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Universidad Politécnica Salesiana, Teoría de Control II, Generador Eólico por Control a Distancia
Facultad de Ingeniería Eléctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador
Abstract — The Law of Conservation of Energy states that in
a closed system the total amount of energy remains
unchanged over time, that is, that energy is neither created
nor destroyed, transformed. Therefore, when speaking of
wind, we refer to the transformation of wind kinetic energy
(depending on the speed thereof) in other useful energy by the
(typically electrical or mechanical) human
It is considered that this is an indirect form of solar energy.
This is because the sun (by sunlight) produces uneven heating
of the earth's surface by its uneven impact and the difference
between the land masses and water bodies. Consequently,
zones with different temperatures and pressure gradients are
generated, causing the displacement of air masses and,
consequently, the appearance of the wind.
I. ANTECEDENTES
Un sistema eólico surge por aprovechamiento del hombre de
la energía del viento. Antiguamente se utilizó para propulsar
naves marinas y mover molinos de grano, hoy en día se utiliza
sobre todo para generar energía limpia y segura. La
generación de electricidad a partir del viento no produce gases
tóxicos, ni contribuye al efecto invernadero, ni a la lluvia
acida. Ni origina productos secundarios peligrosos mucho
menos residuos contaminantes. Cada Kw/h de electricidad,
generada por la energía eólica evita la emisión de un
kilogramo de dióxido de carbono CO2 a la atmosfera. Por lo
que el proyecto resulta sustentable.
Electrical Engineering Student
Universidad Politécnica Salesiana
Quito-Ecuador
Pablo Achig – Santamaria Andres Artieda – Cadena Electrical Engineering Student Electrical Engineering Student
Universidad Politécnica Salesiana Universidad Politécnica Salesiana
Quito-Ecuador Quito-Ecuador
[email protected] [email protected]
Jhonny Correa – Lopez Electrical Engineering Student
Universidad Politécnica Salesiana
Quito-Ecuador
Generador Eólico por Control a Distancia
Universidad Politécnica Salesiana, Teoría de Control II, Generador Eólico por Control a Distancia
Facultad de Ingeniería Eléctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador
II. INTRODUCCION
La generación de energía eléctrica a partir de fuentes
renovables como el viento es una tarea que la humanidad está
descubriendo, no solo como importante, sino también como
vital para el desarrollo de las futuras generaciones. La energía
eólica es una fuente inagotable de electricidad, además de que
no contamina, es por ello que encontramos en esta un gran
campo de aplicación para el desarrollo de una fuente
alternativa de energía, trataremos de crear conciencia en las
personas, para la utilización de estos generadores en un futuro
y provocar un menor impacto ambiental en la naturaleza. En
este proyecto, trataremos de realizar pruebas con el fin de
mejorar o en su caso construir un generador eólico a través de
la aplicación de distintos métodos tecnológicos y herramientas
útiles para su mejora, se fomentará el aprovechamiento de una
fuente tan abundante de energía como lo es el viento.
III. SINTESIS El presente proyecto está enfocado en la implementación de
un sistema de energía eólica, con el fin de obtener electricidad,
demostrando la sustentabilidad de dicho. Este proyecto estará
al alcance de todos, permitiendo hacer conocer los beneficios
de un generador eólico.
IV. DELIMITACION DEL TEMA Debido a lo extenso del tema de las energías alternativas, y al
hecho de que no todas las formas de aprovechamiento de las
energías alternativas, son adecuadas y económicas, el presente
proyecto se centrará de forma muy específica en la mejora de
un generador eólico para un proyecto de desarrollo
sustentable.
V. PLANTEAMIENTO DEL
PROBLEMA En este Proyecto se pretende controlar el voltaje de salida de
una motor DC, el cual llamaremos generador eólico, puesto
que trabajara con aire generado artificialmente. El generador
de aire para realizar el movimiento será una secadora de
cabello que trabaja a 110V en corriente alterna, el cual
llamaremos fuente.
VI. HIPOTESIS Ser capaces de mejorar el generador eólico, con el fin de
obtener mayores beneficios, tales como:
- Un generador eólico más resistente, con materiales
reciclables y económicos.
- Producir energía eléctrica a menor costo.
- Reducir la contaminación.
El hecho de mejorar, no significa deficiencias en el generador
eólico existente, pero si cambios que consideramos son
necesarios para un uso más eficiente del equipo, estos
cambios se tendrán a prueba, para evaluar y tomar las
decisiones más adecuadas acerca del proyecto.
VII. OBJETIVO GENERAL - El presente proyecto tiene por objetivo general, el desarrollo
de procedimientos tecnológicos y prácticos, que se necesiten
para la construcción de las mejoras de un generador eólico por
control a distancia, inicialmente de baja potencia, para después
extender las experiencias a potencias mayores en la medida de
lo posible. Se tratará de impulsar el desarrollo de tecnologías
de aprovechamiento eólico para la utilización de esta, como
solución de problemas energéticos en algunas comunidades o
incluso en las ciudades, generando con ello, menos
contaminación y desgaste del planeta.
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VIII. OBJETIVOS ESPECIFICOS - Comprender los principios fundamentales de los análisis de
Bode y Nyquist de nuestra función de transferencia, la cual
será proporcionada por el generador eólico controlado por
distancia.
- Conocer todos los beneficios que nos proporcione la
energía eólica controlada por distancia.
- Crear un documento informativo sobre el generador eólico
controlado por distancia.
- Conocer que materiales se necesitan para la elaboración y
montaje de un generador de energía eólica controlado por
distancia.
- Qué factores de la ingeniería contribuyen en la elaboración
de un generador eólico controlado por distancia como la
resistencia de materiales para su elaboración
IX. METODOLOGIA DE LA
INVESTIGACION
Esta investigación fundamentó la obtención de energía
eléctrica a través de un generador eólico, para permitir la
disminución en el consumo de esta, el enfoque prácticamente
fue cuali-cuantitativo ya que se consideró una realidad en
constante transformación, pero al mismo tiempo dio
importancia a los resultados ya que nos orientamos en la
comprobación de hipótesis.
X. DESARROLLO
La toma de medidas para crear la función de trasferencia, se
colocara el generador eólico a una distancia inicial (1cm),
frente a la fuente. Se mantendrá fijo en el lugar el generador
mientras que la fuente variara su distancia con un
espaciamiento de 0.5 cm cada vez. Así se podrá realizar
tomas de medida con voltaje de salida en el generador eólico,
estas medidas serán tomadas con un multímetro digital, el cual
medirá el voltaje DC que entregara en cada distancia que se
encuentre la fuente.
# DISTANCIA VOLTAJE
1° 1 4,48
2° 1,5 4,12
3° 2 3,76
4° 2,5 3,59
5° 3 3,42
6° 3,5 3,275
7° 4 3,13
8° 4,5 2,905
9° 5 2,68
10° 5,5 2,355
11° 6 2,03
12° 6,5 1,99
13° 7 1,95
14° 7,5 1,79
15° 8 1,63
16° 8,5 1,58
17° 9 1,53
18° 9,5 1,505
19° 10 1,48
20° 10,5 1,455
21° 11 1,43
22° 11,5 1,255
23° 12 1,08
24° 12,5 0,975
25° 13 0,87
26° 13,5 0,82
27° 14 0,77
28° 14,5 0,69
29° 15 0,61
30° 15,5 0,565
31° 16 0,52
TABLA 1. DATOS DISTANCIA VS VOLTAJE
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XI. PROCEDIMIENTO
1.- Las medidas tomadas experimentalmente (Tabla 1) nos
ayudaran a desarrollar la función de transferencia que
requerimos, para así conocer cómo se comporta nuestra planta
generadora.
2.- Para la creación de nuestra función de trasferencia
usaremos el programa MATLAB el cual nos ayudara con la
estimación de nuestra panta teniendo en cuenta que tenemos
nuestra entrada y salida en forma de datos tomados
experimentalmente. Usaremos el comando “ident” el cual
permite crear una estimación de una función de transferencia.
FIGURA 1. INGRESO DE DATOS A
“SYSTEM IDENTIFICATION TOOL”
3.- Crearemos varios tipos de funciones de transferencia que
simularan lo mejor posible la planta que estamos estimando.
Con uno dos y tres polos respectivamente (P1 P2 P3D).
FIGURA 2. FUNCIÓN DE TRASFERENCIA DE PD3.
4.- Para tener una visión más clara de cuales serían nuestras
funciones de trasferencia podemos exportar los datos al
Workspace y formar la función. Con el comando “zpk( )” podremos crear una función que tenga polos y ceros, para así
compararla con la estimación principal de nuestra planta.
FIGURA 3. COMPARACIÓN DE DATOS.
En la Figura 3 podemos apreciar nuestra planta estimada por
MATLAB en color negro y las estimaciones P1 en rojo, P2 en
verde y P3D en azul. P3D será la mejor estimación ya que
obtiene un 90.68% de igualdad con nuestra planta.
Las funciones de trasferencia creadas son:
P1:
-0.069118
------------------
(s + 4.155)
P2:
-91121
-----------------------------
(s + 27.76) (s + 1e06)
P3D:
exp(-30 * s) * ----------------------------------------------
5.- Una vez tomadas las medidas y creada la función de
trasferencia deberemos considerar la automatización de la
distancia que tendrá la fuente frente al generador eólico, para
mantener estable el voltaje de salida, en un punto determinado.
Esto lo podremos realizar controlando la variable de distancia.
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Para ello se utilizara un sensor ultrasónico el cual medirá la
distancia existente entre la fuente y el generador.
6.- Para la utilización del sensor se debe crear un programa
dentro de un microcontrolador ds-pic30f4013 el cual
determinara la distancia existente entre las dos partes de la
planta, este a su vez tomara las medidas de voltaje que está
emitiendo el generador y así variara la distancia para mantener
el generador eólico en un punto estable predeterminado.
7.- Una vez especificada la manera de cómo se tomaran los
datos para la actuación de la distancia entre fuente y generado,
se plantea crear una base con rieles los cuales moverán la
fuente hacia delante o atrás dependiendo sea necesario. Esta
riel se moverá con un motor el cual será activado cada vez que
el microprocesador determine que el voltaje no es el deseado.
Para la inversión de giro del motor que mueve la riel se usara
un puente H el cual nos permitirá mover el motor en sentido
horario y anti horario.
A. DIAGRAMA DE BODE
FIGURA 4. DIAGRAMA DE BODE.
Un diagrama de Bode es una representación gráfica que sirve
para caracterizar la respuesta en frecuencia de un sistema.
Normalmente consta de dos gráficas separadas, una que
corresponde con la magnitud de dicha función y otra que
corresponde con la fase.
Es una herramienta muy utilizada en el análisis
de circuitos en electrónica, siendo fundamental para el diseño
y análisis de filtros y amplificadores.
El diagrama de magnitud de Bode dibuja el módulo de la
función de transferencia (ganancia) en decibelios en función
de la frecuencia (o la frecuencia angular) en escala
logarítmica. Se suele emplear en procesado de señal para
mostrar la respuesta en frecuencia de un sistema lineal e
invariante en el tiempo.
El diagrama de fase de Bode representa la fase de la función
de transferencia en función de la frecuencia (o frecuencia
angular) en escala logarítmica. Se puede dar en grados o
en radianes. Permite evaluar el desplazamiento en fase de una
señal a la salida del sistema respecto a la entrada para una
frecuencia determinada.
• Se puede apreciar un sistema inestable ya que al variar la
fase poco el sistema tiene grandes cambios de magnitud
siendo que la fase no varía en gran proporción.
• Mientras que su fase va disminuyendo la ganancia del
sistema lo hace igual.
B. DIAGRAMA DE NYQUIST
FIGURA 5. DIAGRAMA DE NYQUIST.
El diagrama de Nyquist es una representación paramétrica de
una función de transferencia, se utiliza en control automático y
procesamiento de señales.
El uso más común de los diagramas de Nyquist es para la
evaluación de la estabilidad de un sistema con realimentación.
La representación en los ejes cardinales es, la parte real de la
función de transferencia se representa en el eje X, la parte
imaginaria se traza en el eje Y. La frecuencia se recorre como
un parámetro, por lo que a cada frecuencia le corresponde un
punto de la gráfica. Alternativamente, en coordenadas polares,
la ganancia de la función de transferencia se representa en la
coordenada radial, mientras que la fase de la función de
transferencia se representa en la coordenada angular.
• Como se puede apreciar en la figura esta función de
transferencia no es estable ya que el contorno Tp del plano
P(s) rodea el punto crítico.
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• Además se puede ver que el sentido del contorno Tp está en
sentido de las manecillas del reloj esta es otra característica de
que un sistema es inestable según el criterio de Nyquist, sus
polos y ceros su número de polos de P(s) no son iguales a sus
partes reales positivas.
• Se debería tener una ganancia distinta para lograr que el
lugar geométrico de la raíz pase por el punto crítico y poder
decir que la función es estable.
C. CONTROLADOR DE ADELANTO
Considere la planta:
Diseñe un controlador en adelanto para tener: error de
posición cero, margen de fase mayor que 55°, frecuencia de
cruce de ganancia no menor que el de la planta sin compensar.
Desarrollo:
Compensador de la forma
Con el polo en
, y el cero en
. Para que sea
adelanto se debe cumplir a>1
Se parte de que la frecuencia de fase máxima es:
FIGURA 6. FRECUENCIA DE FASE MAXIMA.
FIGURA 7. FRECUENCIA DE FASE DEL COMPENSADOR.
Y la fase máxima tiene una forma:
(margen de fase)
(margen de fase del compensador)
FIGURA 8. FRECUENCIA DE FASE ACTUAL.
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FIGURA 9. FRECUENCIA DE FASE DESEADO.
FIGURA 10. FRECUENCIA DE FASE DE LA PLANTA.
⁄
FIGURA 11. FRECUENCIA DE FASE MAXIMA.
FIGURA 12. FRECUENCIA DE FASE DEL COMPENSADOR Y LA
PLANTA.
XII. JUSTIFICACION
La energía eólica se produce como consecuencia de la energía
cinética del viento. El viento es un fluido puro del cual nos
servimos para respirar, este no cambiará su estructura
molecular como tampoco afectará al ambiente su
transformación en energía eléctrica, por lo que es factible su
transformación y utilización como energía final. En los
últimos años la energía eólica ha cobrado gran importancia
debido a sus ventajas medioambientales, ya que, genera
electricidad a un bajo costo.
XIII. VENTAJAS
- Es renovable ya que tiene su origen en procesos
atmosféricos.
- Es limpia ya que no produce emisiones atmosféricas ni
residuos contaminantes.
- No requiere combustión, es decir que no genera emisiones de
dióxido de carbono, por lo que no contribuye al incremento
del efecto invernadero ni al cambio climático.
- Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por
ejemplo en zonas desérticas, próximas a la costa, en zonas
áridas y muy empinadas para ser cultivables.
- Puede convivir con otros usos del suelo, como por ejemplo
cosechas o tierras donde se lleve a cabo la actividad ganadera.
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XIV. DESVENTAJAS
- El ruido producido por el giro del rotor o el roce de las aspas
con el aire puede generar contaminación acústica, produciendo
un impacto negativo en el contexto. Sin embargo, se debe
tener en cuenta que el ruido es proporcional al tamaño del
aerogenerador, por lo que un generador de baja potencia no
producirá cambios notables. Además, cabe recordar que dicho
artefacto se ubica a una distancia prudencial de la vivienda a
alimentar (aproximadamente 200 metros) lo que disminuye
aún más la posibilidad de generar un impacto negativo en los
usuarios.
- Comparada con las fuentes convencionales de energía,
principalmente con la conexión a red, la eólica presenta costos
elevados, sobre todo si se tiene en cuenta la inversión inicial.
- Al utilizar como recurso energético el viento, se debe
considerar que esté no es constante, por lo que no es
recomendable utilizarla como única fuente de energía. A pesar
de ello, gracias a los bancos de baterías desarrollados
recientemente, la autonomía de los equipos eólicos domésticos
ha aumentado en gran medida.
XV. ANEXOS
FIGURA 13. CONTROLADOR PARA UN GENERADOR EOLICO
FIGURA 14. VOLYAJE GENERADOR POR UN GENERADOR
EOLICO CONTROLADO
FIGURA 15. VOLYAJE GENERADOR POR UN GENERADOR
EOLICO CONTROLADO
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FIGURA 16. GENERADOR EOLICO CONTROLADO
FIGURA 17. VOLYAJE GENERADOR POR UN GENERADOR
EOLICO CONTROLADO
XVI. PROGRAMA
MICROCONTROLADOR
program ControlGenerador
symbol D3=PortB.10
symbol D2=PortD.1
symbol D1=PortF.0
symbol D0=PortB.9
symbol SA=PortF.1
symbol SB=PortD.0
symbol SC=PortF.2
symbol SD=PortD.2
symbol SE=PortF.6
symbol SF=PortB.12
symbol SG=PortD.8
symbol SP=PortF.3
'LED Y PULSADORES
symbol LED = PortB.8
symbol P0 = PortD.3
symbol P1 = PortB.11
'Compuertas a abri o cerrar
symbol MG1 = PortB.0
symbol MG2 = PortB.1
Dim k as word
dim disp,dig,vax as byte
dim waux, midato as word
'displays
sub procedure Displays() Org 0x1A ' ===>
SURUTINA TIMER 1
Waux = k
Disp = (Disp + 1) mod 4
select case Disp
case 0 Dig = Waux mod 10 sp=0
case 1 Waux = Waux div 10 Dig = Waux mod
10 sp=0
case 2 Waux = Waux div 100 Dig = Waux mod
10 sp=1
case 3 Dig = Waux div 1000 sp=0
end select
D3=0 D2=0 D1=0 D0=0
select case Dig ' =====>
ENCENDIDO DEL DISPLAY POR CASOS
case 0 Sa=1 Sb=1 Sc=1 Sd=1 Se=1 Sf=1 Sg=0
case 1 Sa=0 Sb=1 Sc=1 Sd=0 Se=0 Sf=0 Sg=0
case 2 Sa=1 Sb=1 Sc=0 Sd=1 Se=1 Sf=0 Sg=1
case 3 Sa=1 Sb=1 Sc=1 Sd=1 Se=0 Sf=0 Sg=1
case 4 Sa=0 Sb=1 Sc=1 Sd=0 Se=0 Sf=1 Sg=1
case 5 Sa=1 Sb=0 Sc=1 Sd=1 Se=0 Sf=1 Sg=1
case 6 Sa=1 Sb=0 Sc=1 Sd=1 Se=1 Sf=1 Sg=1
case 7 Sa=1 Sb=1 Sc=1 Sd=0 Se=0 Sf=0 Sg=0
case 8 Sa=1 Sb=1 Sc=1 Sd=1 Se=1 Sf=1 Sg=1
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Facultad de Ingeniería Eléctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador
case 9 Sa=1 Sb=1 Sc=1 Sd=1 Se=0 Sf=1 Sg=1
case 10 Sa=1 Sb=1 Sc=1 Sd=0 Se=1 Sf=1 Sg=1
end select
select case Disp
case 0 D0=1
case 1 D1=1
case 2 D2=1
case 3 D3=1
end select
end sub
main:
ADPCFG=0xFFFF
trisb=0x88F1
trisd=0x9EF8
trisf=0xFFB0
' adpcfg = %1111111111111 ' Todos los pines de
PortB como digitales.
TRISB.2 = 1
trisb.8 = 0
trisb.11 = 1
trisd.3 = 1
trisb.0 = 0
trisb.1 = 0
'variable de dato
midato=0
inicio:
while true
k = Adc_Read(2)
MiDato=k/10
Delay_ms(50)
if midato<90*1.5 then '90 es la relacion entre voltaje y k
y 4.33 es voltaje que se desea mantener
MG1=1 'ponle aqui el pin del motor para el motor adelante
else
MG1=0
end if
if MiDato>90*1.7 then '90 es la relacion entre voltaje y
k y 4.33 es voltaje que se desea mantener
MG2=1 'ponle aqui el pin del motor para atras
else
MG2=0
end if
wend
goto inicio
end.
XVII. REFERENCIAS
[1.] Mosconi, O.L. (2007) “Energia Eolica para Nivel Medio”
[2.] Publicación de la Secretaría de Energia (2008) “Energía Eolica”
[3.] Spinadel, E. (2009) “Energía Eólica: un enfoque sistémico multidisciplinario destinado a países en desarrollo”
XVIII. BIOGRAFIAS
Pablo Achig, nació en Quito-Ecuador el 14
de Noviembre de 1993. Realizó sus estudios
secundarios en el Colegio Técnico “Don
Bosco”. Estudia en la Universidad
Politécnica Salesiana en la Facultad de
Ingeniería Eléctrica en la misma que está
cursando el 7mo nivel de ingeniería.
Andrés Artieda, nació en Quito-Ecuador el
1 de Noviembre de 1992. Realizó sus
estudios secundarios en el Colegio Técnico
“Don Bosco”. Estudia en la Universidad
Politécnica Salesiana en la Facultad de
Ingeniería Eléctrica en la misma que está
cursando el 7mo nivel de ingeniería.
Jhonny Correa, nació en Quito-Ecuador el
12 de Noviembre de 1990. Realizó sus
estudios secundarios en el Colegio Técnico
“Don Bosco”. Estudia en la Universidad
Politécnica Salesiana en la Facultad de
Ingeniería Eléctrica en la misma que está
cursando el 7mo nivel de ingeniería.