Cálculo y diseño de un alternador multipolar de 1.5 KVA. destinado a turbinas eólicas de alto par y muy baja velocidad.

Descripción preliminar, pendiente del desarrollo definitivo y de sus correspondientes planos y esquemas.

Introducción

Aun existen en el mundo muchas comunidades que no disfrutan del uso de la energía eléctrica, este prediseño esta realizado con la intención de crear una máquina útil para conseguir la electrificación de quienes carecen de ella. Y que al mismo tiempo sea posible su construcción y utilización por aficionados amantes de las energías alternativas de cualquier lugar.

Se trata por ello de diseñar un alternador multipolar monofásico que permita el aprovechamiento de los recursos eólicos que suministran las turbinas multipala de baja velocidad y alto par, con un bajo coste y con una tecnología artesanal que permita su fabricación por los artesanos locales de los países en los que la electrificación rural aun no se ha desarrollado. También puede ser una máquina útil para las turbinas de eje vertical como la turbina Savonius y similares de alto par motor y bajas revoluciones.

Se pretende un diseño que sea un complemento a la utilización de las turbinas eólicas multipalas clásicas dedicadas al bombeo de agua, que trabajan con un bajo número de revoluciones y un alto par, por lo que se requieren máquinas lentas que eviten el uso de multiplicadores mecánicos.

Este estudio se ha realizado primando especialmente las características de sencillez y economía sobre otros factores como el rendimiento; Ya que sus pérdidas en el hierro serán superiores a las habituales por carecer de palastro en los polos inducidos, aunque las pequeñas dimensiones de los núcleos magnéticos del inducido hacen que estas pérdidas sean menos significativas debido a los cortos recorridos de las corrientes parasitas. Además estas pérdidas solo son significativas en el rango alto de frecuencia y nos benefician en cuanto al incremento de la caída tensión reactiva en dicho rango, e incluso en el aumento del par resistente por corrientes parásitas en velocidades cercanas al posible embalamiento de la máquina.

Aunque la frecuencia de salida sea variable carece de importancia pues será rectificada a C.C. para la carga de baterías. Es importante significar que los alternadores destinados a la microeólica dotados de excitación fija, de imanes permanentes, son de tensión y frecuencia variables, y prácticamente lineales, con respecto a la velocidad. El incremento de frecuencia a altas velocidades incrementa la caída de tensión reactiva y ayuda a la regulación de la carga.

Por ello estos alternadores no son los elementos más determinativos del funcionamiento de la instalación, el cual dependerá básicamente de la siguiente etapa que consiste en el regulador de carga de baterías. (Véase nota (1))

Con el inconveniente, de cara a ciertas ubicaciones, que esos sistemas basados en la electrónica no son técnicamente accesibles, en cuanto a su construcción y mantenimiento, al personal no formado adecuadamente para ello

La máquina que buscamos.

Pretendemos una máquina monofásica, lenta, sencilla, fácil de instalar y mantener por las poblaciones donde se implemente su instalación. El rango de trabajo será entre 15 y 60 rpm., que supone un rango de tensiones entre 30 y 120 V. C.A., que se rectificarán y acoplarán al correspondiente regulador de carga de baterías que admite tensiones dentro de ese margen. (véase nota (1) a pié de documento)

Fijamos como bases de cálculo una potencia de 1.5 KVA. y 100 Voltios de salida a 50 rpm. (50 Hz)

Descripción y cálculo del alternador

Rueda polar (rotor)

La rueda polar constará de 120 polos, o 60 pares de polos, que es lo mismo, por lo que para 50 Hz su velocidad será 3000/60 = 50 rpm.

Como excitadores por motivos económicos elegimos imanes permanentes en anillo de Neodimio de diámetros. 12/3 mm y grosor 8 mm, grado N35, con una inducción remante B=1.2 Teslas y estimamos un entrehierro de 1 mm entre las zapatas polares y la superficie de los núcleos de las bobinas inducidas.

Como núcleos de los anillos de imán usaremos tornillos de acero inoxidable (amagnético) o latón M3 de 20 mm de largo, de cabeza avellanada que sujetarán un disco de acero de 14 mm de diámetro, y 3 mm de espesor que actuará como zapata polar, este disco tendrá un taladro central de 4 mm avellanado.

Se trata entonces de dimensionar la rueda polar para ubicar en ella 120 polos, con una separación de 20 mm entre los centros de los mismos para minimizar la dispersión del flujo magnético.

La longitud de la circunferencia donde están los ejes de los polos será entonces de 120x20=2400 mm que se corresponde con un diámetro de 763.94 mm por lo que elegimos un disco de acero de 775 mm de diámetro y 5 mm de espesor, en el que en el diámetro calculado de 763.94 mm trazaremos una circunferencia sobre la que haremos 120 taladros de 4 mm. Separados sus centros 20 mm entre si

En cada taladro colocaremos un tornillo M3 que ira pasante, en el mismo se colocará previamente un anillo de Nd de 12x3x8 y el disco que hace de zapata polar y lo fijaremos con una tuerca y arandela por la parte trasera, cuidando de no ejercitar esfuerzos sobre los imanes para no quebrarlos, a tal fin sujetaremos las cabezas mientras apretamos las tuercas posteriores.

Las cabezas de los tornillos tienen que quedar rigurosamente en un mismo plano paralelo al del disco.

Los anillos de Nd consecutivos tienen que ser de polaridad opuesta de forma que a un N le siga un S, formando circuitos magnéticos entre los polos adyacentes.

Polo excitador y polo excitado

Una vez terminada la colocación de los polos magnéticos comprobaremos que las polaridades son las correctas mediante la utilización de una aguja imantada, vale cualquier brújula de bolsillo para ello.

Como el entrehierro estimado es de 0.5 mm, el anillo de Nd nos dará una inducción para ese entrehierro del orden de 0.5 Teslas que supone un flujo.

Flujo = 0.007*0.007*PI*0.5= 0.00007697 Weber por polo.

El cálculo de la inducción está realizado mediante el programa ubicado en:

http://www.magnetsales.com/Design/Tools1.htm#flux

Para una salida de V= 100 V, estimamos necesaria una E= 110 V. Luego:

110=4.44* 0.00007697*50*N

De donde N será N = 6437.5 espiras a las que aplicaremos un coeficiente para compensar la dispersión de flujo y otras perdidas, por lo que adoptaremos 6480 espiras que significa 54 por polo del inducido.

Inducido (estator)

Como la máquina es muy lenta su refrigeración es muy deficiente y además no usaremos palastro de chapas magnéticas apiladas por lo que las perdidas por histéresis y corrientes de Foucault serán muy elevadas, por ello tenemos que minimizar en lo posible las pérdidas por el efecto Joule.

Detalle de dos polos consecutivos

Por ello para 1500 VA a 100 V corresponden 15 A, si adoptamos una densidad de corriente de 2.5 A/mm2 escogeremos una sección de 6 mm2 que supone un hilo esmaltado de 2.76 mm de diámetro.

Se prepara entonces un disco como el anterior con taladros en idénticas ubicaciones de 8 mm de diámetro, donde se colocan tornillos M8 DIN 931 de acero, de cabeza exagonal parcialmente roscados, de una longitud de 80 mm, que irán, fijados por doble tuerca interna/externa al disco giratorio, estas tuercas servirán para ajustar que las cabezas de los tornillos estén exactamente en un mismo plano paralelo al del disco.

Estos tornillos formarán el núcleo magnético de las bobinas, su superficie no roscada de 60 mm de longitud se aislará con tres o cuatro vueltas de cinta aislante para bobinados, y sobre ellas se devanaran 54 espiras de hilo esmaltado de 2.76 mm de diámetro en cada polo, que serán distribuidas en tres capas.

Repitiéndose la operación en el polo siguiente pero con sentido de bobinado inverso.

Como se dijo antes se extremará la precaución de que cada polo este enrollado en distinto sentido que los adyacentes de forma que si en uno de ellos se bobina en sentido CW (sentido horario) el siguiente tiene que ir en sentido CCW (sentido anti-horario) ya que cada polo del inducido estará frente a un polo del inductor y como estos tienen polaridad alterna, en los polos inducidos si estuviesen devanados en el mismo sentido se generarían corrientes opuestas que se anularían. Es preciso aislar bien los polos, que el hilo esmaltado no toque el acero.

El conjunto de las bobinas del inducido irá en serie y su comienzo y final se conectaran en una regleta que hará de placa de bornes.

Montaje mecánico y ajuste

El disco de inducidos estará fijo a una bancada, sin emplear soldadura para evitar alabeos de origen térmico. Y presentara un orificio por donde pasará libremente el eje del disco móvil para acceder al rodamiento situado en el extremo de este disco. En el hueco situado entre ambos discos se dispondrá de un ventilador fijado al eje para refrigerar la máquina.

En esta bancada formada por dos perfiles en U longitudinales y otros dos transversales soldados entre si y con cartelas soldadas en las esquinas, se fijarán unos soportes de rodamiento con un rodamiento radial y otro axial que permita el juego en ese sentido, en dichos rodamientos se situará el eje de giro, constituido por un redondo de acero de 40 mm de diámetro, que ira fijado por un chaveta al rotor, el estator ira atornillado a un soporte regulable en altura fijo a la bancada.

Una vez montados rotor y estator, se ajustaran en altura desde el estator y después desplazando la chaveta del rotor se aproximarán las caras de los polos del rotor y el estator, ajustándolos en planos paralelos y dejando una separación de 0.5 mm entre ellos. En el hueco del eje, entre discos, se colocará un ventilador calado en el eje.

Una vez que tengamos un montaje satisfactorio aplicaremos a las roscas un bloqueante líquido como el Loctite o similares. Lo ideal si se dispone de maquinas herramientas sería mecanizar las cabezas de los tornillos después de montadas para dejarlas todas exactamente en un mismo plano.

Nota (1): El siguiente regulador de carga suministra solo 1200 Vatios, que es menos potencia de la necesaria, pero es la tecnología que se está implantando y pronto se dispondrá en catálogo de diversos fabricantes de toda la gama de potencias.

Análisis de pérdidas por efecto Joule.

Tenemos 54 espiras por bobina con un diámetro medio de 19 mm, luego por bobina nos queda una longitud de PI*19*54 = 322 3mm = 3.22 metros, y su resistencia será de 0.00958 Ohmios y en total 1.15 Ohmios, que suponen unas pérdidas con 15 A. de 258 W, admisibles dadas las premisas del proyecto.

La caída de tensión a mínimo régimen supone 15*1.15 = 17.25 V que nos deja un margen suficiente para la entrada del convertidor regulador de carga de baterías.

(1) Convertidores para aerogeneradores serie SMART POWER (Resumen extractado)

CONVERTIDOR REGULADOR DE ENERGÍA - PARA GENERADORES EÓLICOS   - INV-REG4 abr. IR4 

Características eléctricas: El convertidor regulador de energía IR4 está preparado para la carga de bancos de baterías a 24 voltios. Para tensiones diferentes según demanda. 

Adaptador de carga entre la energía producida por el aerogenerador  y el banco de baterías, el convertidor regulador de energía IR4 resulta utilizable para tensiones de entrada en corriente continua incluidas entre 8 y 120 voltios.  Potencia máxima 1200 vatios. Rendimiento energético mejor del 95%. Potencias mayores según solicitud.

Las tensiones de entrada aplicadas al convertidor regulador de energía IR4 inferiores a 30 voltios son elevadas a 30 voltios, las tensiones de entrada mayores de 30 voltios hasta 120 voltios son reducidas a 30 voltios. Para no dispersar energía, la corriente eléctrica sobrepuesta a los acumuladores es elevada en proporción igual e inversa a la reducción de la tensión sobrepuesta en entrada al regulador.  Las tensiones de entrada ocasionalmente mayores de 120 voltios son desviadas en seguridad por el convertidor regulador de energía IR4. 

Víctor Luis Álvarez.

Para cualquier aclaración o comentario, se puede contactar con el autor en: victorluisbmh@hotmail.com