Energías

Alternativas: Acción del viento sobre una superficie plana. Las palas del aeromotor. Generador de corriente continua. (segunda parte)

GENERADORES EOLICOS (segunda parte)

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ACCION DEL VIENTO SOBRE UNA SUPERFICIE PLANA

Si se coloca una superficie plana y delgada, ya sea cuadrada, rectangular o circular, en el seno de un flujo de aire, se observa que los diferentes fenómenos, para una velocidad de circulación de aire constante, están íntimamente ligados al ángulo (i) que forman la superficie y la dirección del flujo. La forma de la superficie tiene también su influencia, pero es mucho menor.

Perturbaciones creadas por la introducción de una placa en el seno de un flujo de aire.

Estos fenómenos, que pueden observarse en un túnel aerodinámico, se traducen en una presión sobre la cara delantera de la placa (la expuesta al viento) y una depresión sobre la parte trasera, las cuales pueden evidenciarse mediante manómetros, que son instrumento que sirven para medir la tensión de los fluidos elásticos.

Sus fuerzas, debidas a la presión y a la depresión, se suman. La resultante de estas fuerzas es perpendicular a la placa y su punto de aplicación es el centro aerodinámico.

Esta fuerza resultante tiene la siguiente expresión: R=KSV? donde:

S: es la superficie aparente de la placa en m² (la proyección de la superficie de la placa sobre un plano perpendicular a la dirección del viento).

V: es la velocidad del viento en m/s.

K: es un coeficiente que depende del ángulo de incidencia i.

Se puede constatar que esta fuerza resultante es máxima para i = 38? (K = 0,145). Al contrario,toma su valor mínimo para i=20? e i = 90? (K = 0,08).

Observación:

Para un ángulo de incidencia comprendido entre los 0? y 10? el punto de aplicación de la resultante de las fuerzas aplicadas a la placa está situada aproximadamente en el tercio delantero.

Efectivamente, si se denomina borde de ataque, al borde de la placa que recibe en primer lugar el impacto del aire y borde de fuga al borde opuesto, se observa que la presión y la depresión son mayores en el borde de ataque y se anulan en las proximidades del borde de fuga.

Fuerza resultante de la acción del aire.

Descomposición del vector resultante: arrastre y sustentación.

La fuerza resultante R de la acción del aire sobre una placa puede descomponerse en dos fuerzas: S y A.

S: perpendicular a la dirección del viento: fuerza de sustentación.

A: en la misma dirección del viento: fuerza de arrastre.

Al comparar los valores relativos de S y A para distintos ángulos i pequeños (<15?), la fuerza de sustentación aumenta

rápidamente, mientras que la de arrastre aumenta lentamente.

Las fuerzas S y A pueden expresarse, al igual que R, bajo la expresión:

S=Ky*S*V?

A=Kx*S*V?

APLICACION AL CASO DE UN AEROMOTOR-ACCION DEL VIENTO SOBRE LAS PALAS

Supongamos que la placa considerada anteriormente sea la pala de un rotor inmóvil, cuyo eje de rotación sea paralelo a la dirección del viento. Para cada pala se puede dibujar la fuerza

Descomposición de las fuerzas eólicas en un punto de la pala.

resultante, perpendicular al perfil, aplicada en el centro de sustentación aerodinámica y dirigida según se muestra en el dibujo de la figura anterior.

De ello resultan:

? 2 fuerzas A1 y A2 paralelas en el mismo sentido, que tienden a desplazar al rotor con un movimiento de traslación en la dirección del viento.

Estas fuerzas de sustentación crean un par motor que tiende a girar al rotor en un plano perpendicular a la dirección del viento.

Si se dejan libres las palas, bajo la acción de las fuerzas S1 y S2, el rotor girará . A partir de este instante, lo que ha sido explicado hasta aquí, se modifica sensiblemente, ya que el viento que "choca" la pala será composición de la acción real del viento y la acción del viento creado por el giro de las palas. Este viento resultante se denomina viento aparente o relativo. Su notación en la pala es Vr.

Ahora bien, el viento creado por el movimiento de desplazamiento de la pala varía a lo largo de la misma, en todos sus puntos proporcionalmente a su distancia al eje de rotación.

Por otra parte, esta velocidad es proporcional a la velocidad de rotación.

U: Velocidad del viento por el empuje de la pala

r: Distancia desde el punto considerado hasta el eje de rotación

ω: Velocidad de rotación (rad/s)

V: Velocidad de rotación (rpm)

Remplazando:

r = 2,45 m

n = 350 rpm

Resultado:

U = 89,8 m/s

Consideremos ahora un elemento de pala (una sección recta de la misma) en la cual la velocidad U pueda considerarse constante.

En nuestro caso: La velocidad relativa se obtiene como continua:

Remplazando:

U = 89,8 m/s

v = 7 m/s

Resultado:

Vr = 90,07

El ángulo de ataque es siempre el ángulo formado por la pala y la dirección del viento aparente. Por tanto, variará a lo largo de la pala.

Igual que antes, la resultante de las fuerzas aplicadas a este elemento de pala es perpendicular a la pala y puede descomponerse en dos fuerzas, S y A:

S: fuerza de sustentación, perpendicular a la dirección del viento relativo.

A: fuerza de arrastre, de sentido igual al del viento aparente.

Se obtiene, por tanto, la representación que sigue a continuación, para el elemento de pala considerando, a la distancia r del eje de rotación.

Pero lo que realmente interesa, son los componentes útiles en el plano de rotación.

Componentes útiles en el plano de rotación.

Fz es la fuerza propulsora

Fx es una fuerza inútil que tiende a desplazar al rotor en el sentido del viento.

Observaciones:

El ángulo formado por la pala y el plano de rotación se denomina ángulo de calaje, y su notación es "∨". No debe confundirse con el ángulo formado por la pala y la dirección del viento aparente,denominado ángulo de ataque, que denotaremos por "∨".

Los valores que hay que calcular son los de las fuerzas S y A tal como se ha visto anteriormente.

g: Aceleración de la gravedad (9,81m/s²)

mo: Masa volumétrica o densidad del aire (1,25 kg/m³)

S: Superficie del elemento de la pala (proyección de la superficie sobre el plano perpendicular a la dirección del viento aparente).

Vr: Viento aparente (m/s)

Cx y Cz: Determ. en túneles aerodinámicos.(figura/anterior)

de la forma general KSV?

Remplazando:

∨ = 12?

Cx = 0,025

Cz = 0,8

m0 = 1,25 kg/m³

g = 9,81 m/s²

S = 0,7375 m²

Resultado:

S = 2991,5 nt Con A y S obtenemos R = 2994,96 nt

A = 93,5 nt

Polar de un perfil: θ en función de Cx y Cz.

Fz : S sen (∨ + θ) - A cos (∨ + θ) ∨ + θ =

Fx : S cos (∨ + θ) + A sen (∨ + θ)

El par para este elemento de la pala considerado será igual a:

C=r[S*sen(∨ + θ) - A*cos(∨ + θ)]

Luego el par motor de toda la pala será igual a la suma de todos los pares motores elementales a lo largo de la pala, teniendo en cuenta que varía desde el origen hasta los extremos de la misma.

Descomposición de los vectores en la pala utilizada.

Se puede demostrar que el rendimiento de un elemento de pala, que es igual a la relación entre la potencia recuperada y la potencia proporcionada por el viento, es función de la relación Cz/Cx,la cual, a su vez, función del ángulo θ.

La gráfica que se da a continuación representa la variación de la relación S/A (Cz /Cx),en función de θ.

La función S tiene un máximo.

Existirá pues, para cada proporción elemental de pala, un ángulo de ataque óptimo. Esto explica que para optimizar el rendimiento de una pala es necesario variar el calaje a lo largo de la misma, es decir, hacer una pala de superficie alabeada.

EL AEROMOTOR DESCRIPCION

LAS PALAS DEL AEROMOTOR

Las palas son una parte muy importante del aeromotor. De su naturaleza dependen el buen funcionamiento y la duración de la vida de la máquina, así como su rendimiento.

Hay muchos elementos que caracterizan estas palas:

- longitud

- anchura

- perfil

- materiales

- número

Entre estos elementos, algunos se determinan por la hipótesis de cálculo: potencia y par. Por orden de importancia son: longitud, perfil y anchura.

Los otros se eligen en función de criterios tales como: coste, resistencia a las condiciones climáticas de trabajo, etcétera.

El organigrama muestra el esquema para la determinación de los elementos del aeromotor.

La longitud de las palas.

El diámetro de las palas está en función de la potencia deseada. La determinación de éste, fija también la frecuencia de rotación máxima, que la hélice no deberá pasar para evitar las tensiones en la punta de las palas, debidas a la fuerza centrífuga. Es esencial tener en cuenta la fatiga de las palas y los riesgos de vibraciones, sobre todo para las palas muy largas.

Ý en m

1

2

5

10

20

50

n máximo (rpm)

2000

1000

400

200

100

40

Organigrama para la determinación de los elementos de aeromotor.

Las velocidades de giro que se dan en la tabla definen la envolvente representada en el siguiente gráfico.

Velocidad máxima de un aeromotor en función de su diámetro.

Además de estas velocidades máximas, la que se elija tener en cuenta la relación entre la velocidad en la punto de la pala U y la velocidad del viento natural o real V.

Esta relación determina, en efecto, el rendimiento de la hélice en relación al límite de Betz, según el tipo de máquina.

Rendimientos de diversos tipos de aeromotores.

El perfil.

Se elige función del par deseado, cada perfil proporciona, para el ángulo de ataque óptimo un par función de Cz y de Cx, (Despreciable ante Cz para el ángulo de ataque óptimo).

Cuando ya se ha elegido el perfil y la velocidad de giro para la velocidad nominal del viento, se determina el calaje.

Para la mayoría de aeromotores de mediana y pequeña potencia las palas no están alabeadas, es decir, el ángulo de ataque sólo es óptimo para una sección de la pala, situada entre la mitad y los dos tercios.

Sin embargo, la mayoría de los aeromotores de más de 100 KW tienen las palas alabeadas.

Las características de los perfiles se determinan en el túnel aerodinámico. Estos datos son constantes estudiadas en especial para la aviación militar y comercial. A Cada perfil se le asocia generalmente el nombre del laboratorio y un número de referencia.

Perfil de la pala proyectada.

Anchura. (longitud de la cuerda del perfil).

La anchura de las palas no interviene en la potencia del aeromotor, que esta en función de la superficie barrida. La anchura interviene en el par de arranque (que son dos fuerzas de igual magnitud y sentido opuesto, cuyas líneas de acción son paralelas pero no coinciden. Estas no producen traslación, el único efecto del par es la rotación) que será mayor cuanto más ancha sea la pala, pero para obtener velocidades de rotación elevadas se prefieren las palas finas y ligeras. Entonces el resultado será s un compromiso entre estos dos factores.

Materiales.

Contrariamente a lo que se cree frecuentemente, no es la propia aerodinámica en donde está la dificultad, sino en la construcción y la resistencia de los materiales de la pala.

En todos los aeromotores actuales, se está estudiando el método de construcción de las palas que se deben hacer para aumentar la seguridad del funcionamiento, manteniendo los precios, sin que las máquinas se transformen en prototipos eternos que no puedan comercializarse.

Los materiales utilizados en las palas son esenciales tanto como el sistema de regulación, opinamos que son los dos elementos básicos que definen la calidad del aeromotor.

El material utilizado para las palas debe responder en los aeromotores modernos a frecuentes elevaciones de rotación y a otras exigencias, a veces contradictorias:

- Ligero.

- Perfectamente homogéneo para facilitar la producción en serie.

- Indeformable.

- Resistente a la fatiga mecánica (en particular a las tensiones alternas debidas al funcionamiento de los rotores y las vibraciones).

- Resistente a la erosión y a la corrosión.

- De uso y producción sencillos.

- Coste bastante bajo para que el aeromotor se pueda construir y vender.

Actualmente se encuentran cuatro tipos de materiales para hacer las palas de la hélice.

Madera.

Presenta ciertas ventajas: ES sencilla, ligera, fácil de trabajar y resiste bien la fatiga.

La falta de homogeneidad obliga a los constructores a elegir las palas en función de su masa, la cual puede variar a lo largo del tiempo de diferente manera para dos palas iguales cuando están en servicio.

Estas variaciones de masa y estas deformaciones son el origen de vibraciones destructoras para los aeromotores.

El nogal y la haya son las dos maderas más utilizadas en la fabricación de las palas, pero el nogal s una madera escasa, por lo tanto cara, sobre todo si se quieren hacer palas de una longitud superior a 2 metros.

Para conservar las ventajas de la madera y reducir los inconvenientes, se puede recurrir a tratamientos o protecciones de la madera antes o después de hacer la pala:

- Chapas encoladas o chapas con baquelita;

- Protección contra la humedad por tratamiento hidrófugo;

- Protección del borde de ataque por un perfil pegado (o clavado);

- Protección total por un recubrimiento ligero;

- Por revestimiento sintético duro (resinas de poliéster);

- Por revestimiento de neopreno.

Metal.

Por lo general en las palas se emplea una aleación ligera con silicio o con magnesio, ya que con estos materiales se pueden obtener costes muy bajos si se producen grandes series (aluminio moldeado, hilado o repujado).

Sin embargo, hay que destacar que el aluminio resiste bastante mal la fatiga, lo cual limita su empleo. También existen materiales ligeros con características mecánicas superiores, pero su coste hace su empleo difícil.

Materiales sintéticos, resinas, fibras y otros.

Algunos aeromotores funcionan con palas de materiales plásticos (10 KW bipala, fabricado en Alemania Federal, bajo la dirección de M.U. Hutter, Lübing), pero estos materiales, siendo muy interesantes en ciertos aspectos, como:

- poco peso;

- insensibilidad a la corrosión;

- buena resistencia a la fatiga,

presentan ciertos inconvenientes que podrían reducirse:

- coste elevado;

- falta de homogeneidad en la construcción; las características dimensionales pueden variar de una pala a otra.

Los aeromotores realizados por ERDA en colaboración con la NASA, están equipados con palas de fibra de carbono, según la tecnología utilizada en los helicópteros.

Palas compuestas.

Las palas con diferentes materiales son una buena solución, en particular para los aeromotores de pequeña y mediana potencia. Ejemplos:

Aleación ligera + espuma de poliuretano;

Aleación ligera + poliéster y fibra de vidrio;

Madera + poliéster;

Madera + metal.

Las palas son la parte del aeromotor que sin duda tienen que evolucionar más.

Número de palas.

Aeromotor con par de arranque elevado. Son las hélices multipalas conocidas por todo el mundo para el bombeo de agua y cuyo para de arranque es proporcional al número de palas y al diámetro. Su rendimiento respecto al límite de Betz es pequeño, puesto que la velocidad de la punta de la pala está limitada, su diámetro máximo es de 8 metros.

Aeromotores denominados "rápidos". Generalmente son bipalas o tripalas; el número de palas no tiene influencia en la potencia proporcionada, sino que es función de la superficie barrida por el rotor.

La máquinas que se construían antes eran generalmente tripalas, pero en la actualidad suelen ser bipalas, aunque sean de pequeña o gran potencia.

BIPALA

Ventajas

Inconvenientes

? Velocidades de giro muy altas que permiten rendimientos elevados.

? Máquina muy simple en particular por su tipo de regulación.

? Máquina más ligera y multiplicador más pequeño.

? Conjunto menos costoso.

? Sensible a las vibraciones, es el principal inconveniente puesto que a igualdad de calidad la hélice bipala es menos resistente.

? Más ruidosa por la velocidad de giro, ya que la velocidad de la punta de la pala es más elevada.

Nota: La hélices monopalas con contrapeso permiten mejorar el rendimiento, pero los problemas de vibraciones son muy difíciles de evitar.

SISTEMAS DE PROTECCION

Cualquiera que sea el tipo de aeromotor es necesario, para evitar su destrucción cuando los vientos son demasiados fuertes, que esté provisto de un sistema que permita disminuir las tensiones mecánicas en la hélice.

Sistemas de frenado.

Sistemas de frenado manual.

Es el método más simple para proteger la hélice de la destrucción. Cuando el viento alcanza una cierta fuerza un operador detiene el rotor con ayuda de un freno, poniéndolo paralelo al viento (en bandera) o modificando el ángulo de calaje de las palas para obtener un par motor nulo (este es el sistema más eficaz).

En nuestro caso aplicaremos un sistema de frenado utilizado en el tren trasero de los automóviles Volkswagen, este sistema conocido trabaja por medios mecánicos, como será de conocimiento este sistema es de freno es de tambor aplicado sobre balatas.

Sistemas de frenado automático.

Los medios citados pueden automatizarse mediante la acción del viento sobre un "pala" de mando.

La pala anexa está paralela y es solidaria al plano de rotación de la hélice.

Cuando la presión del viento sobre la pala alcanza un cierto valor, acciona mecánicamente una leva para poner en bandera al rotor o frenar el eje de giro (la presión del viento es proporcional al cuadrado de la velocidad V y a la superficie de las palas S; P = KSV?; K ~ 0,9).

El dispositivo precedente puede asociarse a un resorte que ponga en funcionamiento (posición inicial), al aeromotor cuando la velocidad del viento esté por debajo de la velocidad máxima que puede aguantar el aeromotor.

Incluso la acción en este caso puede ser progresiva. en efecto, el ángulo que forma el plano de la hélice con el viento, depende de la presión sobre la pala y la velocidad de rotación disminuiría hasta cero cuando el ángulo pase de 90? a 0?

Estos sistemas no pueden utilizarse más que con los aeromotores cuya velocidad de giro no debe ser constante. Por otra parte, presentan el gran inconveniente de interrumpir el funcionamiento del aeromotor más allá de una cierta velocidad del viento.

Estos son los sistemas de regulación más utilizados en los aeromotores de bombeo, en los cuales la constancia de la velocidad de giro así como el rendimiento no son importantes, ya que el agua puede almacenarse fácilmente.

Sistemas de regulación.

Se revisará rápidamente algunos tipos de regulación. Al ser estos altamente costosos no se realizarán en la práctica de instalación en zonas rurales.

Sistemas de regulación por freno aerodinámico centrífugo.

(perfil y calaje constantes).

- Regulador patentado, utilizado por el aeromotor WINCHARGER.

- Las palas principales están fijas (calaje constante).

- la regulación dispone de dos paletas, P1 y P2, articuladas en O1y O2, sobre un soporte perpendicular al eje de las palas principales. Estas paletas tienen la parte delantera un poco más larga y pesada que el posterior. Se mantienen en la posición inicial mediante los tensores t1y t2 y los muelles ajustados x1 y x2.

Hasta una velocidad de giro determinada f0 (es decir, la velocidad del viento correspondiente a V0), las paletas están en posición concéntrica. Actuando como un volante de inercia,tienden a mantener estable la velocidad de giro cuando la velocidad del viento varía durante breves momentos (pequeñas ráfagas).

Las palas que tienen un calaje fijo aumentan su velocidad de giro con la del viento; cuando esta velocidad sobrepasa V0 la velocidad de giro sobrepasa f0 y la fuerza centrífuga y la presión del aire sobre las paletas son preponderantes. Las paletas P1 y P2 giran alrededor de O1 y O2 y toman la posición correspondiente al frenado.

Sistema de "regulación" por disminución de la sección de la hélice, ya sea total o parcial, mediante una pala auxiliar.

Entonces la velocidad de giro disminuye y la fuerza de los muelles x1 y x2vuelve a ser preponderante, volviendo las paletas a la posición inicial. Si el viento es siempre superior a V0el proceso vuelve a comenzar, aceleración, abertura, frenado, vuelta a la posición inicial, etcétera.

De hecho el movimiento real no comporta más que pequeñas oscilaciones alrededor del punto de equilibrio. Las paletas en funcionamiento parecen conservar una posición de equilibrio fijo, pero la velocidad de giro no es muy estable para toda la gama real de vientos.

Además de este sistema de regulación, debe instalarse un freno para poder inmovilizar al aeromotor en caso de temporal, de parada de urgencia o de no utilización.

Utilización de la torre abatible como freno.

Sistema de frenado aprovechando la torre abatible.

Se tratara de hacer una innovación más práctica para frenar o desactivar el giro del aeromotor.

Aprovechando el movimiento de la torre de tipo basculante, se desactivará el aeromotor por causas de viento fuerte, clima desfavorable, cese de actividad o parada de urgencia.

Este sistema es una variante del frenado automático visto anteriormente. Con una aplicación menos complicada.

DISPOSITIVO DE ORIENTACION

Los aeromotores de eje horizontal necesitan una orientación permanente de la máquina en una dirección paralela a la del viento para disminuir los esfuerzos y las pérdidas de potencia.

Características del aerogenerador proyectado.

Existen muchos dispositivos de orientación, elegidos generalmente de acuerdo con la potencia del aeromotor. Son parte importante del buen rendimiento de la instalación eólica.

Los aeromotores de eje horizontal están sometidos a fuertes esfuerzos durante los cambios bruscos de orientación, originados por los cambios de velocidad y dirección del viento. Estos esfuerzos son mayores cuanto mayores sean las aceleraciones que se producen en un cambio de dirección.

La componente perpendicular al eje de rotación de la hélice es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro alrededor del eje principal (en rad/s).

Los cambios de dirección y las variaciones de frecuencia de rotación provocados por las ráfagas son el origen de vibraciones nefastas para el buen funcionamiento del aeromotor.

El sistema de orientación deberá cumplir con la condición necesaria de mantener el rotor cara al viento sin provocar grandes cambios de dirección del rotor cuando se produzcan cambios rápidos de la dirección del viento.

Para los aeromotores de pequeña y mediana potencia, cuya hélice está situada cara al viento, el dispositivo de orientación es una cola, constituida generalmente por una superficie plana (placa metálica o de madera) situada en el extremo de un soporte unido al cuerpo del aeromotor.

La condición antes descrita se obtiene por la determinación de la superficie de la cola sobre la cual se ejerce el par de giro.

Esta superficie se determina experimentalmente situando la máquina prototipo en un lugar donde la corriente de aire está perturbada y buscando la superficie óptima de la cola.

Cuando la cola se sitúa en el eje aeromotor, la longitud de soporte juega una función importante,puesto que cuanto más largo sea menos se situará en la zona de turbulencias del aeromotor, originadas por el giro de la hélice.

Para evitar que la cola este situada en la zona de turbulencias debidas a la rotación de la hélice (una distancia igual a 6 o 10 veces el diámetro), algunos constructores (Aerowatt), después de haberlo ensayado en túneles aerodinámicos, han equipado a sus aeromotores con colas cuya parte útil está situada fuera de las perturbaciones.

Dispositivo de orientación para aeromotores de cara al viento.

Para adaptar esta cola a lugares perturbados, el mismo constructor ha hecho una cola cuya superficie varía en función de las solicitudes originadas por los cambios de orientación del viento. La parte útil de la cola está constituida por una parte fija y una parte móvil articulada a la anterior mediante un material elástico.

En el caso de que se produzcan cambios de dirección del viento, la parte móvil gira, disminuyendo así el para de giro y por consiguiente la velocidad angular de orientación es menor así como los esfuerzos.

Las colas, que son muy eficaces, son muy difíciles de poner en práctica por causa de su peso y sus dimensiones en los aerogeneradores cuya hélice tenga un diámetro superior a 20 m (dimensión que corresponde a un potencia cercana a los 100 KW para una máquina con una velocidad nominal de 11m/s y un rendimiento del 65% con relación al de Betz).

La mayoría de los aeromotores destinado a instalaciones de pequeña potencia (P < 10 KW) funcionan con la hélice situada contra al viento y están equipados con la cola orientadora.

Los aeromotores cuyo diámetro es superior a los 20 metros funcionan generalmente con la hélice a favor del viento, es decir, con ésta detrás de la torre de sustentación. Desgraciadamente, éste sistema de orientación implica un funcionamiento de la hélice que crea esfuerzos periódicos destructivos.

COMPLEMENTOS PARA LA UTILIZACION DE ENERGIA EOLICA

EL GENERADOR ELECTRICO Y EL MULTIPLICADOR
EL GENERADOR ELECTRICO

El aeromotor puede accionar directamente o indirectamente (a través de un multiplicador), dos tipos de generador eléctrico:

- Generador de corriente continua (dínamo).

- Generador de corriente alterna (alternador).

Estos transformarán la energía mecánica en energía eléctrica, teniendo en cuenta las pérdidas ocurridas dentro el generador.

La fórmula de la transformación de energía es:

Cu*2ó*n

Cu: par del aeromotor (N*m)

n : velocidad de rotación (rpm)

i : Corriente proporcionada por el aerogenerador a una tensión U

GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA. (Dínamo)

La máquina está formada por dos partes bien diferenciadas:

- El circuito magnético (bobina de inducción) que crea un campo de inducción en el entrehierro y recibe el nombre de inductor.

- El bobinado de inducido en el que se recupera la energía eléctrica producida por la rotación del rotor accionado por el aeromotor.

Para recuperar esta energía, el inducido va provisto de un colector, que en la mayoría de los casos va provisto por dos sectores aislados de 180?

Dos escobillas, situadas una frente a otra, se ponen en contacto sucesivamente con el sector A después con el sector B, lo que permite que la corriente circule siempre en el mismo sentido en la utilización. En realidad, el colector consta de un gran número de sectores, que corresponden a otros tantos conductores, pero su papel es el mismo: hacer circular una corriente de igual sentido por todos los conductores de un mismo polo.

Si se considera que ese flujo producido por la bobina de excitación es constante (máquina compensada), la corriente proporcionada es proporcional a la velocidad de rotación. La relación entre la tensión en bornes de la máquina y la corriente es:

u = E - R * i

E: fuerza electromotriz de la dínamo.

R: resistencia de inducido.

i: Corriente suministrada a la carga.

Sección de un generador de continua, dínamo.

Inducido simplificado de una dínamo

GENERADOR SINCRONO DE CORRIENTE ALTERNA

La máquina consta de las siguientes partes.

- la bobina de excitación que crea el campo magnético en el cual el entrehierro es móvil, es el rotor accionado por el aeromotor. Puede ser de dos tipos:

? Rotor bobinado alimentado por dos colectores continuos en los que la corriente circula siempre en el mismo sentido.

? Rotor de imanes permanentes, con lo que se suprimen escobillas y colectores, que pueden ser causa de averías.

- El inducido, en el que se recupera la energía, solidario a la carcasa, y conectado a la utilización. Este al estator, y puede ser monofásico o trifásico. El trifásico permite obtener una tensión alterna casi sinuosidal (curva representativa de los valores del seno) y, por tanto, mejor rendimiento.

Ventajas e inconvenientes.

El principal inconveniente de la dínamo es la presencia de escobillas y colectores, que requieren un mantenimiento periódico. Por otra parte, la dínamo es más pesada y cara que un generador de corriente alterna.

Pero no necesita ningún dispositivo complicado para la carga de baterías.

Un simple diodo, (válvula de vació termodiónica formada por dos electrodos; conectada a un circuito permite el paso de la corriente en un solo sentido), que soporte la intensidad nominal de la dínamo, será suficiente para evitar que la batería pueda ser cortocircuitada por el inducido, cuando esté parado.

El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, presenta muchas ventajas. Su mantenimiento es nulo debido a la total ausencia de piezas en rozamiento. Para una misma potencia es más ligero y económico.

Pero debe girar a una velocidad más elevada y más estable que la dínamo (en general 3000 rpm) y además requiere un rectificador para la carga de baterías. A pesar de los inconvenientes propios de alternador, su utilización está generalizada, excepto para aeromotores de pequeña potencia, en los que la estabilidad de la velocidad de rotación no es suficiente.

En general, se utilizan alternadores trifásicos de imanes permanentes.

El multiplicador.

Se comprobó que el empleo de alternadores obliga a utilizar un multiplicador.

Efectivamente, los rotores de diámetro superior a los 5 metros, tienen velocidades de rotación demasiado bajas (<200rpm) para poder accionar directamente un alternador clásico.

Por tanto, para estas máquinas, es imprescindible intercalar un multiplicador entre el aeromotor y el generador.

Hay tres tipos de multiplicador que pueden utilizarse con los aeromotores:

- El más sencillo es el multiplicador de engranajes, de uno o varios ejes de ruedas dentadas cilíndricas. ES económico, pero de construcción embarazosa para conseguir relaciones de multiplicación elevadas.

- El empleo de trenes planetarios permite obtener multiplicaciones elevadas en un espacio reducido. La repartición de pares y esfuerzos entre varios satélites, así como la disposición coaxial, (perteneciente al eje o concerniente a él), de los ejes de entrada y salida facilitan una construcción compacta y relativamente ligera. Los satélites, arrastrados por un tren, engranan por una parte con el piñón colocado en el eje de salida, y por otra con una corona exterior fija. El eje de entrada es solidario con el tren que mueve satélites.

- El reductor de acoplamiento cónico, permite disponer el eje de salida perpendicular al de entrada.

En todos los casos, las dientes helicoidales aseguran un mejor rendimiento y también un funcionamiento más silencioso.

Nota: Se han realizado algunos sistemas para aumentar la velocidad de rotación del generador, sin multiplicador, como pueden ser:

- Hélices de contrarrotación.

- Empleo de la elevada velocidad periférica del rotor (rotor con llanta),

pero estos sistemas nunca han pasado del estado de prototipo.

Tipos de multiplicadores.

RECUPERACION DE LA ENERGIA EN EL SOPORTE FIJO

Máquinas sin multiplicador

El generador eléctrico está siempre colocado en la parte móvil de la máquina. La energía eléctrica se transmite al soporte fijo mediante un conjunto de colectores y escobillas, generalmente sobredimensionados para evitar pérdidas inútiles por resistencia en los contactos demasiado elevada.

Máquinas con multiplicador.

En este caso, puede estudiarse la solución del multiplicador colocado en la base, sobre todo para la recuperación de la energía mecánica. El multiplicador tiene entonces dos ejes perpendiculares, el eje horizontal y el vertical. Pero los problemas de estancamiento en el eje vertical son graves. En el caso de recuperación de energía eléctrica, interesa siempre utilizar el sistema de colectores escobillas.

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Editor: Fisicanet ®

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