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DESCRIPCION FENOMENOLOGICA DEL
FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR EOLICO IEC
61400-2 CLASE IVB DE 10,000 VATIOS PARA
VELOCIDAD PROMEDIO ANNUAL DE VIENTO DE 6.0
METROS POR SEGUNDO CON MAQUINA ELECTRICA
DE IMANES PERMANENTES
Ing. JAVIER HUMBERTO OLIVEROS DONOHUE
Consultora OCI
10.04.17
Calculo del Flujo de Potencia del Rotor al Estator de un Generador
Sincrónico con polos y bobinas en superficies cilíndricas
Consultora OCI
Calculo del Flujo de Potencia del Rotor al Estator de un Generador
Eólico con Generador de Imanes Permanentes de polos y bobinas
en superficies planas perpendiculares a su eje de rotación.
Consultora OCI
Calculo del Flujo de Potencia del Rotor al Estator de un Generador
de Imanes Permanentes con polos y bobinas en superficies plano
paralelas perpendiculares al eje de la maquina.
Consultora OCI
El Modelo Matemático
En el Generador de Imanes Permanentes (GIP), la potencia
electromagnética que fluye del Rotor al Estator es:
1. Proporcional al número de Rotores y pares de polos.
2. Proporcional al cuadrado de la Inducción
Magnética en el entrehierro.
3. Proporcional a la velocidad angular de rotación
de los polos (rpm).
4. Proporcional al cuadrado la posición radial del centro de
masa de los polos.
5. Proporcional a la dimensión radial de los polos.
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Voltaje Inducido en las bobinas
El Voltaje Inducido en las bobinas (VFASE) es:
1. Proporcional al número de espiras de las
bobinas (N).
2. Proporcional a la Inducción Magnética en el
entrehierro (BE).
3. 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
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Inducción Magnética en el entrehierro
La Inducción Magnética en el entrehierro es:
1. Proporcional a la Magnetización de los Imanes
Permanentes.
2. Proporcional al área transversal de los polos
(en el plano perpendicular al eje del generador).
3. Proporcional al espesor del polo (dirección
paralela al eje del generador).
4. Inversamente proporcional a la longitud del entrehierro.
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Lista de actividades del Diseño Mecánico del GIP con polos y
bobinas en superficies plano paralelas perpendiculares al eje de la
maquina.
1. El órgano giratorio. La sustentación del órgano giratorio,
los soportes ó cojinetes
2. Sujeción de las piezas polares. 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.
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Lista de actividades del Diseño Eléctrico (Incluye el cálculo y dimensionado eléctrico del generador)
1. Cálculo del generador. 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.
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).
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.
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Calculo del Flujo de Potencia del Rotor al Estator de un
Generador de Imanes Permanentes con polos y bobinas en
superficies plano paralelas perpendiculares al eje de la
maquina. (continúa)
P = π NPPR ω (Dr) ro2 B2
rm ( tng ɣ) / µo
NPPR , Número de Pares de Polos del Rotor
ω, Velocidad Angular del Eje del Generador
ro , Radio Medio de los Polos; Dr , Dimensión Radial de los Polos
µo , Permeabilidad Magnética del Vacio; ɣ, ángulo de retraso del campo magnético del Estator con respecto al Rotor.
NPPR = 16, Brm = 1,800 Gauss, ω = 2.π.f /NPPR = 23.55 seg-1, tng ɣ = 0.02, ro =(r2+r1)/2 = 0.3116 m, Dr = r2-r1 = 0.2016 m; µo = 4.π.10-7
Henry/m; 1 Gauss = 10-4 Tesla, entonces, sustituyendo estos valores numéricos en la fórmula recién establecida, obtenemos:
P = 10,005 Vatios
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Tabla 1. Potencia Eólica y Eléctrica a velocidades del
viento de 5.0 a 9.0 metros por segundo.
Velocidad del
Viento, m/s
Potencia Eólica,
Vatios
Potencia
Electrica, Vatios
5.0 6,400 5,836
5.5 8,518 7,795
6.0 11,059 10,005
6.5 14,061 12,464
7.0 17,562 15,757
7.5 21,600 18,759
8.0 26,214 23,344
8.5 31,433 28, 346
9.0 37,324 33,766
Generalidades de los Generadores Trifásicos.
Conexión Estrella de una bobina por fase y Conexión
Triangulo de dos bobinas por fase.
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Generalidades de los Generadores Trifásicos.
Conexión en Estrella de cuatro (4) Bobinas en serie por Fase.
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Rotor Frontal y Posterior del Generador Eléctrico con Imanes
Permanentes y las rodaduras respectivas.
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Rotor Frontal y Estator ensamblados. Placa de soporte
de las Palas del Generador Eólico
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Estator con PCB frontal, PCB Posterior, Standoffs Externos
e Internos, Tornillos Internos, Bloques Laminados y
Bobinas.
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(a) Circuito magnético con Imán Permanente y entrehierro.
(b) Flujo magnético vs. fuerza magneto-motriz (f.m.m).
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Circuito magnético equivalente con dos Imánes
Permanentes y dos entrehierros
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La Inducción Magnética B, de
cada Imán Permanente es
equivalente a una corriente de
100 Amperios circulando en
un bobinado de 300 vueltas.
(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 rectangular de
lados 0.0254m x 0.1016m y 0.0127m de longitud.
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Cálculo del Circuito Magnético del Generador
De la Tabla obtenemos una Inducción Magnética en el
entrehierro (BE) de 0.69 Tesla ó 6,900 Gauss.
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Tabla 2. Potencia Eléctrica a diferentes
Inducciones Magnéticas en el entrehierro.
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Inducción
Magnética en el
Entrehierro,
Tesla
Inducción
Magnética en el
Entrehierro ,
Gauss
Potencia
Eléctrica
Generada,
Vatios
0.1 1,000 3,088
0.18 1,800 10,005
0.3 3,000 27,792
0.4 4,000 49,407
0.5 5,000 77,199
0.6 6,000 111,167
0.69 6,900 147,018
Vista del Eje Hueco con los alambres eléctricos que
conducen la Potencia Eléctrica de salida del Generador.
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Vista del Estator con los segmentos radiales taladrados
para conducir los alambres al exterior de la maquina via
el Eje Hueco.
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Instalación con Energías Renovables. Viento,
Solar, Micro-Hidroeléctrica y Bio-combustión Consultora OCI
La Figura adjunta, presenta
el concepto de Instalación
con Energías Renovables.
Viento, solar, Micro-
Hidroeléctrica y vio-
combustión. La Micro-
Hidroeléctrica y Bio-
combustión están
agrupadas en un solo
bloque ya que del
generador a la distribución
el esquema eléctrico es el
mismo.
PASOS FUTUROS A SEGUÍR
• Recomiendo comenzar el projecto de adaptación a la realidad nacional del diseño de un generador eólico de 10,000 Vatios para vientos de 6.0 metros por segundo. Tambien cabe mencionar que necesitamos un laboratorio con los instrumentos adecuados para poder hacer mediciones creíbles, como por ejemplo con instrumentos y equipos de prueba con credenciales de certificación de (NIST, 2016).
• Tambien recomiendo a la UNI inculcár más en sus cursos de Taller y Maquinas Herramientas el proceso de fabricación de componentes mecánicas y bobinas electricas usando herramientas sencillas y estas máquinas y demandar a sus alumnos el uso práctico de las manos, desarrollar en ellas la sensibilidad adecuada y la capacidad de controlar pequeños movimientos para generar diversos tipos de componentes. En 1,959 en el curso de Taller Mecánico teníamos pequeños projectos de fabricación. En estos projectos los alumnos deben trabajar con tolerancias y usar la tecnología práctica moderna de fabricación de las componentes mecánicas y bobinas eléctricas.
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