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PROYECTO FISICA ELECTRICA
LUIS CARLOS GOMEZ FABIO ANDRES NIÑO
ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES FISICA ELECTRICA
BOGOTA 2013
Física Eléctrica
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GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA EN ENERGIA MECANICA POR MEDIO ELECTROMAGNETICO
LUIS CARLOS GOMEZ FABIO ANDRES NIÑO
ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES FISICA ELECTRICA
BOGOTA 2013
Física Eléctrica
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ÍNDICE
1. IDENTIFICACIÓN DE PROYECTO ............................................................. 3
1.1 MARCO TEORICO .................................................................................... 3
1.1.1 ANTECEDENTES ............................................................................... 3
1.2 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO .............................................. 5
1.2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL PROYECTO .................................. 5
1.3 Marco Teórico ........................................................................................ 5
1.4 DESARROLLO DEL PROYECTO .......................................................... 8
Física Eléctrica
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1. IDENTIFICACIÓN DE PROYECTO
1.1 MARCO TEORICO
1.1.1 ANTECEDENTES La vida moderna sería impensable sin la existencia de los generadores de
electricidad, ya que éstos los encontramos en todas partes: en la industria, el
transporte, el hogar, etc.
En nuestra vida diaria estamos acostumbrados a un tipo particular de
generadores: como son los que generan electricidad mediante uno u otro tipo
de energía, pues existen en muchos de los aparatos que tenemos en nuestra
casa. Debido a la importancia que tienen en nuestra vida cotidiana,
consideramos importante conocer cómo son los generadores, motores y los
principios físicos involucrados en su funcionamiento.
1.1.2 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
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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
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motores eran comercialmente fracasados y Davenport arruinaba. Varios
inventores siguieron el esturión en el desarrollo de los motores de la C.C. pero
todos encontraron las mismas ediciones del coste con energía de batería
primaria. No se había desarrollado ninguna distribución de la electricidad en
ese entonces. Como el motor del esturión, no había mercado comercial
práctico para estos motores.
El motor moderno de la C.C. fue inventado por accidente en 1873, cuando
Gramo de Zénobe conectó dínamo él había inventado a una segunda unidad
similar, conduciéndolo como motor. Máquina del gramo era el primer motor
eléctrico que era acertado en la industria.
En 1888 Nikola Tesla inventó el primer practicable Motor de CA y con él el
sistema polifásico de la transmisión de energía. Tesla continuó su trabajo en el
motor de CA en los años para seguir en la compañía de Westinghouse.
Figura 1. Ejemplos de Motores
1.2 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO
1.2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL PROYECTO Montaje de estructura que simule energía eléctrica generada por imanes Transformación de la energía Aplicar conceptos vistos en clase Generas un modelo alternativo de la energía.
1.2 Marco Teórico
Motores de imanes permanentes en aplicaciones de baja velocidad
El motor de imanes permanentes es un desarrollo innovador dentro de la
tecnología de motores sincrónicos que combina la alta precisión de este tipo de
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motor con el diseño simple y robusto de un motor de inducción asincrónico
jaula de ardilla. Es capaz de entregar un muy alto torque desde un pequeño
tamaño de motor a baja velocidad, eliminando la necesidad de cajas de
reducción. El motor de imanes permanentes requiere el suministro de un
convertidor de frecuencia, que han sido especialmente modificados para operar
con este tipo de motores.
El motor de imanes permanentes de baja tensión es un nuevo tipo de motor
sincrónico para aplicaciones de baja velocidad, diseñado para ser empleado
con accionamientos de velocidad variable. Mecánicamente, el tipo de motor es
similar a los tradicionales de inducción jaula de ardilla e incluso su apariencia
exterior es la misma, sin embargo, en términos de performance, puede entregar
los mismos resultados que los de un motor sincrónico.
¿Cómo está diseñado y construido un motor de imanes permanentes?
Tradicionalmente, el motor sincrónico es de una construcción más compleja
que la del motor de inducción estándar. Con el nuevo tipo de motor, el diseño
se ha simplificado mediante el uso de potentes imanes permanentes para crear
un flujo constante en el entrehierro, eliminando así la necesidad del rotor
bobinado y escobillas utilizadas normalmente para la excitación en los motores
sincrónicos. Esto permite obtener el rendimiento de un motor sincrónico,
combinado con el diseño robusto y simple de un motor de inducción estándar.
El motor de imanes permanentes debe ser energizado directamente en el
estator por medio de un accionamiento de velocidad variable.
¿Cuáles son los beneficios del uso de motores de imanes permanentes?
Los motores de inducción estándar no se adaptan especialmente bien a
operaciones de baja velocidad, pues su eficiencia cae con la reducción de
velocidad y sólo están disponibles normalmente hasta 12 polos, limitándolos en
los rangos de baja velocidad (esto normalmente se puede superar mediante
una caja de reducción).
La nueva solución de motor de imanes permanentes proporciona un alto torque
acoplado directamente con la carga a bajas velocidades. Al eliminar la caja de
reducción, el usuario ahorra espacio, costos de instalación, elimina un punto de
falla y, lo más importante, mejora la eficiencia y disminuye el mantenimiento del
accionamiento.
La combinación de un menor número de componentes y sencilla configuración
reduce los costos por hora de ingeniería, facilita la instalación, permite un uso
más eficiente del espacio y reduce los inventarios de repuesto.
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Es importante destacar que en accionamientos de velocidad variable, esta
solución mejora la unidad de control, pues permite que el convertidor funcione
sin la necesidad de un encoder debido a que los motores sincrónicos operan
sólo a la velocidad determinada por la frecuencia de alimentación. La precisión
es tan buena como la de un motor de inducción con un dispositivo de
retroalimentación. Esto significa que el encoder puede ser eliminado,
reduciendo aún más la necesidad de mantenimiento.
¿Cuáles son las aplicaciones adecuadas?
El motor de imanes permanentes sincrónico es ideal para accionamientos de
máquinas de papel, eliminando la necesidad de cajas de reducción y encoder.
En una reciente instalación, 29 de estos motores fueron utilizados,
contribuyendo a mejorar la confiabilidad y la precisión de control de la unidad
del sistema. Sin embargo, los motores de imanes permanentes pueden ser
utilizados en cualquier aplicación, cuando normalmente se emplean motores de
jaula de ardilla con una caja de reducción.
¿Cuáles son las características especiales del motor de imán
permanente?
El motor de imanes permanentes está diseñado exclusivamente para el
suministro de un convertidor de frecuencia no pudiendo ser utilizado para
partidas directas. Por otra parte, la tensión se ve afectada por la velocidad del
motor, debido al constante flujo de los imanes permanentes. Por esta razón, el
exceso de velocidad se limita al 20%. Una mayor velocidad aumenta la tensión,
lo que podría poner en peligro el aislamiento de los motores.
El catálogo de datos sólo es aplicable con la tensión de red especificada, por
ejemplo, los datos a 400 V no son válidos para redes de 380 V o 415 V. Los
motores pueden ser utilizados en diversos niveles de voltaje, pero la velocidad
y la potencia pueden variar.
Normalmente el torque máximo de un motor de imanes permanentes es menor
al de un motor asincrónico normal. En la práctica, esto significa que estos
motores tienen un tiempo muy limitado de capacidad de sobrecarga.
Un fuerte flujo magnético siempre está presente en el motor aunque el estator
no esté energizado. Si el eje es girado se generarán tensiones en los
terminales del motor.
Debido al hecho de que el rotor se encuentra magnetizado, el motor no puede
eliminarse tan fácilmente como un motor de inducción. Sin embargo,
herramientas se encuentran disponibles en caso de que sea necesario.
Mantenimiento rutinario, por ejemplo con la sustitución, puede ser llevado a
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cabo por el motor de apertura del mismo modo que un motor de jaula de ardilla
estándar.
¿Cualquier convertidor de frecuencia puede controlar un motor de imán
permanente?
Los motores de imanes permanentes sólo pueden ser controlados con una
unidad de velocidad variable que cuenten con el software de control del motor
síncrono desarrollado específicamente para el control de flujo de imán
permanente.
¿Cuál es el rango del motor?
La velocidad y potencia de un motor de imanes permanentes son los
siguientes:
• 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..
Generador eléctrico: Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de
mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos,
llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas
destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación
se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores
eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si
mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el
campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).
Se clasifican en dos tipos fundamentales: primarios y secundarios.
Son generadores primarios los que convierten en energía eléctrica
la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen
inicialmente, mientras que los secundarios entregan una parte de la
energía eléctrica que han recibido previamente. Se agruparán los
dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de
fundamento.
Desde el punto de vista teórico (teoría de circuitos) se distinguen dos tipos
ideales:
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• Generador de voltaje: un generador de voltaje ideal mantiene un voltaje fijo
entre sus terminales con independencia de la resistencia de la carga que pueda
estar conectada entre ellos.
• Generador de corriente: un generador de corriente ideal mantiene una
corriente constante por el circuito externo con independencia de la resistencia
de la carga que pueda estar conectada entre ellos
Definiciones
CAMPO ELÉCTRICO: Un campo electromagnético es un campo físico,
de tipo tensorial, producido por aquellos elementos cargados
eléctricamente, que afecta a partículas con carga eléctrica.
DIFERENCIA DE POTENCIAL: El potencial eléctrico o potencial
electrostático en un punto es el trabajo que debe realizar un campo
electrostático para mover una carga positiva q desde el punto de
referencia,1 dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra
forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una
carga unitaria q desde la referencia hasta el punto considerado en
contra de la fuerza eléctrica.
ENERGÍA CINÉTICA: Energía cinética de un cuerpo es aquella energía
que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo
necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el
reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía
durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo
que cambie su velocidad.
ENERGÍA MECÁNICA: La energía mecánica es la energía que se debe
a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de
las energías potencial y cinética de un sistema mecánico. Expresa la
capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.
GENERADOR ELÉCTRICO: Un generador eléctrico es todo dispositivo
capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de
sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la
energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la
acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos
dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor).
IMÁN: Un imán es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo
significativo, de forma que tiende a juntarse con otros imanes o metales
ferromagnéticos (por ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones).
Puede ser natural o artificial.
MÁQUINA: Una máquina es un conjunto de elementos móviles y fijos
cuyo funcionamiento posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar
energía o realizar un trabajo con un fin determinado.
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MOTOR: Un motor es la parte sistemática de una máquina capaz de
hacer funcionar algo transformando algún tipo de energía (eléctrica, de
combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar un
trabajo.
1.3 DESARROLLO DEL PROYECTO
Figura 2. Plano Para la Elaboracion Del Proyecto
MATERIALES:
Dos imanes redondos
Cable para conexión eléctrica
Alambre de cobre esmaltado 0,32 mm
2 diodos emisores de luz ( LED )
1 eje (tornillo)
Resistencias 5 ohmios
Pilas triple a
Base de acrílico
Carretes Plasticos
Una de las partes más importantes es el ensamble y uso adecuado de los
materiales, a continuación se muestra las piezas relacionadas que se utilizan
para el desarrollo de este proyecto.
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Acetato
Alambre de Cobre
Tornillos
Imanes
Física Eléctrica
12
Pila y Carrete
Cable y Resistencias
Bobinas (Elaboradas con el alambre de cobre y
los carretes de hilo (650 vueltas a cada una)
LED
Física Eléctrica
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Producto Final Ensamblado
Conclusión
Creemos que es muy importante empezar hablar de las distintas clases de
fenómenos que crean la energía eléctrica, primero es empezar por tener claro
su definición para que de esta manera podamos determinar el cómo y porque
se produce esta. La energía eléctrica se produce por el movimiento de cargas
eléctricas. Para el desarrollo de este proyecto se utilizaron los conceptos vistos
en clase y por eso creemos que el experimentó de generar estos tipos de
productos hacen que el estudiante fortaleza sus habilidades de ingenio, análisis
y sobretodo desarrollo y cree para sí mismo la capacidad de acutoingenio que
le permita desarrollar propuestas innovadoras para un mundo en constante
crecimiento
BIBLIOGRAFIA / INFOGRAFIA
http://motorelectrico-colegioeljazmin901.blogspot.com/2010/09/historia-del-motor-electrico.html. Fecha de consulta marzo de 2013 FISICA – PRINCIPIO CON APLICACIONES – GIANCOLI C. DOUGLAS – 2006
