PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE

IEE 3252: Generación de Energía Eléctrica

INVESTIGACIÓN:

Generadores eléctricos para Aerogeneradores eólicos

(Imanes Permanentes).

RESUMEN:

Vemos que en el mundo actual se necesitan fuertes cambios en las formas de generación de electricidad para así poder librar al planeta de la emisión de gases del efecto invernadero y por tanto del calentamiento global, para lograr esto es necesario que se desarrollen otras fuentes de energía como lo son la solar, eólica, hidraulica de pasada y otras menos desarrolladas aún.

En este informe se pretende hacer un estudio de los generadores eléctricos mas aptos para ser usados en aerogeneradores eólicos todo esto con el fin de aumentar la eficiencia de éstos para hacerlos mas rentables y competitivos con el mercado de las otras fuentes de energía como lo son las fósiles que lamentablemente siguen siendo mas económicas, veremos que a través el desarrollo de estos generadores se ha logrado en esta ultima década disminuir muchísimo la brecha existente entre el costo por kilowatt de esta tecnología con el costo de las fuentes mas baratas, esto hace que se puedan hacer políticas medioambientales no tan estrictas para reducir las emisiones de gases contaminantes.

Primero veremos lo que es un generador y lo clasificaremos en sus distintos tipos par así ver que tan amplia es la gama de estos y poder ordenarlos de acuerdo a sus diferentes características,durante este proceso nos centraremos en aquellos generadores que son aptos para la producción de energía con turbinas eólicas detallando si se han utilizado antes y cuales has sido los dominantes de la industria

Siguiendo el informe encontraremos un analisis de el actual generador mas utilizado por la industria que es el generador de imanes permanentes, veremos lo simple que es, el porque no se había utilizado anteriormente para la generación y haremos también un analisis de los imanes pues son ellos en donde pueden residir los mayores avances de tecnología de estos generadores, se podran ver las propiedades de éstos y sus inconvenientes.

Llegando al final del informe encontraremos una breve explicación de la importancia de el control de potencia en la generación eólica actual tanto para los generadores de imanes permanente como para otros sistemas de generación asíncronos, esto nos va a abrir la perspectiva que tenemos sobre la electrónica de potencia para tratar de aprovechar de aplicarla también en otros procesos industriales.

ÍNDICE:

Resumen……………………………………………………………………….………2

Índice……………………………………………………………………………….….3

Introducción…………………………………………………………………………4

Objetivos………….…………………………………………………………………4

Desarrollo…………..…………………………………………………………….……5

1) El generador eléctrico..…………………………..…………………………..…5

2) Tipos de Generadores ………..………………………7

2a) El generador asíncrono.…….…7

2b) El generadorsíncrono………………………………………9

3) Generador de imanes permanentes .…………….…………… .……12

4) Control de potencia.………………………… .……………….………… .………13

5) Otras alternativas de generadores eólicos .………………………… .….16

Conclusiones…………….…………………………………………………………18

Bibliografía…………………………………………………………………………..19

Anexos. .………………………… .………………………… .……………………20

Introducción:

Es este trabajo haremos una revisión de las tecnologías existentes para generar energía eléctrica mediante la energía mecanica provista por un aerogenerador eólico, veremos los diferentes tipos de generadores que se comercializan en el mercado y los que fueron mas usados en su minuto para la generación de electricidad y también veremos como se fue controlando la velocidad variable del eje que tienen estos aerogeneradores con distintas tecnologías para así, ver cuales son las que dominan el mercado actualmente.

Luego de ver los primeros tipos de generadores que son los de inducción asíncronos de jaula de ardilla y jaula de ardilla bobinada, nos centraremos en los generadores de imanes permanentes, veremos la importancia de sus partes principalmente analizaremos las características de los imanes y sus principales propiedades como la remanencia, temperatura de Curie y otras características, para terminar viendo las ventajas y desventajas que estos tienen respecto de sus competidores.

Al final podremos ver algo sobre el control de potencia que se debe de hacer después de la generación para así poder inyectar corriente a un circuito en dondesea utilizada como algún sistema interconectado o un circuito privado, veremos que es esta la tecnología que esta siendo mas utilizada por las empresas productoras de los aerogeneradores y finalmente veremos otras posibles formas de generar que se pueden usar alternativamente o que se deben tener en cuenta para el futuro.

Objetivos:

Quedar actualizado con las antiguas y nuevas tecnología que esta usando la industria eólica en cuanto a la generación de energía eléctrica, así como entender para donde va el futuro de esta tecnología.

Poder mirar las características de la generación eólica en forma general para así saber cuando aplicar estos generadores eléctricos en otras industrias que tengan características similares.

Desarrollo:

1.- El generador eléctrico:

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son maquinas destinadas a transformar la energía mecanica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecanicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.). Estan basados en la ley de Faraday.

Generador eléctrico de una fase que genera una corriente eléctrica alterna (cambia periódicamente de sentido), haciendo girar un iman permanente cerca de una bobina.

Un generador es una maquina eléctricaque realiza el proceso inverso que un motor eléctrico, que transforma la energía eléctrica en energía mecanica. Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases.[1]



Figura 1: En la siguiente figura se muestra un generador de una sola fase en donde el iman rota y produce una corriente alterna (dilección) en la bobina.

2.- Tipos de Generadores

2a) Generador Asíncrono:

Hace algunos años la mayoría de turbinas eólicas del mundo utilizaban un generador asíncrono trifasico (de jaula bobinada), también llamado generador de inducción, para generar corriente alterna. Fuera de la industria eólica y de las pequeñas unidades hidroeléctricas, este tipo de generadores no esta muy extendido; aunque de todas formas, el mundo tiene una gran experiencia en tratar con ellos: Lo curioso de este tipo de generador es que fue inicialmente diseñado como motor eléctrico. De hecho, una tercera parte del consumo mundial de electricidad es utilizado para hacer funcionar motores de inducción que muevan maquinaría en fabricas, bombas, ventiladores, compresores, elevadores, y otras aplicaciones donde se necesita convertir energía eléctrica en energía mecanica. Otra de las razones para la elección de este tipo de generador es que es muy fiable, y comparativamente no suele resultar caro. Este generador también tiene propiedades mecanicas que lo haceespecialmente útil en turbinas eólicas (el deslizamiento del generador, y una cierta capacidad de sobrecarga).
 

Figura 2: Detalles de un generador asíncrono.

El rotor de jaula

Un componente clave del generador asíncrono es el rotor de jaula. (Solía llamarse rotor de jaula de ardilla, pero después resultó ser políticamente incorrecto ejercitar a sus roedores domésticos en una rueda de andar, y ahora sólo disponemos de este nombre menos encantador).
Este es el rotor que hace que el generador asíncrono sea diferente del generador síncrono. El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente por anillos de aluminio finales.
En la figura del generador asíncrono puede verse el rotor provisto de un núcleo de 'hierro', utilizando un apilamiento de finas laminas de acero aisladas, con agujeros para las barras conductoras de aluminio. El rotor se sitúa en el centro del estator, que en este caso se trata de nuevo de un estator tetrapolar, conectado directamente a las tres fases de la red eléctrica.

Figura 3: Dirección y magnitud de las corrientes inducidas en un generador con jaula de ardilla.

La gracias que tiene este generador para su uso en turbinas eólicas, ademas de su bajo costo y poca mantención es que permite un rango de variación de revoluciones del eje de entrada esto hace que se puedan aprovechar mas las potencias que traspasa el viento a las aspas y no se tenga que variar tanto el angulo de ellas para mantener una velocidad de rotación fija, a pesar de que esta libertad es parcial y menor que la que daun motor síncrono con control de potencia.

Jaula de ardilla con motor de bobinado o doble devanado:

Es muy similar al motor de jaula de ardilla pero en paralelo tiene una resistencia, esto lo ayuda a llegar a maxima eficiencia para estar siempre entre 1 y 2 grados mas adelantado que el campo magnético del estator, claramente la energía sobrante se disipa en forma de calor, pero este aumento de eficiencia es mayor que la energía disipada lo que hace a este generador mas eficiente.

Funcionamiento como motor:

Cuando se conecte a la corriente, la maquina empezara a funcionar como motor, girando a una velocidad ligeramente inferior a la velocidad síncrona del campo magnético del estator.

Si miramos las barras del rotor desde arriba (Figura 4) tenemos un campo magnético moviéndose respecto al rotor. Esto induce una corriente muy elevada en las barras del rotor, que apenas ofrecen resistencia, pues estan cortocircuitadas por los anillos finales.

El rotor desarrolla entonces sus propios polos magnéticos, que se ven, por turnos, arrastrados por el campo magnético giratorio del estator.

Funcionamiento como generador

Ahora bien, ¿qué es lo que ocurre si hacemos girar el rotor de forma manual a, exactamente, la velocidad síncrona del generador, p.ej. 1500 r.p.m. (revoluciones por minuto) para el generador síncrono tetrapolar, tal y como se vio para el generador síncrono?, la respuesta es: nada. Dado que el campo magnético gira exactamente a la misma velocidad que el rotor, no se produce ningún fenómeno de inducción en el rotor, por lo que nointeraccionara con el estator.

Ahora aumentamos la velocidad por encima de las 1500 r.p.m., en ese caso el rotor se mueve mas rapidamente que el campo magnético giratorio del estator, lo que significa que, una vez mas, el estator inducira una gran corriente en el rotor. Cuanto mas rapidamente hagamos girar el rotor, mayor sera la potencia transferida al estator en forma de fuerza electromagnética, y posteriormente convertida en electricidad suministrada a la red eléctrica.

Deslizamiento del generador:

La velocidad de un generador asíncrono variara con la fuerza de giro (momento, o par torsor) que se le aplique. En la practica, la diferencia entre la velocidad de rotación a potencia maxima y en vacío es muy pequeña, alrededor de un 1 por ciento. Esta diferencia en porcentaje de la velocidad síncrona es el llamado deslizamiento del generador. Así pues, un generador tetrapolar girara en vacío a 1500 r.p.m. si se conecta a una red con una corriente de 50 Hz. Si el generador esta funcionando a la maxima potencia, girara a 1515 r.p.m. El hecho de que el generador aumente o disminuya ligeramente su velocidad si el par torsor varía es una propiedad mecanica muy útil. Esto significa que habra menor rotura y desgaste en la caja multiplicadora (menor par torsor maximo). Esta es una de las razones mas importantes para la utilización de generadores asíncronos, en lugar de generadores síncronos, en aerogeneradores directamente conectados a la red eléctrica.

Ajuste automatico de los polos del rotor

Lo bueno del rotor de jaula es que él mismo adapta el número depolos del estator de forma automatica. Así pues, un mismo rotor puede ser utilizado con una gran variedad de números de polos.

Requerimientos de conexión a la red

En la parte superior sobre el generador síncrono de iman permanente mostramos que podía funcionar como generador sin conexión a la red pública. En un generador asíncrono es diferente, pues precisa que el estator esté magnetizado por la red antes de funcionar.

Sin embargo, se puede hacer funcionar un generador asíncrono de forma autónoma si se le provee de condensadores que le suministren la corriente magnetizante necesaria. También es preciso que haya algo de remanencia en el hierro del rotor, es decir, algo de magnetismo restante, cuando se ponga en marcha la turbina (en caso contrario, necesitara una batería y electrónica de potencia, o un pequeño generador diesel, para arrancar el sistema). [2]

2b) Generador Síncrono:

El generador síncrono esta compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator.

El rotor gira recibiendo un empuje externo desde una turbina. Este rotor tiene acoplada una fuente de 'corriente continua' de excitación independiente variable que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al rotor, crea un campo magnético giratorio (por el teorema de Ferraris) que genera un sistema trifasico de fuerzas electromotrices en los devanados estatóricos.

El Rotor:

También conocido como inductor, pues es la parte que induce el voltaje en el estator. El núcleo del rotor es construido de lamina troquelada de acero al silicio, materialde excelentes características magnéticas, con la finalidad de evitar pérdidas por histéresis y corrientes parasitas.

El yugo es una pieza continua con zapata polar, para así eliminar la dispersión del flujo por falsos contactos magnéticos. En la zapata polar se hacen barrenos para alojar el devanado amortiguador en jaula de ardilla, diseñado con el objeto de reducir armónicas en la forma de onda que entrega el generador.

El rotor gira concéntricamente en la flecha del generador a una velocidad síncrona de 1800 revoluciones por minuto (RPM).

Tipos constructivos:

La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación situada en el rotor.

• Excitación Independiente: excitatriz independiente de continua que alimenta el rotor a través de un juego de anillos rozantes y escobillas.
• Excitatriz principal y excitatriz piloto: la maquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra maquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje.
• Electrónica de potencia: directamente, desde la salida trifasica del generador, se rectifica la señal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se efectúa utilizando una fuente auxiliar (batería) hasta conseguir arrancar.
• Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro delmismo) alimentado en alterna por un generador situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la señal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de alterna).

Nosotros nos concentraremos mas en estos últimos, pues son ellos los generadores de imanes permanentes que estan siendo cada vez mas usados en el mercado de generación de energía eólica.

La razón por la que se llama motor síncrono es que el iman del centro girara a una velocidad constante síncrona (girando exactamente como el ciclo) con la rotación del campo magnético.[3]

Todos los generadores trifasicos utilizan un campo magnético giratorio. En el dibujo de abajo se han instalado tres electroimanes alrededor de un círculo. Cada uno de los tres imanes esta conectado a su propia fase en la red eléctrica trifasica. Como puede ver, cada electroiman produce alternativamente un polo norte y un polo sur hacia el centro. Las letras estan en negro cuando el magnetismo es fuerte, y en gris claro cuando es débil. La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión de cada fase. Cuando una de las fases alcanza su maximo, la corriente en las otras dos esta circulando en sentido opuesto y a la mitad de tensión. Dado que la duración de la corriente en cada iman es un tercio de la de un ciclo aislado, el campo magnético dara una vuelta completa por ciclo.

Figura 4: Muestra la secuencia de como se va induciendo corriente en un generador de uniman permanente.

Operación de un motor síncrono:

La aguja de la brújula (con el polo norte pintado de rojo) seguira exactamente el campo magnético, y completara una revolución por ciclo. En una red de 50 Hz, la aguja completara 50 revoluciones por segundo, lo que equivale a 50 veces 60 = 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto).

En el dibujo de arriba, hemos construido de hecho lo que se llama motor síncrono bipolar de iman permanente. La razón por la que se llama motor síncrono es que el iman del centro girara a una velocidad constante síncrona (girando exactamente como el ciclo) con la rotación del campo magnético.

La razón por la que se le llama bipolar es que tiene un polo norte y un polo sur. Puede parecerle tripolar, pero de hecho la aguja de la brújula siente la tracción de la suma de los campos magnéticos que estan alrededor de su propio campo magnético. Por tanto, si el iman de la parte superior es un polo sur fuerte, los dos imanes de la parte inferior equivaldran a un polo norte fuerte.

Se llama motor de iman permanente debido a que la aguja de la brújula del centro es un iman permanente, y no un electroiman (se podría fabricar un motor real sustituyendo la aguja de la brújula por un potente iman permanente, o un electroiman que mantenga su magnetismo gracias a una bobina, arrollada alrededor de un núcleo de hierro, alimentada con corriente continua).

Al montaje con los tres electroimanes se le denomina estator del motor, porque es la parte del motor que permanece estatica (en el mismo lugar). La aguja de la brújula del centro es elllamado rotor, obviamente porque es la parte que gira.

Operación de un generador síncrono:

Si empieza a forzar el iman para que gire (en lugar de dejar que la corriente de red lo mueva) descubrira que trabaja como generador, devolviendo corriente alterna a la red (debería tener un iman mas potente para producir mucha electricidad). Cuanta mas fuerza (par torsor) le aplique, mayor electricidad producira, aunque el generador seguira girando a la misma velocidad, impuesta por la frecuencia de la red eléctrica.

Puede desconectar completamente el generador de la red y construir su propia red eléctrica trifasica, enganchando bombillas a tres bobinas arrolladas a electroimanes. Sin embargo, si desconecta su generador de la red principal tendra que accionarlo a una velocidad de giro constante para que produzca corriente alterna a una frecuencia constante. Por lo tanto, con este tipo de generador, normalmente querra usar una conexión indirecta a red del generador.

En la practica, los generadores síncronos de iman permanente no son muy usados. Hay varias razones para que así sea. Una ellas es que los imanes permanentes tienden a desmagnetizarse al trabajar en los potentes campos magnéticos en el interior de un generador. Otra de las razones es que estos potentes imanes (fabricados a partir de tierras raras, como el neodimio) son bastante caros, a pesar de que los precios han disminuido últimamente.

Turbinas eólicas con generadores síncronos

Las turbinas eólicas que utilizan generadores síncronos solían usar electroimanes en el rotor alimentados por corrientecontinua de la red eléctrica. Dado que la red suministra corriente alterna, hay que convertir la corriente alterna en corriente continua antes de enviarla a las bobinas arrolladas a los electroimanes del rotor, sabemos que esta opción no es muy usada en el campo eólico en donde se prefieren los imanes permanentes.

Los electroimanes del rotor estan conectados a la corriente mediante escobillas y anillos rozantes en el arbol (eje) del generador. [4]

3.- Generador síncrono de imanes permanentes:

Como ya vimos anteriormente, este generador es un tipo de los generadores síncronos y tiene rotor provisto de imanes permanentes. En lugares apartados de las redes eléctricas nacionales es necesario un suministro estable de energía eléctrica para determinadas aplicaciones; una fuente muy usada en el mundo es la producción de esta a partir de generadores de imanes permanentes. Si bien es cierto que la adaptación de alternadores de autos para generar brindan resultados satisfactorios para ciertas condiciones de carga y requerimientos de potencia, no es así en aquellos casos donde la fuerza motriz es variable, por lo que se necesita otro tipo de equipamiento, como un generador de imanes permanentes. Este tipo de maquina no requiere de sistemas de transmisión ni alimentación a un circuito de campo.

El generador de imanes permanentes también encuentra su aplicación en picocentrales hidraulicas y ruedas hidraulicas. [5]

La configuración basica consiste en un rotor de imanes permanentes de neodimio ferrítico, para establecer el flujo magnético de forma axial. Seopta por esta disposición debido a la simplicidad del diseño.

Este tipo de generador se viene difundiendo desde hace unos años a partir del desarrollo que ha alcanzado la electrónica, por lo que vemos que este generador debe de ir acompañado de un convertidor estatico que sea capaz de rectificar la corriente producida por el generador síncrono y dejarla igual a la que tiene la red que se quiere suministrar, este control de potencia depende de la potencia que sea capaz de entregar el generador.

Ventajas y desventajas de los generadores de imanes permanentes:

El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una misma potencia es mas ligero y sencillo.

No se requiere de corriente de excitación para crear el campo inductor, pues este es proporcionado por los imanes. Esto hace innecesaria la lectura de la velocidad de giro del rotor para controlar la conexión del generador a las baterías solo cuando se alcanzan las revoluciones por minuto de generación. Por consiguiente, se simplifican los dispositivos de control electrónico.

Dado el diseño particular del generador de imanes permanentes, no se requiere emplear una transmisión de velocidad, puesto que su acoplamiento con el rotor es directo. De este modo se consigue generar a bajas velocidades de giro. Si bien es cierto que el empleo de una transmisión de velocidad en un generador con alternador de auto permitía un aumento de dicha velocidad, también aumentaba el torquemecanico; ademas, se produce una pérdida de potencia en dependencia de la eficiencia de la transmisión.

Se logra una simplificación notable del equipo; esto se traduce en un mantenimiento menos complejo y una disminución en la probabilidad de falla de los componentes del equipo.

Teniendo en cuenta que los equipos mencionados son de gran aplicabilidad practica tanto en la industria azucarera como en la industria en general, se propone la fabricación de dichas maquinas para usos industriales.[6]

El generador es mas costoso que un generador de inducción de la misma potencia, debido a que los imanes tienen un costo alto.

El generador de imanes permanentes, este tipo de maquina no necesita sistemas de transmisión ni alimentación a un circuito de campo.[7]

Aumentar el torque inducido en el rotor producto de la interacción con el campo magnético originado por la corriente que circula por el bobinado del estator[8]

Una de las ventajas de esta clase de generador es que se puede adaptar directamente al rotor del eolo-generador lo que evita la utilización de sistemas mecanicos de transmisión que originan pérdidas indeseables para el sistema, esto depende igual de la cantidad de polos, es decir de imanes, que le pongamos al generador.

b) Características de los imanes:

El material utilizado para los imanes material es en general Neodimio Ferritico, su temperatura de trabajo puede llegar hasta 120 ºC, siendo esta condición una de sus principales desventajas frente a otros materiales magnéticos como el Samario – Cobalto, que es capaz de llegar a unatemperatura de hasta los 350 ºC, pero que también estos son mas costosos que los de Neodimio-Fierro-Boro, aunque últimamente se ha avanzado bastante en la tecnología de los imanes de Neodimio-Fierro-Boro que ahora pueden alcanzar una temperatura de Curie de hasta 200 ºC.
tienen una vida de 15 a 20 años, esto significa que durante ese periodo de tiempo pierden un 10% de su capacidad de atracción, lo que hace necesario un cambio de imanes o una nueva magnetización de los ya utilizados.

Los imanes van embutidos en resina para así distribuir el campo magnético hacia las bobinas del estator aumentando la eficiencia y disminuyendo resonancias y otras perdidas.

Magnetización o desmagnetización de un iman:

Un iman puede perder su capacidad de atracción y repulsión magnéticas si se calienta y/o golpea. Cuando no tiene ningún polo magnético, se dice que esta desmagnetizado.

Un iman desmagnetizado puede volver a magnetizarse si no esta muy caliente y si se le aplica un campo magnético intenso (dependiendo de cada material).
En general, los imanes para aplicaciones específicas son muy anisótropos (i.e., tienen propiedades distintas en distintas direcciones), ya que no se magnetizan igual ni con la misma facilidad en todas las direcciones. Existen direcciones preferenciales o 'faciles', y direcciones 'duras' o 'difíciles' para magnetizarlos.

Para que sirve un iman

Los imanes, ademas de servir para hacer juegos, adornos, para juntar alfileres, hacer trampas y fijar mensajes en las puertas de los refrigeradores, tienen innumerables e importantísimas aplicaciones,que pueden separarse como sigue:

(1) Atractores: Utilizan la atracción hierro-iman, o la atracción/repulsión iman-iman y bobina-iman (Abrir y cerrar valvulas y reed-relays. Sujetar piezas y personas. Producir levitación estatica. Mover mecanismos. Eliminar/Separar impurezas en alimentos. Guiar sondas médicas. Agitar y mezclar líquidos.)

(2) Vibradores: Generan movimiento ondulatorio (sónico o ultrasónico) utilizando alternadamente atracción y repulsión dinamica entre iman-bobina con corriente alterna (Parlantes. Emisores ultrasónicos de ecógrafos y sonares. Aparatos de limpieza por ultrasonido.)

(3) Indicadores: Utilizan el cambio de posición del material magnético o de una bobina debido a la tendencia de los momentos magnéticos (de imanes y bobinas con corriente) a orientarse en la dirección del campo externo (La aguja de las brújulas. El iman de los detectores de clavos en la pared. Las bobinas de los galvanómetros e instrumentos analógicos; en éstos, el campo lo provee un iman permanente estatico.)

(4) Rotores: Generan movimiento de rotación utilizando la tendencia de los momentos magnéticos de las bobinas con corriente, a orientarse en la dirección del campo externo (Motores.)

(5) Generadores y contadores: Generan energía o señales mediante la inducción magnética (Generadores de electricidad a partir de combustible o vapor, hidroeléctricos y eólicos. Micrófonos de audio y sensores ultrasónicos de ecógrafos y sonares. Tacómetros para bicicletas y automóviles. Sensores y contadores en líneas de producción.)

(6) Registradores: Almacenan analógica odigitalmente información, datos, sonido o imagenes, mediante la posición relativa de los dominios magnéticos en discos o cintas (Discos duros, floppy-disks, cassettes de audio, cintas VHS de video, cassettes de camaras de video, etc.)

(7) Inductores: Utilizan la inducción magnética sobre piezas ferrosas (Magnetizar y desmagnetizar herramientas).

(8) Deflectores: Utilizan fuerza magnética para desviar cargas eléctricas en movimiento (Hornos microondas. Espectrómetros.) [9]

4.- Control de potencia:

Como ya mencionamos anteriormente la frecuencia generada por el generador síncrono, cualquiera que este sea, es directamente proporcional a las r.p.m. de giro del eje de entrada como en un aerogenerador se pierde mucha potencia al forzar este valor se prefiere dejar libre este parametro y controlar la potencia mediante electrónica de potencia.

Primero es importante destacar que la corriente eléctrica como muchas otras cosas tiene una cierta calidad y características que se deben cumplir dependiendo de donde inyectemos esa corriente.

En la figura siguiente mostraremos una curva que muestra una buena calidad de corriente, que es mas cotizada por las empresas generadoras y distribuidoras en Chile.


Figura 5: Curva sinusoidal de alta calidad

Como hemos dicho el termino calidad de potencia se refiere a la estabilidad en la tensión, estabilidad en la frecuencia y a la ausencia de diversas formas de ruido eléctrico (p.ej., el parpadeo o la distorsión armónica) en la red eléctrica. Hablando en términos mas generales, las compañías eléctricas (ysus clientes) prefieren una corriente alterna con una bonita forma sinusoidal, como la que se muestra en la imagen de arriba.
El procedimiento que realizan los controladores de potencia para turbina eólicas, es el siguiente, primero son capaces de analizar la corriente que se encuentra en la red consumiendo un poco de ésta con estos datos son capaces de dejar la corriente producida por el generador de imanes permanentes exactamente igual a la de la Red para que así se pueda agregar un generador tanto a un sistema interconectado, o como una ayuda a un sistema de alimentación privado. la calidad de la potencia se mide tanto en voltaje, fases de la corriente, estabilidad de la curva sinusoidal y otros parametros y dependiendo de que tan exigentes son éstos es la pérdida que tiene el generador.

5.- Otras alternativas para generadores eólicos:

Maquina de inducción con control de potencia: esta maquina comprende un generador de inducción pero que es alimentado desde la red mediante un controlador de potencia, esto le ayuda a mantener siempre el desfase de un grado con el campo magnético generado por el estator, vemos que se debe hacer una evaluación que tanto se agiliza el campo rotatorio del estator versus que tan grande se hace la capacidad de inyección de corriente del controlador de potencia para que el aerogenerador tenga una mayor potencia.

En la siguiente figura mostramos como es funciona este generador mostrando también el controlador que inyecta la potencia.



Figura 6: Generador Asíncrono con control de potencia.[10]

Conclusiones:Podemos decir que la industria de generadores para motores eólicos ha cambiado y se ha desarrollado mucho durante los últimos años, cada uno de estos cambios cada vez ha hecho mas rentable y por tanto mas competitivo al mercado de los aerogeneradores que ha bajado sus costos de 37 centavos de dólar el kWh a 3 centavos de dólar el kWh, que la hace casi tan competitiva con las fósiles o la tecnología nuclear.

La tendencia actual es basarse en la electrónica de potencia para rectificar y olvidarse de la conexión directa del generador a la red, podemos decir que la electrónica tiene pérdidas muy pequeñas por lo que no produce grandes disminuciones en la eficiencia del generador que ahora puede ser mas simple.

Ademas la electrónica nos ayuda a ahorrarnos el problema del control de pitch o inclinación de las palas que también incurre en pérdidas de eficiencia para mantener el rotor a velocidad constante como se hacía con los antiguos generadores de inducción.

Para la eficiencia del generador es muy importante las características de los imanes que tiene éste y en este informe quisimos trabajar este punto debido a los grandes avances que éstos han tenido los últimos años y por ende gran aumento de eficiencia de motores de imanes permanentes, ademas nuevos descubrimientos de imanes pueden mejorar bastante la rentabilidad de estas turbinas.

A pesar de que se han generado otras alternativas de generación casi sin perdidas, la producción de electricidad mediante imanes permanentes esta siendo la predilecta del mercado y es incluida por todos los nuevosaerogeneradores que tienen generadores con una gran cantidad de polos para así, no usar cajas multiplicadoras y evitar sus pérdidas.

Bibliografía:

[1] www.wikipedia.com - Generadores eléctricos.

[2] https://www.talentfactory.dk/es/tour/wtrb/async.htm.

[3] www.wikipedia.com - Generador asíncrono.

[4] https://www.talentfactory.dk/es/tour/wtrb/syncgen.htm.

[5] GENERADOR DE IMANES PERMANENTES EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA by Msc. Ernesto Yoel Fariñas Wong Dr. Ing. Abdel Jacomino Bermúdez Msc. Idielin Matínez Yong.

[6]www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar04/HTML/articulo01.htm.

[7] GENERADOR DE IMANES PERMANENTES EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA Msc. Ernesto Fariñas Wong Dr. Abdel Bermúdez Msc. Idielin Matínez.

[8]Adaptación de un Generador Eléctrico de Imanes Permanentes y flujo radial
by Santos Jaimes Alfonso.

[9] https://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=21.

[10]Generación de Energía eléctrica del profesor Juan Dixon.

Anexos:

Anexo 1: Tabla que señala revoluciones necesarias para generar a 50 y 60 Hz.

 
Velocidades de un generador síncrono (r.p.m)
|Número de polos |50 Hz |60 Hz |
|2 |3000 |3600 |
|4 |1500 |1800 |
|6 |1000 |1200 |
|8|750 |900 |
|10 |600 |720 |
|12 |500 |600 |

Anexo 2: Ejemplo de las especificaciones técnicas de un iman.



Anexo 3: Conceptos claves sobre los imanes

Coercitividad: La coercitividad de la banda magnética se mide en Oersteds (resistencia de un material a la desimanación), la baja coercitividad para tarjetas con banda magnética es de aproximadamente 300 Oe y la alta coercitividad varia entre 2100 y 4000 Oe (las mas comunes). La coercitividad se puede definir por el material usado para la fabricación de la banda magnética, es así como la de Oxido Férrico es de baja coercitividad y la de Ferrita de bario es de alta coercitividad, mas no es el único elemento a tener en cuenta para definir la coercitividad.
El que una banda magnética se diga que es de 300 Oe, no significa que todas sus partículas tenga ese nivel de coercitividad, habra algunas con mayor o menor coercitividad y una buena distribución presenta una curva en forma de campana y la parte alta de la curva define el porcentaje de partículas en el valor nominal, es así que cuando esta curva no es tan pronunciada, significa que hay menos partículas del valor nominal y mas de otros valores. el significado de Oe (es unidad de intensidad del campo magnetico)

Remanencia: La remanencia magnética es la capacidad de un materialpara retener el magnetismo que le ha sido inducido, su unidad es el producto de la energía ((BH) max).

Temperatura de Curie: Se denomina temperatura de Curie (en ocasiones punto de Curie) a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagnético pierde su magnetismo, comportandose como un material puramente paramagnético.

Paramagnetismo: El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos estan fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno sera ferromagnetismo o ferromagnetismo. Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos estan orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a alinearse paralelamente al campo, pero esta alineación esta contrarrestada por la tendencia que tienen los momentos a orientarse aleatoriamente debido al movimiento térmico.

Se denomina materiales paramagnéticos a los materiales o medios cuya permeabilidad magnética es similar a la del vacío. Estos materiales o medios no presentan en ninguna medida el fenómeno de ferromagnetismo. En términos físicos, se dice que su permeabilidad magnética relativa tiene valor aproximadamente igual a 1.
Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales, cuando estan sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, que ya no esta favorecido energéticamente. Es decir, los materiales paramagnéticos son materialesatraídos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados. Algunos materiales paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio.

Ferromagnetismo: El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.

Piezoelectricidad: La piezoelectricidad (del griego piezein, 'estrujar o apretar') es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecanicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signoopuesto en las superficies enfrentadas.
Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen caracter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y ceramicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).

Isotropía: es la característica de los cuerpos cuyas propiedades físicas no dependen de la dirección. Es decir, se refiere al hecho de que ciertas magnitudes vectoriales conmensurables, dan resultados idénticos con independencia de la dirección escogida para dicha medida. Cuando una determinada magnitud no presenta isotropía decimos que presenta anisotropía.

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[1] www.wikipedia.com
[2] https://www.talentfactory.dk/es/tour/wtrb/async.htm
[3] www.wikipedia.com
[4] https://www.talentfactory.dk/es/tour/wtrb/syncgen.htm
[5] GENERADOR DE IMANES PERMANENTES EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA by
Msc. Ernesto Yoel Fariñas Wong Dr. Ing. Abdel Jacomino Bermúdez Msc. Idielin Matínez Yong
[6] www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar04/HTML/articulo01.htm.
[7] GENERADOR DE IMANES PERMANENTES EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA Msc. Ernesto Fariñas Wong Dr. Abdel Bermúdez Msc. Idielin Matínez.
[8] Adaptación de un Generador Eléctrico de Imanes Permanentes y flujo radial
by Santos Jaimes Alfonso.
[9] https://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=21
[10] Generación de Energía eléctrica del profesor Juan Dixon.