1. UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN
FACULTAD DE CIENCIAS
CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE TACNA (CERT)
ASOCIACIÓN PERUANA DE ENERGÍA SOLAR Y DEL AMBIENTE (APES)
XX SIMPOSIOPERUANO DE ENERGÍA SOLAR Y DEL AMBIENTE
11 – 15 DE NOVIEMBRE DEL 2013, Tacna, Perú
Fundamentos del Diseño de Generadores Eléctricos para instalaciones con
Energías Renovables
Consultora OCI
Expositor:
Ing. JAVIER OLIVEROS DONOHUE
5 de diciembre de 2013
2. Consultora OCI
El Modelo Matemático
En el generador Sincrónico , la potencia electromagnética que fluye
del Rotor al Estator es:
Proporcional al cuadrado de la Inducción Magnética en el
entrehierro.
Proporcional a la velocidad angular de rotación de los polos
(rpm).
Proporcional a la posición radial del centro de masa de los polos.
5 de diciembre de 2013
3. Consultora OCI
Calculo del Flujo de Potencia del Rotor al Estator de un Generador
Sincrónico con polos y bobinas en superficies cilíndricas
5 de diciembre de 2013
4. Consultora OCI
Calculo del Flujo de Potencia del Rotor al Estator de un Generador
Sincrónico con polos y bobinas en superficies cilíndricas (continúa)
P = π ω L ro2 B2rm ( tng ɣ) / µo
Si Brm = 6,000 Gauss, ω = 2.π.f = 376.8 seg-1, tng = 0.02,
ro = 0.5 m, L = 2 m; µo = 4.π.10-7 Henry/m; 1 Gauss = 104
Volts, entonces, sustituyendo estos valores
numéricos en la fórmula recién establecida,
obtenemos:
P = 1.2 M Vatios
6. Consultora OCI
Calculo del Flujo de Potencia del Rotor al Estator de un Generador
Sincrónico con polos y bobinas en superficies verticales planas (X-Y)
5 de diciembre de 2013
7. Consultora OCI
Calculo del Flujo de Potencia del Rotor al Estator de un Generador Sincrónico con polos y
bobinas en superficies verticales planas (X-Y) (continua)
P = [ π/(4.µo)] B2zm ω. KLL . [(r2 + r1)2 (r2 - r1 ] ( tng ɣ)
ω = 2.π.f; µo = 4.π.10-7 Henry/m; 1 Gauss = 10-4 Volts;
r1 = 2.5" = 0.0635 m
r2 = 7" = 0.1778 m; Bzm = 2,000 Gauss
Reemplazando el valor de KLL, que es el factor de llenado de
área de la bobina, en nuestro caso es 40.22% del área anular
que encierra los magnetos:
P = 261.678967 W*0.402193995 = 105.25 Vatios
5 de diciembre de 2013
8. Consultora OCI
Anillo con corriente en su perímetro. Vista de la parte Positiva y
Negativa con respecto al punto de observación A de una superficie
que pasa por su perímetro.
5 de diciembre de 2013
9. Consultora OCI
(a) Conociendo las propiedades magnéticas de un contorno elemental, se
pueden determinar las propiedades del contorno entero.
(b) Definición geométrica del ángulo solido.
11. Consultora OCI
(a) Circuito magnético con Imán Permanente y entrehierro.
(b) Flujo magnético vs. fuerza magneto-motriz (f.m.m).
12. Consultora OCI
Campo Magnético H de una bobina con corriente es similar al
de una barra de material magnético de las mismas dimensiones
(Imán Permanente) y posición imantada a lo largo del eje.
13. Calculo del Circuito Magnético en el Imán Permanente
H = (1/µo) B - Mo = Mo ((cos θ2 - cos θ1)/2 -1)
µo = 4*π*10-7 = 12.5664*10-7 Henry/m
1.3 B , T
z=0
0.0035 b, m
z
M
B
m
0
b-ε
A/m
80,000
80,000
T
1.3
0.65
954,505
437,252
0.001167
0.002333
b+ε
0
0.65
517,252
∑H.δ
H
δ
Consultora OCI
H.δ
A/m
1,114
1,020
2,134
1.25664E-06 µo
1,034,505
80,000
954,504.71
0.65
Bz=0/µo
517,252.36
80,000
437,252.36
0.65
Bz=b-ε/µo
Mo, A/m
H = B/µo - Mo, A/m
Bz=b-ε , T
Mo, A/m
H = B/µo - Mo, A/m
Bz=b+ε , T
517,252.36 Bz=b+ε/µo
0 Mo, A/m
517,252.36 H = B/µo - Mo, A/m
14. Consultora OCI
(a) Vectores de Inducción Magnética B;
(b) campo magnético H; (c) Magnetización M y
(d) Diagrama Vectorial de B, H y M.
Figuras a, b, c, d en una barra de sección cuadrada de
lados 0.050m x 0.050m y 0.007m de longitud.
15. Cálculo del Circuito Magnético del Generador
BE
U M a, b =
BM.SM =
(Tesla)
φE = φFe =φM =
HM.lM
φM (U M a, b)
(Amp.)
(Tesla.m2)
U M a, b =
HE = BE/µo =
Consultora OCI
HFe
(φE/SE)/µo
HFe.(l' + l") + He.le
(Amp./m)
(Amp./m)
(Ampere)
0.0005
0.000001
2,134
9
398
1
0.0015
0.000004
2,134
25
1,174
3
0.0195
0.000050
2,134
336
15,518
36
0.0228
0.000059
2,134
392
18,104
42
0.0325
0.000084
2,134
559
25,863
61
0.0455
0.000117
2,134
783
36,208
85
0.0650
0.000168
2,134
1,118
51,725
121
0.1219
0.000314
2,134
2,097
96,985
227
0.1983
0.000512
2,134
3,411
157,762
369
0.2165
0.000559
2,134
3,724
172,245
403
0.2275
0.000587
2,134
3,914
181,038
424
0.2600
0.000671
2,134
4,474
206,901
484
0.3900
0.001006
2,134
6,711
310,351
726
0.5200
0.001342
2,134
8,947
413,802
968
0.6500
0.001677
2,134
11,184
517,252
1,210
De la Tabla obtenemos
una Inducción
Magnética en el
entrehierro (BE) de
0.1219 Tesla ó 1,219
Gauss.
16. Consultora OCI
Voltaje Inducido en las bobinas
El Voltaje Inducido en las bobinas (VFASE) es:
Proporcional al número de espiras de las bobinas (N).
Proporcional a la Inducción Magnética en el entrehierro (BE).
Proporcional al área barrida por unidad de tiempo de las
líneas de fuerza magnética dentro del contorno de las
bobinas (dA/dt).
VFASE = - N*BE*dA/dt
17. Consultora OCI
Inducción Magnética en el entrehierro
La Inducción Magnética en el entrehierro es:
Proporcional a la Magnetización de los Imanes Permanentes.
Proporcional al área transversal de los polos (en el plano
perpendicular al eje del generador).
Proporcional al espesor del polo (dirección paralela al eje del
generador).
Inversamente proporcional a la longitud del entrehierro.
18. Consultora OCI
Lista de actividades del Diseño Mecánico
(Aplicado al Generador del Segundo Tipo)
1. El órgano giratorio
1.1
La sustentación del órgano giratorio, los soportes ó cojinetes
2. Sujeción de las piezas polares
2.1
Esfuerzos mecánicos; Polos de Neodimio (NeFeB) atornillados.
3. Mapa térmico del generador
4. Cálculo de resistencia mecánica del generador
Fuerzas centrípetas; Sujeción de los polos; Esfuerzos en las
rodaduras; Flexión del eje.
19. Lista de actividades del Diseño Eléctrico
(Aplicado al Generador del Segundo Tipo)
Consultora OCI
Incluye el cálculo y dimensionado eléctrico del generador.
1. Cálculo del generador
1.1 Generación de los datos de la máquina.
Potencia, Voltaje, Corriente, velocidad (rpm, frecuencia)
Rotor: Diámetro y espesor de los platos; Longitud total a lo largo del eje; Número de polos;
Posición de las piezas polares.; Tamaño del entrehierro
Estator: Diámetro y espesor de los platos; Posición de las bobinas.
Bobinas: Número de espiras; Tamaño de las bobinas: largo, ancho, altura;
número AWG de los conductores.
1.2 Generación de las Constantes Fundamentales Eléctricas y Magnéticas de la máquina.
Bobinas: Resistencia, Reactancia Sincrónica.
Circuito Magnético: Calculo de la Inducción Magnética (BE) y Campo Magnético (HE).
1.3 Característica magnética en vacio y cortocircuito, Magnetización de los imanes
permanentes, Inducción é intensidad de campo en el entrehierro, Inducción é intensidad en
el material magnético del circuito magnético.
20. Generador con Imanes Permanentes de Neodimio
modificados en espesor para aumentar la potencia
electromagnética transmitida del rotor al estator.
Consultora OCI
21. Abajo la Figura , presenta en forma grafica los resultados (obtenidos usando el
Modelo Matemático previamente mencionado) de Voltaje de línea de salida del
generador (1.73*Voltaje_ de_ Fase) vs. espesor del magneto a 300 rpm. El
generador con Imanes permanentes de Neodimio es trifásico y la salida de
potencia es vía tres alambres, el voltaje de cualquier par de los tres alambres es
el voltaje de línea, la corriente medida en cada alambre es la corriente de fase.
Podemos ver en el grafico que el voltaje de salida es proporcional en forma lineal
al espesor de los ocho Magnetos, al mismo tiempo la potencia de salida cambia
con el cuadrado del espesor.
Consultora OCI
23. Consultora OCI
Sistema Eléctrico Hibrido Viento/ Foto-Voltaico
Un pequeño Sistema Eléctrico Híbrido que combina por lo menos Tecnologías de Viento y
Energía Solar ofrece varias ventajas sobre un sistema solo de Viento ó solo Energía Solar.
En muchos lugares, la velocidad del viento son bajas en el verano cuando el sol brilla por
mucho tiempo durante el día. El viento es fuerte en el invierno cuando hay menos brillo del
sol. Los tiempos óptimos de operación de sistemas de viento y solares ocurren a tiempos
distintos del día y del año, el Sistema Eléctrico Hibrido es el más apropiado para producir
potencia eléctrica cuando es necesario.
El Sistema Eléctrico Híbrido incluye:
1. Paneles Foto-Voltaicos: Un número de paneles conectados en series y paralelo dando una
salida de corriente directa de la Irradiación Incidente del sol. Orientación y pequeña
inclinación alrededor de esta orientación son parámetros de diseño importantes, así como la
sombra de obstrucciones cercanas.
2. Turbina de Viento: Esta se instala arriba de una torre alta, colecciona energía cinética del
viento y la convierte a electricidad que es compatible con el sistema eléctrico de las casas.
3. Controlador Hibrido: Controla la carga, descarga razonable y la seguridad del banco de
baterías.
24. Sistema Eléctrico Hibrido Viento/ Foto-Voltaico (continúa)
Consultora OCI
4. Banco de Baterías: Puede ser una sola batería ó muchas baterías conectadas
juntas para crear una sola batería grande con el voltaje, ampere-hora de
capacidad requerida. La configuración y capacidad de la batería son las
decisiones más importantes de la potencia eléctrica del sistema y la selección
adecuada ayuda a garantizar subministro estable de potencia eléctrica a la vez
que garantizar un sistema simple de operar y mantener.
5. Inversor: Transforma la potencia de corriente directa de los paneles a potencia de
corriente alterna.
6. Cargas: Se le llama así a los circuitos de los dispositivos conectados en el edificio.
Las conectadas al Inversor se llaman Cargas de Corriente Alterna. Las conectadas
al banco de baterías se llaman Cargas de Corriente Continua.
25. Instalación con Energías Renovables. Viento, Solar,
Micro-Hidroeléctrica y Vio-combustión
Consultora OCI
La Figura adjunta, presenta
el concepto de Instalación
con Energías Renovables.
Viento, solar, MicroHidroeléctrica y viocombustión. La MicroHidroeléctrica y viocombustión están
agrupadas en un solo
bloque ya que del
generador a la distribución
el esquema eléctrico es el
mismo.