Reporte Proyecto Integrador Generacion de Energia Electrica Termica

Facultad de ingeniera electromecnicaIng. Mecatronica Reporte de Proyecto Integrador Control de Voltaje y Frecuencia de un Sistema Generacin de Energa Elctrica Tipo Trmico Desarrollado por: Ral Enrique Martnez Baltazar Daniel Snchez Peredia Ricardo Daniel Magaa Garca Weymar Morales Molano

Emilio Snchez Orozco

Revisores:LLE Lizeth Almada Ing. Leonardo Garcia Sanchez M.C. Efrain Hernandez Sanchez M.C. Marco A Perez Gonzalez Dr. Fernando Rodriguez Haro Dr. Ramon Octavio Jimenez Betancourt

5 Facultad de Ingeniera Electromecnica

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02 de Junio de 2011 ndice Abstract I. Introduccin II. Componentes de un sistema de energa elctrica 2.1 Tipos de centrales de generacin 2.2 Energa primaria y conversin de esta a energa mecnica 2.3 Formas de energa primaria 2.4 Conversin de energa primaria a energa mecnica. 1.3 caracteristicas principales de control de frecuencia I.4 caracteristicas principales de control de voltaje I.5 Estructura del proyecto III. Fundamentos Bsicos de una Central Generadora Trmica3.1 Principios de generacin de energa elctrica 3.2Centrales trmicas 3.3 Centrales termoelctricas de ciclo convencional 3.4 Centrales termoelctricas de ciclo combinado 3.5 Tipos de turbinas 3.5.1 Turbinas trmicas 3.5.2 Turbinas a vapor 3.5.3 Clasificacin IV. Turbina de Tesla 4.1 Primera turbina experimental de discos 4.2 Las partes de la turbina de Tesla 4.3 Principio de operacin de la turbina de discos

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Principio de generacin de energia elctrica con el Generador Sincrono (generadores de alta velocidad) 3.1 Voltaje inducido en una espira rotacional 3.2 Par inducido en una mquina de corriente alterna 3.3 Relacin entre la frecuencia elctrica y la velocidad del campo magntico Generadores elctricos 4.1 Parte de un generador 4.2 Tipos de generadores 4.3 Generadores de corriente alterna (alternadores) Generadores sncronos 5.1 Principio de funcionamiento5.2 Velocidad de rotacin de un generador sncrono 5.3 El voltaje interno generado por un generador sncrono 5.4 Potencia y par en los generadores sncronos

6 Esquemas de control de frecuencia y voltaje de generadores elctricos termoelctricos. Sistemas de control de velocidad de turbina trmica Sistemas de control de voltaje de generador sncrono tipo rectificador VI. Propuesta de diseo de control de frecuencia


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10.1 Resepcion de datos 10.2 Procesamiento de Datos 10.3 Emisin de Datos XI Propuesta de diseo de control de voltaje Modulador de Ancho de Pulso (PWM). 11.1 Comparacin Inicial 11.2 Integracin 11.3 Generacin de la onda diente de sierra 11.4 Inversin diente de sierra 11.5 Comparacin Final XII.Pruebas operativas del sistema de control Respuesta de lazo de control a incrementos de carga elctrica resistiva XIII. Conclusiones y recomendaciones para proyectos futuros XIV. Analisis de costos

I. Introduccin:Cmo funcionan los aparatos elctricos?, De dnde proviene la energa que los hace funcionar?, las respuestas a estas preguntas son conocidas por la mayora de las personas, sin embargo; est claro que es as como funciona? Dentro del conocimiento general se sabe que la mayora de los aparatos elctricos del hogar funcionan con energa elctrica, de ah el nombre: aparatos elctricos. Sin embargo, hay mucho ms conocimiento detrs ello. La energa elctrica surge a partir de un proceso de conversin de algn tipo de energa a otro (en este caso elctrica) mediante un proceso denominado generacin de energa elctrica. El proceso de generacin de energa elctrica es un proceso delicado, del cual se debe obtener una corriente elctrica con ciertas caractersticas constantes, es decir; para correcto funcionamiento de todo dispositivo elctrico, la corriente elctrica presenta particularidades estables. La corriente elctrica consta de una frecuencia y voltaje siempre constantes. A razn de una frecuencia y voltaje constantes se disean generadores y turbinas, que dependiendo del tipo de proceso que las mover mantengan los parmetros establecidos. Por obvias razones entonces, quien juega el papel ms importante dentro del proceso de generacin elctrica es el generador elctrico, pues el generador elctrico vara la frecuencia y el voltaje de la energa obtenida. Por qu es tan importante mantener estos parmetros? Algo muy importante para el correcto funcionamiento de los dispositivos elctricos es la siempre constante alimentacin elctrica, es decir; trabajan en un cierto rango de voltaje, el cual de ser menor o mayor daara parcial o totalmente el dispositivo. La magnitud del voltaje se regula mediante la inyeccin de voltaje dentro del campo elctrico del generador produciendo una mayor densidad de flujo magntico y por ende un mayor voltaje obtenido. Por otro lado tambin debe cumplir con una cierta frecuencia (cantidad de ciclos completos por unidad de tiempo). Que de no ser estable o no cumplir con el parmetro establecido, daara el dispositivo elctrico. La frecuencia vara segn la velocidad de giro del generador. Para efecto del proyecto expresado a continuacin se tiene un enfoque muy importante en el generador, dadas las caractersticas de un proyecto dirigido al rea de generacin trmica y muy en particular en la implementacin de una turbina tesla, cuyas caractersticas brindan una muy alta velocidad de giro pero bajo torque, para lo cual es ms efectivo el uso de un generador de dimetro reducido y gran longitud. El punto de enfoque de este proyecto son los lazos de control para las dos caractersticas de la corriente generada: frecuencia y voltaje.


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II. Componentes de un Sistema de Energa ElctricaUn sistema de energa elctrica en rasgos generales comprende el conjunto de medios y elementos tiles para la generacin, transporte y la distribucin de la energa elctrica. Sin embargo para propsito de este trabajo se enfoca nicamente a la parte de generacin, lo cual involucra nicamente un control para mantener un voltaje y frecuencia contantes.

El elemento del sistema de energa elctrica de inters para este trabajo es la central de generacin elctrica o central generadora, estas se clasifican en distintos tipos segn sea el medio para obtener la energa elctrica: vapor, aire, agua, energa solar, etc.

2.1 Tipos de centrales de generacin Existen diferentes tipos de centrales generadoras, estas se clasifican segn el tipo de operacin con la cual generan energa elctrica. los tipos ms importantes e incluyen el uso de generadores como principal medio de generacin: Termoelctrica Hidroelctrica Elica Termoelctrica: Se denomina central termoelctrica a la instalacin empleada en la obtencin de energa elctrica a partir de calor, mismo que se obtiene tanto de combustibles fsiles como de fisin nuclear, o energa solar. Las centrales termoelctricas funcionan bsicamente llevando una sustancia liquida hasta su punto crtico, convirtindola en vapor a altas temperaturas que posteriormente se utiliza para mover turbinas creando la energa mecnica encargada de mover los generadores que producen la energa elctrica. La diferencia entre centrales termoelctricas es el mtodo para obtener la energa calorfica: combustleo, gas natural, carbn mineral, y centrales ms complejas como las de paneles termo-solares o aquellas que utilizan la fisin y fusin nuclear.

Hidroelctrica: Se denomina central hidroelctrica a aquella instalacin que obtiene energa elctrica a partir del aprovechamiento de la energa potencial del agua embalsada en una presa situada a ms alto nivel que la


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central elctrica. el agua es llevada por tuberas de descarga a las enormes turbinas hidrulicas que proporcionan la energa mecnica a los generadores. Elica: La energa elica proviene del viento, es decir, la energa cintica generada por el efecto de las corrientes de aire o de las vibraciones que el viento produce. No hay una central elica como tal, existen campos de aerogeneradores ubicados en zonas expuestas a vientos frecuentes. 2.2 Energa primaria y conversin de esta a energa mecnica Se denomina energa primaria a toda forma de energa disponible en la naturaleza antes de ser convertida o trasformada. Consiste pues en la energa contenida en combustibles crudos y otras formas de energa que pueden ser utilizadas en un sistema de generacin. Si no es utilizable de forma directa, deber ser transformada en una energa secundaria, para ser despus almacenada y transportada para ser consumida al final. 2.3 Formas de energa primaria Energa mareomotriz Energa elica Combustibles minerales: carbn, lignito, hidrocarburos Biomasa: madera, desechos de materia orgnica Elementos nucleares: plutonio, uranio Energa solar Energa geotermal 2.4 Conversin de energa primaria a mecnicaEn el caso de una termoelctrica la forma de la energa primaria es un combustible, comnmente un derivado del petrleo que se considera. El rey de la energa mundial, hasta el punto que nuestra poca es llamada muchas veces la era del petrleo. Aunque tal vez no por mucho tiempo. Una vez dicho esto veremos cmo es que esa energa primaria se transforma, hasta convertirse en energa mecnica y elctrica Es bueno saber que la conversin de la energa primaria a mecnica no se da en un paso, existen varias transformaciones hasta llegar a la energa mecnica. En este tipo de centrales observamos lo siguiente: 1la fuente de energa disponible es un combustible (combustible pesado, gas, diesel, carbn etc...). La energa se encuentra almacenada en el combustible segn su composicin qumica y se libera haciendo que se produzca una reaccin qumica que en este caso es la combustin. Al producirse la combustin, ya se tiene la primera transformacin de energa, es decir, que la energa qumica del combustible se transforma en calor (energa calorfica) en la flama y en los gases calientes producto de la combustin. La combustin se realiza en el hogar de un generador de vapor. Si la energa de los gases se emplea para calentar agua y producir vapor, ya se tiene otra transformacin de energa. Los gases ceden parte de su energa al vapor, tenindose ahora vapor con mayor energa que llamaremos trmica (para diferenciar con el trmino de energa calorfica asignado a los gases calientes). La energa del vapor se transforma en trabajo mecnico en una turbina de vapor con lo que se tiene otra transformacin de energa. Finalmente, si la turbina esta acoplada a un generador elctrico se tiene la ltima transformacin de la energa para llegar al objetivo: La produccin de energa elctrica.

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III. Fundamentos Bsicos de una Central Generadora Trmica 3.1 Principios de generacin de energa elctricaLa generacin elctrica se realiza, bsicamente, mediante un generador; si bien estos no difieren entre s en cuanto a su principio de funcionamiento, varan en funcin a la forma en que se accionan. Explicado de otro modo, en que fuente de energa primaria utiliza para convertir la energa contenida en ella, en energa elctrica.

a) Generacin Termoelctrica: La que podemos diferenciar en tres grandes grupos, segn su funcionamiento:1) Turbinas a Vapor. 2) Turbinas a Gas.1) Ciclos Combinados.

3.2 Centrales trmicasEl principio de funcionamiento de una central trmica se basa en el intercambio de energa calrifica en energa mecnica y luego en energa elctrica. Existen centrales, ms antiguas, que en sus orgenes eran mquinas de vapor a pistn, similares en su funcionamiento a una locomotora y que movan al generador. Una de stas, centenaria, se conserva en la escuela Otto Krause y se pone en funcionamiento una vez al ao. Luego se reemplaz por una turbina de vapor, en la cual se calienta agua en una caldera que produce vapor a presin, el cual se aplica sobre los labes de la turbina que convierte energa potencial (presin) en energa cintica que acciona al generador.

Otro tipo es la turbo-gas en donde un compresor de flujo axial comprime el aire de entrada, inyectndolo en la cmara de combustin ah se quema gas natural aumentando la velocidad de salida de los gases, (como un motor de accin a reaccin) que mueve a una turbina que mueve a su vez al generador. La de ciclo combinado aprovecha los gases de salida de la turbo-gas (500C) para realizar el calentamiento del agua y producir vapor accionando un generador movido por una turbina de vapor cuya potencia se suma a la del generador de turbo-gas. Tambin existe otro tipo de centrales trmicas en las cuales se utilizan motores diesel para realizar el proceso de calentamiento del agua y su posterior generacin de energa elctrica. Una central termoelctrica o central trmica es una instalacin empleada para la generacin de energa elctrica a partir de la energa liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustin de combustibles fsiles como petrleo, gas natural o carbn. Este calor es empleado por un ciclo termodinmico convencional para mover un alternador y producir energa elctrica. Es contaminante pues libera dixido de carbono.


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Por otro lado, tambin existen centrales termoelctricas que emplean fisin nuclear del uranio para producir electricidad. Este tipo de instalacin recibe el nombre de central nuclear y, como no libera dixido de carbono, no favorece el cambio climtico.

3.3 Centrales termoelctricas de ciclo convencionalSe llaman centrales clsicas o de ciclo convencional a aquellas centrales trmicas que emplean la combustin del carbn, petrleo (aceite) o gas natural para generar la energa elctrica. Son consideradas las centrales ms econmicas y rentables, por lo que su utilizacin est muy extendida en el mundo econmicamente avanzado y en el mundo en vas de desarrollo, a pesar de que estn siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental.

Diagrama de una central trmica de carbn de ciclo convencional: 10. Vlvula de control de gases 11.Turbina de vapor de alta 2. Bomba hidrulica presin 3. Lnea de transmisin (trifsica) 12. Desgasificador 4. Transformador (trifsico) 13. Calentador 14. Cinta transportadora de 5. Generador elctrico (trifsico) carbn 6. Turbina de vapor de baja 15. Tolva de carbn presin 7. Bomba de condensacin 16. Pulverizador de carbn 8. Condensador de superficie 17. Tambor de vapor 9. Turbina de media presin 18. Tolva de cenizas 1. Torre de refrigeracin 19. Supercalentador 20. Ventilador de tiro forzado 21. Recalentador 22. Toma de aire de combustin 23. Economizador 24. Precalentador de aire 25. Precipitador electrosttico 26. Ventilador de tiro inducido 27. Chimenea de emisiones

3.4 Centrales termoelctricas de ciclo combinado


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En la actualidad se estn construyendo numerosas centrales termoelctricas de las denominadas de ciclo combinado, que son un tipo de central que utiliza gas natural, gasleo o incluso carbn preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Luego los gases de escape de la turbina de gas todava tienen una elevada temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas turbinas est acoplada a su correspondiente alternador para generar energa elctrica. Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales solo funciona la turbina de gas; a este modo de operacin se lo llama ciclo abierto. Si bien la mayora de las centrales de este tipo pueden intercambiar el combustible (entre gas y diesel) incluso en funcionamiento. Como la diferencia de temperatura que se produce entre la combustin y los gases de escape es ms alta que en el caso de una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.

3.5 Tipos de turbinasUna turbina es una mquina a travs de la cual transita un fluido de manera continua, y que la atraviesa, generando un movimiento rotativo de un eje. Es comn la confusin entre una turbina y un turborreactor, este ltimo es un tipo de motor empleado en jets comerciales; en este contexto entonces podemos entender la turbina en estos dispositivos como solo un componente del turborreactor, que consta de otras etapas como las de compresin e ignicin. Tampoco hay que confundir la turbina con los generadores, ya que en ocasiones se aprovecha el movimiento rotatorio del eje de la turbina para generar electricidad, como veremos ms adelante.

3.5.1 Turbinas trmicasSon aqullas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a travs de su paso por la mquina. Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseo:


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3.5.2 Turbinas a vaporSu fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio, que fueron populares en algn momento, y el de las turbinas a vapor de agua, que son las ms comunes. Una turbina de vapor es una turbomquina motora, que transforma la energa de un flujo de vapor en energa mecnica a travs de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (vapor) y el rotor, rgano principal de la turbina, que cuenta con palas o labes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energtico. Las turbinas de vapor estn presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre stos el ms importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale con condiciones de elevada temperatura y presin. En la turbina se transforma la energa interna del vapor en energa mecnica que, tpicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. En la turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor est formado por ruedas de labes unidas al eje y que constituyen la parte mvil de la turbina. El estator tambin est formado por labes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. El trmino turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una mquina motriz la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para transformar la energa del vapor, en energa mecnica.

3.5.3 ClasificacinExisten las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaos, desde unidades de 1 hp (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2, 000,000 hp (1, 500,000 kW) utilizadas para generar electricidad. Hay diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y es comn clasificarlas de acuerdo a su grado de reaccin en una turbina real para una termoelctrica aunque pareciera que es una sola pieza o turbina esta se encuentra dividida de acuerdo al trabajo que realiza: a) Turbinas de Accin: El cambio o salto entlpico o expansin es realizada en los labes directores o las toberas de inyeccin si se trata de la primera etapa de un conjunto de turbinas, estos elementos estn sujetos al estator. En el paso del vapor por el rotor la presin se mantendr constante y habr una reduccin de la velocidad. b) Turbinas de Reaccin: La expansin, es decir, el salto entlpico del vapor puede realizarse tanto en el rotor como en el estator, cuando este salto ocurre nicamente en el rotor la turbina se conoce como de reaccin pura.


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Turbinas de alta presin: son las ms pequeas de entre todas las etapas y son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina. d) Turbinas de media presin. e) Turbinas de baja presin: Son las ltimas de entre todas las etapas, son las ms largas y las que aprovechan la ltima parte de energa disponible en el vapor.c)

IV. Turbina TeslaDentro de los tipos de turbinas existentes hay un un poco comn y a la vez un tanto innovadora debido a si diseo y construccin, y esto la hace interesante como para trabajar sobre ella y descubrir su funcionamiento prctico debido a esto se incluye informacin sobre la misma ya que se realiz un prototipo de la misma. 4.1 Primera turbina experimental de discos: En 1902, Tesla declar que estaba trabajando en un diseo para un motor que era fundamentalmente diferente a los tipos actualmente en uso, que sera pequeo, sencillo y muy potente para su tamao. El motor era una turbina, y difera de otras mquinas que estaban siendo desarrollados en ese momento. El primer modelo, con fines de evaluacin, fue un pequeo aparato, que pesaba cerca de 10 libras. Esta mquina original, compuesta por una pila de discos, como se muestra en la fig.4. el material con el que fueron producidos estos primeros discos fue de alpaca2, estos tenan 6 pulgadas de dimetro, 1 / 32 pulgadas de grueso, y separados mediante arandelas del mismo espesor. Una pila de ocho arandelas y disco montados sobre un eje de 1 pulgada de dimetro, los discos y arandelas del montaje fueron sujetados por una tuerca adecuada. Los puertos se localizan en los discos, con espacios correspondientes en los separadores, para proporcionar una salida del escape del medio a la atmsfera. Para esta mquina experimental se utilizo aire comprimido como medio de funcionamiento, a una presin de alrededor de 70 psi logrando una velocidad de rotacin de ms de 30.000 revoluciones por minuto, despus del experimento se abri la maquina y se comprob que los discos se haban extendido en 1/32 de pulgada de dimetro inicial. Esto se debi a las cargas de inercia sostenidas por los discos a la velocidad de rotacin elevada. El material de los discos, alpaca, el cual es una aleacin compuesta por zinc, cobre y nquel, no era el ideal para la aplicacin. El problema era la elasticidad y la distorsin de este material, siendo este parmetro una caracterstica de la eleccin de los materiales disponibles en el momento.

Fig. 4Turbina de discos experimental de 9 .Alpaca, plata alemana o metal blanco es una aleacin ternaria compuesta por zinc, cobre y nquel, con un color y brillo parecido al de la plata, entre las aplicaciones se encuentran la fabricacin de cremalleras, monedas etc.2


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4.2 Las partes de la turbina de Tesla La turbina de Tesla utiliza una serie de discos en el rotor. El tamao y el nmero de los discos pueden variar en funcin de factores relacionados con una aplicacin en particular. Los documentos de patentes de Tesla no definen un nmero especfico, pero utilizan una descripcin ms general, diciendo que el rotor debe contener una "pluralidad" de los discos con un dimetro adecuado. Cada disco est hecho con aberturas alrededor del eje. Estas aberturas actan como escape a travs de las cuales sale el fluido. Para asegurarse de que el fluido pueda pasar libremente entre los discos. Para separar los discos se usan arandelas de metal. Una vez ms, el grueso del espaciado no est rgidamente establecido, aunque los espacios intermedios no suelen superar los 2 a 3 milmetros. Una tuerca roscada mantiene los discos en la posicin en el eje, la ltima pieza del conjunto del rotor. Debido a que los discos estn fijos en el eje, la rotacin se transfiere al eje. El estator: El montaje del rotor se encuentra dentro de un estator cilndrico, o la parte fija de la turbina. Para acomodar el rotor, el dimetro de la cmara interior del cilindro debe ser ligeramente mayor que los discos. Cada extremo del estator contiene un cojinete para el eje. El estator contiene tambin una o dos entradas, que son las boquillas donde se introduce el medio. El Diseo original de Tesla tena dos entradas de aire, lo que permita a la turbina ejecutar dos movimientos hacia el sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario.

Fig. 1 Turbina de discos basada en la turbina de Tesla.


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4.3 Principio de operacin de la turbina de discos: la concepcin de la utilizacin de una corriente de flujo medio para obtener un movimiento de rotacin es muy antigua, y se puede ver en los molinos de viento y agua que fueron los principales impulsores, y continan hasta hoy en las turbinas de vapor, de gas, turbinas hidrulicas y sistemas de generacin elica. El inventor Hern de Alejandra, en el 200 a.c. describe una turbina de reaccin que consista en una esfera de metal, con dos tubos en ngulo recto hacia la periferia. Cuando la esfera se llenaba de agua y se calentaba sobre el fuego, la reaccin del vapor produca presin y se fugaba por los tubos del dispositivo para girar en los rodamientos donde estaba montado. Incluso se conjetur que los romanos estuvieron a punto de edificar algn tipo de motor, pero los datos se perdieron en el incendio que destruy la biblioteca de Alejandra.

Fig. 2 Turbina de vapor de Hern de Alejandra.


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El razonamiento bsico detrs del concepto de una turbina de disco se entiende bien. Cuando un fluido circula por una tubera, hay una resistencia al flujo debido a la condicin de la superficie de la pared interna, del dimetro de la tubera, de la tasa de flujo y la viscosidad del medio dentro de la tubera. Por ejemplo, en una tubera larga de dimetro relativamente pequeo, la resistencia al flujo ser muy alta, hasta tal punto que el tubo tiende a ser arrastrado. Si el tubo se considera en la forma de dos placas planas, muy juntos entre s, se puede observar que las placas se mueven cada vez con ms velocidad, hasta que las marchas de velocidad sean cercanas al medio que fluye. Mediante la sustitucin de las placas con una serie de discos, muy juntos y montados sobre un eje que a su vez est apoyado por medio de rodamientos en un estator en forma de cilindro, cuando un medio vapor o aire comprimido fluya a travs de los espacios entre los discos, el rotor se ver obligado a girar a una velocidad prxima a la del medio que fluye. Esto estar sujeto a las condiciones de los discos, el espacio entre los discos, las caractersticas del medio y la distancia que corre el fluido. En la turbina de discos diseada por Tesla un fluido de alta presin entra en los inyectores que se encuentran en el estator. El fluido pasa entre los discos del rotor y hace que este tienda a girar debido a que el fluido sigue una trayectoria en espiral y se fuga a travs de los puertos de escape en el centro de la turbina. Una de las mejores cosas de la turbina de Tesla es su simplicidad. Puede ser construida con materiales fcilmente disponibles, y el espacio entre los discos no tiene que ser controlado con precisin.

La razn por la cual un fluido hace girar esta turbina se basa en dos propiedades fundamentales de todos los fluidos: La adhesin y la viscosidad. La adhesin es la tendencia de las molculas de diferentes aferrarse juntos debido a fuerzas de atraccin. La viscosidad es la resistencia de una sustancia a fluir. Estas dos propiedades trabajan juntas en la turbina de Tesla para transferir la energa del fluido al rotor o viceversa. La fina capa de fluido que interacta con la superficie del disco se llama la capa lmite, y la interaccin del fluido con la superficie slida se llama el efecto de la capa lmite. Como resultado de este efecto, el fluido sigue una trayectoria en espiral acelerado en gran medida a lo largo del disco hasta llegar a una salida adecuada. Debido a que el fluido se mueve en las rutas naturales de menor resistencia, libre de las limitaciones y fuerzas destructivas causadas por aspas o palas, experimenta cambios graduales en la velocidad y direccin. Esto significa ms energa entregada a la turbina. De hecho esta turbina exiga un rendimiento del 95 por ciento muy superior a otras turbinas de la poca. Para demostrar estos beneficios, Tesla construyo varias versiones. La primera, construida en 1906, cont con ocho discos, cada uno de seis pulgadas (15,2 centmetros) de dimetro. La mquina pesaba menos de 10 libras (4.5


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kilogramos) y desarroll 30 caballos de fuerza. El rotor alcanzo una velocidad tan alta de 30.000 revoluciones por minuto (rpm) que los discos de metal se estiraron considerablemente, lo que dificulto la eficiencia. En 1910, Tesla construyo un modelo ms grande con discos de 12 pulgadas (30,5 centmetros) de dimetro. Esta giro a 10.000 rpm y desarrollo 100 caballos de fuerza. Luego, en 1911, desarroll un modelo con discos de 9,75 pulgadas (24,8 centmetros) de dimetro. Esto redujo la velocidad a 9.000 rpm, pero aument la potencia a 110 caballos de fuerza. Alentado por los xitos en pequea escala, Tesla construy una unidad ms grande, que tena previsto poner a prueba con vapor en la central elctrica principal de la New York Edison Company. Cada turbina tena un disco alrededor de 18 pulgadas (45,7 centmetros) de dimetro. Las dos turbinas fueron colocadas en una lnea montadas en una sola base. Durante la prueba, Tesla fue capaz de alcanzar 9.000 rpm y generar 200 caballos de fuerza. Sin embargo, algunos ingenieros presentes en la prueba, afirmaron que la turbina haba sido un fracaso sobre la base de un malentendido acerca de cmo medir el par en la nueva mquina. Esta mala prensa, junto con el hecho de que las empresas elctricas grandes ya haba invertido fuertemente en las turbinas de palas, haca difcil para Tesla atraer a los inversionistas. El futuro de la turbina de Tesla Tesla siempre fue un visionario. l no vio a su turbina como un fin en s mismo, sino como un medio para un fin. Su objetivo final fue el de sustituir el motor de mbolo por uno mucho ms eficiente, el motor ms fiable basado en su tecnologa.

Tesla vio a su turbina como una mejora. Incluso dise, en el papel, un automvil accionado por su turbina, que deca que iba a ser tan eficiente que podra conducir a travs de los Estados Unidos con un solo tanque de gasolina. Tesla nunca vio el auto producido, pero hoy estara satisfecho viendo que su turbina revolucionaria es finalmente incorporada a una nueva generacin de vehculos ms limpios y eficientes. Una empresa que logro un progreso serio con este tipo de turbina es la Phoenix Navegacin y Orientacin Inc. (PNGinc), esta compaa ha combinado la tecnologa de la turbina de discos con un motor con combustible de detonacin. La compaa dice que esta mquina ofrece una eficacia sin precedentes. La mquina que construyo esta compaa fue fabricada con un material llamado kevlar que es un material ms fuerte y duradero lo cual alent a que la turbina de Tesla pueda disfrutar de algn xito comercial. Si los materiales como el Kevlar hubiera estado disponible durante la vida de Tesla, es muy probable que su turbina haya tenido un mayor uso.


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PRINCIPIOS BSICOS DE LAS MAQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA Las maquinas sncronas son generadores cuya corriente de campo magntico es suministrada por una fuente DC separada, mientras que las mquinas de induccin son generadores cuya corriente de campo magntico es suministrado por induccin magntica (accin transformadora) en sus devanados de campo. Los circuitos de campo en la mayora de las maquinas sncronas y de induccin estn localizadas en sus rotores. La parte rotante de la maquina se llama rotor y la parte estacionaria se denomina estator. Se determinaran los voltajes presentes en el rotor a medida que gira dentro del campo magntico. 3.1 Voltaje inducido en una espira rotacional: Si la espira gira dentro de un campo magntico se inducir un voltaje en ella, para determinar el voltaje total en la espira se suman los voltajes resultantes de cada uno de los lados de la misma. Como se trata de un conductor girando dentro de un campo, el voltaje inducido de cada lado est dado por la ecuacin:eind = (v B ) l(8)

En general el voltaje inducido en una espira giratoria dentro de un campo magntico es:eind = max sen t(9)

As el voltaje generado en un espira es sinusoidal y su magnitud es igual al producto del flujo dentro de la mquina y la velocidad de rotacin de la mquina. En general el voltaje en cualquier maquina real depende de tres factores:

1. El flujo en la mquina.2. La velocidad de rotacin. 3. Una constante que representa la construccin de la maquina (el nmero de espiras, etc.).

3.2 Par inducido en una mquina de CA:El par inducido en el rotor es proporcional a la fuerza del campo magntico del rotor, la fuerza del campo magntico externo (estator) y el seno del ngulo entre ellos y est representado mediante la siguiente expresin:


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ind = kB esp B s sen

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Donde Besp es la densidad del flujo magntico creado por la corriente que circula en el rotor y Bs se utiliza para el campo magntico del estator con objeto de distinguirlo del campo magntico generado por el rotor y es el ngulo formado entre estos campos, k es un factor que depende de la construccin de la maquina. En general el par en cualquier maquina real depende de cuatro factores:

1. 2. 3. 4.

La intensidad del campo magntico del rotor. La intensidad del campo magntico externo (estator). El seno del ngulo entre ellos. Un constante que representa la construccin de la maquina.

Fig. 1 Grafica de ind y .

3.3 Relacin entre la frecuencia elctrica y la velocidad de rotacin del campo magntico:La figura 2 muestra que el campo magntico giratorio en el estator se puede representar con un polo norte y un polo sur, estos polos magnticos completan una rotacin mecnica alrededor de la superficie del estator por cada ciclo elctrico de la corriente aplicada debido a que dicha corriente es trifsica defesada 120 grados, por lo tanto la velocidad mecnica de rotacin del campo magntico en revoluciones por segundo es igual a la frecuencia elctrica en hertz. fe = fm Dos polos e = m Donde fm y m representan la velocidad mecnica revoluciones por segundo y radianes por segundo y fe y e representan la velocidad elctrica en hertz y radianes por segundo. En general si el nmero de polos magnticos en el estator de una maquina CA es P, entonces hay P/2 repeticiones de la secuencia de devanados alrededor de su superficie interior y las cantidades mecnicas y elctricas en el estator se relacionan mediante:

e =

P m 2 P fe = fm 2 P e = m 2

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Fig. 2 Campo magntico giratorio de un estator representado como polos de estator norte y sur en movimiento.

3.4 Flujo de potencia y prdidas en maquinas de CA:Como es sabido los generadores de CA toman potencia mecnica y producen potencia elctrica, pero no toda la potencia de entrada a las maquinas se transforma en forma til en el otro extremo; siempre hay perdidas asociadas con el proceso. La eficiencia de una maquina de CA se define por medio de la ecuacin:

Psal x100% (12) Pentr Las prdidas que se presentan en las maquinas de CA se pueden dividir en cuatro categoras bsicas:

=

1. Prdidas elctricas o prdidas en el cobre. 2. Perdidas en el ncleo. 3. Perdidas mecnicas.4. Perdidas dispersas o adicionales. a) Perdidas elctricas: Son perdidas por calentamiento resistivo que se presenta en los devanados del estator (inducido) y el rotor (campo) de la maquina.

b) Perdidas en el ncleo:Son las prdidas por histresis o por corrientes parasitas que se presentan en el metal del motor.

c) Perdidas mecnicas:Son las perdidas asociadas con los efectos mecnicos y hay dos tipos bsicos de perdidas mecnicas: la friccin que se presenta en los cojinetes y el rozamiento con el aire entre las partes mviles de la maquina y el aire dentro de la caja del motor. d) Perdidas dispersas: Son prdidas que no se puede ubicar en ninguna de las categoras anteriores.

3.5 Regulacin de voltaje (VR):


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La regulacin de voltaje (VR) es una medida de la habilidad del generador para mantener un voltaje constante entre sus terminales cuando la carga varia y se define con la siguiente ecuacin:x100 % (13) V pc Donde Vsc es el voltaje de vaco, es decir, sin carga en los terminales del generador y Vpc es el voltaje a plena carga en los terminales del generador. VR = Vsc V pc

3.6 Regulacin de velocidad (SR):La regulacin de velocidad es la medida de la habilidad de un motor para mantener constante la velocidad del eje cuando vara la carga y se define mediante la siguiente expresin: sc pc SR = x100 % (14) pc

V. GENERADORES ELECTRICOS:Un generador elctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial elctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores elctricos son mquinas destinadas a transformar la energa mecnica en elctrica. Esta transformacin se consigue por la accin de un campo magntico sobre los conductores elctricos dispuestos sobre una armadura (denominada tambin estator). Si mecnicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generar una fuerza electromotriz (F.E.M.). Estn basados en la ley de Faraday. No slo es posible obtener una corriente elctrica a partir de energa mecnica de rotacin sino que es posible hacerlo con cualquier otro tipo de energa como punto de partida. Desde este punto de vista ms amplio, los generadores se clasifican en dos tipos fundamentales:2) Primarios: Convierten en energa elctrica la energa de otra naturaleza que reciben o de la que disponen

inicialmente, como alternadores, dnamos, etc.3) Secundarios: Entregan una parte de la energa elctrica que han recibido previamente, es decir, en primer

lugar reciben energa de una corriente elctrica y la almacenan en forma de alguna clase de energa. Posteriormente, transforman nuevamente la energa almacenada en energa elctrica. Un ejemplo son las pilas o bateras recargables.

4.1 Partes de un generador:En cualquier caso de generadores grandes o pequeos se distinguen dos partes principales, las cuales a su vez involucran a ms piezas, y son: Rotor y Estator. El denominado Rotor, es la parte en movimiento y se le denomina tambin armadura. Cuando se trata de mquinas pequeas esta es la parte que se encarga de producir la energa elctrica, mientras que para las mquinas de grandes proporciones es la que se encarga de producir el campo magntico. El denominado Estator es la parte quieta, esttica de la mquina. Cuando se trata de mquinas pequeas esta es la parte que se encarga de producir el campo magntico, mientras que para mquinas de grandes proporciones es la que se encarga de producir la energa elctrica. Entre las partes ms destacadas que forman el conjunto principal Rotor y Estator, estn las siguientes:

a) Carcasa o yugo


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Puede definirse como la estructura que cubre a todas las partes internas del generador, adems de sostener y de centrar al ncleo. Normalmente es de acero soldado o fundido. Para el caso de generadores de pequea y mediana potencia se construye en una sola pieza, mientras que en generadores de gran potencia se construye en secciones. b) Devanados. En realidad los devanados que forman el campo magntico en un generador, entendidos como una serie de vueltas de alambre solo se construyen as para generadores de pequea potencia. Para el caso de mquinas de gran potencia su forma es rectangular.

c) Anillos colectores (rozantes).Se construyen de cobre o de bronce, y su diseo es tal que deben ajustarse perfectamente al eje de la mquina con el propsito de reducir las vibraciones inherentes al sistema. Uno de los problemas principales que presentan es el calor resultante cuando se someten a grandes velocidades, para tales efectos se construyen con un canal al centro con el propsito de que exista una ventilacin adecuada.

d) Cojinetes, chumaceras.Su diseo implica el conocimiento acerca de la carga mecnica que deben soportar adems de la velocidad perifrica de la flecha o eje de la mquina sncrona.

e) Escobillas.Se fabrican conjuntamente con los anillos colectores utilizando grafito o una combinacin de grafito con metal. Deben tener una superficie de contacto adecuada procurando que el calentamiento generado por la presin de contacto est dentro de un rango controlable. f) Portaescobillas Su funcin es la de soportar las escobillas y sirve adems como gua para las mismas. Incluye adems un cordn unido a una serie de elementos que interconectan al rotor con el exterior ya sea con fuentes de alimentacin o dispositivos que logran que la maquina funcione adecuadamente.

Fig. 3 Partes bsicas de un generador.


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4.2 Tipos de generadores El tipo de generadores ms conocido es el generador qumico, al cual pertenece la pila elctrica o pila seca, esta transforma la energa producida en ciertas reacciones qumicas en energa elctrica capaz de mantener una diferencia de potencial constante entre sus polos o bornes. La reaccin qumica que se produce en el electrodo de cinc libera electrones, con lo que ste se convierte en un polo negativo (ctodo); la que se produce en el electrodo de carbn da lugar a una disminucin de electrones, resultando de signo positivo (nodo). La tensin producida por una pila es constante y al aplicarla sobre un circuito elctrico produce una corriente continua. Este tipo de corriente se caracteriza porque el sentido del movimiento de los portadores de carga se mantiene constante. Un termopar es un generador termoelctrico que transforma calor en electricidad. Se produce cuando dos hilos conductores unidos entre s por sus extremos respectivos se someten a una diferencia de temperatura, sumergiendo una de las soldaduras en hielo fundente y aplicando a la otra la llama de un mechero. Entre ambos puntos se genera una diferencia de potencial que aumenta con la temperatura y puede detectarse con un medidor elctrico. La clula fotovoltaica es un generador que transforma la energa luminosa en energa elctrica. Se basa en la, capacidad de los semiconductores para conducir la electricidad en un sentido dado, pero no en el opuesto. Al incidir la luz sobre la clula, arranca algunos electrones de sus tomos, electrones que se acumulan en una regin determinada a expensas de la prdida de electrones en la regin opuesta. Estas dos regiones constituyen los polos negativo y positivo, respectivamente, de la clula cuya diferencia de potencial se mantendr constante en tanto no vare la intensidad luminosa que alcanza su superficie. El generador electromagntico se basa en el fenmeno de la induccin electromagntica. Cuando un conductor cerrado se hace girar en el seno del campo magntico producido por un imn se genera en su interior una diferencia de potencial capaz de producir una corriente elctrica. Es el tipo de generador denominado alternador que se emplea en las grandes plantas de produccin de energa elctrica. En ellas, diferentes formas de energa, cuya naturaleza depende del tipo de central, se invierten en mover grandes bobinas de conductores, hacindolas girar en el seno de campos magnticos. De este modo se producen tensiones elctricas entre sus bornes cuya polaridad positiva/negativa, se invierte alternativamente con el tiempo a razn de sesenta veces en cada segundo. Cuando esta tensin se aplica a un circuito elctrico, produce en l una corriente alterna que se caracteriza por una inversin alternativa, con idntica frecuencia, del sentido del movimiento de los portadores de carga. 4.3 Generadores de corriente alterna (alternadores) Un generador simple sin conmutador producir una corriente elctrica que cambia de direccin a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisin de potencia elctrica, por lo que la mayora de los generadores elctricos son de este tipo. En su forma ms simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en slo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura estn sacados a los anillos colectores slidos sin segmentos del rbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua ms que con el generador en s. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican hasta con 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con ms facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo mquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del nmero de polos y el nmero de revoluciones por segundo de la armadura. A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras rotatorias no son prcticas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallos mecnicos que podran causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un nmero de imanes de campo. La corriente que se genera mediante los alternadores, aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que


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est diseada la mquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofsica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90 una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirn dos ondas de corriente, una de las cuales estar en su mximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifsica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ngulos de 120, se producir corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifsica. Se puede obtener un nmero mayor de fases incrementando el nmero de bobinas en la armadura, pero en la prctica de la ingeniera elctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifsica, con el alternador trifsico, que es la mquina dinamoelctrica que se emplea normalmente para generar potencia elctrica.

VI. GENERADORES SNCRONOS Los generadores sncronos o alternadores son maquinas sncronas utilizadas para convertir potencia mecnica en potencia elctrica de ca. 5.1 Principio de funcionamiento En los generadores sncronos se aplica una corriente de cd al devanado del rotor y esta a su vez genera un campo magntico a su alrededor, enseguida el rotor del generador gira mediante un motor primario y produce un campo magntico giratorio dentro de la maquina, este campo magntico giratorio induce un conjunto de voltajes trifsicos dentro de los devanados del estator del generador, el espacio comprendido entre el rotor y el estator se le denomina entrehierro. El termino devanados de campo se aplica a los devanados que producen el campo magntico principal en la maquina, en las maquinas sncronas estos devanados se encuentran en el rotor y el termino devanados del inducido se aplica a los devanados donde se induce el voltaje principal, estos estn en el estator. Los polos magnticos en el rotor de un generador sncrono pueden ser salientes o no salientes la fig.5 muestra un rotor de polos salientes y la fig.4 muestra un rotor de polos no salientes. Por lo regular los rotores de polos no salientes se utilizan para rotores de dos o cuatro polos mientras que los rotores de polos salientes normalmente se usan para rotores de cuatro o ms polos.

Fig. 4 Rotor de dos polos no salientes de una maquina sncrona.

Fig. 5 Rotor de seis polos salientes.

La potencia de CD que se debe suministrar al circuito de campo del rotor se efecta de dos maneras:

1. Suministrar al rotor la potencia desde una fuente externa de CD por medio de anillos rodantes y escobillas 2. Suministrar la potencia de CD desde una fuente de potencia de CD especial montada directamente en el ejedel generador sncrono.


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5.2 Velocidad de rotacin de un generador sncrono: Los generadores sncronos tienen la particularidad de que la frecuencia elctrica producida se sincroniza o entrelaza con la tasa mecnica de rotacin de los campos magnticos del generador y esta relacin se define en la siguiente ecuacin:

fe =

nm P 120

Como ya sabemos fe es la frecuencia elctrica expresada en Hz, nm es la velocidad mecnica del campo magntico expresada en Rev. /min y P es el numero de polos que hay en el rotor del generador.

5.3 El voltaje interno generado por un generador sncrono: El voltaje EA es el voltaje interno generado producido en una fase de un generador sncrono y est determinado mediante la siguiente expresin: E A = 2 c f N Este voltaje depende del flujo en la maquina , de la frecuencia o velocidad de rotacin y de la construccin de la maquina como el nmero de conductores Nc 5.4 Potencia y par en los generadores sncronos: Un generador sncrono convierte potencia mecnica en potencia elctrica trifsica. La fuente de la potencia mecnica, el motor primario, puede ser un motor diesel, una turbina de vapor, un turbina hidrulica u otro equipo similar. Cualquiera que sea la fuente, debe tener la propiedad bsica de mantener su velocidad constante sin importar la demanda de potencia. Si esto no se cumple, entonces la frecuencia resultante del sistema de potencia podr presentar fallas. No toda la potencia mecnica que entra en un generador sncrono se convierte en potencia elctrica que sale de la maquina. La potencia mecnica de entrada es la potencia del eje en el generador P entrada = ap m , mientras que la potencia mecnica convertida a potencia elctrica internamente est dada por:Pconv = ind m = 3E A I A cos

5.5 Valores nominales en los generadores sncronos: Hay ciertos lmites bsicos para la velocidad y potencia que se pueden obtener de un generador sncrono, estos lmites se llaman valores nominales de la maquina, el propsito de los valores nominales es proteger al generador del dao que pudiera ocasionarle una operacin inadecuada, con este fin cada mquina tiene ciertos valores nominales que se muestran en su placa de caractersticas. Los valores nominales comunes de una maquina sncrona son el voltajes, la velocidad, la potencia aparente (KiloVolt-Amperes), el factor de potencia, la corriente de campo y el factor de servicio. Valores nominales de voltaje, velocidad y frecuencia: La frecuencia nominal de un generador sncrono depende del sistema de potencia al que est conectado. Las frecuencias en los sistemas de potencia que se usan comnmente son 50 hertz ( en Europa, Asia, etc) y 60 hertz en Amrica y 400 hertz en aplicaciones especiales y de control. Una vez que se conoce la frecuencia de operacin hay solo una velocidad de rotacin posible para cierto nmero de polos, la relacin fija entre la frecuencia y la velocidad est dada por la ecuacin:


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Como se indico anteriormente, tal vez el valor nominal mas obvio es el voltaje al que un generador est diseado para operar. El voltaje de un generador depende del flujo, la velocidad de rotacin y la construccin mecnica de la maquina. Para cierto tamao de estructura mecnica y velocidad, mientras ms alto sea el voltaje deseado mas alto tendr que ser el flujo requerido de la maquina. Sin embargo el flujo no se puede incrementar indefinidamente ya que siempre hay un mximo permitido de corriente de campo. Otra consideracin para establecer el voltaje mximo permitido es el punto de ruptura del aislamiento del devanado, los voltajes de operacin normales no deben acercarse demasiado a este valor.

VII.

Sistema de Control mediante PC.

Es un sistema con el cual nosotros podemos controlar la velocidad del motor y el voltaje que se inyectara en el estator de nuestro generador. 10.1 Recepcin de datos. Empezamos tomando el voltaje que nos entrega nuestro generador AC, en el cual a cada terminal del generador le conectamos un THIRISTOR O SRC, el cual accionamos el gatillo mediante un pequeo voltaje que nos da nuestra PC mediante el circuito 74LS373, y una resistencia de 3.3k en serie a tierra con una pequea diferencia la cual es que le conectamos un circuito inversor 74LS04 en uno de los gatillos de transistor, con el fin de accionar un fase a la ves del generador, como se muestra en la figura 1.1.


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Figura 1.1.- Conexin de tiristor con la corriente electica. Despus de la unin de los tiristores con una resistencia a tierra, se toma una seal de entre los tiristores y la resistencia la cual entrara a un Convertidor Analgico Digital (ADC), con unos leds y sus respectivas resistencias para comprobar que se est haciendo la conversin. Como se muestra en la Figura 1.2

1.2 Figura 1.2 Convertidor de analgico a digital. En las salidas de nuestro ADC, conectamos en la patita 11 de un registro 74ls373 el realiza transferencias de informacin entre el exterior y el microprocesador, despus los mandamos a la patita 11 a un buffer que nos almacenera y a la vez nos entregara los 8 bits que entran de 74ls373 a 4 bits. Como se muestra en la Figura 1.3.


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Figura 1.3.- Buffer de almacenamiento. Y para concluir con la etapa de recepcin de datos, mandamos los 4 bits al bus de estado de nuestra pc, como se muestra en la Figura 1.4.

Figura 1.4 Ingreso de datos 10.2 Procesamiento de datos


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Una vez que mandamos los datos a la pc por el bus de estado, utilizando el software de programacin C++ Builder, realizamos un programa, el cual hace operaciones como calcular la frecuencia de nuestro generador, el voltaje generado y las revoluciones por minuto a la cual nuestro motor DC est girando. Tambin realiza la funcin de automatizar la velocidad del motor y el voltaje inducido en el campo de generador. El control del motor y del generador funciona de la siguiente forma: -Entran los 8 bits por seccin A y B a nuestra PC. -Nuestro programa detecta las dos secciones y hace la combinacin de esos bits. -Se hacen comparaciones del voltaje y frecuencia que nos entrega nuestro generador, por lo que la frecuencia tiene que valer aproximadamente 60Hz y el voltaje generado de 120 volts. Con lo que si tenemos menor nmero de frecuencia o mayor, el voltaje inyectado en nuestro motor tendr que ser aumentado o disminuido, dependiendo de la forma que los requiera. (Menor frecuencia mayor voltaje en el motor y viceversa). Para el caso del voltaje es el mismo principio pero a diferencia de que el voltaje se inyecta en el campo de generador, menor voltaje generado mayor voltaje en el campo del generador y viceversa. -Una vez hecha la comparacin internamente el programa se mandan los bits al circuito integrado 74LS138 los cuales estarn habilitando los tiristores, otro al PWM motor y PWM generador. 10.3 Emisin de datos. Una vez que se hizo el procesamiento de datos en la pc y mandados los bits de datos a los circuitos integrados 74LS138, por el cual se realiza la activacin del control tanto del motor, generador y la comparacin del voltaje generado. Los cuales van conectados con las entradas de los circuitos integrados 74LS373, los cuales realizaran las interconexiones con los circuitos que harn el control y la comparacin de voltaje generado.

1.5.- Conexin del circuito integrado 74LS138 con los 74LS373 Dos de los 74LS373 van interconectados a un ADC el cual convierte el bit de salida de la PC, para realizar la comparacin del voltaje que ser inducido en el motor y el generador.


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Figura 1.6.- Control Mediante la PC

Modulador de ancho de pulso. 11.1 Comparacion inicial. En este circuito, se alimenta el amplificador operacional con dos tensiones +Vcc = 15V y -Vcc = -15 V. Se conecta la patilla V+ del amplificador a masa (tierra) para que sirva como tensin de referencia, en este caso 0 V. A la entrada V- del amplificador se conecta una fuente de tensin (Vi) variable en el tiempo, en este caso es una tensin sinusoidal. Y de esta obtendremos una seal cuadrada que vara entre saturacin positiva y negativa dicha tencin de saturacin es aproximadamente un 10% menor a los voltajes de alimentacin del amplificador 11.2 Integracion. Posteriormente la seal anterior la ingresamos a un amplificador en su configuracin como integrador, la tensin de salida del circuito integrador es proporcional al rea bajo la curva de entrada (onda de entrada), para cualquier instante de tiempo. El cual nos da como resultado una onda triangular la cual vara entre tierra y saturacin negativa. 11.3 Generador de Onda de Sierra.

VIII.


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Para generar nuestra seal diente de sierra implementamos un transistor NPN denominado 2N3904 para cortar nuestra seal triangular a 180 dicho transistor recibe en su base la seal cuadrada que se obtiene del comparador, esta seal est en fase con la seal triangular ingresada en el colector del transistor. Para asegurar el voltaje de salida de dicho transistor colocamos una resistencia de 3.3k entre emisor y tierra. 11.4 Inversion de la onda de Sierra. La seal diente de sierra generada se localiza en la zona negativa, por lo cual la ingresamos a un amplificador en su configuracin de inversor para poder trasladarla a la zona positiva de nuestra seal. 11.5 Comparacion final. Por ultimo a dicha seal se le hace una comparacin con un voltaje de referencia proporcionado por la pc, generando una seal cuadrada modulada que dispara a un tiristor de potencia que accionara un motor de corriente directa.

Power system estability and control

IX. REFERENCIA BIBLIOGRFICA.X. http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi98/energia-vs-ambiente/generaci.htm


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[1] SERWAY, Raymond & JEWETT, John. Fsica Electricidad y magnetismo. Vctor Campos Olgun (traductor), Misael Flores Rosas (revisin tcnica). Sptima Edicin, Editorial Cengage Learning. Pag.- 336. ISBN 978-970-830-063-6 [2] L.KOSOW, Irving.Maquinas elctricas y transformadores. Virgilio Gonzales Pozo (traduccin), Salvador lvarez Ballesteros (revisin Tcnica). Editorial Prentice-Hall. Pag.-704. ISBN 0-13-248733-0 Si tuviera la suerte de alcanzar alguno De mis ideales sera en nombre de toda la humanidad..... [Nikola Tesla] [1] STEPHEN J. Chapman. Maquinas Electricas. Carla de Robina Cordera (traductor), Ing. Luis Muro Ortega Gonzalez (revisin tcnica). Cuarta Edicin, Editorial Mc Graw Hill. Pag.- 746. ISBN 0-07-246523-9 [1] G. GMEZ, Gustavo. Energa para el futuro, Instituto superior de formacin y recursos para el profesorado, Tejedor instituto de matemticas y fsica superior CSIC.Catlogo de publicaciones de www.mepsyd.es catalogo www.060.es. [2] E. ENCINAS, Manuel, Turb mquinas de fluidos compresibles Editorial limusa, Primera edicin 1984 ISBN 968-18-1613-7 http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi98/energia-vs-ambiente/generaci.htm http://www.misrespuestas.com/que-es-una-turbina.html http://www.caballano.com/tipos.htm http://www.opex-energy.com/ciclos/tipos_de_turbinas_de_gas.html http://books.google.com/books? id=EcpvEn3c8vcC&pg=PA55&dq=energia+primaria&hl=es&ei=X7NzTfayHJP2tgOF5fHRCw&sa=X&oi=book_ result&ct=result&resnum=3&ved=0CDAQ6AEwAjgK#v=onepage&q=energia%20primaria&f=true [2]http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_primaria (no incluir estas citas)


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Reporte Proyecto Integrador Generacion de Energia Electrica Termica