Formato

1 RESUMEN

Este proyecto trata de mejorar el funcionamiento de un generador, a travs del aumento del nmero de vueltas de la bobina, por medio de pruebas y ensayos utilizando las ecuaciones matemticas para estudiar el campo magntico producido en una bobina con varios calibres de alambre de cobre y reduciendo cada vez ms el nmero de torque, los cuales se obtendrn mediante el estudio de calibres y rendimiento por medio de un mnimo torque. Tambin se experimentara con distintos materiales para poder estudiar los diversos resultados y poder concluir cada uno de ellos demostrndonos la eficiencia de la maquina por medio del voltaje aplicado para el torque que se necesite.

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El generador es una maquina sncrona de proceso reversible que produce voltaje, pero tambin funciona como motor cuando es alimentada por una fuente elctrica de corriente alterna, esta mquina consta de un rotor de imn permanente y bobinas que al aplicar una velocidad mecnica al rotor, se genera un campo magntico que se transforma en campo elctrico gracias el embobinado que se encuentra en la armadura.

Una vez hecho esto, se debera permitir que el campo se excite durante unos 10 segundos, despus eliminar la fuente de voltaje externa, y finalmente volver a conectar la bobina excitadora. Para los modelos particulares es mejor consultar el propio manual de funcionamiento, ya que incluye recomendaciones.

2.1 Planteamiento de la Pregunta de InvestigacinDe acuerdo a lo anterior se plantea hacer una investigacin con lo que se busca analizar el funcionamiento de este motor y lograr responder a la problemtica de Cmo producir un mayor voltaje con un mnimo torque?

3 JUSTIFICACION

Con este estudio se pretende disminuir la velocidad angular (W) para reducir costos en la aplicacin mecnica del generador.

Debido a la ecuacin relacionada anteriormente, lo ms viable es aumentar el nmero de vueltas del embobinado(N) y aumentar el voltaje de entrega, para esto se tiene en cuenta, que al aumentar el nmero de vueltas de la bovina se incrementa la resistencia y nos favorece porque si nos basamos en la ley de ohm nos damos cuenta que V=I.R entonces a mayor resistencia mayor voltaje

Tambin se tiene en cuenta que el conductor que se debe utilizar debe ser delgado debido a que facilita la circulacin de voltaje.

La importancia de este anlisis es permitir la disminucin de costo debido a que el trabajo mecnico aplicado en el rotor del generador puede ser menor y producir el voltaje requerido. Por lo que el combustible consumido por el motor que nos produce la energa mecnica es menor ya que estar trabajando en una revolucin mnima.Impacto ambiental

Los generadores elctricos sirven para convertir energa mecnica en energa elctrica, estos no tienen ningn impacto, lo que daa al ambiente es el tipo de combustible o energa que se use para mover el generador. Por ejemplo en una presa el agua mueve turbinas y estos estn unidos por un eje a un generador. No contamina. Pero construir presas inunda y muchas especies de animales tienen que migrar a otro lado.

Econmico Generando voltaje a un menor costo con lo cual se genera la misma cantidad de energa y tendremos menos costos en maquinaria, diseos y puesta en marcha de generadores para suplir la gran necesidad de la empresa y se ahorrara en mantenimientos de la planta.4 OBJETIVOS DEL PROYECTO4.1 General:Mejorar el funcionamiento del generador de la planta elctrica de la Universidad Pontificia Bolivariana para producir mayor voltaje con un torque mnimo aplicado para el mejor funcionamiento del generador.4.2 Especficos: Identificar el funcionamiento del generador mediante ecuaciones matemticas Establecer el campo magntico en una bobina mediante ecuaciones matemticas Desarrollar un estudio en la variacin del voltaje y el torque aplicado aumentando la corriente. Determinar el consumo de salida y de entrada al generador con relatividad en el torque5 MARCO DE REFERENCIAOjo Antecedentes estudios anteriores resientes 5.1 Marco terico

Segn Mora, Freilen. Las maquinas sncronas estn sometidas al principio de reciprocidad electromagntica, pudiendo funcionar tanto en rgimen generador como en rgimen motor. Sin embargo, en la prctica de las instalaciones elctricas es ms frecuente su empleo como generadores, para producir energa elctrica de corriente alterna en las centrales elctricas a partir de fuentes primarias de energa hidrulica, trmica o nuclear.

Se define el torque de una fuerza F que acta sobre algn punto del cuerpo rgido, en una posicin r respecto de cualquier origen 0, por el que puede pasar un eje sobre el cual se produce la rotacin del cuerpo rgido, al producto vectorial entre la posicin r y la fuerza aplicada F, por la siguiente expresin:T=r x F

Cuando se aplica una fuerza en algn punto de un cuerpo rgido, el cuerpo tiende a realizar un movimiento de rotacin en torno a algn eje. La propiedad de la fuerza para hacer girar al cuerpo se mide con una magnitud fsica que llamamos torque o momento de la fuerza. Se prefiere usar el nombre torque y no momento, porque este ltimo se emplea para referirnos al momento lineal, al momento angular o al momento de inercia, que son todas magnitudes fsicas diferentes para las cuales se usa el mismo trmino. Segn la frmula de Lorentz un generador de imanes permanentes consta de un conjunto de imanes que se mueven frente a unas bobinas fijas. Es de ms fcil aplicacin y da una explicacin ms sencilla de este mismo fenmeno de induccin y se aplica a los conductores que forman la espira.5.2 Marco conceptual

Para poder llegar a una mejor comprensin del proyecto, es necesario entrar a definir la terminologa de ms relevancia:Qu es un Torque?

El torque es una magnitud vectorial, si es el ngulo entre r y F, su valor numrico, por definicin del producto vectorial, es: T= r (F sen a), su direccin es siempre perpendicular al plano de los vectores r y F, su sentido est dado por la regla del producto vectorial, la regla del sentido de avance del tornillo o la regla de la mano derecha.

Qu es el electromagnetismo?Los cientficos que se dedicaron a investigar los fenmenos elctricos, pronto se dieron cuenta de que ellos estaban muy relacionados con el magnetismo. As se descubri que una corriente elctrica circulando por un cable produca un campo magntico a su alrededor. Este fenmeno permiti construir los primeros electroimanes. Al unir los fenmenos elctricos y con los magnticos naco una nueva rea de la Fsica, el electromagnetismo.

Figura No. 1 Electromagnetismo

Induccin electromagnticaLa corriente elctrica es la medida de la cantidad de carga elctrica que fluye a travs de un cuerpo (un cable por ejemplo) en un tiempo determinado. Su unidad de medida es el ampere o amperio y su smbolo es (A). Cuando se acerca el imn a una bobina, el ampermetro indica una corriente en un cierto sentido.

Cuando se aleja el imn de la bobina se ve que la corriente cambia de sentido. Se ha generado entonces una corriente alterna.

Figura No. 2 Induccin electromagnticoCorriente alternaEn una corriente alterna cambia cclicamente el sentido de movimiento de la carga elctrica (electrones) en cable conductor. Pero no solamente cambia el sentido sino tambin la magnitud o intensidad de dicha corriente. As, cada vez que se completa un ciclo, la intensidad de la corriente vuelve a cero. Al graficar la intensidad de la corriente en el tiempo se obtiene una curva sinusoidal parecida a la forma de la onda en una cuerda.

Figura No. 3 corriente alterna

Ley de Faraday

Un voltaje constante produce una corriente continua dentro de un circuito y, de modo similar, una corriente alterna ser producida por un voltaje alterno, es decir un voltaje cuya intensidad vara sinusoidalmente en el tiempo, tal como muestra el grfico siguiente.

Entonces:

Figura No. 4. Ley de FaradayGenerador elctrico

En un generador de electricidad se hace girar un conjunto de bobinas en torno de un campo magntico generado habitualmente por electroimanes. El sistema de bobinas a su vez est unido a una turbina, es decir, una rueda con aspas que puede girar rpidamente usando algn tipo de energa. De esta forma el generador transforma la energa mecnica de rotacin de la turbina en energa elctrica inducida por la Rotacin de las bobinas.

Figura No. 5. Generador ElectricoCuanto ms rpido se haga girar la turbina, mayor ser el voltaje elctrico que se producir en el generador, y la corriente alterna producida tendr mayor frecuencia.

Se pueden utilizar diferentes fuentes de energa para mover un generador como, por ejemplo, el pedaleo, el agua, el viento o el vapor.5.3 Marco HistricoAntes de que se descubriera la conexin entre el magnetismo y la electricidad, se han utilizado los generadores electrostticos. Ellos operan en principios electrostticos. Estos generadores generan muy alto voltaje y baja corriente. Funcionaron con correas mviles cargadas elctricamente, placas y discos que llevaron a cargo a un alto potencial de electrodo. La carga se genera mediante dos mecanismos:

Induccin electrosttica

El efecto triboelctrica, donde el contacto entre dos aisladores les deja cargada.

Debido a su ineficiencia y la dificultad de mquinas que producen voltajes muy altos de aislamiento, los generadores electrostticos tenan puntuaciones de baja potencia, y nunca se utilizaron para la generacin de cantidades comercialmente significativas de la energa elctrica. La mquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaff son ejemplos de estas mquinas que han sobrevivido.

En 1827, el hngaro Anyos Jedlik comenz a experimentar con los dispositivos rotatorios electromagnticos que llam electromagntico auto-rotores, ahora llamado dnamo del Jedlik. En el prototipo del motor de arranque elctrico de un solo polo tanto el estacionaria y las partes giratorias eran electromagntica. l formul el concepto de la dinamo, al menos, 6 aos antes de Siemens y Wheatstone, pero no patent como pensaba que no fue el primero en darse cuenta de esto. En esencia, el concepto es que en lugar de imanes permanentes, dos electroimanes opuestos el uno al otro inducen el campo magntico alrededor del rotor. Tambin fue el descubrimiento del principio de auto-excitacin.

En los aos de 1831-1832, Michael Faraday descubri el principio de funcionamiento de los generadores electromagnticos. El principio, ms tarde llamado la ley de Faraday, que es una fuerza electromotriz se genera en un conductor elctrico que rodea un flujo magntico variable. Tambin construy el primer generador electromagntico, llamado el disco de Faraday, un tipo de generador homopolar, usando un disco de cobre girar entre los polos de un imn de herradura. Se produce un pequeo voltaje DC.

Este diseo era ineficaz, debido a la auto-cancelacin de sentidos opuestos de corriente en regiones que no estaban bajo la influencia del campo magntico. Mientras actual fue inducida directamente por debajo del imn, la corriente circulara hacia atrs en las regiones que estaban fuera de la influencia del campo magntico. Esta contracorriente limita la salida de potencia a los cables de la recogida, y calefaccin residuos inducida del disco de cobre. Ms tarde generadores homopolares resolveran este problema mediante el uso de una serie de imanes dispuestos alrededor del permetro del disco para mantener un efecto de campo constante en una direccin de flujo de corriente.

Otra desventaja es que la tensin de salida fue muy baja, debido a la nica trayectoria de la corriente a travs del flujo magntico. Los experimentadores han encontrado que el uso de mltiples vueltas de alambre en una bobina podra producir mayores tensiones, ms tiles. Dado que la tensin de salida es proporcional al nmero de vueltas, los generadores pueden ser fcilmente diseados para producir cualquier voltaje deseado variando el nmero de vueltas. Arrollamientos de alambre se convirtieron en una caracterstica bsica de todos los diseos de generadores posteriores.

La dinamo fue el primer generador elctrico capaz de suministrar energa para la industria. El dnamo utiliza induccin electromagntica para convertir la rotacin mecnica en corriente directa a travs del uso de un conmutador. La primera dinamo fue construido por Hippolyte Pixii en 1832.

Una mquina dinamo consiste en una estructura estacionaria, que proporciona un campo magntico constante, y un conjunto de devanados que se convierten dentro de ese campo giratorio. En las mquinas pequeas el campo magntico constante puede ser proporcionado por uno o ms imanes permanentes; mquinas ms grandes tienen el campo magntico constante proporcionada por uno o ms electroimanes, que por lo general se denominan bobinas de campo.

A travs de una serie de descubrimientos accidentales, la dinamo se convirti en la fuente de muchas invenciones posteriores, incluyendo el motor de corriente elctrica, el alternador de CA, el motor sncrono de CA, y el convertidor rotatorio.

Sistemas generadores de corriente alterna se conoce en formas simples del descubrimiento de la induccin magntica de la corriente elctrica. Las primeras mquinas fueron desarrolladas por los pioneros como Michael Faraday y Hippolyte Pixii.

5.4 Marco LegalA continuacin se enunciara la normatividad que tiene que ver con la temtica del proyecto:

La Carta Constitucional define el carcter social del Estado y en este marco reconoce la proteccin del medio ambiente como principio fundamental y derecho colectivo[1]. All, se establecen y sintetizan los elementos claves que hoy orientan el manejo ambiental del pas: proteccin del ambiente; compromiso con la sostenibilidad y la eficiencia econmica; control fiscal; participacin ciudadana y respeto por la cultura.

La Ley 99 de 1993 Ley del Medio Ambiente, crea el Ministerio del Medio Ambiente (hoy Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial MAVDT), reordena el sector pblico encargado de la gestin y conservacin del medio ambiente y los recursos naturales renovables, y organiza el Sistema Nacional Ambiental SINA-, entre otros.

El MAVDT, conjuntamente con el Presidente de la Repblica en Colombia, es el ente encargado de formular la poltica ambiental, considerando este elemento como eje transversal para el desarrollo econmico y social, el crecimiento y la sostenibilidad del pas. Su visin apunta, entre otros, al desarrollo autosostenible y a la potencializacin de las ventajas comparativas de la nacin, para lo cual establece como directrices principales la planificacin y administracin eficiente por parte de las autoridades ambientales, la visin regional para el desarrollo sostenible y la consolidacin de espacios de participacin.

La ley 1450 de 2011, mediante la cual se formula el Plan Nacional de Desarrollo 2010-2014, indica que durante el cuatrienio 2010-2014 se incorporarn los siguientes ejes transversales en todas las esferas del quehacer nacional con el fin de obtener la Prosperidad para Todos: () una sociedad a la cual la sostenibilidad ambiental, la adaptacin al cambio climtico, el acceso a las tecnologas de la informacin y las comunicaciones y el desarrollo cultural sean una prioridad y una prctica como elemento esencial del bienestar y como principio de equidad con las futuras generaciones. Los aspectos ambientales relevantes de la ley se destacaran en los respectivos temas.6 METODOLOGIAEl tipo de investigacin que se utilizara en este proyecto es la Descriptiva, de tipo de estudios de desarrollo, pues esta describe de modo sistemtico las caractersticas de una poblacin, situacin o rea de inters. En ella el grupo de investigacin recoge datos sobre la base de una hiptesis o teora, exponen y resumen la informacin de manera cuidadosa y luego se analizan minuciosamente los resultados, a fin de extraer generalizaciones significativas que contribuyan al conocimiento.

Su objetivo es llegar a conocer las situaciones, costumbres y actitudes predominantes a travs de la descripcin exacta de las actividades, objetos, procesos y personas. Su meta no se limita a la recoleccin de datos, sino a la prediccin e identificacin de las relaciones que existen entre dos o ms variables.

Este proyecto de investigacin tiene las siguientes etapas:

1.Examinar las caractersticas del problema

2.Definicin y formulacin de hiptesis

3.Enunciar los supuestos en que se basa la hiptesis

4.Elegir las fuentes para elaborar el marco terico

5.Seleccin de las tcnicas de recoleccin de datos

6.Establecer categoras precisas, que se adecuen al propsito del estudio y que permitan poner de manifiesto las semejanzas, diferencias y relaciones significativas.

7.Verificacin de validez del instrumento

8.Realizar observaciones objetivas y exactas

9.Descripcin, anlisis e interpretacin de los datos. 7 CONCLUSIONES

El presente proyecto se basa en el fenmeno de induccin electromagntica: cuando un conductor hace un movimiento relativo hacia el campo magntico, se induce el voltaje en el conductor. Particularmente, si una bobina est girando en un campo magntico, significa que las dos caras de la turbina se mueven en direcciones opuestas y se aaden los voltajes inducidos a cada lado. Numricamente, el valor instantneo del voltaje final (denominado fuerza electromotriz emf) es igual al resto del ndice de cambio del flujo magntico veces el nombre de vueltas de la bobina: V=N/t. Esta relacin se ha encontrado experimentalmente y hace referencia a la Ley de Faraday. El smbolo menos es por la ley de Lenz, que indica que la direccin de emf es tal que el campo magntico de la corriente inducida se opone al cambio en el flujo que produce esta f.e.m. La ley de Lenz est relacionada con la conservacin de energa.

8. CRONOGRAMATITULO DEL PROYECTO:

MEJORAR EL FUNCIONAMIENTO DE UN GENERADOR PARA PRODUCIR MAYOR VOLTAJE CON UN TORQUE MINIMO APLICADO

ESTUDIANTES RESPONSABLES

Este formato fue diseado de acuerdo a los lineamientos de investigacin de la Institucin

13