PROYECTO FISICA ELECTRICA LUIS CARLOS GOMEZ FABIO ANDRES NIÑO

Transcripción

1 PROYECTO FISICA ELECTRICA LUIS CARLOS GOMEZ FABIO ANDRES NIÑO ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES FISICA ELECTRICA BOGOTA 2013

2 GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA EN ENERGIA MECANICA POR MEDIO ELECTROMAGNETICO LUIS CARLOS GOMEZ FABIO ANDRES NIÑO ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES FISICA ELECTRICA BOGOTA

3 ÍNDICE 1. IDENTIFICACIÓN DE PROYECTO MARCO TEORICO ANTECEDENTES OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL PROYECTO Marco Teórico DESARROLLO DEL PROYECTO

4 1. IDENTIFICACIÓN DE PROYECTO 1.1 MARCO TEORICO ANTECEDENTES La vida moderna sería impensable sin la existencia de los generadores de electricidad, ya que éstos los encontramos en todas partes: en la industria, el transporte, el hogar, etc. En nuestra vida diaria estamos acostumbrados a un tipo particular de generadores: como son los que generan electricidad mediante uno u otro tipo de energía, pues existen en muchos de los aparatos que tenemos en nuestra casa. Debido a la importancia que tienen en nuestra vida cotidiana, consideramos importante conocer cómo son los generadores, motores y los principios físicos involucrados en su funcionamiento ANTECEDENTES HISTORICOS Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose perpendicularmente a un campo magnético generaba una diferencia de potencial. Aprovechando esto, construyó el primer generador electromagnético, el disco de Faraday, un generador homopolar, empleando un disco de cobre que giraba entre los extremos de un imán con forma de herradura, generándose una pequeña corriente continua. También fue utilizado como generador de energía en una bicicleta para producir luz de poca intensidad. El dinamo fue el primer generador eléctrico apto para uso industrial. La primera dinamo, basada en los principios de Faraday, fue construida en 1832 por el fabricante francés de herramientas Hipólito Pixii. Empleaba un imán permanente que giraba por medio de una manivela. Este imán estaba colocado de forma que sus polos norte y sur pasaban al girar junto a un núcleo de hierro con un cable eléctrico enrollado (como un núcleo y una bobina). Pixii descubrió que el imán giratorio producía un pulso de corriente en el cable cada vez que uno de los polos pasaba junto a la bobina; cada polo inducía una corriente en sentido contrario, esto es, una corriente alterna. Añadiendo al esquema un conmutador eléctrico situado en el mismo eje de giro del imán, Pixii convirtió la corriente alterna en corriente continua. Disco de Faraday Dinamo de Pixii En 1831 aparece el primer generador Británico, inventado por Michael Faraday. En 1836 Hippolyte Pixii, un francés que se dedicaba a la fabricación de instrumentos, tomando como la base los principios de Faraday, construyó la 3

5 primera dinamo, llamado Pixii s dynamo. Para ello se utilizó un imán permanente que se giraba mediante una manivela. El imán se colocó de forma que sus polos norte y sur quedaran unidos por un pedazo de hierro envuelto con un alambre. Entonces Pixii se dio cuenta que el imán producía un impulso de corriente eléctrica en el cable cada vez que transcurría un polo de la bobina. Para convertir la corriente alterna a una corriente directa ideó un colector que era una división de metal en el eje del cilindro, con dos contactos de metal. Dinamo de Pacinotti, Dinamo pequeño Gramme, ca En 1860 Antonio Pacinotti, un científico italiano, idearía otra solución al problema de la corriente alterna. En 1871 Zénobe diseña la primera central comercial de plantas de energía, que operaba en París en la década de Una de sus ventajas fue la de idear un mejor camino para el flujo magnético, rellenando el espacio ocupado por el campo magnético con fuertes núcleos de hierro y reducir al mínimo las diferencias entre el aire inmóvil y las piezas giratorias. El resultado fue la primera dinamo como máquina para generar cantidades comerciales de energía para la industria. El principio de la conversión de la energía eléctrica en energía mecánica por medios electromagnéticos fue demostrado por el científico británico Michael Faraday en 1821 y consistido en un alambre libre-que cuelga que sumerge en una piscina de mercurio. Un permanente imán fue colocado en el medio de la piscina del mercurio. Cuando a actual fue pasado a través del alambre, el alambre rotado alrededor del imán, demostrando que la corriente dio lugar a un campo magnético circular alrededor del alambre. Este motor se demuestra a menudo en clases de la física de la escuela, pero salmuera (agua salada) se utiliza a veces en lugar del mercurio tóxico. Ésta es la forma más simple de una clase de los motores eléctricos llamados motores homopolar. Un refinamiento más último es Rueda de Barlow. Éstos eran dispositivos de la demostración, inadecuados a los usos prácticos debido a la energía limitada. El primer motor eléctrico usando los electroimanes para las piezas inmóviles y que rotaban fue demostrado cerca Ányos Jedlik en 1828 Hungría, que desarrolló más adelante un motor bastante de gran alcance para propulsar un vehículo. El primer conmutador- mecanografíe el motor eléctrico continuo capaz de un uso práctico fue inventado por el científico británico Esturión de Guillermo en El trabajo del esturión de siguiente, un conmutador-tipo motor eléctrico continuo hecho con la intención del uso comercial fue construido por el americano Thomas Davenport y patentado en Aunque varios de estos motores fueron construidos y utilizados para funcionar el equipo tal como una prensa, debido al alto coste de energía de batería primaria, los 4

6 motores eran comercialmente fracasados y Davenport arruinaba. Varios inventores siguieron el esturión en el desarrollo de los motores de la C.C. pero todos encontraron las mismas ediciones del coste con energía de batería primaria. No se había desarrollado ninguna distribución de la electricidad en ese entonces. Como el motor del esturión, no había mercado comercial práctico para estos motores. El motor moderno de la C.C. fue inventado por accidente en 1873, cuando Gramo de Zénobe conectó dínamo él había inventado a una segunda unidad similar, conduciéndolo como motor. Máquina del gramo era el primer motor eléctrico que era acertado en la industria. En 1888 Nikola Tesla inventó el primer practicable Motor de CA y con él el sistema polifásico de la transmisión de energía. Tesla continuó su trabajo en el motor de CA en los años para seguir en la compañía de Westinghouse. Figura 1. Ejemplos de Motores 1.2 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL PROYECTO Montaje de estructura que simule energía eléctrica generada por imanes Transformación de la energía Aplicar conceptos vistos en clase Generas un modelo alternativo de la energía. 1.2 Marco Teórico Motores de imanes permanentes en aplicaciones de baja velocidad El motor de imanes permanentes es un desarrollo innovador dentro de la tecnología de motores sincrónicos que combina la alta precisión de este tipo de 5

7 motor con el diseño simple y robusto de un motor de inducción asincrónico jaula de ardilla. Es capaz de entregar un muy alto torque desde un pequeño tamaño de motor a baja velocidad, eliminando la necesidad de cajas de reducción. El motor de imanes permanentes requiere el suministro de un convertidor de frecuencia, que han sido especialmente modificados para operar con este tipo de motores. El motor de imanes permanentes de baja tensión es un nuevo tipo de motor sincrónico para aplicaciones de baja velocidad, diseñado para ser empleado con accionamientos de velocidad variable. Mecánicamente, el tipo de motor es similar a los tradicionales de inducción jaula de ardilla e incluso su apariencia exterior es la misma, sin embargo, en términos de performance, puede entregar los mismos resultados que los de un motor sincrónico. Cómo está diseñado y construido un motor de imanes permanentes? Tradicionalmente, el motor sincrónico es de una construcción más compleja que la del motor de inducción estándar. Con el nuevo tipo de motor, el diseño se ha simplificado mediante el uso de potentes imanes permanentes para crear un flujo constante en el entrehierro, eliminando así la necesidad del rotor bobinado y escobillas utilizadas normalmente para la excitación en los motores sincrónicos. Esto permite obtener el rendimiento de un motor sincrónico, combinado con el diseño robusto y simple de un motor de inducción estándar. El motor de imanes permanentes debe ser energizado directamente en el estator por medio de un accionamiento de velocidad variable. Cuáles son los beneficios del uso de motores de imanes permanentes? Los motores de inducción estándar no se adaptan especialmente bien a operaciones de baja velocidad, pues su eficiencia cae con la reducción de velocidad y sólo están disponibles normalmente hasta 12 polos, limitándolos en los rangos de baja velocidad (esto normalmente se puede superar mediante una caja de reducción). La nueva solución de motor de imanes permanentes proporciona un alto torque acoplado directamente con la carga a bajas velocidades. Al eliminar la caja de reducción, el usuario ahorra espacio, costos de instalación, elimina un punto de falla y, lo más importante, mejora la eficiencia y disminuye el mantenimiento del accionamiento. La combinación de un menor número de componentes y sencilla configuración reduce los costos por hora de ingeniería, facilita la instalación, permite un uso más eficiente del espacio y reduce los inventarios de repuesto. 6

8 Es importante destacar que en accionamientos de velocidad variable, esta solución mejora la unidad de control, pues permite que el convertidor funcione sin la necesidad de un encoder debido a que los motores sincrónicos operan sólo a la velocidad determinada por la frecuencia de alimentación. La precisión es tan buena como la de un motor de inducción con un dispositivo de retroalimentación. Esto significa que el encoder puede ser eliminado, reduciendo aún más la necesidad de mantenimiento. Cuáles son las aplicaciones adecuadas? El motor de imanes permanentes sincrónico es ideal para accionamientos de máquinas de papel, eliminando la necesidad de cajas de reducción y encoder. En una reciente instalación, 29 de estos motores fueron utilizados, contribuyendo a mejorar la confiabilidad y la precisión de control de la unidad del sistema. Sin embargo, los motores de imanes permanentes pueden ser utilizados en cualquier aplicación, cuando normalmente se emplean motores de jaula de ardilla con una caja de reducción. Cuáles son las características especiales del motor de imán permanente? El motor de imanes permanentes está diseñado exclusivamente para el suministro de un convertidor de frecuencia no pudiendo ser utilizado para partidas directas. Por otra parte, la tensión se ve afectada por la velocidad del motor, debido al constante flujo de los imanes permanentes. Por esta razón, el exceso de velocidad se limita al 20%. Una mayor velocidad aumenta la tensión, lo que podría poner en peligro el aislamiento de los motores. El catálogo de datos sólo es aplicable con la tensión de red especificada, por ejemplo, los datos a 400 V no son válidos para redes de 380 V o 415 V. Los motores pueden ser utilizados en diversos niveles de voltaje, pero la velocidad y la potencia pueden variar. Normalmente el torque máximo de un motor de imanes permanentes es menor al de un motor asincrónico normal. En la práctica, esto significa que estos motores tienen un tiempo muy limitado de capacidad de sobrecarga. Un fuerte flujo magnético siempre está presente en el motor aunque el estator no esté energizado. Si el eje es girado se generarán tensiones en los terminales del motor. Debido al hecho de que el rotor se encuentra magnetizado, el motor no puede eliminarse tan fácilmente como un motor de inducción. Sin embargo, herramientas se encuentran disponibles en caso de que sea necesario. Mantenimiento rutinario, por ejemplo con la sustitución, puede ser llevado a 7

9 cabo por el motor de apertura del mismo modo que un motor de jaula de ardilla estándar. Cualquier convertidor de frecuencia puede controlar un motor de imán permanente? Los motores de imanes permanentes sólo pueden ser controlados con una unidad de velocidad variable que cuenten con el software de control del motor síncrono desarrollado específicamente para el control de flujo de imán permanente. Cuál es el rango del motor? La velocidad y potencia de un motor de imanes permanentes son los siguientes: r/min, kw a 220 r/min r/min, kw a 300 r/min r/min, kw a 430 r/min r/min, kw a 600 r/min Los valores de potencia y tensión informados son para redes de 400 V/690 V.. 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 máquinas destinadas a transformar la energía mecánica 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 mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.). Se clasifican en dos tipos fundamentales: primarios y secundarios. Son generadores primarios los que convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, mientras que los secundarios entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente. Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento. Desde el punto de vista teórico (teoría de circuitos) se distinguen dos tipos ideales: 8

10 Generador de voltaje: un generador de voltaje ideal mantiene un voltaje fijo entre sus terminales con independencia de la resistencia de la carga que pueda estar conectada entre ellos. Generador de corriente: un generador de corriente ideal mantiene una corriente constante por el circuito externo con independencia de la resistencia de la carga que pueda estar conectada entre ellos Definiciones CAMPO ELÉCTRICO: Un campo electromagnético es un campo físico, de tipo tensorial, producido por aquellos elementos cargados eléctricamente, que afecta a partículas con carga eléctrica. DIFERENCIA DE POTENCIAL: El potencial eléctrico o potencial electrostático en un punto es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde el punto de referencia,1 dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. ENERGÍA CINÉTICA: Energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su velocidad. ENERGÍA MECÁNICA: La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un sistema mecánico. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo. GENERADOR ELÉCTRICO: Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor). IMÁN: Un imán es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo, de forma que tiende a juntarse con otros imanes o metales ferromagnéticos (por ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones). Puede ser natural o artificial. MÁQUINA: Una máquina es un conjunto de elementos móviles y fijos cuyo funcionamiento posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar energía o realizar un trabajo con un fin determinado. 9

11 MOTOR: Un motor es la parte sistemática de una máquina capaz de hacer funcionar algo transformando algún tipo de energía (eléctrica, de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar un trabajo. 1.3 DESARROLLO DEL PROYECTO Figura 2. Plano Para la Elaboracion Del Proyecto MATERIALES: Dos imanes redondos Cable para conexión eléctrica Alambre de cobre esmaltado 0,32 mm 2 diodos emisores de luz ( LED ) 1 eje (tornillo) Resistencias 5 ohmios Pilas triple a Base de acrílico Carretes Plasticos Una de las partes más importantes es el ensamble y uso adecuado de los materiales, a continuación se muestra las piezas relacionadas que se utilizan para el desarrollo de este proyecto. 10

12 Acetato Alambre de Cobre Tornillos Imanes 11

13 Pila y Carrete Cable y Resistencias Bobinas (Elaboradas con el alambre de cobre y los carretes de hilo (650 vueltas a cada una) LED 12

14 Producto Final Ensamblado Conclusión Creemos que es muy importante empezar hablar de las distintas clases de fenómenos que crean la energía eléctrica, primero es empezar por tener claro su definición para que de esta manera podamos determinar el cómo y porque se produce esta. La energía eléctrica se produce por el movimiento de cargas eléctricas. Para el desarrollo de este proyecto se utilizaron los conceptos vistos en clase y por eso creemos que el experimentó de generar estos tipos de productos hacen que el estudiante fortaleza sus habilidades de ingenio, análisis y sobretodo desarrollo y cree para sí mismo la capacidad de acutoingenio que le permita desarrollar propuestas innovadoras para un mundo en constante crecimiento BIBLIOGRAFIA / INFOGRAFIA Fecha de consulta marzo de 2013 FISICA PRINCIPIO CON APLICACIONES GIANCOLI C. DOUGLAS