GENERADOR DE IMANES PERMANENTES EN LAGENERACIÓN DE ENERGÍA

Msc. Ernesto Yoel Fariñas Wong Dr. Ing. Abdel Jacomino Bermúdez Msc. Idielin Matínez Yong

Centro de Estudios de Termoenergética Azucarera. C.E.T.A.

Palabras ClavesGeneradores, generador de imanes perma-

nentes, turbinas, aeroturbinas

Key wordsGenerator, Permanent magnet generator,

turbine, windturbine.

SíntesisEn lugares apartados de la redes eléctricas

nacionales es necesario un suministro establede energía eléctrica para determinadasaplicaciones, una fuente muy usada en el mun-do es la producción de esta a partir degeneradores de imanes permanentes, si bien escierto la adaptación de alternadores de autospara generar brindan resultados satisfactoriospara ciertas condiciones de cargas yrequerimientos de potencia, no lo son, enaquellos casos donde la fuerza motriz esvariable se necesita otro tipo de equipamiento,entonces se hace necesario el uso de ungenerador de imanes permanentes, este tipo demáquina no necesita sistemas de transmisión nialimentación a un circuito de campo.

El generador de imanes permanentesencuentra también su aplicación en picocentraleshidráulicas, ruedas hidráulicas, río generadores.

La configuración básica consiste en unrotor de imanes permanentes de Neodimioferritico, para establecer el flujo magnético deforma axial. Se opta por esta disposición debi-do a la simplicidad del diseño.

AbstractIn remote places of the national grid it is

necessary a stable supply of electric power forcertain applications, a source very used in theworld it is the production of this starting frompermanent magnet generators, although it iscertain the adaptation of alternators of cars togenerate they offer satisfactory results for certainconditions of loads and requirements of power,and the results are not very satisfactory in thosecases where the motive force is variable, anothertype of equipment is needed, then it becomesnecessary the use of a permanent magnetgenerator, this type of machine doesn’t needtransmission systems

neither feeding to a field circuit.The permanent magnet generator also finds

its application in hydraulic picocentrales,hydraulic wheels, river generators.

The basic configuration consists on a rotorof permanent magnet of Neodimio ferritico, toestablish the magnetic flow in an axial way. It isopted by this disposition due to the simplicityof the design.

IntroducciónLa problemática de la generación de elec-

tricidad en Cuba adquiere en el país una impor-tancia científico - técnica y económica signifi-cativa, dada las necesidades de producción deeste tipo de energía y las condiciones en que seacomete la misma en la etapa actual.

Como resultado de una línea de desarrolloorientada con bases científicas, a partir de es-tudios realizados en varios centros de investi-gación de países desarrollados, dan como re-sultado un trabajo de desarrollo de generado-res a partir de imanes permanentes que tendráuna ineludiblemente repercusión social, pues eldesarrollo de estos equipos además de poseerun variado uso industrial están vinculados al Pro-grama Nacional de Ciencia y Técnica1 , dondeel partido y los organismos de administracióndel estado centran todo su esfuerzo.

Este tipo de generador se viene difundien-do desde hace unos años a partir del desarrolloque a alcanzado la electrónica, lo que a permiti-do el uso de estos equipos por organismoscomo el MINAZ, MINAGRI y el MINBAS.

La producción de estos equipos actual-mente no se ha desarrollado en nuestro paísdada las limitaciones que existían en su uso yexplotación, siendo estos trabajos los prime-ros que se hacen en el campo de los generado-res de imanes permanentes, para aplicacionesindustriales.

Por medio de este estudio se muestra comose puede hacer el diseño de un equipo muy ne-cesario en la industria en general que tiene ungran uso en estos momentos, debido al desa-rrollo que tiene la electrónica que permite la ma-nipulación de estas maquinas con gran preci-sión.

DESARROLLO:Descripción generalRotor de imanes permanentes de 8 polos.Imanesde Neodimio grado N 38.Estator con bobinado calibre AWG 14.Carcasa de aluminio.

Fig. 1 Esquemas de disposiciones de rotoraxial

Las posibles configuraciones para el estator enuna máquina de flujo axial son las que semuestran en la figura 1.La configuración elegida es la correspondientea la disposición (b) Este tipo permite laflexibilidad de conexión estrella o delta deacuerdo al régimen de operación del generador.Representa también una ventaja sobre ladisposición mostrada en (a) el hecho de que enla disposición (a) se requiere la presencia denúcleos lo cual genera mayores pérdidas, asímismo menos perdidas se tienen en unarectificación de onda completa para un circuitotrifásico que para un monofásico.

Consideraciones MagnéticasEl flujo de campo magnético es establecido porlos imanes permanentes, esto a su vez generaráel voltaje inducido de acuerdo a la LEY DEFARADAY. La optimización del flujo de cam-po magnético dependerá del circuito magnéti-co, es decir, los materiales y geometríainvolucrada determinarán un mayor o menoraprovechamiento del campo magnético del imánpermanente.

Artigo Técnico/Technical Article12

Fig 2 CurvaCaracterística de Imán

La principal conclusión que se obtiene paraeste prototipo es que existe dispersión del flujomagnético, debido a la presencia de espacios“de aire” entre bobinas y entre imanes. Adicio-nalmente, las tolerancias de fabricación jueganuna gran importancia debido a que en la medi-da que se logren tolerancias exigentes en lassuperficies de apoyo, determinarán la reluctanciadel circuito magnético que opondrá resistenciaal flujo del campo magnético.

Como puede observarse en la figura 2, elobjetivo es lograr un punto de operación delimán, determinado por la intersección de la curvade carga con la curva de magnetización del imán,por encima del punto de energía máxima delimán (Bhmax).

Consideraciones Eléctricas

El diseño del circuito eléctrico del generadorse basa en la Ley de Faraday, para la tensióninducida en vacío se tiene la siguiente relación:

donde:EA : Tensión inducida.N : Número de vueltas o espiras por bobi-na.m : Número de bobinas.φ : Flujo que atraviesa una bobina.F : Frecuencia eléctrica.

Las perdidas en la tensión inducidadependerán del bobinado del estator y de lascondiciones de operación del equipo.

La forma de conexión puede ser en DEL-TA (TRIÁNGULO) o ESTRELLA. Dadoque las maquinas que operarán en regímenesde cargas variable deben poseer la capacidadde conmutación entre ambas configuraciones.

En el caso de operar con una línea detensión de 12V será conveniente que elgenerador tenga una configuración DELTA(TRIÁNGULO) en el bobinado; para el casode una línea de 24V lo conveniente será unaconfiguración ESTRELLA.

ConclusionesNo se requiere de corriente de excitación

para crear el campo inductor, pues éste es pro-porcionado por los imanes. Esto haceinnecesaria la lectura de la velocidad de giro delrotor para controlar la conexión del generadora las baterías solo cuando se alcanzan las rpmde generación. Por consiguiente se simplificanlos dispositivos de control electrónico.

Dado el diseño particular del generador deimanes permanentes, no se requiere emplear unatransmisión de velocidad, puesto que suacoplamiento con el rotor es directo. De estemodo se consigue generar a bajas velocidades

1. “Design of Brushless Permanent-Magnet Motors” J.R. Hendershot Jr and TJE

Miller Magna Physics Div. TrideltaIndustries Inc., Hilsboro, Ohio andOxford University Press Inc., New York,1994

2. “Permanent Magnet, Reluctance, and Self Synchronous Motors” S.A. Nassar, I.

Boldea, L.E. Unnewehr CRC Press Inc.Florida - USA, 1993

3. “Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives” T.J.E. Miller

Oxford University Press Oxford, 1993

4. “Materiales Magnéticos en la Industria Eléctrica” P.R. Bardell Ediciones

URMO Bilbao, 1970

5. “Fundamentos de la TeoríaElectromagnética”, Cuarta Edición JohnR. Reitz Addison-WesleyIberoamericana Delaware - EstadosUnidos de América, 1996

6. “Design of permanent-magnet alterna-tors”

Robert H. Weakley AIIE Transactions,Volumen. 70, parte II (1951)

7. “Essentials of Magnet Design” Inc:http://www.magnetsales.com design_guide.html Magnet Sales & Manufacturing Inc.:

8. Página WEB de Magnet Sales & Manufacturing Inc.: http://www.magnetsales.com

Adicionalmente deberá considerarse el usode sistemas electrónicos de control para laregulación de carga y protección de las baterías.Estos equipos tienen como función derivar losexcesos de carga, debido a la presencia de car-gas variables, hacia bancos de resistencias dedisipación; de esta forma se evitan sobrecargasen las baterías. Para el caso en que las bateríasestán sometidas a niveles prohibitivos de des-carga los equipos de protección tienen pormisión desconectar las cargas de las baterías,esto es importante pues descargas excesivas delas baterías implican disminución en su tiempode vida.

Fig. 3 Conexión DELTA

Se muestran a continuación las disposicionesDELTA (TRIÁNGULO) y ESTRELLAcon sus respectivos puentes de diodos rectifi-cadores de onda completa:

Fig. 4 Conexión Estrella

de giro. Si bien es cierto que el empleo de unatransmisión de velocidad en un generador conalternador de auto permitía un aumento de lamisma, también aumentaba el torque mecánicoy además se produce una pérdida de potenciadependiendo de la eficiencia de la transmisión.

Se logra una simplificación notable del equi-po, esto se traduce en un mantenimiento menoscomplejo y en una disminución en laprobabilidad de falla de los componentes delequipo.

Teniendo en cuenta que los equipos men-cionados en la conclusión anterior son de granaplicabilidad práctica tanto en la industriaazucarera como en la industria en general es quese propone la fabricación de dichas maquinaspara usos industriales.

Bibliografía

Artigo Técnico/Technical Article 13