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PROYECTO FISICA ELECTRICA
AIRET LOPEZ RUIZ
CAMILO CASTELBLANCO
JHON CELIS
ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES
FISICA ELECTRICA
BOGOTA
2013
GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA POR MEDIO ELECTROMAGNETICO
AIRET LOPEZ RUIZ
CAMILO CASTELBLANCO
JHON CELIS
Trabajo presentado a: Javier Bobadilla docente de física eléctrica.
ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES
FISICA ELECTRICA
BOGOTA
2013
CONTENIDO
1.
ANTECEDENTES
1.1 ANTECEDENTES DE ENERGIAS ALTERNATIVAS EN COLOMBIA
1.2 ANTECEDENTES HISTORICOS
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS DEL PROYECTO
3. MARCO TEORICO
3.1 ELECTROMAGNETISMO
3.2 GENERADORES ELECTRICOS
3.3 COMO GENERAR ENERGIA ELECTRICA CON IMANES
3.4 DESARROLLO PROYECTO
4. CONCLUSIONES
GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA POR MEDIO ELECTROMAGNETICO
1.
ANTECEDENTES
En la actualidad es indispensable tener energía eléctrica para el desarrollo de nuestras
actividades diarias, se puede obtener de diferentes maneras con energías alternas
como la energía eólica, hidroeléctricas entre otras.
Comúnmente vemos generadores eléctricos en todas partes en la industria, en el
trasporte en nuestros hogares, lo que nos hace recordar que dependemos de la energía
para realizar casi todo lo que hacemos, para cualquier cosa dependemos de ella ya que
vivimos en una era donde todo se maneja de forma electrónica.
1.1 ANTECEDENTES DE ENERGIAS ALTERNATIVAS EN COLOMBIA
ENERGIA EOLICA
La región más atractiva desde el punto de vista eólico es la Costa Atlántica Colombiana, donde
los vientos aumentan en dirección a la península de La Guajira. Se han identificado otras
regiones de interés como el departamento de Arauca y algunas zonas de los altiplanos en las
cordilleras. Por el evidente atractivo de La Guajira, las actividades de EPM se concentraron en
dicha región.
En efecto, la información disponible sobre la Media y Alta Guajira, indica que esta zona podría
representar una de las alternativas con mayores posibilidades futuras para la generación
eólica, tanto por sus fuertes vientos, como por otras particularidades -dirección, distribución
de frecuencias y complementariedad con el régimen hidrológico-, además de las excelentes
condiciones físicas para parques eólicos.
Estados Unidos es el mayor generador de energía eólica, con 32.000 megavatios (MW), casi
tres veces todas la energía que se produce en Colombia. Brasil, en el puesto número 20, genera
634 MW, pero en pocos años llegará a cerca de 1.500 MW. ¡En Colombia producimos solo 19,5
MW, pero tenemos potencial para alcanzar 18.000 MW! el único parque eólico en operación en
Colombia en la actualidad es Jepírachi.
Con estos datos se considera que Colombia es un país atractivo para generar energías
alternativas no solo eólica si no también energía solar, energía hidroeléctrica
ya que nos
encontramos ubicados en la zona del ecuador , Colombia no solo es un país rico en
biodiversidad, contamos con una ubicación geográfica muy buena, que podemos aprovechar para
mejorar
y reemplazar las energías convencionales (combustibles fósiles (carbón, gas,
etc.)),por energías alternativas (solar, eólica, hidroelectrica …).
1.2 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
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, 1860. Dinamo pequeño Gramme, ca. 1878.
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 1870. 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 1832. 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 1837. 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 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.
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO
Generar un aparato novedoso generador de electricidad, de fácil construcción donde
podamos aplicar los conocimientos adquiridos en el trascurso del semestre.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 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.
3. MARCO TEORICO
3.1 MAGNETISMO
Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de
atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad
recibe el nombre de magnetismo.
Loa imanes: Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el
hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus
propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4)
o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un
imánpermanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un
imántemporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado.
En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se
denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la
Tierra, que es un gigantesco imán natural.
La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo
magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas
imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido
contrario en el interior de éste; se representa con la letra
Desde hace tiempo es conocido que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su
alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al
movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un
microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas
direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades
magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán y en ese caso
decimos que la sustancia se ha magnetizado.
3.2 ELECTROMAGNETISMO
Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde
del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente
eléctrica notó que la aguja se deflectaba hasta quedar en una posición perpendicular a la
dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando
el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el
magnetismo,
en
un
accidente
que
puede
considerarse
como
el
nacimiento
del
electromagnetismo. Del experimento de Oersted se deduce que;

Una carga en movimiento crea un campo magnético en el espacio que lo rodea.

Una corriente eléctrica que circula por un conductor genera a su alrededor un campo
magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la
distancia del conductor.
3.3 GENERADORES ELECTRICOS
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:
• 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
3.4 COMO GENERAR ELECTRICA CON IMANES
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 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.
Características
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 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.
La velocidad y potencia de un motor de imanes permanentes son los siguientes:
• 0-220 r/min, 17-1120 kW a 220 r/min
• 0-300 r/min, 25-1600 kW a 300 r/min
• 0-430 r/min, 38-2240 kW a 430 r/min
• 0-600 r/min, 57-2500 kW a 600 r/min
Los valores de potencia y tensión informados son para redes de 400 V/690 V...
3.5 DESARROLLO PROYECTO
Materiales:

Dos imanes redondos

Alambre de cobre

2 LED

1 eje

Base de acrílico

cable

acetato

tornillos

carretes de hilo
Una de las partes más importantes es ensamble y uso adecuado de los materiales, a
continuación se muestra las piezas relacionadas que se utilizan para el desarrollo de este
proyecto
Desarrollo de bobinas: con el cobre esmaltado de calibre 28 se envuelve en los carretes
dejando la punta inicial y final del cobre. Para esta operación se utilizaron 10 mt en cada
bobina.
Una vez desarrolladas las bobinas se fijan en el acrílico con un tornillo con sus respectivas
tuercas, este tornillo va dentro de los carretes.
Desarrollo de Eje: Se arma el eje con un tornillo más grande a los que se utilizó en las
bobinas, se fija en la parte superior de este un rodador con los imanes sujetos.
Este eje se coloca en medio de los dos embobinados de forma que queden paralelos
Fijación del LED: En las puntas que se dejó del cobre se pela el esmalte y se fija al Led, la
parte positiva en la punta final y la parte negativa en la punta inicial.
Producto final
CONCLUSIONES
Se desarrolló un generador de electricidad por medio de imanes, no se utilizaron pilas. Se
manejan procesos de energía auto sostenible que manejan las personas, se genera de varias
formas hasta obtener el resultado. Con esta clase de energías, se evidencia que entre más
conocimiento tengamos podemos instruir a más personas en el uso de energías diferentes y
amigables con el medio ambiente.
Para poder pasar energía a los led es necesario generar varios circuitos y utilizar el que prenda
el LED una vez se inicie el movimiento de los imanes.