GENERADOR DE ENERGÍA ELÉCTRICA ABORDO, PARA MAQUINARIA AGRÍCOLA
Héctor Molina 1, Alejandro Nuñez 2, Lucas Lliteras 3, Andrés Más 4 y Alberto Sanchez 5
1,2,3,4,5 Departamento de Ingeniería Electromecánica - Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan
Av. Libertador San Martin 1109 (o), San Juan, Argentina [email protected] [email protected]
[email protected] [email protected]
RESUMEN
Los implementos de las máquinas agrícolas de hoy han crecido en su nivel de sofisticación y
constituyen complejos sistemas mecatronicos que usan motores y actuadores eléctricos de todo
tipo, consecuentemente la energía eléctrica demandada por estos equipos, hace necesario
disponer de una fuente de suministro a bordo capaz de suplir los niveles requeridos, reduciendo
emisiones al eliminar el uso de grupos electrógenos, ya que reducir la polución ambiental, es el
desafío que enfrentan actualmente los desarrollos tecnológicos en los diferentes campos de la
Ingeniería. El desarrollo de nuevos materiales en el campo de los imanes permanentes, y los
aislantes también ha extendido el uso de máquinas sin escobillas, a la generación de energía
eléctrica. En este trabajo se presentan el panorama actual en cuanto al esquema energético y los
sistemas de conversión de energía a bordo de las máquinas agrícolas actuales, y los avances con
la implementación de una máquina de imanes permanentes reversible, llevados a cabo en el
laboratorio de máquinas eléctricas de la facultad de ingeniería de la UNSJ, en el marco del
desarrollo del proyecto de investigación que tiene por objetivo el desarrollo del generador a bordo
para maquina agrícola.
.
Para información escribir a: [email protected]
Palabras Claves: Imanes permanentes, generador, maquina agrícola
La electrificación en las máquinas agrícolas y sus implementos
La constante incorporación de la gestión electrónica y componentes eléctricos a la maquinaria
agrícola y sus implementos [4] [7] [9] [10], y la necesidad de reducir la emisiones contaminantes
[1], ha provocado un constante aumento en la demanda de la energía eléctrica a bordo, en
maquinaria agrícola moderna a nivel global, en la Figura 1 puede verse la línea de tiempo [7].
Desde el punto de vista de los principales consumidores eléctricos podemos mencionar
Elementos auxiliares del motor de combustión diesel
Motor en Vehículos de tracción Hibrida
Motores en vehículos de tracción eléctrica
Almacenamiento de energía para tracción eléctrica e hibrida
Electrificación de Implementos
Estructuras de electrificación de maquinaria agrícola
En la figura 2 podemos ver la estructura más simple de una maquina agrícola clásica con una
toma de fuerza con reducción PTO (Power Take-off) a través de la transmisión y otra toma de
fuerza frontal del motor, Un generador de imanes permanentes que se acopla a la toma de fuerza,
también salida con inversor esto permite generar corriente alterna con diferentes posibilidades de
tensiones y frecuencias [5]. Este tipo de estructura de electrificación es la planteada en el proyecto
en desarrollo.
Figura 1: Línea de tiempo hacia la electrificación masiva de la maquinaria agrícola
En figura 3 tenemos una maquina agrícola con un motor diesel que posee un generador
incorporado y un inversor que permite versatilidad en cuanto a opciones de alimentación apara
implementos agrícolas y accesorios eléctricos del motor.
En la figura 4 se aprecia la estructura de una maquina agrícola híbrida con un motor de combustión
diesel y un motor eléctrico para todo el vehículo que comparten la transmisión mecánica en la
figura 5 se ve un vehículo hibrido como y motor combustión diesel y motores eléctricos individuales
para cada rueda [9].
Figura 2: Maquina agrícola convencional con generador acoplado por toma de fuerza
Figura 3: Maquina agrícola con generador incorporado
Figura 4: Maquina agrícola hibrida con motor eléctrico central y generador incorporado
Figura 5: Maquina agrícola híbrida con motores eléctricos individuales y
generador incorporado
Generador portátil para toma de fuerza
En la universidad de Viena Austria [2] se ha desarrollado un generador portátil basado en una
maquina sincrónica de imanes permanentes el mismo posee la electrónica de control y potencia
necesaria para para obtener VAC trifásica de 400V monofásica 1x230V una salida de control para
motor de imanes permanentes de tipo sensorless sin realimentación de posición de campo, y una
salida con variación V/F este es el tipo de generador planteado en el proyecto en desarrollo.
En la figura 6 puede verse el diagrama general de la estructura a nivel eléctrico del generador, en
la figura 7 se ve el generador portátil, la figura 8 muestra el generador portátil montado en la parte
frontal de un tractor conectado a su toma de fuerza delantera,
Figura 6: Diagrama del generador portátil Universidad de Viena
Figura 7: Generador Portátil
Figura 8: Generador Portátil Instalado en el tractor
En la figura 9 se puede ver la respuesta del generador a circuito abierto la cual es dependiente de
número de revoluciones del motor.
En la figura 10 puede verse una representación de la eficiencia para el caso de motor PMSM con
reductor alimentado desde el generado portátil podemos ver un amplio rango de operación con
rendimientos del 80 al 90%.
Figura 9: Respuesta del generador: Voltaje a circuito abierto vs RPM
Figura 10: Gradiente de Eficiencia para el plano Torque vs. RPM
Revoluciones [rpm]
Torque [Nm]
Diseño de la máquina de imanes permanentes
Se planteó el diseño del circuito magnético, con el objetivo de lograr una maquina eléctrica de
imanes permanentes que pueda trabajar como motor o generador [6], capaz de generar 10KW. La
mejora en la densidad de flujo de campo magnético y la reducción de costos en los procesos de
fabricación de los imanes permanentes basados en tierras raras [12], han provocado un aumento
geométrico en la aplicación de imanes permanentes en los circuitos magnéticos de las máquinas
eléctricas de última generación.
El circuito magnético Se ha elaborado el circuito magnético que permita menor cogging (riple de torque)
En la figura 11 puede verse que el rotor es externo y contiene 42 imanes, el estator es interno de
polos salientes, con bobinado trifásico cada color indica una fase del mismo, las letras mayúsculas
indican sentido horario y minúsculas anti- horario del bobinado y el orden la alternancia espacial,
cuenta con 36 masas polares lo que resulta en una 252 pasos discretos de posicionamiento y/o
avance en 360º de giro.
Figura 11: Diseño propuesto del circuito magnetico
Diseño y simulación de la unidad electrónica de control
Durante de etapa de diseño de la unidad electrónica de control, se ha optado por el control tipo
sensorless, sin realimentación de posición del campo rotante, [3] esto simplifica la construcción
dela maquina ya que no debe realizarse el montaje de sensores hall, pero agrega complejidad a la
unidad de control ya que debe medirse el valor de fem de cada una de las fases para inferir la
posición del campo y actuar sobre los circuitos de potencia. En la Figura 12 Se muestra el
diagrama esquemático usado para simulación de la unidad de control propuesta.
Simulación de la respuesta Motor – Controlador
Se ha trabajado con el modelo de simulación desarrollado por el Ing. Devendra Rai, del
Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicación del Instituto Nacional de Tecnología
Karnataka, India [11], los algoritmos se han desarrollado en Matlab. El motor, usado en la
simulación, está basado en fuerzas contra electromotrices trapezoidales y un estator tipo estrella, a
pesar de que la lógica usada puede ser para cualquier tipo de distribución de flujo, en la figura 13
se puede ver el diagrama en simulink del modelo. Las ecuaciones diferenciales, tanto eléctricas y
mecánicas, poseen valores de entrada necesarios para el cálculo, como así también constantes,
tales como inductancias o reluctancias de fase o fricción, que no pueden ser modificadas durante
la simulación, para el desarrollo del modelo se ha aplicado espacios de estados.
Figura 12: Diagrama esquemático del diseño del controlador
Diseño mecánico de adaptación
Para comenzar con las primeras pruebas se decidió usar el circuito magnético de una maquina
comercial de tipo Direct Drive como el de la figura 14, para ello fue necesario diseñar las piezas
necesarias ver figura 15 y mecanizar las mismas ver figura16, trasformando el diseño original de la
maquina eléctrica de tipo direct drive, para salida mecánica por eje central
Circuito magnético Comercial
Figura 13: Diagrama en Simulink del modelo simulación motor controlador
esquemático del diseño del controlador
Figura 14: Circuito Magnético Comercial Figura 15: Diseño 3D de la piezas mecánicas
Se actualizo la dinamo péndulo del laboratorio agregado una celda de carga se construyeron las
facilidades mecánicas para instalar y acoplar el motor al banco figura 17
Figura 16: Piezas mecanizadas
Figura 17: Motor instalado en la dinamo péndulo Figura 18: Medición laser de RPM
Se efectuaron los primeros ensayos en vacío en la figura 18 se muestra la medición de rpm por
láser durante estos ensayos, se obtuvo la curva de Voltaje vs rpm de la figura 19
3. CONCLUSIONES
En función de la perspectiva actual y futura del uso y necesidades de la disponibilidad de energía
eléctrica a bordo de máquinas agrícolas, se ha planteado el diseño de una máquina de imanes
permanentes, que pueda ser usada como motor y generador de 10 KW, se ha llevado cabo el
diseño del circuito magnético y del controlador, se ha simulado el comportamiento del conjunto
motor-controlador haciendo uso de matlab Simulink. Como etapa previa a la implementación del
circuito magnético definitivo se ha usado un circuito magnético comercial para poner a punto del
instrumental de laboratorio y efectuar las primeras pruebas del controlador,
4. REFERENCIAS
[1] Moreda G., Muñoz M., Barreiro P. High voltage electrification of tractor and agricultural machinery – A Review, In Energy Conversion and Management Journal, Elsevier, Volume 115, pp. 117-131, 2016
[2] Kogler F., Kalteis G., Heissenberger J., Prankl, H., Mobile PTO generator for agricultural usage Proceedings of 71st International Conference on Agricultural Engineering vol. 2193, pp. 157–162 8–9 November 2013 Hannover, Germany
0
20
40
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0 100 200 300 400 500 600 700 800
Ten
sió
n [
V]
Velocidad [RPM]
Característica de Vacio
FEM
Figura 19: Características de Vacío
[3] Soares F.; Cappelli, N.; Garcia A., Control applied to an electrical power generation system mounted on tractors for driving of agricultural implements. Brazilian Journal of Eng. Agríc. vol.36, n.5, pp.846-857, 2016
[4] Buning E., Electric drives in agricultural machinery - approach from the tractor side Indian Journal of Agricultural Engineering Vol 43 Issue 3, pp 30-35, 2010 [5] Prankl H., Nadlinger M. , Demmelmayr F., Schrödl M. Multi-Functional PTO Generator for Mobile Electric PowerSupply of Agricultural Machinery Proceedings of 69 th International Conference on Agricultural Engineering vol. 2124, pp. 101–107, 2011 Hannover, Germany [6] Minciunescu P., Varaticeanu B. A New High-Tech Brushless Motor/Generator with Axially Aligned Stator Poles . EEA – Journal on Electrotehnica, Electronica, Automatica. Vol. 61 | no. 2 | April - June 2013
[7] Tetzlaff S. System-wide electrification and appropriate functions of tractor and implement
Landtechnik Agricultural Engineering 70(5), pp 203-206 Oct 2015
[8] Singh B., Wanner K.,Vilar Z Novel and Ruggedized Power Electronics for Off-Highway Vehicles IEEE Electrification Magazine pp 31-41 June 2014 j [9] Zhitkova S., Felden M., Franck D Design of an electrical motor with wide speed range for the in-wheel drive in a heavy duty off-road vehicle Proceedings of International Conference
on Electrical Machines (ICEM), 978-1-4799-4389-0, pp. 1076-1082.2014, Germany
[10] Stoss K., Sobotzik J.,Shi B., Kreis E Tractor Power for Implement Operation—Mechanical, Hydraulic, and Electrical: An Overview American Society of Agricultural and Biological Engineers ASABE Agricultural Equipment Technology Conference 28-30 Jan 2013 Kansas City, Missouri, USA
[11] Devendra Rai, Brushless DC Motor Simulink Simulator, Department of Electronics and
Communication Engineering, National Institute of Technology Karnataka, INDIA
[12] Lucas J., Lucas P., Le Mercier T. Rare Earths Chapter 14: Rare Earth-Based Permanent
Magnets Preparation and Uses, E-Book, ISBN: 9780444627445, Sept 2014, Elsevier, USA