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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA UN
REFRIGERADOR EÓLICO - ELÉCTRICO
ALFONSO ALVAREZ SARMIENTO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.
DICIEMBRE DE 2007
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA UN
REFRIGERADOR EÓLICO – ELÉCTRICO
ALFONSO ALVAREZ SARMIENTO
Proyecto de grado presentado como requisito parcial para aspirar al titulo de
Ingeniero Mecánico
Asesor:
RAFAEL G. BELTRÁN PULIDO
Ingeniero Mecánico, M.Sc.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
DICIEMBRE DE 2007
I
A mis padres Adalberto Alvarez y Ligia Sarmiento por el gran
esfuerzo e incondicional apoyo en todos los aspectos durante
toda mi trayectoria universitaria, ya que sin la presencia de
ellos nada de esto hubiera sido posible.
A Patrycja Serwatka mi novia y compañera que con su apoyo,
presencia, gran esfuerzo, sacrificios y amor me ayudó a ser un
mejor hombre y así superar cualquier tipo de obstáculos.
A Natalia Alvarez mi hermana por acompañarme y compartir la
vida universitaria estando siempre presente preocupándose por
mi bienestar.
II
AGRADECIMIENTOS
A Rafael G. Beltrán P. por ser el asesor de este proyecto y además por todos
los consejos y recomendaciones que recibí de su parte durante el desarrollo
del proyecto.
A todo el personal del laboratorio de ingeniería mecánica de la Universidad
de Los Andes, especialmente a Omar Rodríguez, y Jorge Reyes que no
tuvieron reparo en darme una mano cada vez que la necesité.
A la Universidad de Los Andes por haberme permitido ser parte de la gran
institución que es, integrando la comunidad Uniandina y por haber puesto
todas las herramientas al alcance para poder crecer personalmente y ser un
profesional con las mejores competencias.
III
CONTENIDOS
Pág.
1. INTRODUCCIÓN
2. OBJETIVOS
3. RESUMEN
4. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS EÓLICOS DE GENERACIÓN DE
ENERGÍA ELÉCTRICA
4.1. Historia de la energía eólica
4.2. El aire como fuente de energía
4.3. Sistemas eólicos actuales
4.4. Partes básicas que componen un sistema eólico moderno
4.4.1. Torre o soporte y góndola
4.4.2. Rotor
4.4.3. Control de posición
4.4.4. Control de velocidad
4.4.5. Transmisión de potencia
4.4.6. Generador eléctrico
4.4.6.1. Generador de corriente continua ó dinamo
5. GENERALIDADES DEL SISTEMA DE CONTROL Y
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
5.1. Partes que componen el sistema de control y acondicionamiento de
señal
5.1.1. Regulador de voltaje
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13
IV
5.1.2. Inversor DC - AC
5.1.3. Transformador AC - AC
5.1.4. Termostato
6. GENERALIDADES DE LOS COMPRESORES UTILIZADOS EN
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
6.1. Compresores reciprocantes o alternativos
6.1.1. Tipo abierto, semi hermético y hermético
7. DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS QUE COMPONEN LOS
DISTINTOS SUBSITEMAS
7.1. Sistema de generación
7.2. Sistema de control y acondicionamiento de señal
7.3. Sistema de refrigeración
8. DISEÑO DE UN PLAN DE PRUEBAS EXPERIMENTALES
8.1. Caracterización del generador y pruebas de consumo
8.1.1. Pruebas Voltaje vs. Rpm
8.1.2. Pruebas Corriente vs. Rpm
8.2. Prueba de corte de energía y arranque a temperatura alta y baja
respectivamente
8.2.1. Pruebas a potencia constante
8.2.2. Pruebas a potencia variable
9. MONTAJE DEL SISTEMA EÓLICO – ELÉCTRICO
9.1. Caracterización del generador
9.2. Sistema generación
9.3. Sistema de control y acondicionamiento de señal
9.4. Sistema de refrigeración
9.5. Integración de los subsistemas
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V
10. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE DATOS
10.1. Resultados y análisis de datos de caracterización del generador
10.1.1. Pruebas Voltaje Generado vs. Rpm
10.1.2. Pruebas Corriente Generada vs. Rpm
10.1.3. Pruebas Potencia Generada vs. Rpm
10.2. Resultados y análisis de datos de pruebas de consumo
10.2.1. Prueba Voltaje de consumo vs. Rpm
10.2.2. Prueba Corriente de consumo vs. Rpm
10.2.3. Prueba Potencia de consumo vs. Rpm
10.2.4. Prueba Eficiencia eléctrica del regulador vs. Rpm
11. CONCLUSIONES
12. RECOMENDACIONES
13. BIBLIOGRAFÍA
14. ANEXOS
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VI
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Disposición estándar del dinamo en un auto.
Figura 2. Partes que componen un dinamo
Figura 3. Dirección del flujo de corriente en un dinamo.
Figura 4. Excitación del campo en un dinamo.
Figura 5. Comparación entre 1: alternador, y 2: dinamo.
Figura 6. Regulador externo de tres elementos para dinamo.
Figura 7. Diagrama de conexión de un regulador de 3 elementos.
Figura 8. Clasificación de los compresores.
Figura 9. Ciclo de compresión en un compresor alternativo.
Figura 10. Sistema de generación utilizado.
Figura 11. Variador de frecuencia, Telemecanique ALTIVAR 31, 7.5kW /
10hp, 200 / 240V AC
Figura 12. Motor eléctrico trifásico, Kohlbach, 1hp, 1800 rpm nominal.
Figura 13. Generador eléctrico de corriente continua (dinamo) de 12V.
Figura 14. Regulador de voltaje a 13.5V - 14V para dinamo de 12V.
Figura 15. Batería de respaldo de 12V y 45Ah, marca Magna.
Figura 16. Inversor 12V DC – 115V AC, marca Monster de 300W.
Figura 17. Transformador. Primario 115V AC, Secundario 24V DC y 16A
máx.
Figura 18. Sistema de refrigeración en la actualidad, que usa refrigerante
R12 y alimentación 24V AC diseñado por [5].
Figura 19. Diagrama básico de conexiones para las pruebas experimentales
de caracterización del generador.
Figura 20. Circuito utilizado para medir voltaje a la salida del generador.
(regulador desactivado).
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VII
Figura 21. Circuito utilizado para medir voltaje de consumo.
Figura 22. Circuito utilizado para medir corriente a la salida del generador
(regulador desactivado).
Figura 23. Circuito utilizado para medir corriente de consumo
Figura 24. Circuito utilizado para mediciones a potencia variable
Figura 25. Prueba para el rotor del dinamo. Gira a altas revoluciones con
bajo torque.
Figura 26. Prueba para el campo magnético del dinamo. Gira a bajas
revoluciones con alto torque.
Figura 27. Restauración del dinamo.
Figura 28. Montaje con el que se realizó la caracterización del dinamo.
Figura 29. Sistema de transmisión de potencia con relación 1:1.5
Figura 30. Ubicación final del regulador y la batería.
Figura 31. Ubicación final del inversor de 300W.
Figura 32. Panel de control y encendido.
Figura 33. Montaje final
Figura 34. Montaje final
Figura 35. Diagrama de conexiones del montaje final.
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VIII
LISTA DE GRAFICAS
Pág.
Grafica 1. Resultados voltaje generado con respecto a la velocidad de giro
del rotor del dinamo en la caracterización.
Grafica 2. Resultados corriente generada con respecto a la velocidad de giro
del rotor del dinamo en la caracterización.
Grafica 3. Resultados potencia generada con respecto a la velocidad de giro
del rotor del dinamo en la caracterización.
Grafica 4. Resultados voltaje de consumo con respecto a la velocidad de
giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.
Grafica 5. Resultados corriente de consumo con respecto a la velocidad de
giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.
Grafica 6. Resultados potencia de consumo con respecto a la velocidad de
giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.
Grafica 7. Resultados eficiencia del sistema de regulación bajo condiciones
de consumo.
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IX
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Diagrama de conexiones de un regulador BOSCH de 12V.
Anexo B. Datos registrados durante la toma de datos para la caracterización
del generador. Anexo C. Datos registrados durante la toma de datos para las pruebas de
consumo
Anexo D. Compresor utilizado. Anexo E. Condensador utilizado
Anexo F. Válvula de expansión y evaporador utilizados.
Anexo G. Instrucciones de instalación del inversor Monster de 300W.
Anexo H. Potencia consumida por el compresor del sistema de refrigeración.
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59
1
1. INTRODUCCIÓN
La ausencia o difícil disponibilidad de energía eléctrica en sitios remotos de la
geografía colombiana hace que la obtención de la misma a partir de fuentes
renovables de energía sea una pieza fundamental en el desarrollo de las
sociedades que habitan estas regiones apartadas de las zonas
metropolitanas o de las zonas con cobertura de suministro eléctrico.
El potencial para extraer potencia de los vientos fuertes en la costa norte de
Colombia y las necesidades de las sociedades que allí habitan hacen que
contar con una fuente confiable de energía para suplir la demanda eléctrica
de sus electrodomésticos y demás aparatos de consumo eléctrico que
ayuden a mejorar su nivel de vida sea fundamental, elevando así su calidad
de vida a un bajo costo económico y poco impacto ambiental.
Este proyecto hace énfasis en el control de un sistema de generación de
energía eléctrica para futuras aplicaciones eólicas de baja potencia (en este
caso un sistema de refrigeración), del orden de 1kW. Utilizando partes de
fácil adquisición y bajo costo en el mercado colombiano se puede construir
un sistema de generación y control de energía eléctrica que sea capaz de
operar continuamente sin necesidad de mantenimiento por largos periodos
de tiempo y es precisamente eso lo que se hizo, ya que se utilizó
esencialmente un generador eléctrico de corriente continua ó dinamo y un
regulador de voltaje ambos provenientes de un sistema automotriz de los
años 60’s Y 70’s respectivamente, y que fueron adquiridos de segunda mano
a bajo costo proporcionando alta confiabilidad y poco mantenimiento.
2
2. OBJETIVOS
• Caracterizar los equipos que componen el sistema de generación de
energía eléctrica.
• Dimensionar los equipos de control del sistema eléctrico.
• Integrar los subsistemas en uno solo y de forma funcional.
• Realizar pruebas para diferentes condiciones de operación.
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3. RESUMEN
El proyecto de grado aquí presentado, tiene como principal objetivo el diseño
y construcción de un sistema de generación y control que a su vez alimentara
un sistema de refrigeración por medio de un compresor de 24V AC el cual ya
se encuentra montado ya que pertenece a una tesis de grado previamente
desarrollada.
Se utiliza un dinamo proveniente de un sistema eléctrico automotriz de 12V,
un regulador de voltaje mecánico para dinamo de 12V, una batería de
respaldo de 12V DC y 45Ah, un inversor de 12V DC a 115V AC de 300W y
un transformador con primario de 115V AC y secundario de 24V AC.
También se usó un motor trifásico y un variador de frecuencia para obtener
un amplio rango de revoluciones de operación. Se integraron los equipos en
un solo sistema funcional, implementándose una transmisión de 1:1.5 entre
el dinamo y el motor y utilizándose como base una plataforma con ruedas
para facilitar la movilidad del sistema.
En la caracterización del dinamo se logró una potencia máxima de 300W con
una carga de 1,41 Ohm que se estabiliza después de las 2000 rpm. Durante
las pruebas de consumo con regulador activado se encontró que el voltaje
generado supera a aquel en la batería de respaldo (cargada, 12.5V) al
alcanzar las 1250 rpm y también es allí cuando tenemos un flujo de corriente
ya que el interruptor de retorno ó relay se abre. La eficiencia eléctrica del
regulador a 1250 rpm es minima y es del 75% y a 2650 rpm es la máxima
posible para este sistema (debido a la relación de transmisión 1:1.5) y es del
85% y con tendencia a crecer.
4
4. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS EÓLICOS DE GENERACIÓN DE
ENERGÍA ELÉCTRICA
4.1. Historia de la energía eólica
Los primeros usos de la energía eólica se dieron alrededor del año 3000 AC
cuando el ser humano la uso para navegar sus embarcaciones de vela por el
río Nilo. Los europeos utilizaron la energía eólica durante los siglos XVII y
XVIII para poder moler sus granos y bombear agua. El primer molino de
viento que se uso para generar electricidad construido por Charles F. Bush,
fue instalado a finales del siglo XIX en un área rural de Cleveland, Ohio en
EE.UU. que se mantuvo funcionando por cerca de 20 años. Hoy en día,
grandes plantas eólicas de generación de energía están compitiendo con los
proveedores de energía convencionales en la producción de la misma,
produciendo limpia y económicamente.
Durante la década de los 40’s la compañía danesa F. L. Smidth construyó e
instalo varios aerogeneradores bipala y tripala generando así corriente
alterna, jugando un papel muy importante en el estudio de la energía eólica
en dicho país. Durante la década de los 50’s el ingeniero Johannes Juul
invento un aerogenerador tripala con rotor a barlovento y generador
asíncrono capaz de generar 200 kW, para la compañía eléctrica SEAS en
Dinamarca y fue instalado en la costa de Gedser en Dinamarca, funcionando
por 11 años sin necesidad de mantenimiento. La NASA a mediado de los
años 70’s pidió el reacondicionamiento del aerogenerador de Gedser para
propósitos investigativos del nuevo plan de energía eólica estadounidense.
Después de la crisis del petróleo de los años 70’s, se despertó el interés por
5
nuevas fuentes de energía y muchos países mostraron interés por la energía
eólica. Se construyeron varios aerogeneradores de más de 500 kW pero el
alto costo de fabricación jugo un papel negativo para decidir la viabilidad de
generar energía utilizando esta técnica.
Los años 80 trajo consigo la invención del aerogenerador de Tvind, una
maquina capaz de producir 2 MW girando a velocidad variable con un
generador síncrono, siendo una maquina que revoluciono la industria de la
energía eólica. El aerogenerador de Tvind sigue funcionando perfectamente
en la actualidad. Durante la década de los 90, países como Dinamarca y
Alemania instalaron los mejor llamados “Parques eólicos” con capacidades
de hasta 25 MW en conjunto, es decir la generación total de 20 o 30
aerogeneradores. En el año 2003 Dinamarca se aventuró en la creación de
parques eólicos marinos, aprovechando la fuerte influencia del mar del norte,
y así se llegan a producir hasta 40 MW en dichos parques. En la actualidad
aerogeneradores de varios mega vatios son comunes, alcanzando hasta los
4.5 MW.
El aumento de la oferta de energía eólica va cada vez en aumento, y países
como Dinamarca y Alemania son líderes en el mercado eólico y a su vez
siendo los mayores productores de energía eólica en el mundo.
4.2. El aire como fuente de energía
La energía eólica se perfila como una de las más prometedoras nuevas
fuentes de energía eléctrica en los años venideros. Desde que se comenzó a
generar energía eléctrica a partir de la energía eólica el precio del kWh ha
venido cayendo, cuando inicialmente era absurdamente caro y poco rentable
debido a los altos costos de los aerogeneradores, pero con la llegada de
nuevos materiales mas resistentes y livianos, el avance tecnológico y la
6
caída de precios de la electrónica de potencia el precio de la energía
generada paso a ser terriblemente rentable, llegando al punto en que dejó de
ser un área exclusivamente investigativa para empezar a incursionar en el
mercado mundial de la energía.
4.3. Sistemas eólicos actuales
Como lo explican Burton, Sharpe, Jenkins y Bossanyi en su libro “Wind
Energy Handbook” la potencia producida, P, por un aerogenerador esta dada
por la siguiente expresión:
312 PP C AUρ= ,
donde ρ es la densidad del aire (1.225 kg/m^3), PC es el coeficiente de
potencia, A es el área barrida por el rotor, y U es la velocidad del viento. La
densidad del viento es alrededor de 800 veces menor a la del agua, y debido
a esto son los grandes tamaños de rotores que los aerogeneradores actuales
requieren para poder producir mega vatios, por ejemplo el diámetro del rotor
de un aerogenerador de 1.5 MW es del orden de 60 m. El coeficiente de
potencia nos indica la fracción de la energía eólica que será convertida en
trabajo mecánico por la turbina.
Debido a lo anterior los diámetros de los rotores durante los últimos 15 años
han venido incrementándose ya que la potencia producida se cuadriplica si el
diámetro del rotor se duplica, y si la velocidad del viento se duplica la
potencia producida será ocho veces mayor. Lo anterior a llevado además de
incrementar los diámetros de los rotores, a querer alcanzar vientos mas
fuertes por mayores periodos de tiempo y se esta viendo reflejado en
aerogeneradores con torres mas altas, de 60 – 90 m, capaces de producir
varios mega vatios.
7
4.4. Partes básicas que componen un sistema eólico
Los sistemas eólicos actuales de generación de energía están compuestos
por varios subsistemas, que van desde los mecánicos, estructurales hasta
los eléctricos. A continuación se explicara brevemente la función de cada
uno de los subsistemas.
4.4.1. La torre o soporte y góndola
Es básicamente el pilar de la estructura y se encarga de soportar varios
subsistemas ubicados en la góndola, tales como el sistema de transmisión, el
aerogenerador y el rotor.
4.4.2. Rotor
Los aerogeneradores actuales de gran tamaño tienen dos o tres aspas en su
rotor, los pequeños llegan a tener mas de una docena. Las fuerzas estáticas
y la fatiga hacen que este componente sea una de las partes mas delicadas
de todo el sistema, y debido a ello el diseño del rotor debe contemplar todos
los posibles factores que puedan conducir a una falla en el la integridad del
rotor. En aerogeneradores pequeños el rotor tiene un tamaño
considerablemente más pequeño y por lo tanto lo hace menos delicado a la
falla, debido a la posibilidad de utilizar materiales más rígidos que por
ejemplo la fibra de vidrio utilizada para la fabricación de las aspas de los
grandes aerogeneradores debido al mínimo peso requerido.
8
4.4.3. Control de posición
La función única del control de posición es girar el rotor para seguir la
dirección del viento. Puede llegar a ser muy complejo en el caso de grandes
aerogeneradores o tan simple como el ala cola en un sistema eólico pequeño
de generación.
4.4.4. Control de velocidad
El control de velocidad tiene como función detener o limitar la velocidad de la
turbina bajo condiciones de extrema velocidad. En pequeños
aerogeneradores el control de velocidad la mayoría de las veces no esta
presente y debido a esto el diseño del mismo debe considerar la integridad y
el correcto funcionamiento del sistema bajo condiciones extremas de viento.
4.4.5. Transmisión de potencia
No es un subsistema que siempre esta presente en los aerogeneradores,
dependiendo del sistema de generación. La función es multiplicar la
velocidad de giro y transmitir la potencia hacia el generador. En sistemas
eólicos pequeños no es fundamental como si lo es en los modernos sistemas
de varios mega vatios, debido a que a la naturaleza de los pequeños rotores
estos tienen la capacidad de girar a velocidades considerablemente mas
altas suprimiendo la necesidad de una caja de cambios multiplicadora o si lo
es necesario la relación de la misma no llega a ser muy alta.
9
4.4.6. Generador eléctrico
Para este proyecto el generador juega un papel sumamente importante y por
eso se explicara un poco más en detalle su principio de funcionamiento.
Para propósitos de conversión de energía mecánica a eléctrica se pueden
utilizar varios tipos de generadores como el dinamo, el motor sincrónico, el
de inducción, y el generador de imanes permanentes o PMG. Todos trabajan
bajo los principios del electromagnetismo. En esta sección se explicara en
detalle el funcionamiento del generador de corriente DC también llamado
dinamo, debido a que es el tipo de generador utilizado en este proyecto.
4.4.6.1. Generador de corriente continua ó dinamo
A partir de la estandarización del uso de las baterías en los vehículos
impulsados a motor se desarrolló el generador de corriente continua, y por
mucho tiempo este sistema de generación fue capaz de suplir todas las
demandas energéticas de los automóviles de la época (ver Figura 1). Debido
a esto la mayoría de autos construidos hasta la década de los 60’s llevan un
dinamo ó generador DC en su sistema eléctrico en variedades de 6V, 12V y
24V. El generador de corriente continua está compuesto básicamente por:
Ver figura 2.
10
Figura 1. Disposición estándar del dinamo en un auto. 1: Cigüeñal, 2:
Dinamo, 3: Bomba de agua, 4: Correa de transmisión en V. Tomado de [11].
11
Figura 2. Partes que componen un dinamo: 1: Estator, 2: Rotor, 3: Terminal,
4: Colector, 5: Tapa del colector, 6: Tapa del rotor, 7: Pieza polar, 8:
Bobinado del campo, 9: Escobillas. Tomado de [10].
El efecto electromagnético producido por la rotación del rotor hace que se
produzca corriente alterna que a su vez es rectificada gracias al colector. La
corriente directa obtenida es posteriormente suministrada al sistema eléctrico
del carro o a la batería. La siguientes figuras muestran la dirección del flujo
de corriente y la excitación del campo en un generador DC.
Figura 3. Dirección del flujo de corriente en un dinamo. Tomado de [11].
Figura 4. Excitación del campo en un dinamo. Tomado de [11].
12
El dinamo tiene ciertas restricciones de funcionamiento, a regimenes bajos
de revoluciones, por ejemplo en el sistema eléctrico de un carro el dinamo no
genera corriente cuando el régimen es muy bajo y a su vez no puede
hacerse girar el dinamo a velocidades excesivas ya que esto deteriora el
colector y disminuye considerablemente la vida útil de las escobillas. El
mantenimiento en un dinamo debe ser constante debido al desgaste
permanente de las escobillas. Si se desea una mayor generación de
corriente por parte del dinamo su tamaño aumenta desproporcionadamente y
esto acarrea aumentos en peso y dimensiones. Debido a las desventajas
anteriormente mencionadas el alternador fue inventado y rápidamente
reemplazó al dinamo como elemento de generación de corriente en los
sistemas eléctricos automotrices. La siguiente grafica muestra una
comparación de la corriente generada entre dinamo y alternador con
respecto a las revoluciones del motor en un auto.
Figura 5. Comparación entre 1: Alternador, y 2: Dinamo. Tomado de [10].
13
5. GENERALIDADES DEL SISTEMA DE CONTROL Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
El sistema de control de un sistema eólico moderno esta integrado por gran
variedad de subsistemas encargados de optimizar el desempeño del
aerogenerador. En este caso, debido a que es un sistema pequeño y a los
requerimientos del sistema se pueden suprimir varios componentes
presentes en los grandes aerogeneradores. A continuación se expondrá
brevemente el funcionamiento de los dispositivos de control y
acondicionamiento de señal.
5.1. Partes que componen el sistema de control y acondicionamiento de
señal
Los siguientes numerales explicaran en brevedad el funcionamiento de cada
uno de los componentes del sistema de control y acondicionamiento de
señal, haciendo énfasis en el regulador de voltaje mecánico para dinamo por
ser el protagonista en el sistema de control y acondicionamiento de señal al
evitar que los dispositivos que se alimenten del sistema de generación sufran
fallas o daños.
5.1.1. Regulador de voltaje
El regulador de voltaje tiene como principal tarea mantener un voltaje
constante, que en este caso será el voltaje generado por el dinamo en todo el
rango de velocidad de operación del mismo. La regulación no es una tarea
fácil cuando se tienen entradas de voltaje variable ya que estas operan en un
14
rango conocido pero con fluctuaciones que no se pueden predecir en la
mayoría de los casos. En sistemas eléctricos automotrices el regulador de
voltaje evita sobre cargas en la batería y daños a equipos eléctricos
instalados en el sistema mismo del carro, por otro lado en sistemas eólicos
de alta potencia los reguladores sirven para entregar corriente a un voltaje
constante a la red, y en sistemas eólicos de baja potencia el regulador evita
daños y sobre carga al sistema de almacenamiento de energía que
usualmente esta compuesto por baterías.
En este proyecto se utilizará un regulador de voltaje de 12V perteneciente a
un automóvil, mas específicamente a un Renault 4 de los años 70’s. Este
regulador es de ubicación externa a diferencia de los reguladores para
alternadores que pueden ser internos y externos y a su vez manejan varios
métodos de regulación que difieren del regulador para dinamo.
El regulador de tensión solo entra en funcionamiento cuando el voltaje
generado por el dinamo supera el valor nominal de regulación del regulador,
es decir si se esta regulando una entrada de voltaje con un regulador de 12V
este solo entra en funcionamiento cuando el voltaje generado supera los
12V. En los sistemas eléctricos automotrices que utilizan este tipo de
reguladores se impide que la corriente fluya desde la batería hacia el sistema
eléctrico cuando la tensión de la batería es mayor que la tensión de la
maquina, y así previniendo que la batería se descargue rápidamente. El
regulador también regula la salida de corriente manteniéndola estable. La
estructura de un regulador externo de tres elementos para dinamo se
muestra a continuación.
15
Figura 6. Regulador externo de tres elementos para dinamo. 1: Regulador de
voltaje, 2: Regulador de corriente, 3: Interruptor de retorno, 4: Contactos del
interruptor, 5: Placa de base, 6: Bornes de conexión, 7: Contactos del
regulador de corriente, 8: contactos del regulador de voltaje. Tomado de [11]
Figura 7. Diagrama de conexión de un regulador de 3 elementos para
dinamo, a: Regulador de tensión, b: Regulador de corriente, c: Interruptor de
retorno. Tomado de [11].
16
5.1.2. Inversor DC-AC
La función de un inversor DC – AC es de a partir de una entrada de corriente
continua obtener como salida una corriente alterna, lográndolo como su
nombre lo dice invirtiendo la señal por medio de sistemas electrónicos.
Usualmente se encuentran comercialmente inversores de 12V DC a 115V
AC.
5.1.3. Transformador AC –AC
Utiliza el principio de electromagnetismo e inducción eléctrica para convertir
voltajes, ya sea aumentándolo o disminuyéndolo, siempre variando
proporcionalmente dependiendo de la entrada llamada primario y de la salida
llamada secundario. De acuerdo a los requerimientos del sistema se encarga
la fabricación del transformador en la mayoría de las veces y esto es cuando
se requieren en aplicaciones especiales.
5.1.4. Termostato
Un termostato cumple la función de regular el suministro de energía de
acuerdo a un rango de operación de la temperatura, que en este caso la
temperatura a controlar será la temperatura de la cámara refrigerada.
17
6. GENERALIDADES DE LOS COMPRESORES UTILIZADOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACION
El compresor tiene como función primordial elevar la presión y temperatura
del líquido refrigerante para que mas adelante esa energía absorbida pueda
ser disipada. Los compresores están clasificados por familias según su
principio de funcionamiento; los compresores de flujo intermitente
(desplazamiento positivo) y los de flujo continuo. Los de flujo intermitente son
capaces de trabajar con altas presiones pero con caudales medios siendo así
muy susceptibles a la ruptura si se encuentra algún tipo de fluido
incompresible en la cámara debido a su alta capacidad de compresión. Los
compresores de flujo continuo, puede manejar caudales altos pero a bajas
presiones.
Los compresores de desplazamiento positivo son los de uso mas común en
la industria, domestico y comercial gracias a un rango amplio de presiones de
trabajo y a su capacidad de trabajar en el vacío. A continuación en la figura 8
se presenta la clasificación de la familia de los compresores.
Figura 8. Clasificación de los compresores. Tomada de [1].
18
Se explicará brevemente el funcionamiento de los compresores reciprocantes
o alternativos debido a la relevancia en este proyecto.
6.1. Compresores reciprocantes o alternativos
Beltrán en su libro “Principios de conversión térmica de energía” [1], explica
el funcionamiento de un compresor reciprocante como un embolo o pistón
que se mueve alternativamente en un cilindro, el cual lleva dispuestas
válvulas de admisión y escape para permitir la entrada y salida del gas. Se
pueden encontrar en tamaños capaces de producir fracciones pequeñas
hasta cientos de kilovatios.
A continuación en la Figura 9 se muestran las dos etapas en la compresión
del gas en un compresor alternativo.
Figura 9. Ciclo de compresión en un compresor alternativo, en donde a:
Etapa de aspiración y b: Etapa de compresión y escape. Tomado de [1].
En la primera etapa, de aspiración, el pistón emprende su carrera
descendente y la válvula de descarga se cierra. La presión en el cilindro
empieza a descender a medida que la cara del pistón se aleja de la culata y
así aumentando el volumen en la cámara del cilindro. Cuando la presión en
la cámara del pistón es menor que la de aspiración, la válvula de aspiración
19
se abre y la cámara se llena con el gas. Este proceso continua hasta que el
pistón alcanza el punto muerto inferior.
Posteriormente en la etapa de compresión los vapores de refrigerante son
comprimidos produciendo el cierre de la válvula de admisión. La presión
aumenta hasta lograr un vapor superior al de la descarga (presión de
condensador) así la válvula de descarga se abre y hace que el gas fluya por
la línea de gas caliente hacia el condensador.
6.1.1. Tipo abierto, semi hermético y hermético
Los compresores tipo abierto se caracterizan por prolongar el cigüeñal fuera
de la coraza y así permitir el acople de un motor exterior. Fácil de reparar y
gran flexibilidad en el tipo de motor que se le puede acoplar. Los
compresores semi herméticos contienen su propio motor eléctrico dentro de
las carcaza, y se caracterizan porque las culatas y los cilindros son
desmontables y permiten la calibración del mismo. Los compresores
herméticos se caracterizan por que su carcaza solo tiene las conexiones de
la tubería de entrada y salida del gas y los terminales eléctricos del motor,
haciéndolo muy confiable y seguro y su vez el tipo de compresor mas
utilizado para refrigeradores y congeladores domésticos.
20
7. DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS QUE COMPONEN LOS
DISTINTOS SUBSITEMAS
7.1. Sistema de generación
El sistema está compuesto por un generador eléctrico (dinamo) de 12V que
presuntamente es de un automóvil Ford de los años 50’s pero sin certeza
completa acerca de su procedencia, un motor eléctrico trifásico de 1hp y
1800 rpm nominal y un variador de frecuencia, todos proporcionados por la
universidad. Se debe simular la variabilidad en la velocidad del viento que se
refleja en variaciones en la velocidad de rotación del rotor eólico y para esto
es el variador de frecuencia. El esquema y las figuras a continuación
representan el sistema de generación utilizado y sus componentes.
Figura 10. Sistema de generación
utilizado.
Figura 11. Variador de frecuencia,
Telemecanique ALTIVAR 31, 7,5kW
/ 10hp, 200 / 240V.
21
Figura 12. Motor eléctrico trifásico,
Kohlbach, 1hp, 1800 rpm nominal.
Figura 13. Generador eléctrico de
corriente continua (dinamo) de 12V.
7.2. Sistema de control y acondicionamiento de señal
El dispositivo que regula la carga se escogió de acuerdo al dinamo utilizado,
se adquirió un regulador para dinamo de 12V perteneciente al sistema
eléctrico de un automóvil, no se conoce la marca ni la referencia debido a
que son muy escasos y solo fue posible conseguirlo de segunda mano y sin
la tapa que originalmente traen.
El diagrama de conexiones para este regulador puede ser visto en el Anexo
A que es el perteneciente a un regulador electrónico de 14V BOSCH pero sin
embargo de características similares al utilizado.
La batería utilizada debe ser entonces una de 12V y 45Ah, que será la
encargada de proporcionar aquella potencia extra que necesite el sistema de
refrigeración cuando en casos hipotéticos el viento no logre generar la
potencia suficiente como para suplir la demanda eléctrica del sistema de
refrigeración.
22
Figura 14. Regulador de voltaje a 13.5V -
14V para dinamo de 12V.
Figura 15. Batería de respaldo de 12V y
45Ah, marca Magna.
El termostato utilizado es el perteneciente a un sistema casero de
refrigeración, mas específicamente a una nevera domestica Abba de 6 pies.
Debido a que el sistema de generación proporciona corriente directa y a una
tensión de 12V a 14V nominal debemos adecuar la señal para así poder
alimentar el sistema de refrigeración. Se optó por un inversor de potencia el
cual nos permite pasar de 12V DC a 115V AC y así poder además alimentar
cualquier tipo de dispositivo domestico (las especificaciones pueden ser
vistas en el anexo G), pero para poder integrar el sistema de refrigeración
con el que se cuenta hay que convertir la salida 115V AC a 24V AC y esto se
hizo por medio de un transformador que fue mandado a hacer con un costo
total de COP 120 mil. Se hizo así por la conveniencia de poder conectar
dispositivos de 115V AC a la vez que se alimenta el sistema de refrigeración
de 24V AC.
23
Figura 16. Inversor 12V DC – 115V AC,
marca Monster de 300W.
Figura 17. Transformador.
Primario 115V AC, Secundario
24V AC y 16A máx (384 W).
7.3. Sistema de refrigeración En la tesis de grado de ingeniería mecánica desarrollada por Andrés F.
Salgado P. en 2004 se diseñó un ciclo de refrigeración y se dimensionaron
los componentes que hacen parte del mismo, y es preciso dicho sistema de
refrigeración el que su utiliza en este proyecto.
El sistema de refrigeración montado utiliza como refrigerante R12, un
compresor hermético de 24V AC marca Tecumseh, un condensador de
convección forzada (utiliza un ventilador), una válvula de expansión tipo tubo
capilar y un evaporador construido especialmente para ese proyecto.
Las especificaciones y demás detalles de cada uno de los componentes del
sistema de refrigeración pueden ser vistas en los anexos D, E y F ó referirse
24
al documento de tesis de grado [5] de la bibliografía. La siguiente figura
muestra el estado del sistema de refrigeración en la actualidad.
Figura 18. Sistema de refrigeración en la actualidad, que usa refrigerante
R12 y alimentación 24V AC diseñado por [5].
25
8. DISEÑO DE UN PLAN DE PRUEBAS EXPERIMENTALES
8.1. Caracterización del generador y pruebas de consumo
Para poder conocer el rango de potencia con el cual el sistema tendrá que
lidiar permanentemente bajo condiciones de viento variable debemos
caracterizar el generador de corriente continua. Para lograrlo por medio de la
experimentación se recurre a un montaje que permita tener una entrada de
potencia mecánica y salida de potencia eléctrica variables.
Se implemento el siguiente sistema eléctrico de generación que emula aquel
en un sistema eléctrico de un automóvil. Se recurrió a dicho esquema dada la
naturaleza del generador eléctrico que proviene de dicho tipo de sistema.
además nos permite medir las variables (voltaje y corriente) bajo las
condiciones futuras de operación del sistema. El siguiente diagrama muestra
detalladamente el circuito y los componentes mecánicos y eléctricos que se
implementan para realizar las mediciones de las variables deseadas.
26
Figura 19. Diagrama básico de conexiones para las pruebas experimentales
de caracterización del generador y consumo.
Se utilizó el regulador simplemente para propósitos de montaje ya que se
dejó el relay del regulador abierto en todo momento, es decir sin la capacidad
reguladora pero solo para las pruebas con reóstato y así poder obtener
valores no regulados. Para las pruebas de voltaje y corriente de consumo se
utiliza una batería con carga parcial para garantizar el flujo de corriente hacia
las celdas de la batería. Hay que tener en cuenta que dependiendo del nivel
de descarga de la batería el regulador deja pasar más o menos corriente, de
esta manera si la batería esta con carga media el regulador no deja pasar
mas de 5 amperios y si la batería se encuentra totalmente drenada el
regulador puede llegar a dejar pasar mas 50 amperios a altos regimenes de
rotación. En este caso se utiliza una batería casi con carga completa por lo
que es de esperarse un flujo bajo de corriente de carga ya que el propósito
es comprobar que la regulación sea correcta mas que nada para la tensión.
27
8.1.1. Pruebas Voltaje vs. Rpm
La toma de datos de Voltaje vs. Rpm se realiza de acuerdo al circuito
mostrado en la figura a continuación.
Figura 20. Circuito utilizado para medir voltaje a la salida del generador.
(regulador desactivado).
Figura 21. Circuito utilizado para medir voltaje de consumo.
28
8.1.2. Prueba Corriente vs. Rpm
La toma de datos de Corriente vs. Rpm se realiza de acuerdo al circuito
mostrado en la figura a continuación.
Figura 22. Circuito utilizado para medir corriente a la salida del generador
(regulador desactivado).
Figura 23. Circuito utilizado para medir corriente de consumo
29
8.2. Prueba de corte de energía y arranque a temperatura baja y alta
Debido a la implementación del termostato se tienen picos y mínimos de
potencia durante la operación del sistema de refrigeración que dependen del
arranque o del corte de energía efectuado por el termostato a las
temperaturas nominales del mismo. Se hacen dos tipos de pruebas, con
alimentación eléctrica constante y con generación de potencia variable que
en los siguientes numerales se explican más en detalle.
8.2.1. Pruebas a potencia constante
Esta prueba se lleva a cabo alimentando el sistema de refrigeración con 24V
AC constante y directamente del transformador de corriente que a su vez se
alimenta de la red eléctrica de 115V AC, y así poder medir durante un tiempo
de 120 minutos la temperatura y el régimen de consumo de potencia del
sistema de refrigeración cuando el termostato hace parte del circuito, es decir
se medirá la potencia consumida y la temperatura de la cámara refrigerada
con respecto al tiempo para poder observar los intervalos de temperatura de
operación del termostato y la potencia de arranque y corte del sistema. El
termostato se coloca en la posición 1 para todas las pruebas y se registran
los datos de voltaje, corriente consumida y temperatura en la cámara
refrigerada.
8.2.2. Pruebas a potencia variable
La velocidad de giro del dinamo hace que la potencia generada este por
debajo, sea igual o este por encima de la requerida por el sistema de
30
refrigeración, por ello se realiza esta prueba para probar que en cada una de
las tres circunstancias el sistema permanece estable.
Figura 24. Circuito utilizado para mediciones a potencia variable. 1: Corriente
generada, 2: Corriente de carga, 3: Corriente de descarga, 4: Voltaje
generado - regulado, 5: Voltaje de batería, 6: Voltaje salida inversor.
Se varia la velocidad de giro desde cero hasta 2650 rpm (0 – 60 Hz en
intervalos de 5 Hz) cada diez minutos durante 120 minutos para que el
sistema pueda experimentar las tres condiciones de operación (deficiente,
igual y excesiva generación de potencia). Se registran los datos del panel de
control y de temperatura en la cámara refrigerada.
31
9. MONTAJE DEL SISTEMA EÓLICO – ELÉCTRICO
Para el montaje de todo el sistema se utilizó como base un carro de
plataforma con ruedas, y así poder facilitar el traslado de los equipos y el
montaje total del sistema.
En el momento de iniciar el montaje se decidió pobrar el dinamo para
asegurar un correcto funcionamiento. El dinamo se prueba inyectándole
energía por medio de una batería de 12V DC, conectándolo directamente a la
batería se comprueba que el colector y las escobillas están haciendo buen
contacto girando a altas revoluciones y es fácil detenerlo con la mano, para
probar que las piezas polares están generando campo electromagnético se
hace un puente con la salida del dinamo D+ y la salida del campo FLD+, así
el campo se energiza y si el rotor del generador esta girando este disminuye
su velocidad pero aumenta el torque a tal punto que se hace imposible
detenerlo con la mano. Los siguientes diagramas muestran como se realizó
la prueba.
Figura 25. Prueba para el rotor del dinamo. Gira a altas revoluciones pero
bajo torque.
32
Figura 26. Prueba para el campo magnético del dinamo. Gira a bajas
revoluciones con alto torque.
Al primer intento el dinamo no funcionó, y se procedió a averiguar el por qué
de esta falla. Se encontró que las salidas FLD- y D- no estaban conectadas
propiamente a sus terminales respectivas, es decir la soldadura que hace el
contacto con la terminal se encontró partida, haciendo la reparación
adecuada. Uno de los rodamientos sobre los cuales va el eje del rotor
soportado se encontró dañado, más específicamente el ubicado en la parte
de la tapa de las escobillas. Se reemplazó por un rodamiento SKF – Explorer
6200-2Z/C3. Además se realizó una limpieza a las escobillas y al colector del
dinamo ya que presentaban mucha suciedad adherida que podría llegar a
disminuir la eficiencia del dispositivo.
33
Figura 27. Restauración del dinamo. 1: Estator, 2: Pieza polar no conectadas
a las terminales, 3: Escobilla, 4: Colector, 5: Rotor, 6: Rodamiento averiado.
9.1. Caracterización del generador
Se encontró la necesidad de utilizar como carga un reóstato prestado por el
laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la universidad, ya que
inicialmente se pensaba utilizar una batería de 12V DC pero estaban
averiadas. El reóstato es un dispositivo muy conveniente ya que nos permite
encontrar diferentes eficiencias en la generación de acuerdo a la carga
aplicada.
Se utilizó un multímetro para medir el voltaje generado y se vio la necesidad
de usar un amperímetro análogo marca Techman de 30A DC para medir la
corriente generada, esto debido a que los multímetros con los que se
contaron solo miden hasta 10A en corriente continua.
34
Figura 28. Montaje con el que se realizó la caracterización del dinamo.
Para las pruebas de consumo se utilizó la batería nueva adquirida de marca
Magna de 12V DC y 45Ah en vez del reóstato.
9.2. Sistema generación
Inicialmente se acopló el eje del motor con el de el dinamo por medio de un
acople directo, sin embargo fue necesario montar un sistema de transmisión
de potencia por medio de una correa y poleas con una relación 1:1.5, y así
alcanzar mayor velocidad de rotación en la entrada del dinamo, esto de debe
a que los dinamos provenientes de sistemas eléctricos de automóviles giran
a altas revoluciones, usualmente al doble de las revoluciones del motor para
poder generar suficiente potencia y así suplir la demanda eléctrica del
sistema. Se utilizó una correa de transmisión tipo M de marca Power Prix y
referencia M-30. Se anclaron fuertemente tanto el motor como el dinamo a la
base para evitar vibraciones indeseadas y se tensionó muy bien la correa
transmisora y de esa manera evadir posibles problemas y deficiencias en la
transmisión de potencia.
35
Figura 29. Sistema de transmisión de potencia con relación 1:1.5.
El motor eléctrico va conectado al variador de frecuencia y este a su vez a la
toma de corriente de 220V AC. La velocidad nominal del motor trifásico
utilizado es de 1720 rpm y se alcanza a una frecuencia de 60Hz, a medida
que la frecuencia varía la velocidad de giro del motor lo hace también de
acuerdo a la siguiente relación:
60 [ ][ ]
# _ _frecuencia Hz
rpmpares de polos
ω⋅
=
Entonces si a 60 Hz tenemos 1800 rpm en la salida del motor eso quiere
decir que el motor tiene dos pares de polos.
9.3. Sistema de control y acondicionamiento de señal
El regulador de voltaje, se posicionó al lado del dinamo, la batería se
encuentra dispuesta atrás del motor eléctrico. Esto se hizo así para dejar
espacio sobre la plataforma del carro con ruedas para ubicar otros
dispositivos futuros. El inversor de 300W fue anclado en uno de los lados de
36
una estructura cubica que se le agregó a la plataforma con ruedas en donde
además de lo anterior en el lado opuesto se encuentra un panel de control
con dispositivos de medición de corriente, voltaje y el botón de encendido y
stand by. La siguiente figura deja ver la ubicación final de los distintos
dispositivos que componen el sistema de control.
Figura 30. Ubicación final del
regulador y la batería.
Figura 31. Ubicación final del
inversor de 300W.
Figura 32. Panel de control y encendido.
Se utilizó cable calibre 10 multifilar para realizar las conexiones por donde
fluye una alta corriente ya que este es capaz de soportar corrientes de hasta
37
28 A, para las demás terminales de baja corriente se usó cable calibre 16
multifilar.
9.4. Sistema de refrigeración
El sistema de refrigeración como ya se mencionó antes ya se encontraba
montado, y cuenta con su plataforma móvil también. Ver figura 12.
9.5. Integración de los subsistemas
La integración de todos los subsistemas se llevó a cabo con éxito y se logró
un montaje sólido y que a su vez puede ser móvil gracias a la plataforma
sobre la cual se hizo todo el montaje. Se utilizó cable calibre 10 y 16 junto
con terminales en u, planas y de ojo para las conexiones, tornillería, madera
laminada para la caja donde va el panel de control y ángulos de aluminio
para anclar los dispositivos que lo necesitan (dinamo, regulador y caja de
control) a la base móvil y así lograr la integración de todos los subsistemas
(generación y control). Las figuras 35 y 36 nos muestran el montaje
terminado y listo para ponerse en funcionamiento.
38
Figura 33. Montaje final Figura 34. Montaje Final
El circuito que representa el montaje final se presenta a continuación en la
figura 35.
Figura 35. Diagrama de conexiones del montaje final. 1: Corriente generada,
2: Corriente de carga, 3: Corriente de descarga, 4: Voltaje generado -
regulado, 5: Voltaje de batería, 6: Voltaje salida inversor.
En el anexo G se puede ver el esquema de conexiones utilizado e
instrucciones para alimentar el compresor por medio inversor Monster de
300W respectivamente.
39
10. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE DATOS
10.1. Resultados y análisis de datos de caracterización del generador
10.1.1. Pruebas Voltaje Generado vs. Rpm
Teniendo en cuenta la grafica 1, en todo el rango de revoluciones que va de
0 a 2650 rpm, las tres configuraciones logran hacer que el voltaje producido
por el dinamo se estabilice antes de alcanzar la velocidad tope. Para la
condición de mas carga en el reóstato que es de 4,75 Ohm fue en la cual se
obtuvo el mayor voltaje generado que fue de 18.4V y para la condición de
menos carga con 1.41 Ohm se obtuvo valores mínimos de voltaje del orden
de 16.5V. El dinamo logra superar los 12V generados para las tres
condiciones de carga en la prueba de caracterización después de superar las
1300, 1500 y 1700 rpm para 4.75, 2 y 1.41 Ohm respectivamente.
Los dinamos de este tipo pueden ser de 6, 12 ó 24V y como en este caso en
particular no se encontró ningún tipo de etiqueta o marca en el mismo no era
de totalidad certeza decir que era un dinamo de 12V pero gracias a esta
prueba se comprobó, ya que el de 6V nunca alcanza los 12V y el de 24V
debe generar mas de 24V, y de esta manera el dinamo generando voltajes
mayores a 12V pero inferiores a 24V se puede decir ciertamente que es un
dinamo que perteneció a un sistema eléctrico automotriz de 12V.
40
Voltaje Generado
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500Velocidad (rpm)
Volt
aje
(V)
4,75 Ohm 2 Ohm 1,41 Ohm
Grafica 1. Resultados voltaje generado con respecto a la velocidad de giro
del rotor del dinamo en la caracterización.
10.1.2. Pruebas Corriente Generada vs. Rpm
El dinamo como parte del sistema eléctrico de un automóvil como ya se
había mencionado antes fue reemplazado por el alternador debido a la poca
o nula corriente que genera a bajas revoluciones, incluso por encima del
ralenti de un automóvil promedio que es del orden de 1000 rpm. En la grafica
3 se presentan los resultados obtenidos en la prueba de corriente durante la
caracterización del dinamo. A menor carga en el reóstato más rápido el
dinamo empieza a generar corriente y es evidente que a menos carga en el
reóstato más corriente se genera, cuestión opuesta para el voltaje como se
mencionó en el numeral anterior. El dinamo logra generar hasta 18A con la
configuración de menor carga (1.41Ohm), 12A con 2 Ohm de carga y solo 4A
con la configuración de mayor carga (4.75 Ohm), para las tres condiciones el
régimen máximo de revoluciones en el rotor del dinamo se alcanza con una
41
corriente estabilizada desde las 1750 rpm aproximadamente en los tres
casos.
Corriente Generada
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Velocidad (rpm)
Cor
rient
e (A
)
4,75 Ohm 2,0 Ohm 1,41 Ohm
Grafica 2. Resultados corriente generada con respecto a la velocidad de giro
del rotor del dinamo en la caracterización.
10.1.3. Pruebas Potencia Generada vs. Rpm
El sistema de refrigeración [5] tomado como base para este proyecto cuenta
con un compresor el cual exige una potencia real de arranque del orden de
220W y por lo tanto se hace necesaria esta prueba de potencia, para poder
saber de antemano si el sistema de generación eventualmente es capaz de
suplir la demanda eléctrica del compresor.
Los resultados se muestran en la grafica 3, donde evidentemente a mayor
carga en el reóstato menos potencia es capaz de generar el dinamo. Se
obtuvo una potencia máxima del orden de los 300W para la configuración de
menos carga, de 200W para la condición de carga de 2 Ohm y 75W para la
42
de 4.75 Ohm. Los dinamos son capaces de generar altas corrientes (30 –
50A) siempre y cuando este gire a altas rpm (5000 – 6000 rpm) y que para el
caso especifico de este proyecto son muy complicadas de alcanzar, pero sin
embargo la potencia pico la tenemos antes de las 2650 rpm que es el limite
del sistema implementado. Entonces así garantizamos que el sistema esta
en capacidad de suplir la demanda eléctrica del compresor holgadamente ya
que con el transcurso del tiempo la potencia requerida disminuye hasta
estabilizarse en los valores nominales del orden de 65W.
Los ordenes de potencia anteriormente mencionados no necesariamente van
a ser alcanzados siempre y esto es debido a que la generación de corriente
depende del nivel de carga de la batería que se explicará en mas detalle en
el numeral siguiente, pero en caso tal de necesitar alcanzar potencias picos
la batería puede suministrar la potencia restante para luego ser recargada
por el dinamo a medida que su voltaje decrece y esta así lo requiera.
Potencia Generada
0
50
100
150
200
250
300
350
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Velocidad (rpm)
Pote
ncia
(W)
4,75 Ohm 2,0 Ohm 1,41 Ohm
Grafica 3. Resultados potencia generada con respecto a la velocidad de giro
del rotor del dinamo en la caracterización.
43
10.2. Resultados y análisis datos de pruebas de consumo
10.2.1. Prueba Voltaje de consumo vs. Rpm
Se realizó la prueba de consumo y se observó que el voltaje generado
supera los 12V alrededor de las 1100 rpm y alcanza los 12.6V alrededor de
las 1200 rpm que es el voltaje de la batería. Si mantenemos el sistema en
este punto cuando los dos voltajes son relativamente iguales, el sistema no
va a ser capaz de cargar la batería ya que se requiere un voltaje superior al
de ella misma para que la corriente fluya hacia las celdas. A partir de las
1200 rpm claramente según la grafica 4 se nota que el voltaje de la batería
empieza a aumentar de acuerdo al voltaje generado y es solo cuando
alcanzamos los 13.8V en el dinamo que el Relay del regulador se cierra y
regula la excitación del campo para lograr mantener un voltaje estable que
sea suficiente para cargar la batería y alimentar de forma segura los demás
dispositivos que hagan parte del sistema sin llegar a quemarlos, todo esto
ocurriendo alrededor de las 1250 rpm. Se nota una leve diferencia en el
voltaje generado - regulado y el de la batería que se ubica cerca de los
13.6V, siendo normal para sistemas de generación que usan reguladores
mecánicos de este tipo.
44
Voltaje de consumo
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Velocidad (rpm)
Volta
je (V
)
Batería Generado - Regulado
Grafica 4. Resultados voltaje de consumo con respecto a la velocidad de giro
del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.
Los resultados anteriores expuestos en las graficas 1 y 4 dicen dos cosas
principalmente, que el dinamo con el que se cuenta es efectivamente un
dinamo de 12V y que la función reguladora del regulador mecánico instalado
es la correcta para mantener la estabilidad del sistema.
10.2.2. Prueba Corriente de consumo vs. Rpm
Cuando se realiza la prueba de consumo de corriente incluyendo la
capacidad reguladora del regulador y una batería de 12V DC con carga casi
máxima, el comportamiento del dinamo difiere intensamente al visto en la
grafica 2, la grafica 4 presenta los resultados obtenidos en la prueba de
consumo de corriente. La cantidad de corriente generada va a depender del
nivel de carga de la batería que hace parte del sistema, y esto es
45
precisamente para evitar sobre cargar la batería cuando se encuentre en su
máxima capacidad de carga.
A partir de las 1250 rpm es cuando el dinamo empieza a generar corriente y
esto se debe a que ese es el momento en que el voltaje generado ya ha
superado al de la batería, el relay se abre y la corriente empieza a fluir hacia
las celdas como ya se menciono en el análisis de voltaje de consumo, es
decir hasta que el voltaje generado no supera el de la batería la generación
de corriente es totalmente nula y es allí donde esta la principal flaqueza del
dinamo en los sistemas eléctricos automotrices al necesitar altos regimenes
usualmente por encima del Ralenti para generar suficiente potencia para que
la corriente fluya hacia la batería y garantizar que no se presenten
insuficiencias en el suministro eléctrico. Debido al estado previo de la batería
que era de carga casi completa se presenta la caída de corriente generada y
de carga. Hay ciertas perdidas de potencia en el sistema que se representa
en calor disipado especialmente en el regulador, por eso la diferencia entre
las dos corrientes de la grafica 5.
46
Corriente de consumo
0
1
2
3
4
5
6
7
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Velocidad (rpm)
Corr
ient
e (A
)
Corriente de carga Corriente generada
Grafica 5. Resultados corriente de consumo con respecto a la velocidad de
giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.
10.2.3. Prueba potencia de consumo vs. Rpm
La grafica 6 ilustra los resultados en la prueba de potencia de consumo, y
presenta en el rango de 0 – 1250 rpm un comportamiento similar a la prueba
de corriente de consumo y esto es debido a que como ya se dijo antes, la
corriente solo fluye cuando el voltaje generado es superior al de la batería y
entonces solo hay disponibilidad de potencia cuando lo anterior ocurre.
Superadas las 1250 rpm la grafica de potencia de consumo sigue siendo muy
similar a la de corriente y esto debido a que el voltaje se mantiene en un
valor constante (13.7V) gracias al regulador. No se alcanzo gran potencia de
consumo debido al estado de carga de la batería, pero implementando una
batería descargada esta potencia puede aumentar drásticamente.
47
Potencia de consumo
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Velocidad (rpm)
Pote
ncia
(W)
Potencia de carga Potencia generada
Grafica 6. Resultados potencia de consumo con respecto a la velocidad de
giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.
10.2.4. Prueba Eficiencia eléctrica del regulador vs. Rpm
Es de suma importancia cuantificar la eficiencia eléctrica del regulador, ya
que este es el encargado de adecuar la potencia generada por el dinamo y
distribuirla y adminístrala por todo el sistema eléctrico de generación y carga,
haciéndose un dato primordial para el dimensionamiento de los equipos
eléctricos (en este caso el compresor de 24V AC y 65W nominal) que en un
futuro serán alimentados por este sistema en particular.
La eficiencia eléctrica del regulador se calcula por medio del coeficiente entre
la potencia de carga y la potencia generada anteriormente calculadas. La
diferencia entre potencias (generada y carga) evidenciada por la grafica 6 se
atribuye a perdidas en el regulador ya que los demás componentes
48
presentes en el flujo eléctrico son de baja o nula resistencia como
voltímetros, amperímetros y cableado eléctrico. En el momento que el
dinamo empieza a generar corriente inmediatamente el flujo de la misma se
dirige hacia la batería en este caso o hacia los equipos eléctricos
demandando potencia pero no sin antes experimentar perdidas eléctricas.
Los resultados de la cuantificación de la eficiencia eléctrica del regulador se
muestran en la grafica 7. Una vez mas se observa un comportamiento similar
a aquel en la prueba de corriente de consumo que es un súbito aumento en
el valor de la eficiencia del regulador a partir de las 1000 rpm y es solo
cuando el voltaje generado supera al de la batería a las 1250 rpm que se
activa la capacidad reguladora del regulador, entonces así el valor de la
eficiencia eléctrica del regulador comienza a crecer establemente debido al
flujo constante de corriente hacia la batería o demás componentes. A
regimenes bajos de rotación (1250 rpm) la eficiencia es minima y es del
orden del 75%, a partir de este punto la eficiencia empieza a crecer
constantemente, alcanzando eficiencias máximas del orden del 85% al
régimen máximo alcanzado por el sistema de generación (2650 rpm). Es de
esperarse que esta eficiencia nunca alcance el 100% pero si valores
cercanos del orden del 90% a muy altas revoluciones que probablemente
nunca serán alcanzadas.
En la prueba de potencia generada se estableció que la potencia máxima
que se puede generar con este sistema de generación esta por el orden de
los 300W a 2600 rpm aproximadamente, y como la eficiencia del regulador
es conocida a dicho régimen de rotación se puede predecir la potencia real
máxima que el sistema construido puede proporcionar que será
aproximadamente 255W, siendo suficiente para suplir la potencia de
arranque del sistema de refrigeración que es del orden de los 220W y en
consecuencia su potencia nominal que es de 65W.
49
La grafica de potencia consumida con respecto al tiempo por el compresor
perteneciente al sistema de refrigeración para el cual se diseño este proyecto
puede ser vista en el anexo H ó referirse a [5] para mas detalles.
Eficiencia eléctrica del regulador
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Velocidad (rpm)
Efic
ienc
ia (%
)
Grafica 7. Resultados eficiencia del sistema de regulación bajo condiciones
de consumo.
50
11. CONCLUSIONES
Se diseñó y construyó un sistema de generación, control y
acondicionamiento de señal capaz de suplir la potencia de arranque y la
potencia de estabilización de un compresor de 24V AC así como también con
la posibilidad de suplir hasta 300W continuamente a una tensión de 115V AC
y siendo además una fuente confiable de corriente directa de 12V.
Cerca de las 2000 rpm se obtuvo una potencia pico de 300W con una carga
de 1,41 Ohm en el reóstato durante las pruebas de caracterización del
dinamo, manteniéndose relativamente estable hasta las 2650 rpm, y que en
este caso nos asegura que la potencia generada bajo condiciones de
consumo puede ser igual o mayor debido a la tendencia que entre menos
carga mas potencia generada ya que en condiciones reales de operación la
resistencia del sistema será mucho menor.
La principal flaqueza del dinamo es que la cantidad de corriente generada a
velocidades de rotación inferiores a 1000 rpm bajo condiciones de consumo
es muy baja y casi nula debido que es a partir de las 1250 rpm que el
interruptor de retorno se abre y empieza a haber flujo de corriente hacia el
sistema de carga o consumo.
La potencia que el sistema de generación produzca depende directamente
del voltaje de la batería ya que si su voltaje es de alrededor de 13V significa
que esta muy cargada y el regulador no le suministra corriente para no
sobrecargarla, por otro lado si el voltaje de la batería es muy bajo del orden
de los 11V significa que la batería esta casi totalmente descargada y es allí
51
cuando el regulador deja pasar mucha mas corriente para cargar
rápidamente la batería. Esta corriente de carga no se mantiene constante
con el tiempo debido a que el voltaje en la batería va aumentando a medida
que se carga, disminuyendo así el flujo de corriente.
Se comprobó la correcta función reguladora del regulador de voltaje para
dinamo, como se observa en la grafica 4 a partir de las 1250 rpm el voltaje se
mantiene estable independientemente de la velocidad de giro del generador,
asegurando así la estabilidad del sistema.
El regulador mecánico implementado es el protagonista del sistema de
control ya que cumple varias funciones tales como regular el voltaje, el
amperaje y evitar que el dinamo consuma potencia de la batería cuando el
voltaje de ella supera al generado por medio del interruptor de retorno. La
eficiencia eléctrica de este artefacto se cuantificó y se encontró que crece a
medida que el régimen de rotación del dinamo aumenta, lamentablemente el
sistema de transmisión de potencia que hace parte del sistema de
generación no permite alcanzar aquella velocidad de rotación en la que la
eficiencia del regulador se hace máxima y se estabiliza. La grafica 7
evidencia que a 2650 rpm la eficiencia eléctrica del regulador es de casi el
85% y con tendencia a incrementar y una eficiencia minima de 75% a las
1250 rpm. Esta eficiencia es muy importante ya que nos ayuda a saber cual
es la potencia real suministrada al sistema de carga y consumo con respecto
a la velocidad de giro.
En la prueba a potencia variable y de arranque del compresor de 24V AC se
utilizaron dos baterías de 12V dispuestas en serie y el inversor Tecumseh
con el que el sistema cuenta, pero después de haber conectado todos los
componentes al inversor de acuerdo a [5] el compresor no arrancó. Se
decidió probar por separado el inversor y se encontró que las salidas 1, 2 y 3
que deben proporcionar la salida a un voltaje de 24V AC no lo estaban
52
haciendo. Es ahí cuando se decide mandar a fabricar el transformador con
un primario de 115V AC y un secundario de 24V AC para no tener que hacer
uso del inversor Tecumseh y así poder darle arranque al sistema, pero una
vez mas en el momento del arranque del compresor este tampoco reaccionó
y es allí cuando se sabe que el problema no era solo del inversor si no de
todo el sistema eléctrico del sistema de refrigeración, que pudo haber sido
causa de una alimentación excesiva al alimentarlo sin un regulador de voltaje
ya que el inversor solo aguanta 8A, que es lo justo para proporcionar la
potencia de arranque.
En conclusión el sistema de generación y control opera de forma correcta y
estable en todo el rango de velocidades de rotación del dinamo y es capaz
de suplir teóricamente la demanda eléctrica el compresor de 24V AC del
sistema de refrigeración de [5].
53
12. RECOMENDACIONES
Para que el sistema construido pueda ser utilizado en aplicaciones eólicas es
recomendable y de suma obligación implementar un sistema de transmisión
de potencia multiplicador ya que el dinamo como se ha mencionado en
repetidas oportunidades anteriormente genera potencia a partir de las 1250
rpm, el cual es un régimen de rotación imposible de obtener directamente del
rotor en un sistema eólico pequeño de generación de energía eléctrica.
Dichos sistemas operan a un máximo de 600 rpm según [2] y seria necesario
que este genere potencia a bajos regimenes también, por lo que se
recomienda una relación de por lo menos de 1:10 ya sea por poleas o por
una caja multiplicadora de engranajes posiblemente planetaria para poder
aprovechar de una mejor forma la potencia de el viento.
Se recomienda la reparación del compresor de 24V AC para poder ser
alimentado y probar el sistema de generación en condiciones de consumo
reales y así probar la teoría, pero aun así seria recomendable reemplazar el
compresor actual por uno de 12V DC que pueda ser alimentado directamente
del regulador y evitar así perdidas de eficiencia y restricciones en la potencia
suministrada, eventualmente un compresor con una mayor capacidad
frigorífica si es necesario. Los compresores de 12V DC son en la actualidad
demasiado escasos en el mercado colombiano pero sin embargo se pueden
conseguir de segunda mano y en buen estado gracias a su hermeticidad.
54
13. BIBLIOGRAFÍA
1. Beltrán, Rafael G. Principios de conversión térmica de energía.
Universidad de los Andes, 1992.
2. Mukund R. Patel, Wind and Solar Power Systems. CRC Press, 1999.
3. Burton, Sharpe, Jenkins, Bossanti. Wind Energy Handbook. Wiley, 2001.
4. Sonntag, Borgnakke, Van Wylen. Fundamentals of Thermodynamics.
Wiley Fifth Edition, 1998.
5. Salgado, Andrés F. Diseño y construcción de un sistema de refrigeración
con almacenamiento de masa fría alimentado con un modulo fotovoltaico.
Tesis de ingeniería mecánica. Universidad de Los Andes, 2004.
6. www.windpower.org
7. www.globalspec.com
8. Fariñas, Jacobino, Martínez. Generador de imanes permanentes en la
generación de energía. Centro de Estudios de Termoenergética
Azucarera. C.E.T.A.
9. Piggott, H. Wind Electric. Febrero 2001.
10. Robert Bosch GmbH. Automotive electric/electronic systems. BOSCH,
1988.
55
11. Schwoch, Werner. Manual practico del automóvil, mecanismos. Editorial
reverté S.A., 1980.
12. www.nosso.com.ar
13. www.mgaguru.com
14. Beltrán R., Talero A. Refrigeración eólica: Diseño y resultados de una
instalación experimental. Universidad de los Andes.
15. www.tecumseh.com.br
56
14. ANEXOS
Anexo A. Diagrama de conexiones de un regulador BOSCH de 12V. Tomado
de [13]
57
Carga en el reóstato 4,75 Ohm 2 Ohm 1,41 Ohm
Frecuencia ALTIVAR
(Hz)
Velocidad Motor (rpm)
Velocidad Gen (rpm)
Voltaje Gen (V)
Corriente Gen (A)
Potencia Gen (W)
Voltaje Gen (V)
Corriente Gen (A)
Potencia Gen (W)
Voltaje Gen (V)
Corriente Gen (A)
Potencia Gen (W)
0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5 143,00 212,91 0,18 0,00 0,00 0,19 0,00 0,00 0,17 0,00 0,00
10 245,00 364,78 0,41 0,00 0,00 0,44 0,00 0,00 0,39 0,10 0,04 15 443,00 659,58 0,73 0,00 0,00 0,79 0,00 0,00 0,69 0,15 0,10 20 593,00 882,92 1,24 0,00 0,00 1,38 0,00 0,00 1,19 0,25 0,30 25 739,00 1100,30 5,05 0,30 1,51 4,00 0,80 4,47 2,86 4,95 14,16 30 884,00 1316,19 10,88 3,20 34,82 8,07 5,25 42,39 5,31 8,75 46,47 35 1030,00 1533,57 15,96 4,90 78,20 12,25 8,50 104,13 8,44 13,60 114,78 40 1179,10 1755,56 18,40 5,50 101,20 16,51 11,35 187,39 13,07 17,90 233,97 45 1330,70 1981,28 18,38 4,90 90,08 17,32 12,10 209,57 16,04 18,10 290,32 50 1481,00 2205,06 18,32 4,50 82,44 17,24 12,00 206,88 16,56 17,90 296,33 55 1632,50 2430,63 18,30 4,30 78,69 17,25 12,00 207,00 16,43 17,40 285,88 60 1779,30 2649,20 18,40 4,20 77,28 17,26 12,00 207,12 16,40 17,40 285,41
Anexo B. Datos registrados durante la toma de datos para la caracterización del generador.
Voltaje batería Voltaje generado - regulado Corriente de carga Corriente generada Potencia de carga Potencia generada -
regulada 13 0 0 0 0 0 13 0,4 0 0 0 0 13 0,7 0 0 0 0 13 1,2 0 0 0 0 13 2,1 0 0 0 0 13 12,5 0 0 0 0
13,5 13,7 0,29 0,38 3,91 5,20 13,5 13,7 4,5 6 60,75 82,2 13,5 13,7 4,4 5,75 59,4 78,77 13,5 13,7 4 4,9 54 67,13 13,5 13,7 3,8 4,6 51,3 63,02 13,5 13,7 3,4 4 45,9 54,8 13,5 13,7 3,4 4 45,9 54,8
Anexo C. Datos registrados durante la toma de datos para las pruebas de consumo.
58
Anexo D. Compresor utilizado.
Anexo E. Condensador utilizado Anexo F. Válvula de expansión y
evaporador utilizados.
59
Anexo G. Instrucciones de instalación del inversor Monster de 300W.
Anexo H. Potencia consumida por el compresor del sistema de refrigeración.
Tomado de [5].
