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.

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VISTA DEL ROTOR FRONTAL, POSTERIOR Y

ESTATOR

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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.

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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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Espacio Magnético de Fase Consultora OCI

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.

Corriente de Contorno

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Cálculo de los parámetros del Imán Permanente

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(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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Vista del Eje-Hueco acoplado al Rotor del Generador Eléctrico.

Vista de las Fuerzas y Momentos de soporte del Generador

Eólico.

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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.

Consultora OCI

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Expositor:

Javier Humberto Oliveros Donohue - jmoliveros@verizon.net