CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN GENERADOR DE …
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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
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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
1
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
2
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.
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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
4
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] ............................................. 13
Tabla 2: Prueba de Humedad Empack ......................................................................................... 17
Tabla 3: Resistencia del embobinado .......................................................................................... 19
5
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
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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.
7
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
𝐶𝑆
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.
8
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.
9
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.
10
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]
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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].
12
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]
13
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]
14
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.
15
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
16
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)
17
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)
18
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.
19
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
20
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
21
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
22
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
Vo
ltaj
e (V
)
Velocidad Angular (RPM)
SinCarga10 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
Co
rrie
nte
(A
)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω
20 Ω
30 Ω
56 Ω
68 Ω
100 Ω
23
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
Torq
ue
(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
Po
ten
cia
Mec
anic
a (W
)
Velocidad Angular (RPM)
10Ω
20 Ω
30 Ω
56 Ω
68 Ω
100 Ω
24
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
Po
ten
cia
Eléc
tric
a (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
Efic
ien
cia
Velocidad Angular (rpm)
10 Ω
20 Ω
30 Ω
56 Ω
68 Ω
100 Ω
25
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
Vo
ltaj
e (V
)
Velocidad Angular (RPM)
68 Ω
68 Ω (Tunarrosa)
10 Ω
12 Ω (Tunarrosa)
26
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
Co
rrie
nte
(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
Po
ten
cia
Mec
anic
a (W
)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω
12 Ω (Tunarrosa)
68 Ω
68 Ω (Tunarrosa)
27
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
Po
ten
cia
Eléc
tric
a (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
Efic
ien
cia
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω
12 Ω (Tunarrosa)
68 Ω
68 Ω (Tunarrosa)
28
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
Vo
ltaj
e D
C (
V)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω
20 Ω
30 Ω
50 Ω
100 Ω
Sin Carga
68 Ω
29
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
Co
rrie
nte
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
Torq
ue
DC
(N
m)
Velocidad Angular (RPM)
10 Ω
20 Ω
30 Ω
50 Ω
100 Ω
Sin Carga
68 Ω
30
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
Po
ten
cia
Mec
anic
a D
C (
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
Po
ten
cia
Eléc
tric
a (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
Efic
ien
cia
DC
Velocidad Angular
10 Ω
30 Ω
20 Ω
50 Ω
100 Ω
68 Ω
31
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
Vo
ltaj
e (V
)
Velocidad Angular (RPM)
20 Ω
20 Ω (Tafur)
100 Ω
100 Ω (Tafur)
32
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
Co
rrie
nte
(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
Po
ten
cia
Eléc
tric
a (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
Efic
ien
cia
Velocidad Angular
20 Ω
20 Ω (Tafur)
100 Ω
100 Ω (Tafur)
33
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
34
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.
35
ANEXO A – LISTA DE PROVEEDORES
36
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 + 0.1634R² = 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
Torq
ue
(Nm
)
Voltaje (V)
37
ANEXO C – PLANOTECA
PARTS LISTDESCRIPTIONPART NUMBERQTYITEM
Eje11 Rodamiento22 Soporte Delantero
Rodamiento13
Soporte Trasero Rodamiento
14
Tapa Delantera15 Acople a Eje 16
Carcasa17 Tapa Trasera18
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Proyecto de Grado Ensamble FinalMaterial:N/A
CANT:
1 A4 Escala:
1:4Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,05 mm y 1°
TIEMPO COSTOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
-
Santiago Castaño 201223988s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de gradoAlvaro Pinilla
Fresado Ra 0.8
1
4
2
8
7
5
2
3
6
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Proyecto de Grado Acople de eje a torquimetro Material:1020
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,05 mm y 1°
TIEMPO COSTOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
-
Santiago Castaño 201223988s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de Grado Alvaro Pinilla
Fresado Ra 0.8
10,0
11,0
10,0
35,00
Ø
25,4
Ø
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Proyecto de Grado Dodecagono Material:Madera
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,05 mm y 1°
TIEMPO COSTOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
-
Santiago Castaño 201223988s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de gradoAlvaro Pinilla
Fresado Ra 0.8
79,8
50,0
21,4
150,0° X 12
50,0
A-A ( 1 : 1 )A
A
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Proyecto de Grado Soporte Rodamiento TraseroMaterial:EMPAK
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,05 mm y 1°
TIEMPO COSTOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
-
Santiago Castaño 201223988s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de Grado Alvaro Pinilla
Fresado Ra 0.8
66,003,1522,30
60,4
p6( +0
,032
0,051
+)
55,0
- 0,000,3
0+
52,0
h6( - 0
,019
0,000
+)
26,7
18,1520,3022,30
K-K ( 1 : 3 ) L-L ( 1 : 3 )
K
K
L
L
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Proyecto de Grado CarcasaMaterial:PVC
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,05 mm y 1°
TIEMPO COSTOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
-
Santiago Castaño 201223988s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de gradoAlvaro Pinilla
Fresado Ra 0.8
93,5
114,0
60,0°
60,0° 60,0°
6 X M6x1 - 6H
4 X M6x1 - 6H
A-A ( 1 : 1 )
A
A
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Proyecto de Grado Soporte Rodamiento DelanteroMaterial:EMPAK
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,05 mm y 1°
TIEMPO COSTOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
-
Santiago Castaño 201223988s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de Grado Alvaro Pinilla
Fresado Ra 0.8
37,5
60,4 p6 (+ 0,0320,051+ )
25,4
h8( - 0
,030,00
+)
Ø 52,00
h7( - 0
,030
0,000
+)
55,0
- 0,000,3
0+
2,95,00
20,00
37,45
16,8 3,15
66,5
Ø
H-H ( 1 : 2 )
J-J ( 1 : 2 )
K ( 1 : 1 )
H
H
J J
K
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Proyecto de Grado Tapa DelanteraMaterial:PVC
CANT:
1 A4 Escala:
EscCódigo plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPO COSTOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
Largo x Ancho x Alto
Santiago Castaño 201223988s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de Grado Alvaro Pinilla
15,0
60,0°
60,0°
60,0°
3,5
66,4
8,0 5,0 R0,75
0,75
1,5
M6x1 - 6H
H-H ( 1 : 2 )
J ( 1 : 1 )
K-K ( 1 : 2 )
H H
J
K
K
1
1
2
2
A A
B B
Celular: Código: 201223988
Alvaro Pinilla Proyecto de Grado
Santiago Castaño s.castano10
Escala:
1:2
Fecha Reserva Servicio:
EQUIPO TIEMPO COSTONombre de la pieza:
Observaciones:
A4Tapon Trasero
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]
CANT:
1
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Dimensiones Materia Prima:
Tolerancia General: ± 0,05 mm y 1°
Proyecto de Grado
PVCMaterial:
Nombre del proyecto:
Fecha Solicitud Servicio:Nombre del Estudiante:E-mail:Nombre del Curso:Nombre Profesor:Código plano:
15,0
8,0 5,0
0,75
69,0
Ø
3,5
1,5
45,0°
4 x 10-24 UNC - 2B
45,0°
R0,75
K-K ( 1 : 2 )
K
K
1
1
2
2
A A
B B
Rev.
Plan
oRe
v. Té
cnico
de La
bora
torio
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Proyecto de Grado ejeMaterial:ALumunio
CANT:
1 A4 Escala:
1:1Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,05 mm y 1°
TIEMPO COSTOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:
-
Santiago Castaño 201223988s.castano10 Celular Estudiante
Proyecto de gradoAlvaro Pinilla
Fresado Ra 0.8
107,3112,1
125,059,520,069,3
R1,5
47,2
1,32 x 1-11.5 NPT
19,0
2 x Ø 25
,4Ø
65,019,5
R1,3
8,0
324,6
5,0
2,0 x 45°20
,0Ø 28
,5Ø17
,5
3,0
6,8
28,5
