saturación” y da una medida del campo magnético que posee el imán cuando no existe ninguna fuerza magnetomotriz inducida sobre el; el punto de corte con el eje horizontal se llama “campo coercitivo” y da una medida de la fuerza magnetomotriz que habría que aplicar sobre el imán para que este no “sienta” campo sobre si mismo [6]. Se obtuvieron valores típicos anteriormente mencionados para imanes de ferrita magnética [7], se hizo una recta entre los dos puntos anteriormente mencionados y dicha recta corresponde a la curva de desmagnetización de los imanes de ferrita usados en el prototipo (ecuación 5). El punto de operación del sistema se calcula a partir de la intersección de la curva de magnetización y la curva de carga.. H = 1.58B + 0.38 Ecuación 5. Curva de desmagnetización. Finalmente se llega al punto de operación de los imanes encontrando la intersección entre dos curvas [8]:. 26.

(27) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 11 Punto de operación del sistema [8]. B = 0.3779T Ecuación 6 Punto de operación del sistema. 3.2.3 Voltaje teórico RMS de circuito abierto A partir de la siguiente expresión se obtiene el valor teórico del voltaje (RM S) en circuito abierto por fase, teniendo en cuenta una velocidad mecánica de giro de 540 RPM [9]: Vind = M * N * Φ * f * 4.44 M = Número de bobinas por fase = 2 N = Número de vueltas por bobina = 52 Φ = Flujo magnético = B * A * k = 0.00104Wb VelMecanica * Numero de pares de polos f = *k 2 60 VelMecániaca = 540 RPM Número de paresde polos = 8 k 2 = 0.5 debido a quecada fase ve el campo magnético dosveces por vuelta . f = 36Hz Vind = 2 * 52 * 0.00104 * 36 * 4.44 = 17.3V Ecuación 7 Cálculo de voltaje inducido por fase [9]. 27.

(28) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 4 Construcción A continuación se explicara la metodología de manufactura, construcción y ensamble del prototipo.. 4.1 Construcción del rotor Para construir las tapas rotóricas se imprimió en una cartulina la forma de una de estas a escala 1-1, dicha forma puede observarse en la ilustración 12.. Ilustración 12 Forma las tapas rotóricas. El pantógrafo electrónico es un instrumento que corta cualquier forma en una lámina de acero, siguiendo el contorno de una plantilla de cartulina que tenga dicha forma; este instrumento fue utilizado para obtener las dos tapas rotóricas. El paso siguiente fue tornear para bajar la dimensión del espesor de la lámina, la lámina fue obtenida con un espesor de 16mm y los requerimientos (etapa de diseño) exigían que estas tuvieran un espesor de 14mm, el torno también fue utilizado para maquinar los agujeros en la mitad de cada tapa, dichos agujeros alojan los rodamientos de la máquina.. 28.

(29) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 13 Tapas rotóricas antes del rectificado. A pesar de que el pantógrafo electrónico logró dejar un acabado superficial aceptable (teniendo en cuenta los requerimientos del prototipo), fue necesario rectificar con fresadora las cuatro puntas de cada tapa, ya que estas deberían coincidir y girar al tiempo en la misma posición. Finalmente se taladraron y roscaron ocho agujeros en cada tapa. Las cuatro platinas de acero 1020 laminado en frío que unen las dos tapas son de ¼´ por ¾´ y tienen una longitud de 10cm, fueron cortadas con segueta y taladradas en sus dos extremos. Después de tener listas las tapas se procedió a pegar los imanes en estas, cada tapa tiene una configuración diferente, el elemento utilizado para unir el acero a los magnetos fue resina de poliéster, la misma usada para fabricar el marco de resina que sostiene el embobinado, antes de pegar los imanes con dicha resina se realizaron pruebas para verificar la efectividad de dicho pegante, arrojando muy buenos resultados. El proceso de pegado se puede ver en la ilustración 14.. 29.

(30) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 14 Tapas con los imanes permanentes. 4.2 Construcción del estator El estator consta de tres partes fundamentales, el embobinado, el marco de resina y el eje estático.. 4.2.1 Construcción del embobinado El embobinado consta de seis bobinas iguales, cada bobina se manufacturó de la siguiente manera: Se fabrico una formaleta de madera con la forma y dimensiones del núcleo de la bobina (Ilustración 5). y el espesor de esta el cual es de 14mm. Esta formaleta fue. adaptada a una manivela, de tal forma que cuando girara la manivela también girara la formaleta, el paso siguiente fue conectar el alambre de cobre a la formaleta y hacerla girar por medio de la manivela, cada bobina tiene un total de 52 vueltas y fue construida. 30.

(31) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. con un alambre AWG 14 cuyo diámetro es 1.628mm y la corriente máxima que resiste es 9.5 A, a continuación se puede ver en la ilustración 15 las seis bobinas terminadas.. Ilustración 15 Bobinas terminadas.. Las conexiones hechas internamente se describirán más adelante.. 4.2.2 Construcción del eje estático El eje estático consta de dos partes, un eje largo y un acople entre dicho eje y el marco de resina. El eje largo y el acople fueron torneados en acero 1020.. 31.

(32) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 16 En la parte izquierda se puede apreciar el eje largo. En la parte derecha se puede apreciar el acople entre el eje largo y el marco de resina.. Ilustración 17 Posicionamiento del acople con respecto al eje largo. En la ilustración 17 se puede apreciar como está posicionado el eje largo con respecto al acople. Se taladró un agujero a lo largo de la parte más delgada del eje largo, además dicho eje tiene un agujero pasante, estos agujeros se manufacturaron con el fin de poder pasar por estos los cables del embobinado.. 32.

(33) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 4.2.3 Construcción del molde, utilización de la resina y desmolde El marco de resina se hizo con el fin de sostener firmemente el embobinado al eje estático, lo primero que se hizo fue construir un molde, dicho molde fue fabricado en M DF, se le aplicaron varias capas de sellador, después masilla epóxica, más capas de sellador, varias capas de laca plateada y finalmente desmoldante, el molde terminado se puede apreciar en la ilustración 18.. Ilustración 18 Molde terminado para el marco de resina. Ilustración 19 Seis cables dentro del eje estático. El paso siguiente fue pasar 6 cables (dos por fase) a través del eje estático (ilustración 19).. 33.

(34) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. El marco de resina va conectado al eje estático por medio de tres tornillos que van atornillados al acople. En la ilustración 20 se puede observar el posicionamiento de dichos tornillos.. Ilustración 20 A la derecha se puede ver el acople, a la izquierda el acople dentro del molde.. Antes de aplicar la resina, el conjunto formado por el molde, embobinado y eje estático se puede apreciar en la ilustración 21.. 34.

(35) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 21 Conjunto formado por el molde, embobinado y acople. El siguiente paso consistió en verter la resina en el molde, se utilizó resina de poliéster 801, especial para ser usada con fibra de vidrio. Lo primero que se hizo fue verter una capa muy delgada en el molde, después se aplicó una capa de fibra de vidrio, lo siguiente fue posicionar las bobinas y verter la resina mientras se aplicaban capas de fibra aleatoriamente en todo el embobinado, cuando el molde estuvo lleno se aplicó una capa final de fibra de vidrio. En la ilustración 22 se puede apreciar el conjunto estatórico después del proceso anteriormente descrito.. 35.

(36) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 22 Conjunto estatórico antes del desmolde. Antes de desmoldar se realizaron las conexiones eléctricas internas, dos bobinas diametralmente opuestas son una fase (ilustración 23).. Ilustración 23 Relación entre las bobinas y las fases. Debido a la configuración del campo magnético, el fin de la bobina A fue conectado al principio de la bobina B (ilustración 24).. 36.

(37) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 24 Conexión de la bobinas por fase. El último paso fue desmoldar el estator, en esta etapa hubo un problema, ya que el desmoldante usado en la manufactura del molde no funciono satisfactoriamente, el molde tuvo que ser destruido, se usó serrucho y formón para quitar el M DF de la estructura de resina (ilustración 25).. Ilustración 25 Proceso de destrucción del molde para obtener el estator. 37.

(38) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 4.3 Ensamble del prototipo Par ensamblar el conjunto se usaron rodamientos SKF 61903, los cuales cumplen con las especificaciones de carga máxima y velocidad angular máxima exigidas por el prototipo; la primera parte del ensamble consistió en ubicar ambos rodamientos en ambas tapas rotóricas.. El siguiente paso fue ensamblar las tapas rotóricas y el estator, para esto se contó con la valiosa ayuda del equipo del laboratorio de ingeniería mecánica. Esta etapa es muy importante ya que se debe garantizar un óptimo ajuste para que el rotor gire cómodamente alrededor del estator.. Ilustración 26 Ensamble del prototipo. 38.

(39) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. La última etapa del ensamble fue poner las platinas del rotor, con el fin de conectar las dos tapas rotóricas. En la ilustración 26 se puede apreciar el picogenerador terminado y listo para las pruebas.. 5 Pruebas hechas al prototipo Las pruebas eléctricas hechas a prototipo fueron realizados en el laboratorio de ingeniería mecánica, se conectó el rotor del picogenerador a la mordaza del torno CINCINATI, el estator estaba sujeto a la luneta del torno y se garantizó la falta de movimiento rotacional de este por medio de un hombre-solo, en la ilustración 27 se puede apreciar el esquema del montaje.. Ilustración 27 Montaje mecánico. 39.

(40) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. El montaje eléctrico se muestra a continuación.. Ilustración 28 Arriba: Esquema del montaje. Abajo: Montaje eléctrico. El osciloscopio consta con una tarjeta de adquisición de datos, dicha tarjeta se conecta directamente al computador el cual recibe 2500 datos de cada señal eléctrica, estos datos son cargados en una página de Excel, además de graficar y obtener características importantes de cada señal. A continuación se mostrarán los datos obtenidos en las diferentes pruebas realizadas al prototipo.. 5.1 Desfase entre voltajes de circuito abierto Las pruebas a continuación fueron obtenidas de las tres fases en circuito abierto.. 40.

(41) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Desfase entre fase 1 y fase 3.. 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 ,00 -2,00 -4,00 -6,00 -8,00 -10,00. ,06852. ,06116. ,0538. ,04644. ,03908. ,03172. ,02436. ,017. ,00964. ,00228. -,00508. -,01244. -,0198. -,02716. s. CH1 (Volts) CH2 (Volts). Ilustración 29 El canal uno corresponde a la fase 1 y el canal dos a la fase 3. Desfase entre fase 1 y fase 2.. 41.

(42) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. ,06852. ,06116. ,0538. ,04644. ,03908. ,03172. ,02436. ,017. ,00964. ,00228. -,00508. -,01244. -,0198. -,02716. s. 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 ,00 -2,00 -4,00 -6,00 -8,00 -10,00. CH1 (Volts) CH2 (Volts). Ilustración 30 El canal uno corresponde a la fase1 y el canal dos a la fase 2. Desfase entre fase 2 y fase 3.. 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 ,00 -2,00 -4,00 -6,00 -8,00 -10,00. ,06852. ,06116. ,0538. ,04644. ,03908. ,03172. ,02436. ,017. ,00964. ,00228. -,00508. -,01244. -,0198. -,02716. s. CH1 (Volts) CH2 (Volts). Ilustración 31 El canal uno corresponde a la fase 2 y el canal dos a la fase 3. 42.

(43) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 5.2 Prueba Corto Circuito Las pruebas a continuación fueron obtenidas de las tres fases en corto circuito. Señal de corriente de corto circuito por fase a 540 RPM . Corriente de Corto Crcuito v s tiempo 60 40. 0 ,1244. ,1102. ,096. ,0818. ,0676. ,0534. ,0392. ,025. ,0108. -,0034. -,0176. -,0318. -,046. -,0602. -,0744. -,0886. -40. Corriente de Corto Crc uito -,1028. -20. -,117. (A). 20. -60 (s ). Ilustración 32 Corriente de corto circuito. Periodo y frecuencia de la señal.. Frequency (Hz) 36,1. Period (s) 0,027. Tabla 1. Frecuencia y periodo de la señal de corto circuito.. 5.3 Pruebas de circuito abierto Las pruebas a continuación fueron obtenidas de las tres fases en corto circuito.. 43.

(44) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Voltaje de c ircuito abierto (V) vs tiempo(s). ,05824. ,05284. ,04744. ,04204. ,03664. ,03124. ,02584. ,02044. ,01504. ,00964. ,00424. -,00116. -,00656. -,01196. -,01736. -,02276. -,02816. -,03356. -,03896. t. 20,00 15,00 10,00 5,00 ,00 -5,00 -10,00 -15,00 -20,00. CH1 (Volts). Ilustración 33 Voltaje de circuito abierto. Periodo y frecuencia de la señal. Frequency (Hz) 36,0. Period (s) 0,027. Tabla 2. Frecuencia y periodo de la señal de circuito abierto.. 5.4 Pruebas con carga resistiva Se hicieron un total de 83 pruebas con carga resistiva, a continuación se mostrarán las más significativas.. 5.4.1 Pruebas con conexión estrella-estrella. Lo siguientes resultados fueron obtenidos a partir de una conexión estrella-estrella, con neutro común, mostrada a continuación. Con una velocidad angular de 540 RPM .. 44.

(45) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Ilustración 34 Conexión estrella-estrella.. En la tabla 3 se muestran los valores de potencia eléctrica total y por fase de dicha conexión. Potencia Carga(ohmios) Fase1(Watts) Fase2(Watts) Fase3(Watts) total(Watts) Open 0 0 0 0 19-19,5 4,8 13,1 4,6 22,7 9,2-11 8,0 7,2 10,8 26,1 7,6 10,6 5,3 8,0 23,9 5 18,8 12,6 9,7 41,3 3,3 27,6 26,9 25,9 80,5 Tabla 3. Valores de potencia por fase y total en la conexión estrella-estrella.. 5.4.2 Pruebas por fase con resistencia “alta”. Estas pruebas se realizaron también a 540 RPM , se conectaron resistencias relativamente altas a la salida de cada fase, dichas resistencias varían desde 2.3 ohmios hasta 24.3 ohmios. Los anteriores valores fueron medidos con un ohmiómetro pontavi, cabe anotar que los valores de resistencia fluctúan ya que esta es función de la temperatura y también de cualquier movimiento o golpe que sufrieran los reóstatos y jaula de resistencias con. 45.

(46) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. los que se hicieron las medidas. En la tabla 4 se pueden observar los valores de potencia por fase y total.. Resistencia (ohmios) 2,3 3,3 5 11,9 24,3. Potencia por fase (Watts) Fase1. Potencia Total Fase3 29,1 28,0 18,1 7,8 4,0. Fase3 18,8 29,3 19,2 8,5 5,8. 37,1 39,2 18,7 8,2 6,9. 85,2 96,7 56,1 24,5 16,8. Tabla 4 Valores de potencia por fase y total en las pruebas con resistencia “alta”.. 5.4.3 Pruebas por fase con resistencia “baja” Al igual que las dos pruebas anteriores esta última también se realizó a 540RPM , los valores de resistencia fueron relativamente bajos, desde 0.023 ohmios hasta casi 1 ohmio. También se midió la temperatura del estator con el fin de conocer el punto de mejor operación del aparato. En la tabla 5 se pueden apreciar los valores de potencia por fase y total. Fase1 (Watts) 80,7 83,8 76,3 62,6. Fase3 Potencia Fase 2 (Watts) (Watts) total 86,6 85,5 252,9 85,5 85,8 255,1 79,7 79,5 235,6 64,9 62,8 190,5. Tabla 5. Valores de potencia por fase y total en las pruebas con resistencia “baja”.. 46.

(47) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 5.5 Medición de la resistencia por fase Para llegar al valor de la resistencia interna por fase se usaron una fuente de corriente (DC) y dos multímetros, en la tabla 6 se pueden apreciar los valores obtenidos de voltaje, corriente y resistencia de cada una de las fases. Fase1 V (voltios) 0,298 0,218 0,140 Fase2 V (voltios) 0,149 0,229 0,322 Fase3 V (voltios) 0,148 0,216 0,296. I (amperios) 1,224 0,897 0,578 I (amperios) 0,606 0,926 1,303 I (amperios) 0,588 0,86 1,175. R (resistencia interna) ohmios 0,243 0,243 0,242. R (resistencia interna) ohmios 0,246 0,248 0,248. R (resistencia interna) ohmios 0,252 0,252 0,252. Tabla 6. Resistencia interna por fase.. 47.

(48) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 6 Análisis y conclusiones. Observando los resultados analizados se sabe que las tres fases están balanceadas (ilustraciones. 29, 30 y 31), ya que el desfase entre cada una de ellas es 120 grados. eléctricos y la amplitud de voltaje observado en circuito abierto es prácticamente la misma [10]. Las pruebas hechas en conexión estrella-estrella arrojaron valores relativamente bajos de potencia (tabla 3), se observa que la mayor potencia se obtuvo a la resistencia más baja; correspondiente a 3.3omnios (tabla 3). A continuación en la tabla 7 se muestran los valores pico a pico de voltaje y corriente a 540 RPM en cada fase, correspondientes a las pruebas hechas al circuito estrella-estrella, cabe anotar que la magnitud de la frecuencia eléctrica es del orden de 36Hz para todos los casos. 540 RPM ohmios open 3,3 5 7,6 9,2-11 19-19,5. Fase 1 I(A) 0 8,3 5,5 3,2 2,3 1,4. V(V) 29,8 26,4 27,1 26,5 27,9 27,5. Fase2 I(A) 0 8,3 3,8 1,5 2,1 3,9. V(V) 30 25,8 26,6 27,2 27,5 27. Fase3 I(A) 0 8,1 2,9 2,4 3,2 1,3. V(V) 29,8 25,5 26,2 26,8 27 27,4. Tabla 7. Valores de voltaje y corriente pico a pico en las pruebas realizadas a la conexión estrellaestrella.. 48.

(49) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Los valores de resistencia varían en función de temperatura, además los reóstatos utilizados y la jaula de resistencias son elementos que arrojan valores no muy confiables de resistencia, así que es muy difícil tener una “estrella de carga” perfectamente balanceada. Como es de esperarse, conforme aumenta la resistencia la corriente disminuye, sin embargo en algunos puntos de la fase 2 y fase 3 se observa lo contrario, esto puede ser debido a la ubicación de campos magnéticos muy cercanos a la pinza amperimétrica, estos campos afectan la amplitud de onda medida por dicha pinza. A continuación se muestra la característica externa de las tres fases [11] (valores pico a pico):. Característca externa fase 1 30. Voltage. 29,5 29 28,5 Serie1. 28 27,5 27 26,5 26 0. 2. 4. 6. 8. 10. Corrie nte. Ilustración 35 Característica externa fase 1 [11].. 49.

(50) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Cracterística externa fase 2 31. Voltaje (V). 30 29 28 27 26 25 0. 2. 4. 6. 8. 10. Corriente (A) Ilustración 36 Característica externa de la fase 2 [11]. Voltaje (V). Característica externa fase 3 30,5 30 29,5 29 28,5 28 27,5 27 26,5 26 25,5 25 0. 2. 4. 6. 8. 10. Corrie nte (A). Ilustración 37 Característica externa fase 3 [11] Gráfica 8.. 50.

(51) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Las pruebas hechas por fase con resistencia “alta”, simplemente arrojaron valores de potencia muy parecidos a los obtenidos en las pruebas estrella-estrella, todas las señales tienen una frecuencia de aproximadamente 36 Hz, el dato mas relevante es que la potencia (85 Vatios) a la menor resistencia (2.3 ohmios), es más alta que el valor de potencia (80 Vatios) a la menor resistencia (3.3 ohmios) en la conexión estrella-estrella. El teorema de máxima potencia dice que cuando la resistencia externa conectada a la fase, sea igual a la resistencia interna de dicha fase, se extraerá la máxima cantidad de potencia [12]. Los valores de resistencia externa analizados hasta el momento son mucho más grandes que los valores de resistencia interna medidos a cada fase por separado (tabla 6). Por lo anteriormente mencionado se decidió hacer pruebas individuales por fase con resistencia externa “baja”, los resultados desde el punto de vista de potencia son muy alentadores, ya que se supera ampliamente la meta planteada en los objetivos (tabla 5). Como era de esperarse, al bajar la resistencia externa por fase, se incremento la corriente por dicha resistencia, haciendo que la potencia alcanzara sus niveles más altos para valores relativamente bajos de resistencia.. En la fase tres, se hizo una primera prueba, la cual arrojó un resultado muy pobre en términos de potencia (del orden de 15 vatios), la resistencia medida (V/I) fue de aproximadamente 0.02 ohmios. En dicha prueba la temperatura externa del estator (medida con una termocupla) fue de 75C, cosa que es bastante perjudicial ya que se supone que el aislamiento eléctrico del embobinado soporta aproximadamente 60C más la temperatura ambiente la cual es de aproximadamente 17C para Bogotá [13]. Por esta. 51.

(52) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. razón no se hicieron pruebas con este valor de resistencia para las otras dos fases, con el objetivo de no dañar el aparato. Las siguientes pruebas se realizaron con una resistencia de aproximadamente 0.23 ohmios, arrojando valores de potencia del orden de 80 vatios por fase. También se observa que los cables usados resisten más corriente de la que dice en los catálogos, ya que el cable usado en el embobinado aguanta aproximadamente 9.5 A rms según el catálogo, puede observarse que por los cables pasan corrientes mayores a esta y la temperatura no se elevó hasta un punto crítico (tablas 8, 9 y 10). A continuación se muestran gráficas de potencia vs resistencia externa de cada fase, valores experimentales de potencia, corriente, voltaje, frecuencia y temperatura externa.. Fase 1. Fase 1. Resistencia Potencia(W) (Ohmios) 0 0 80.7 0.32 83.8 0.41 76.3 0.59 62.6 0.92. V rms(V). I rms(A) 15.8 14.1 11.3 8.2. 5.0 5.9 6.7 7.6. Frecuencia Eléctrica Temperatura Ext. Del estator(-C) (Hz) 36.5 36.5 36.5 36.5. 54 43.5 41.6 30. Tabla 8 Voltaje, corriente, frecuencia y temperatura externa de la fase 1 en las pruebas con resistencia “baja”.. 52.

(53) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. potencia (vatios). Potencia vs resistencia externa 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 1. resistencia (ohmios). Ilustración 38 Potencia vs resistencia fase 1.. Fase 2. Fase 2. Potencia Resistencia (W) (Ohmios) 0 0 86.6 0.28 85.5 0.42 79.7 0.58 64.9 0.90. I rms(A) 17.5 14.2 11.7 8.4. V rms(V) 4.9 5.9 6.8 7.6. Frecuencia eléctrica(Hz). Temperatura Ext. Del estator (-C). 36.5 36.5 36.5 36.5. 55 46 38 28.8. Tabla 9 Voltaje, corriente, frecuencia y temperatura externa de la fase 2 en las pruebas con resistencia “baja”.. 53.

(54) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Resistencia (ohmios). Potencia vs resistencia externa 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 1. Pote ncia (vatios). Ilustración 39 Potencia vs resistencia fase 2.. Fase 3. Fase 3. Potencia (W) 0 15.5 85.5 85.8 79.5 62.8. Resistencia (Ohmios) 0 0.02 0.26 0.33 0.53 0.91. I rms(A) 25.4 17.8 16.0 12.1 8.2. V rms(V) 0.6 4.8 5.3 6.5 7.5. Frecuencia eléctrica(Hz) 36.5 36.5 35.5 36.5 36.5. Temperatura Ext. del estator(-C) 75 68 51.2 39 30.9. Tabla 10. Voltaje, corriente, frecuencia y temperatura externa de la fase 3 en las pruebas con resistencia “baja”.. 54.

(55) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Potencia vs resistencia externa. potencia (vatios). 100 80 60 40 20 0 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 1. resistencia (omnios). Ilustración 40 Potencia vs resistencia fase 3.. La potencia disipada en el embobinado es directamente proporcional a la resistencia interna por fase y al cuadrado de la corriente [14]. En la tabla 11 se puede apreciar las pérdidas en el cobre calculadas con la corriente máxima por fase obtenida en los ensayos, es decir, con la corriente obtenida a los mayores resultados de potencia en las pruebas individuales por fase usando resistencias “bajas”.. Potencia disipada en el embobinado (W) Fase 1 61,2 Fase 2 76,4 Fase3 79,9. Rinterna (ohmios) 0,24 0,24 0,25. Rexterna(ohmios) 0,32 0,28 0,26. Tabla 11 Potencia perdida por calentamiento en el cobre.. Se puede llegar a un valor de E.E. (Estimativo de Eficiencia), este valor proporciona un tope por encima del cual la eficiencia global del picogenerador no puede estar (tabla 14).. 55.

(56) IM EC 2005-I-46. Potencia medida Fase 1 Fase 2 Fase 3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR Potencia disipada 80,7 86,6 85,5. E.E. 61,2 76,4 79,9. 0,56 0,53 0,51. Tabla 12 Estimativo de eficiencia.. Si se tiene que la potencia de entrada es la potencia en el eje, se sabe que las pérdidas totales corresponden a la suma de las pérdidas por rozamiento en los rodamientos [14], pérdidas magnéticas y pérdidas en el cobre, entonces E.E. se calcula de la siguiente manera: Pout Pin Pout = Pin − PlossCu Pin = Pout + PlossCu PlossCu = Pérdidas en el cobre. η < E.E . =. Ecuación 8 Estimativo de eficiencia. Finalmente se puede concluir que el objetivo de generación de potencia fue ampliamente superado ya que el prototipo generó aproximadamente 120 vatios más de lo esperado, sin embargo el picogenerador posee una eficiencia relativamente baja, menor al 55%. Lo anterior aplica para una velocidad de rotación de 540 RPM y valores “bajos” de resistencia. En el siguiente capítulo se hablará acerca del enfoque que se debería tomar para un mejoramiento del prototipo.. 56.

(57) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 7 Recomendaciones. En primera instancia habría que caracterizar la parte magnética del picogenerador, poder determinar la curva real de los imanes usados, hacer análisis teóricos y modelamientos para así poder entender como interactúan los campos magnéticos de los imanes con los campos magnéticos asociados a las corrientes que pasa por el embobinado; lo anterior es con el fin de determinar la pérdida de eficiencia debida a cuestiones magnéticas. Por otra parte sería recomendable la creación de un banco de pruebas en el cual pueda variarse la velocidad mecánica de entrada y también se pueda medir el torque mecánico, esto con el fin de poder caracterizar más a fondo el picogenerador. Otro factor importante sería analizar diferentes tipos de conexiones, ya sea entre fases y entre cargas, con el fin de determinar la más eficiente. Tambien es necesario realizar todas las pruebas anteriormente realizadas con cargas capacitabas e inductivas, determinar la magnitud y el tipo de carga para las cuales dicho generador sea útil. Hacer pruebas típicas hechas a cualquier tipo de generador con el fin de determinar si este cumple con normas internacionales. Finalmente teniendo toda la información. arriba mencionada, habría que rediseñar el. aparato, desde el punto de vista eléctrico, evaluar los diferentes factores tales como reluctancia magnética, resistencia del embobinado, geometrías del rotor y embobinado, para así poder llegar a optimizarlo al máximo; claro está que todas las optimizaciones eléctricas tendrían que ir de la mano con las optimizaciones mecánicas, con el fin de. 57.

(58) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. disminuir la inercia rotacional, bajar el peso y hacia el futuro, hacer fácil el mantenimiento del equipo.. 58.

(59) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. 8 Bibliografía y anexos. 1. Stephen J. Chapman. M áquinas Eléctricas, tercera edición, M c Graw Hill Cap 1. 2. Stephen J. Chapman. M áquinas Eléctricas, tercera edición, M c Graw Hill Cap 1. 3. Guru, Bhag S, Electric machinery and transformers Segunda edición, Cap 3. 4. Guru, Bhag S, Electric machinery and transformers Segunda edición, Cap 4. 5. Guru, Bhag S, Electric machinery and transformers Segunda edición, Cap 4. 6. Guru, Bhag S, Electric machinery and transformers Segunda edición, Cap 4. 7. M ASTER M AGNETICS, The magnet source. Catálogo de ventas. 8. Guru, Bhag S, Electric machinery and transformers Segunda edición, Cap 4. 9. Stephen J. Chapman. M áquinas Eléctricas, tercera edición, M c Graw Hill Cap 5. 10. Guru, Bhag S, Electric machinery and transformers Segunda edición, Cap 1. 11. Guru, Bhag S, Electric machinery and transformers Segunda edición, Cap 7. 12. Jhonson, E. David, Análisis Básico de circuitos eléctricos, Prentince Hall, Cap 5. 13. Stephen J. Chapman. M áquinas Eléctricas, tercera edición, M c Graw Hill Cap 5. 14. Stephen J. Chapman. M áquinas Eléctricas, tercera edición, M c Graw Hill Cap 4.. 59.

(60) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. APÉNDICE A, PLANOS .. Planos: Tapa Rotórica Unidades en milímetros. Cantidad: 2 Autor: Juan Carlos De La Torre F.. M aterial: Acero Estructural A36. 60.

(61) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Planos: M arco de resina Unidades en milímetros M aterial: Resina de y fibra de vidrio.. Cantidad: 1 Autor: Juan Carlos De La Torre F.. 61.

(62) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR Planos: Eje estático Unidades en milímetros Material: Acero 1020 Cantidad: 1 Autor: Juan Carlos De La Torre F.. Planos: Eje estático Unidades en milímetros. Cantidad: 1 Autor: Juan Carlos De La Torre F.. M aterial: Acero 1020. 62.

(63) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. .. Planos: Acople Unidades en milímetros. Cantidad: 1 Autor: Juan Carlos De La Torre F.. M aterial: Acero 1020. 63.

(64) IM EC 2005-I-46. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PICOGENERADOR. Planos: Vista lateral del prototipo Unidades en milímetros. Autor: Juan Carlos De La Torre F.. 64.

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