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 hmolina@unsj.edu.ar alenu6@gmail.com

lucas.lliteras@gmail.com andresmascattapan@gmail.com

albertosanchezsalas13@gmail.com

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: hmolina@unsj.edu.ar

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

60

80

100

120

140

160

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