generador de panqueques de aerogenerador pequeño, ¿la fuerza de los imanes afecta la rotación al cargar una batería?

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Contexte: un generador de panqueques de turbina eólica pequeña de bricolaje, hecho con 2 placas de rotor de 12 imanes rectangulares y un estator de 9 bobinas cableadas. Después del generador, las 3 fases alternativas de electricidad se transforman en corriente continua gracias a los 3 puentes rectificadores (uno para cada fase). Después del rectificador, un circuito LM317 limita el voltaje para cargar la batería, una placa arduino o cualquier otro dispositivo.

Problema: a baja velocidad del viento, cuando el generador carga una batería (o carga la placa de arduino, etc.), la carga genera una ruptura en la rotación del aerogenerador. La potencia del viento no es suficiente para mantener la velocidad de rotación frente a la fuerza inversa generada por la carga de los dispositivos.

Pregunta: En igualdad de condiciones, ¿el fenómeno de la ruptura será menos importante si colocamos imanes con poca fuerza (pero con la misma forma)?

Información adicional: Actualmente, he construido un generador de bricolaje para un mini aerogenerador de eje vertical de bricolaje. Este generador está hecho con imanes y bobinas. Los imanes utilizados actualmente son muy fuertes. La resistividad cuando carga una batería es demasiado importante cuando el viento es muy bajo. Luego, me desvío si reduce la fuerza de los imanes, eligiendo imanes con la misma superficie, la misma forma de la superficie, pero menos fuertes que los utilizados actualmente, sin cambiar nada más, ¿reducirá la resistividad?

Dijo de manera diferente: Para un generador de tipo panqueque, ¿cuál será el efecto de una reducción de la fuerza de magnetismo de los imanes (manteniendo la misma forma de la superficie del imán x * y, pero disminuyendo la altura h, el espesor) en la fuerza electromagnética inversa creada cuando este tipo de panqueque el generador es operado por un mini aerogenerador y alimenta una carga (como una batería).

Para entender mejor el sistema, te doy este siguiente boceto. Puedes ver el sistema general. El tipo de generador de panqueques del que estoy hablando. El efecto en la rotación por minuto cuando el generador carga una batería y cuando no lo hace, para una misma velocidad de viento baja. Y la pregunta sobre los imanes.

Mi pregunta está realmente enfocada en el efecto del cambio de la fuerza del imán, con respecto a las RPM cuando aparece la fuerza electromagnética inversa debido a la carga de un dispositivo, todo lo demás es igual. ¿Se disminuirán las RPM con los imanes de menor fuerza?

Cualquiera que sea el efecto sobre el voltaje o la intensidad, la pregunta realmente solo se enfoca en el efecto del cambio de la fuerza del imán.

    
pregunta Anc

4 respuestas

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Me parece conveniente pensar en problemas como este en términos de conservación de energía. Entonces pongámosle algunos números.

La potencia mecánica es fuerza \ $ F \ $ veces la velocidad \ $ v \ $:

$$ P = Fv \ tag 1 $$

o para un sistema rotativo, par \ $ \ tau \ $ veces la velocidad angular \ $ \ omega \ $:

$$ P = \ tau \ omega \ tag 2 $$

Para la energía eléctrica, es actual \ $ I \ $ veces el voltaje \ $ E \ $:

$$ P = IE \ tag 3 $$

Por el momento, no asumamos pérdidas en el sistema. La potencia eléctrica producida por el generador debe ser igual a la potencia mecánica colocada en la turbina.

$$ P_ \ text {turbine} = P_ \ text {generator} $$

Así por las ecuaciones 2 y 3:

$$ \ tau \ omega = IE \ tag 4 $$

En vientos bajos, desea mantener el par de torsión \ $ \ tau \ $ bajo. De lo contrario, es posible que la turbina ni siquiera supere la fricción estática y no gire en absoluto.

Mientras que el producto del torque y la velocidad angular está fijado por la cantidad de energía disponible del viento, su proporcionalidad no lo está. Teóricamente, podría agregar una caja de cambios mecánica para que la turbina gire con menos torque pero a una velocidad angular más rápida, ideal para vientos bajos.

En vientos fuertes, no querrás que la turbina gire demasiado rápido, por lo que la caja de engranajes podría funcionar a la inversa: gira con más par motor pero con una velocidad angular más baja.

La caja de engranajes ideal no tendría pérdidas, y sería continuamente variable para que la turbina pueda girar a la velocidad óptima en todas las condiciones de viento. Desafortunadamente, tal caja de cambios sería muy costosa y compleja, y aun así probablemente no sea tan eficiente.

Afortunadamente, puedes implementar la "caja de cambios" en el lado eléctrico del sistema.

En un generador, la tensión de salida es proporcional a la velocidad a la que está girando, y la corriente es proporcional al par. Entonces,

$$ E \ propto \ omega $$ $$ I \ propto \ tau \ tag 5 $$

Si desea reducir el par, debe reducir la corriente. Pero no puedes elegir el poder: eso lo decide el viento. Por lo tanto, para mantener la potencia, de acuerdo con la ecuación 3, debe aumentar el voltaje simultáneamente.

Los generadores producen voltaje como se describe en Ley de inducción de Faraday :

  

La fuerza electromotriz inducida en cualquier circuito cerrado es igual al negativo de la tasa de tiempo de cambio del flujo magnético encerrado por el circuito.

En el generador, este flujo magnético es el rotor que se mueve a través del campo del estator. Su estator de imán permanente proporciona el flujo magnético, los devanados del rotor son lo que encierra el flujo y la rotación del rotor hace que el flujo cambie. Por lo tanto, reducir el voltaje podría lograrse mediante:

  • girar el rotor más lentamente
  • disminuyendo la fuerza del campo del estator
  • disminuyendo el número de devanados en el rotor

Girar el rotor más lentamente es lo contrario de lo que esperábamos lograr, pero las otras dos opciones son válidas. El uso de imanes más débiles disminuiría la fuerza del campo del estator y quizás permitiría imanes más baratos. Usar menos giros en los devanados del rotor logra lo mismo, y permite que se use un cable más grueso, lo que reduce las pérdidas por resistencia en el cable.

Entonces, hay una respuesta para su primera pregunta: los imanes más débiles reducirían el par, y la turbina giraría más rápido. Ha modificado efectivamente la "caja de cambios eléctrica" del generador.

El problema es ahora, ¿qué pasa si el viento es fuerte? Sería más conveniente si la "caja de cambios" fuera variable, pero no podemos modificar el generador de forma mecánica para que se adapte a cada condición de viento.

Hay otra manera de ajustar la proporcionalidad del voltaje y la corriente en un sistema eléctrico mientras se mantiene constante la potencia: una fuente de alimentación en modo de conmutación (o tal vez debería llamarse un convertidor).

Por suerte, el propio generador ya es una parte importante de este convertidor . También puede pensar en el generador como un motor que siempre está intentando girar demasiado rápido, por lo que debe aplicar la batería como freno . Todo lo que necesita hacer es alternar entre el cortocircuito entre los terminales del generador y la conexión del generador a la batería para cargarlo. Y esto es el núcleo de lo que hace un controlador de carga.

    
respondido por el Phil Frost
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Suponiendo que te refieres a la resistencia mecánica (par de arranque) no eléctrica / resistencia ...

Los generadores optimizados para pequeñas turbinas eólicas, donde el arranque automático a bajas velocidades del viento es importante, generalmente no tienen hierro, es decir, las bobinas del estator generalmente no tienen núcleos de hierro.

Esto significa que, en ausencia de carga eléctrica, no se requiere un par de torsión para hacer girar el generador (por encima y por encima de la fricción del rodamiento y la resistencia del aire de todo el conjunto).

La desventaja de un estator sin hierro es que la intensidad del campo magnético se reduce porque aumenta el espacio de aire, y la solución es usar los imanes permanentes más fuertes posibles, en lugar de los más débiles.

Así que supongo que la "resistividad" de la que habla es la "tracción" causada por la atracción entre su rotor de imán permanente y los núcleos de hierro (probablemente laminados) en sus bobinas de estator. Entonces la solución no es reducir el problema, debilitando los imanes, sino eliminarlo, mediante el uso de un generador sin hierro.

Mi go-to ste para esto es Scoraig Wind , que incluye un guía gratuita para construir un aerogenerador y generador efectivos .

    
respondido por el Brian Drummond
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Por resistividad, entiendo la resistencia terminal (es decir, la resistencia del estator). Esta es una característica de los devanados del estator & No está influenciado por la fuerza de los imanes del rotor. Para disminuir la resistencia, debe utilizar un cableado de mayor calibre, una reducción en el número de vueltas o un material diferente

Por resistividad, ¿realmente te refieres a la impedancia (R + jwL)? Esta es una característica de la renuencia del estator y de los devanados. Para reducirlo, tendría que mejorar la reticencia del paquete de núcleo del estator, reducir el número de vueltas de bobinado.

Una reducción en la fuerza magnética reduce la densidad del flujo, que a su vez reduce el enlace del flujo, lo que reduce la velocidad de cambio del flujo. Todos estos contribuyen a una reducción en Ke, Kt, kv.

    
respondido por el JonRB
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Si reduce la intensidad del imán, reducirá el voltaje producido. Para compensar esto, necesita aumentar el número de vueltas en los devanados del estator, lo que aumenta su resistencia eléctrica y reduce la corriente de carga. Menor corriente = menor carga de torsión, por lo que girará más fácilmente. Sin embargo, la mayor resistencia del devanado provoca una mayor pérdida de potencia, por lo que será menos eficiente.

Puede obtener el mismo efecto agregando resistencia externa al circuito de carga, o incluso mejor, use un circuito MPPT (Seguimiento de punto de máxima potencia) para extraer la máxima potencia posible del generador sin ralentizarlo demasiado.

    
respondido por el Bruce Abbott

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