DISEÑO DE GENERADORES ELÉCTRICOS CON IMÁNES

PERMANENTES

18.04.15Expositor: Ing. JAVIER OLIVEROS DONOHUE

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

ASOCIACIÓN PERUANA DE ENERGÍA SOLAR Y DEL AMBIENTE (APES)

XXI SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR Y DEL AMBIENTE

10 – 14 DE NOVIEMBRE DEL 2014, PIURA, PERU

Consultora OCI

18.04.15

Comportamiento del

Generador Eléctrico de Imanes

Permanentes

Consultora OCI

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

45,000

0 5 10 15

P, Watts Wind

P, Eje

Power Calculated

Power Data

50*RPM

10000*η Wind

10000*η' Eje

10000*η'' Elec

12 PP – 300 RPM Curva Potencia vs. VvientoRotor 10.6 m Dia.

V viento, m/s

72 PP – 50 RPM Curva Potencia vs. VvientoRotor 9.6 m Dia.

Constante de Máquina para Generadores Eólicos

de 12 (300RPM) PP and 72 PP (50RPM)

0

5,000

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0 50 100150200250300350400450500550600

12PP (ro=0.342; L=0.35)& 72PP( ro=0.68; L=0.23) Power Calculated

12PP (5kW, 300 RPM) &72PP(5kW, 50 RPM)Power Data Measured

POTENCIA, Vatios

RPM

18.04.15

Consultora OCI

Geometría (envoltura)

Parámetros Externos

Potencia de Entrada del Viento = Cp * 1/2 * ρ* A * V3

ó

Potencia de Entrada del Viento = 0.2 * D2 * V3

Cp * 1/8 * ρ* π ≈ 0.2

Cp = Coeficiente de Potencia

ρ = Densidad del Aire

A = π D2/4 = Area del Rotor Eólico

D = Diámetro del Rotor Eólico

V = Velocidad del aire

Consultora OCI

Parametros Internos

Número de pares de polos

Longitud del entrehierro

Espesor de los Imánes Permanentes

Area Transversal del Circuito Magnético

Constante de la Máquina

Consultora OCI

Modelo

1. P = ( π/µo) B2

zm ω.ro2.L. tng ɣ; KM .n. tng ɣ

Potencia electromagnética que fluye del rotor (Imanes

Permanentes) al estator (bobinas) de la Máquina de Imanes

Permanentes (MIP)

ω = Velocidad Angular del Campo Magnético Giratorio (CMG),

rad/seg. (n = ω.60/2 π, RPM)

µo = Permeabilidad Magnética = 4.π.10-7 Henry/m

ro = radio del entrehierro de la MIP, m.

L = Longitud de la MIP, m.

Bzm = Inducción magnética en el entrehierro, Tesla.

KM = Constante de la Maquina, Vatios/RPM

Consultora OCI

Modelo (continúa)

2. El Voltaje Inducido en las bobinas (VFASE) es:VFASE = - N * dϕ/dt

N = Número de espiras de las bobinas.Φ = Flujo Magnético.

3. Cálculo del Circuito Magnético del Generador

U M a,b = HM.LM = HFe.(L‘Fe + L“Fe) + He.Le (Ampere)

HM = Vector de Intensidad del Campo Magnético en el Imán Permanente

HFe = Vector de Intensidad del Campo Magnético en el Fierro

He = Vector de Intensidad del Campo Magnético en el Entrehierro

LM = Longitud ó Espesor del Imán Permanente

LFe = Longitud del Fierro

LE = Longitud del Entrehierro

Consultora OCI

Modelo del Diseño

Consultora OCI

Configuración física de los Imanes Permanentes y las Bobinas 1PP.

Consultora OCI

Configuración física de los Imanes Permanentes en el ROTOR de la Maquina de 12 PP.

(En Vista A se míra del exterior hacia el eje para ver los Imanes Permanentes)

Consultora OCI

Configuración física de las Bobinas en el ESTATOR de la Maquina de 12 PP.

(En Vista A se míra del eje hacia el exterior para ver las bobinas)

Consultora OCI

Especificaciones

Incluye Parametros y dimensiones del generador eléctrico.

1. Datos de la máquina at 300 rpm.

Potencia, 5kW; Voltaje, 24V; Corriente, 4 Amps.; frequencia, 60 Hz.

Rango de Velocidades 100-600rpm.

Rotor: Diámetro, 0.6m; Longitud total a lo largo del eje, 0.4m; Número de polos, 12; Posición de las piezas polares (ver dibujo); Tamaño del entrehierro, 0.001m

Estator: Diámetro externo, 0.7m; Posición de las bobinas.

Bobinas: Número de espiras, 100; Tamaño de las bobinas (ver dibujo): largo, 0.45m; ancho, 0.11m; altura, 0.05m; número AWG de los conductores, 16.

2. Generación de las Constantes Fundamentales Eléctricas y Magnéticas de la máquina.

Bobinas: Resistencia, 0.5 Ohms; Reactancia Sincrónica, 0.5 Ohms.

Circuito Magnético: Inducción Magnética (BE, 0.6T) y Campo Magnético (HE, ).

3. Característica magnética en vacio y cortocircuito; Magnetización de los imanes permanentes, 1.3T; Inducción é intensidad de campo en el entrehierro, Inducción é intensidad en el material magnético del circuito magnético.

Consultora OCI

Especificaciones (continúa)

4. Rotor

Especificación de los cojinetes. MTBF and axial load.

Torque máximo para la sujeción de las piezas polares

5. Polos de Neodimio (NeFeB) atornillados.

6. Máxima temperatura del alambre y del material aislante que soporta las bobinas.

7. Máxima deflección del eje de la máquina.

8. KM = Constante de la Máquina; KM -12PP = 0.04046 ( r o = 0.342 m, L = 0.35 m); KM - 72PP = 0.10635 ( r o = 0.68 m, L = 0.23 m)

Consultora OCI

18.04.15

Modelo del Diseño

Consultora OCI

1. P = (π/µo) B2

zm ω. ro2. L tng ɣ

ω = 2.π.f; µo = 4.π.10-7 Henry/m;

ro = 2.5" = 0.0635 m

Bzm = 0.6 Tesla

2. El Voltaje Inducido en las bobinas (VFASE) es:

VFASE = - N * dϕ/dt

N = Número de espiras de las bobinas.

Φ = Flujo Magnético.

Modelo del Diseño (continúa)

3. Cálculo del Circuito Magnético del Generador

U M a,b = HM.LM = HFe.(L‘Fe + L“Fe) + He.Le (Ampere)

HM = Vector de Intensidad del Campo Magnético en el Imán Permanente = 0.12T

HFe = Vector de Intensidad del Campo Magnético en el Fierro = 1,200 Amp/m (max.)

He = Vector de Intensidad del Campo Magnético en el Entrehierro = 517,252 Amp/m (max.)

LM = Longitud ó Espesor del Imán Permanente = 0.007m.

LFe = Longitud del Fierro = 0.3m.

LE = Longitud del Entrehierro = 0.020m.

Consultora OCI

(a) Circuito magnético con Imán Permanente y entrehierro.

(b) Flujo magnético vs. fuerza magneto-motriz (f.m.m).

Consultora OCI

Dimensiones del equipo ensamblado.

Consultora OCI

Vista de las componentes del Generador Eólico: Rotor,

Generador Eléctrico, Cola Seguidora del Viento y Conexión

Mecánica al Poste Vertical de Soporte.

Data de Generadores Eólicos de 400 W y 5,000 W

0.4kW Gen. 5kW Gen.

Rotor Diameter, m: 1.15 9.6

Weight, kg: 5.85 65

Shipping, kg: 7.7 70

Shipping, mm: 686x38x228Mount, diámetro del

tubo, mm:48 96

Start-up wind , m/s 3.13 3

Voltage, VDC: 24 24Rated Power, W:

400 Watts at 12.5m/s

5000 Watts at 6.5 m/s

Blades (three): Carbon Fiber Composite

Carbon Fiber Composite

Kilowatt hours per

month (12 hrs/day): 38 kWh/mo at

5.4m/s

1,800

Warranty, yrs.: 3 20

Survival Wind speed,

m/s:

49.2 50

Body: Cast aluminum (powder coated

for corrosion protection)

Cast aluminum (powder coated

for corrosion protection)

Instalación del Generador Eólico en Torre

de 20 metros de Altura