PROYECTO FISICA ELECTRICA

AIRET LOPEZ RUIZ CAMILO CASTELBLANCO

JHON CELIS

ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALESFISICA ELECTRICA

BOGOTA2013

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 INDUSTRIALESFISICA ELECTRICA

BOGOTA2013

CONTENIDO

1. ANTECEDENTES1.1 ANTECEDENTES DE ENERGIAS ALTERNATIVAS EN COLOMBIA1.2 ANTECEDENTES HISTORICOS2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS DEL PROYECTO3. MARCO TEORICO3.1 ELECTROMAGNETISMO3.2 GENERADORES ELECTRICOS3.3 COMO GENERAR ENERGIA ELECTRICA CON IMANES3.4 DESARROLLO PROYECTO4. CONCLUSIONES

GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA POR MEDIO ELECTROMAGNETICO

1. ANTECEDENTESEn 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.