Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).
En la actualidad, la generación de C.C. se realiza mediante pilas y acumuladores o se obtiene de la conversión de C.A. a C.C. mediante los puentes rectificadores. El uso de la dinamo para la producción de energía en forma de C. C. se estuvo utilizando hasta la llegada de los alternadores, que con el tiempo la han dejado totalmente desplazada. Hoy en día únicamente se utilizan las dinamos para aplicaciones específicas, como por ejemplo, para medir las velocidades de rotación de un eje (tacodinamos), ya que la tensión que presentan en los bornes de salida es proporcional a la velocidad de la misma.
Se puede decir que una dinamo es una máquina eléctrica rotativa que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Esta máquina consta fundamentalmente de un electroimán encargado de crear un campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor, y un cilindro donde se enrollan bobinas de cobre, que se hacen girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor, que se conoce como inducido.
GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA (O DINAMOS)
1 Producción de corriente alterna en una espira que gira en el seno de un campo magnético
FIGURA 1.1. Alternador Elemental
Cuando hacemos girar una espira rectangular una vuelta completa entre las masas polares de un electroimán inductor (véase Figura 1.1), los conductores a y b del inducido cortan en su movimiento el campo magnético fijo y en ellos se induce una f.e.m. inducida cuyo valor y sentido varía en cada instante con la posición.
Cada uno de los terminales de la espira se conecta a un anillo metálico conductor, donde dos escobillas de grafito recogen la corriente inducida y la suministran al circuito exterior.
Para determinar el sentido de la corriente inducida, en cada posición de los conductores, de la espira se aplica la regla de los tres dedos de la mano derecha, pudiéndose comprobar cómo se obtiene a la salida una tensión alterna senoidal.
2. Rectificación de la corriente mediante el colector de delgas
Dado que lo que deseamos es obtener corriente continua en la salida del generador, necesitamos incorporar un dispositivo que convierta la C.A. generada en C.C. Esto se consigue mediante el colector de delgas.
Si, tal como se muestra en la Figura 1.2, conectamos los dos extremos de la espira, no ya en los dos anillos colectores, sino en dos semianillos conductores aislados uno del otro, sobre los que ponemos en contacto dos escobillas que recojan la corriente, conseguiremos obtener a la salida C.C.
Cuando la espira gira, la corriente inducida cambia de sentido en una determinada posición. Si observamos atentamente en la Figura 1.3 las dos posiciones de la espira, ésta es solidaria a los dos semianillos 1 y 2 que giran con ella. Sin embargo, las escobillas A y B son fijas.
Figura 1.3. El sentido de la corriente permanece constante en la salida de la espira gracias al colector de delgas.
En la posición de la Figura 13. a, la corriente inducida en los conductores a y b posee el sentido que se indica con las flechas. El semianillo 1 está en contacto con la escobilla A, y el semianillo 2 con la escobilla B.
Al girar la espira hasta la posición de la Figura 1.3 b, la corriente inducida en los conductores a y b ha cambiado de sentido, tal como se indica con las flechas, pero como el semianillo 1 está ahora en contacto con la escobilla B y el semianillo 2 queda en contacto con la escobilla A, el sentido de la corriente no cambia en los conductores A y B que suministran energía a la carga.
En resumen, la corriente que fluye por la espira es alterna, pero el colector formado por los semianillos aislados consiguen rectificar la corriente y convertirla en continua.
Con una sola espira y dos anillos colectores conseguimos una corriente continua similar a la obtenida en un puente rectificador de onda completa, tal como se muestra en la Figura 1.4.
Figura 1.4. Aspecto de la corriente continua que se presenta a la salida del colector.
Esta corriente continua presenta muchas variaciones, o lo que es lo mismo, un rizado excesivo e indeseable. Si incluyésemos en el inducido una segunda espira situada a 90° de la primera y conectada a otros dos nuevos semianillos o delgas, obtendríamos una corriente en la salida de la dinamo como la representada en la Figura 1.5, que como se puede comprobar posee un rizado menor que en el caso de una sola espira (la corriente ya no llega a descender a cero).En este caso el colector constaría de cuatro delgas.
Figura 1.5. Corriente de salida de una dinamo con cuatro delgas
Si incluimos en el inducido cuatro espiras con ocho delgas obtenemos una corriente de salida todavía mucho más lineal, como la representada en la Figura 1.6. En la práctica, cuando se desea obtener una tensión continua lo más rectilínea posible, se construyen dinamos con un número considerable de espiras y delgas.
Figura 1.6. Corriente de salida de una dinamo con ocho delgas
3. Constitución de una dinamo
Las partes fundamentales de una dinamo son el inductor, el inducido, y el colector.
3.1. Inductor. El inductor es fijo y se sitúa en el estator (parte estática o sin movimiento de la máquina). Está formado por un electroimán de dos polos magnéticos en las máquinas bipolares (Figura 1.7), o de varios pares de polos en las mul-tipolares.
Figura 1.7. Inductor de un dinamo
El bobinado y las piezas polares de hierro dulce del electroimán están rodeados por una carcasa o culata de fundición o de acero moldeado que sirve de soporte a la máquina y permite el cierre del circuito magnético (véase Figura 19.13).
3.2. El inducido. El inducido es móvil y se sitúa el rotor (parte que se mueve en sentido giratorio de la máquina). Está compuesto de un núcleo magnético en forma de cilindro y constituido por chapas magnéticas apiladas, con el fin de evitar la pérdida por histéresis y corrientes parásitas, donde se bobinan las espiras con conductores de cobre esmaltados, tal como se muestra en la Figura 1.8. El núcleo de chapas dispone de una serie de ranuras donde se alojan los bobinados del inducido.
El núcleo queda fijado a un eje, cuyos extremos se deslizan apoyados en cojinetes fijos a la carcasa. De esta forma el inducido se sustenta entre las piezas polares del inductor, pudiendo ser impulsado en un movimiento de rotación rápido.
3.3. El colector. En eí eje del inducido se fija el colector de delgas formado por láminas de cobre electrolítico con el fin de poderle conectar los diferentes circuitos del inducido. Las delgas se aislan del eje y entre sí por hojas de mica (Figura 1.9).
Figura 1.9. Colector de delgas
La corriente se recoge en eí colector con la ayuda de dos o varios contactos deslizantes de grafito o de carbón puro, llamados escobillas (Figura 1.10).
Figura 1.10. Escobillas
Cada escobilla se monta en un portaescobillas, que asegura la presión de la misma contra el colector mediante muelles (Figura 1.11). Dé las escobillas parten los conductores que se conectan a la placa de bornas de la dinamo, de donde se conectarán al circuito exterior. Dada la fricción a la que se somete a las escobillas, se produce un desgaste progresivo de las mismas que limita su vida útil, teniendo que reponerlas cada ciertos períodos de tiempo.
Figura 1.11. Portaescobillas
4. Circuito magnético de una dinamo
En la Figura 1.12 se ha representado el circuito recorrido por las líneas de fuerza del campo magnético inductor. Éstas se cierran a través de las piezas polares del electroimán, el inducido y la carcasa o culata de la dinamo.
Figura 1.12. Circuito magnético de una dinamo.
Es importante hacer notar que las líneas de fuerza deben transcurrir por un pequeño espacio no ferromagnético existente entre las piezas polares y el entrehierro. Nos referimos al entrehierro formado por aire. Dado que las líneas de fuerza se establecen muy mal por el entrehierro, se intenta reducir al máximo su tamaño, procurando que esto no impida que el rotor pueda girar libremente y sin fricciones.
5. Fuerza electromotriz generada por una dinamo
El valor de la fuerza electromotriz se obtiene aplicando el principio de inducción electromagnética, por lo que dependerá del flujo magnético que corten los conductores, así como de lo rápido que lo hagan y del número de ellos. La expresión que relaciona la fuerza electromotriz de una dinamo con estas variables, es:
E = fuerza electromotriz (V)
F = flujo por polo (Wb)
n = n° de conductores del inducido
N = velocidad de giro del inducido (r.p.m.)
a = pares de circuitos del inducido
p = pares de polos
Como los términos n, p y c son constantes para una máquina de C.C., tenemos que:
La fuerza electromotriz es directamente proporcional al flujo inductor y al número de revoluciones de la dinamo.
6. Reacción del inducido
Cuando los conductores del inducido son recorridos por una corriente eléctrica, producen un campo magnético cuya dirección y sentido se obtiene aplicando la regla del sacacorchos. La dirección de este campo transversal de reacción adquiere la misma dirección que el eje de las escobillas, con lo que resulta ser perpendicular al campo principal producido por los polos inductores (Figura 1.13).
Figura 1.13. Flujo transversal generado por los conductores del inducido.
El campo transversal debido a la reacción del inducido se suma vectorialmente al principal, dando como fruto un campo magnético resultante que queda desviado de la posición original (Figura 19.14). Esta desviación del campo inductor produce una serie de problemas cuando las escobillas conmutan de una delga a otra en el colector, dando como resultado chispas que perjudican notablemente el funcionamiento de la máquina.
Figura 1.14. Desviacion del campo magnetico inductor provocada por la reacción del inducido.
Existen dos posibilidades para evitar los efectos perjudiciales de la reacción del inducido: desviar las escobillas o disponer de polos auxiliares de conmutación:
La desviación de las escobillas debe hacerse en el mismo sentido de giro de la dinamo hasta que el eje de las mismas coincida con la perpendicular al campo resultante (Figura 19.15). El inconveniente que conlleva este sistema es que, al ser el valor del campo transversal de reacción del inducido dependiente de la corriente que absorba el inducido, la desviación de la escobillas será la adecuada para una corriente determinada. Para una corriente mayor o menor, la desviación de la escobillas también tendría que ser diferente.
Figura 1.15. Desviación de las escobillas para reducir el efecto
De la reacción del inducido.
Los polos de conmutación se disponen en la culata del generador de tal forma que produzcan un campo magnético transversal del mismo valor y de sentido contrario al flujo transversal de reacción del inducido (Figura 1.16). Para que esto sea así, los polos de conmutación se conectan en serie con el inducido para que la corriente que pasa por ellos sea igual que la del inducido.
De esta forma, cuando crece el campo transversal de reacción del inducido por un aumento de corriente, también lo hace el flujo de compensación producido por los polos de conmutación. En este caso siempre se consigue eliminar con efectividad el campo magnético de reacción del inducido.
Figura 1.16. Polos de conmutación para eliminar el campo
Transversal del inducido.
7. Devanado de compensación
En las máquinas de gran potencia, aparte de los polos de conmutación, se coloca en las ranuras de ios polos principales un devanado compensador, cuya misión es eliminar las distorsiones del campo magnético principal originados por el flujo transversal. Este devanado se conecta en serie con el de conmutación y el inducido (Figura 1.17).
Figura 1.17. Devanado de compensación
8. Excitación de los inductores
El campo magnético necesario para que una dinamo pueda funcionar se puede producir de dos formas claramente diferenciadas: mediante un imán permanente o mediante electroimanes alimentados por comente continua.
Dado que los imanes permanentes producen un campo magnético no muy intenso y constante (sin posibilidad de regulación) su uso se hace interesante para pequeñas dinamos como, por ejemplo, dinamos taquimétricas, magnetos, etc.
Cuando se desea la obtención de un campo magnético de excitación elevado y con posibilidad de regulación se recurre a bobinas inductoras que rodean las piezas polares y que son alimentados por una corriente continua
Dependiendo de cómo se obtenga la energía eléctrica necesaria para alimentar el circuito inductor de una dinamo y de cómo se conecten surgen diferentes tipos de excitación.
Dinamos de excitación independiente.
Dinamos autoexcitadas.
8.1 Dinamos de excitación independiente
La corriente de excitación con la que se alimenta a las bobinas inductoras se proporciona mediante una fuente de energía exterior de C.C, como por ejemplo una batería de acumuladores o una fuente de alimentación (Figura 1.18).
Figura 1.18. Esquema de conexión de dinamo con excitación independiente
Figura 1.19. Características en carga de una dinamo con Excitación independiente
Los terminales A y B se corresponden con los del circuito del inducido y los terminales K e I con los del devanado del inductor.
En la Figura 1.19 se muestra la característica en carga de una dinamo con excitación independiente para una velocidad determinada y constante. Aquí se puede comprobar que la tensión que proporciona la dinamo a la carga disminuye al aumentar la intensidad de carga. Esto se debe fundaméntale-mente a que la caída de tensión que se produce en la resistencia interna del inducido aumenta proporcionalmente a la intensidad. En la característica de la Figura 19.19 se han incluido dos curvas; se puede comprobar que al disminuir la corriente de excitación del inductor se consigue reducir también la tensión de salida de la dinamo.
La dinamo de excitación independiente posee el inconveniente de que necesita de una fuente de alimentación de C.C. para la alimentación del inductor; sin embargo la independencia entre la corriente de excitación y la tensión en bornes del inducido la hacen interesante para ciertas aplicaciones.
8.2. Dinamos autoexcitadas
En la práctica resulta más interesante conseguir que el propio generador produzca la energía necesaria para la alimentación del circuito inductor. Esto presenta un problema, que es cómo conseguimos que la dinamo comience a producir f.e.m. si inicialmente no existe campo magnético en el inductor. Este problema se solventa fácilmente gracias al pequeño magnetismo remanente que poseen los núcleos magnéticos de las piezas polares.
Efectivamente, cuando un material magnético es sometido a una imantación, aunque retiremos la causa imanadora, dicho material siempre queda algo magnetizado, dependiendo de la intensidad del magnetismo remanente del material utilizado. De esta forma, si conectamos el circuito del inducido con el del inductor, por ejemplo, en paralelo con el inductor, al girar el inducido a su velocidad nominal, los conductores del mismo cortan el débil campo magnético debido al magnetismo remanente, produciéndose una pequeña f.e.m., pero suficiente para alimentar con una pequeña corriente al circuito inductor. Esto, a su vez, produce un aumento del flujo magnético inductor, que hace que aumente la f.e.m. en el inducido, produciéndose un ciclo repetido de aumentos de la f.e.m. y de flujo inductor hasta que se alcanza la f.e.m. nominal.
Según como se conecte el devanado inductor respecto al inducido surgen tres tipos de dinamos autoexcitadas: dinamo con excitación en derivación, dinamo con excitación en serie y dinamo excitación compound.
8.3. Dinamo con excitación en derivación
Aquí se conecta el devanado inductor en paralelo con el inducido, tal como se muestra en la Figura 19.20. Para producir el flujo magnético necesario se montan bobinas inductoras con un gran número de espiras, ya que la corriente de excitación que se alcanza con este montaje es pequeña, siendo reducida la sección de los conductores.
En el esquema eléctrico de la Figura 1.20 se ha incluido un reostato de regulación de campo conectado en serie con el devanado inductor. Al modificar la resistencia de este reostato conseguimos variar la corriente de excitación y con ella el flujo magnético inductor, consiguiendo así tener un control efectivo sobre la tensión de salida del generador.
Figura 1.20. Esquema de conexión de una dinamo con excitación en derivación.
En la Figura 1.21 se muestra la curva característica de una dinamo en derivación o shunt en carga. Aquí se puede observar que la tensión que proporciona el generador a la carga se reduce más drásticamente con los aumentos de la corriente de carga que en la dinamo con excitación independiente. Esto es debido a que al aumentar la caída de tensión en el inducido con la carga, se produce una disminución de la tensión en bornes, que provoca, a su vez, una reducción de la corriente de excitación. Esto hace que la f.e.m. inducida se vea reducida, pudiéndose llegar a perder la excitación total de la dinamo para corrientes de carga muy elevadas.
Figura 1.21. Curva característica en carga de una dinamo derivación
8.4. Dinamo con excitación en serie
En este caso se conecta el devanado inductor en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados (Figura 1.22). Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, es necesario construirlos con pocas espiras y una gran sección en los conductores.
Figura 1.22. Esquema de conexión de una dinamo con excitación en serie.
El inconveniente fundamental de este tipo de generador es que cuando trabaja en vacío (sin conectar ningún receptor exterior), al ser la corriente nula, no se excita. Además, cuando aumenta mucho la corriente de carga, también lo hace el flujo inductor por lo que la tensión en bornes de la dinamo también se eleva, tal como se muestra en la curva característica de carga de la Figura 1.23. Esto hace que este generador sea muy inestable en su funcionamiento y, por lo tanto, poco útil para la generación de energía eléctrica.
Figura 1.23. Curva característica en carga de una dinamo serie.
8.5. Dinamo con excitación compound
En la excitación mixta o compound se divide un circuito inductor en dos partes independientes, conectando una en serie con el inducido y otra en derivación, tal como se muestra en el esquema de la Figura 1.24.
Figura 1.24. Esquema de conexión de una dinamo con excitación compound.
Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo se consigue que la tensión que suministra el generador a la carga sea mucho más estable para cualquier régimen de carga, tal como se muestra en la curva característica en carga de la Figura 1.25.
Figura 1.25. Curva característica en carga de una dinamo compound
La gran estabilidad conseguida en la tensión por las dinamos con excitación compound hace que ésta sea en la práctica la más utilizada para la generación de energía.
1.9. Ensayos en una dinamo
Al igual que se hace con los transformadores, las dinamos también pueden ser sometidas a una serie de ensayos con el fin de determinar sus características y analizar su comportamiento en diferentes situaciones de funcionamiento. De esta forma, se pueden realizar ensayos para determinar el rendimiento, para evaluar el calentamiento de la máquina para diferentes regímenes de funcionamiento, medir la resistencia de aislamiento, la rigidez dieléctrica, etc. Además, a través de los ensayos se pueden determinar las curvas características de la dinamo, como pueden ser:
Característica de vacío: Vb=f(Iex) Para una velocidad de rotación fija (N - cte) y estando la dinamo trabajando en vacío (I¡ = 0), la curva representa el valor de la tensión en bornes (Vb) en función de la corriente de excitación (Iex).
Característica en carga: Vh = f(Iex ) Para una velocidad de rotación fija (N = cte) y estando la dinamo trabajando en carga a una intensidad constante (Ii = cte), la curva representa el valor de la tensión en bornes (Vb) en función de la corriente de excitación (Iex).
Característica de excitación o regulación: Iex = f (Ii). Para una velocidad de rotación y una tensión en bornes constantes (N = cte, Vb = cte), la curva representa la corriente de excitación (Iex) en función de la corriente suministrada por el inducido (L).
Característica de cortocircuito: I," = f(lI). Para una velocidad constante (N = cte) y una tensión en bornes igual a cero (Vb = 0), la curva representa la comente de excitación (Iex) en función de la corriente suministrada por el inducido (Ii).
Característica exterior: Vh=f(í). Para una corriente de excitación y velocidad constantes (Iex = cte, N - cte), la curva representa la tensión en la carga (Vb) en función de la corriente suministrada por la dinamo (I).
Característica interior: E =f(I¡). Para una corriente de excitación y velocidad constantes (Iex = cte, N = cte), la curva representa la f.e.m. inducida por la dinamo (E) en función de la corriente suministrada por el inducido (Ii).
Para llevar a cabo estos ensayos son necesarios los siguientes equipos:
Motor de arrastre con posibilidad de regulación y control de velocidad. En la Figura 1.26 se ha utilizado un motor de corriente continua en derivación en el que, modificando su corriente de excitación (variando el reostato Rr) y tensión del inducido (variando la tensión en la fuente de alimentación F.A. regulable) se puede conseguir un amplio margen de velocidad.
Fuente de alimentación de C.C. regulable para alimentación del motor de arrastre.
Fuente de alimentación de C.C. regulable para alimentación de la excitación de la dinamo.
Aparatos de medida de alcance adecuado para medir tensión y corriente en los diferentes circuitos.
Un tacómetro para medir la velocidad de la dinamo (lamayor parte de los ensayos se hacen a velocidad constante, que deberá corresponderse con la nominal de la dinamo. Para conseguir mantener esta velocidad cons tante en el circuito de la Figura 19.26 habrá que ajustar la tensión de alimentación y la corriente de excitación del motor de arrastre).
Reostatos para regular corriente del inducido o de la excitación (R, Rr).
Figura 1.26. Esquema de conexión para la obtención de las curvas características de una dinamo de excitación independiente.
En la Figura 1.26 se muestra, como ejemplo, el circuito para obtener las curvas en vacío y carga de una dinamo de excitación independiente. Para realizar las curvas de una dinamo con la excitación en derivación o serie no sería necesario utilizar la fuente de alimentación para la alimentación de excitación, ya que la dinamo con estas conexiones se auto-excita.
GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA (O ALTERNADOR)
2.1. Generadores de c-a con armadura estacionaria
Cuando un generador de c-a produce una cantidad de potencia relativamente pequeña, los anillos rozantes operan satisfactoriamente. Por otra parte, cuando se manejan potencias elevadas, resulta cada vez más difícil el aislar suficientemente sus anillos rozantes y por lo tanto, éstos se convierten en un motivo frecuente de problemas. Debido a esto, la mayor parte de los generadores de c-a tienen una armadura estacionaria y un
campo rotatorio. En estos generadores, las bobinas de armadura están montadas permanentemente con arreglo a la circunferencia interna de la cubierta del generador, en tanto que las bobinas de campo y sus piezas polares están montadas sobre un eje y giran dentro de la armadura estacionaria. Esta disposición de armadura estacionaria y campo rotatorio parece extraña a primera vista; pero si se tienen presentes los fundamentos de la inducción mutua, se comprenderá que en las bobinas de armadura se induce un voltaje independientemente de que corten las líneas de flujo de un campo magnético estacionario o bien que las corten las líneas de flujo de un campo magnético móvil. Lo que se requiere es que haya un movimiento relativo entre el campo magnético y las bobinas de armadura.
En el campo de una armadura estacionaria, la salida del generador puede conectarse directamente a un circuito externo sin necesidad de anillos rozantes ni escobillas, lo cual elimina los problemas de aislamiento que existirían si fuese necesario producir corrientes y voltajes elevados a la carga, por medio de anillos rozantes. Naturalmente, como el devanado de campo gira, deben usarse anillos rozantes para conectar el devanado a su fuente externa de excitación de c-c. Sin embargo, los voltajes y corrientes que se manejan son pequeños, comparados con los de armadura y no hay dificultad en suministrar el aislamiento suficiente.
Otra ventaja en usar una armadura estacionaria es que hace posible velocidades de rotación mucho más altas y por lo tanto, voltajes más altos de los que se pueden obtener con armaduras rotatorias; esto se debe nuevamente a la dificultad que hay en aislarla. A velocidades de rotación muy elevadas, la elevada fuerza centrífuga que resulta hace difícil aislar adecuadamente el devanado de armadura. Este problema no existe cuando el devanado de campo gira a altas velocidades.
En resumen, en tanto que prácticamente todos los generadores de c-c constan de una armadura rotatoria y un campo estacionario, la mayor parte de los generadores de c-a tienen una armadura estacionaria y un campo rotatorio. En el caso de una armadura estacionaria, se pueden producir voltajes mucho mayores que los que son posibles con generadores de armadura rotatoria. La parte de un generador que gira se llama rotor en tanto que la parte estacionaria recibe el nombre de estator.
Nótese que si un generador de c-a de armadura estacionaria está provisto de un imán fijo para el campo en el rotor, en lugar de un electroimán, no se necesitarán anillos rozantes. Sin embargo, este generador tiene una salida muy baja, por lo que sus aplicaciones son limitadas.
2.2. Generadores de c-a monofásicos
Cuando se trató de generadores de c-a, la armadura ha sido representada por una sola espira. El voltaje inducido en esta espira sería muy pequeño; así pues, lo mismo que ocurre en los generadores de c-c, la armadura consta en realidad de numerosas bobinas, cada una con más de una espira. Las bobinas están devanadas de manera que cada uno de los voltajes en las espiras de cualquier bobina se suman para producir el voltaje total de la bobina. Las bobinas se pueden conectar de varias maneras, según el método específico que se use para darle las características deseadas al generador.
Si todas las bobinas de armadura se conectan en serie aditiva, el generador tiene una salida única. La salida es sinusoidal y en cualquier instante es igual en amplitud a la suma de voltajes inducidos en cada una de las bobinas. Un generador con armadura devanada en esta forma es un generador de una fase o monofásico. Todas las bobinas conectadas en serie constituyen el devanado de armadura. En la práctica, muy pocos generadores de c-a son monofásicos, ya que puede obtenerse una mayor eficiencia conectando las bobinas de armadura mediante otro sistema.
2.3. Generadores de c-a trifásicos
Básicamente, los principios del generador trifásico son los mismos que los de un generador bifásico, excepto que se tienen tres devanados espaciados igualmente y tres voltajes de salida desfasados 120 grados entre sí. A continuación, se ilustra un generador simple trifásico de espira rotatoria, incluyendo las formas de onda. Físicamente, las espiras adyacentes están separadas por un ángulo equivalente a 60 grados de rotación. Sin embargo, los extremos de la espira están conectados a los anillos rozantes de manera que la tensión 1 está adelantada 120 grados con respecto a la tensión 2; y la tensión 2, a su vez, está adelantada 120 grados con respecto a la tensión 3.
También se muestra un diagrama simplificado de un generador trifásico de armadura estacionaria. En este diagrama, las bobinas de cada devanado se combinan y están representadas por una sola. Además, no aparece el campo rotatorio. La ilustración muestra que el generador trifásico tiene tres devanados de armadura separados, desfasados 120 grados.
2.4. Conexiones delta e Y
Hay seis puntas que salen de los devanados de armadura de un generador trifásico y el voltaje de salida está conectado a la carga externa por medio de estas seis puntas. En la práctica, esto no sucede así. En lugar de ello, se conectan los devanados entre sí y sólo salen tres puntas que se conectan a la carga.
Existen dos maneras en que pueden conectarse los devanados de armadura. El que se emplee uno u otro es cosa que determina las características de la salida del generador. En una de las conexiones, los tres devanados están conectados en serie y forman un circuito cerrado. La carga está conectada a los tres puntos donde se unen dos devanados. A esto se le llama conexión delta, ya que su representación esquemática es parecida a la letra griega delta (A), En la otra conexión, una de las puntas de cada uno de los devanados se junta con una de los otros dos, lo que deja tres puntas libres que salen para la conexión a la carga. A éste se le llama conexión Y, ya que esquemáticamente representa la letra Y.
Nótese que, en ambos casos, los devanados están espaciados 120 grados, de manera que cada devanado producirá un voltaje desfasado 120 grados con respecto a los voltajes de los demás devanados.
2.5. Características eléctricas de las conexiones delta e Y
Como todos los devanados de una conexión delta están conectados en serie y forman un circuito cerrado, podría parecer que hay una elevada corriente continuamente en los devanados, aun en ausencia de carga conectada. En realidad, debido a la diferencia de fase que hay entre los tres voltajes generados, pasa una corriente despreciable o nula en los devanados en condiciones de vacío ( sin carga).
Las tres puntas que salen de la conexión delta se usan para conectar la salida del generador a la carga. El voltaje existente entre dos cualesquiera de las puntas, llamada voltaje de la línea, es igual al voltaje generado en un devanado, que recibe el nombre de voltaje de fase. Así pues, como se puede apreciar en la figura, tanto los tres voltajes de fase como los tres voltajes de línea son iguales, y todos tienen el mismo valor. Sin embargo, la corriente en cualquier línea es "3 o sea, aproximadamente 1.73 veces la corriente en cualquier
fase del devanado. Por lo tanto, nótese que una conexión delta suministra un aumento de corriente pero no hay aumento en el voltaje.
La potencia total real que produce un generador trifásico conectado en delta es igual a "3, o 1.73 veces la potencia real en cualquiera de las líneas. Sin embargo, téngase presente de lo estudiado en los volúmenes 3 y
4, que la potencia real depende del factor de potencia (cos ) del circuito. Por lo tanto, la potencia real total es igual a 1.73 veces el voltaje de la línea multiplicado por la corriente de línea, multiplicada a su vez, por el factor de potencia. O sea:
P real = 1,73 Elínea Ilínea cos
Las características de voltaje y corriente de una conexión Y son opuestas a las que presenta una conexión delta. El voltaje que hay entre dos líneas cualesquiera de una conexión Y es 1.73 veces el voltaje de una fase, en tanto que las corrientes en la línea son iguales a las corrientes en el devanado de cualquier fase. Esto presenta un contraste con la conexión delta en la cual, según se recordará, el voltaje en la línea es igual al voltaje de fase y la corriente en la línea es igual a 1.73 veces la corriente en la fase. Así pues, en tanto que una conexión delta hace posible aumentar la corriente sin aumentar el voltaje, la conexión Y aumenta el voltaje pero no la corriente.
2.6. Regulación del generador
Cuando cambia la carga en un generador de c-a, el voltaje de salida también tiende a cambiar, como ocurre en un generador de c-c. La principal razón de ello es el cambio de la caída de voltaje en el devanado de armadura, ocasionado por el cambio en la corriente de carga. Sin embargo, en tanto que en un generador de c-c la caída de voltaje en el devanado de armadura es simplemente una caída IR, en un generador de c-a existe una caída IR y una caída IX, producida por la corriente alterna que fluye a través de la inductancia del devanado. La caída IR depende sólo de la cantidad del cambio de carga; pero la caída IXL depende también del factor de potencia del circuito. Así pues, el voltaje de salida de generadores de c-a varía con los cambios en la corriente de carga lo mismo que con todo cambio en el factor pie potencia. Como resultado, un generador de c-a que tiene una regulación satisfactoria para un valor de factor de potencia puede tener una mala regulación con otro valor del factor de potencia.
Debido a su regulación inherentemente mala los generadores de c-a generalmente están provistos de algún medio auxiliar de regulación. Los reguladores auxiliares usados, independientemente de que sean operados manualmente o de que funcionen de manera automática cumplen su función básicamente de la misma manera; "sienten" el voltaje de salida del generador y, cuando éste cambia, ocasionan un cambio correspondiente en la corriente de cambio de la fuente excitadora que suministra la corriente de campo al generador. Así pues, si el voltaje de salida del generador se reduce, el regulador produce un aumento en la corriente de campo de la fuente excitadora. Por tanto, el voltaje de salida de la fuente excitadora, aumenta, haciendo que también aumente la corriente en el devanado de campo del generador. Como resultado, el campo magnético del generador aumenta en intensidad y eleva el voltaje del generador a
su amplitud original. Una secuencia de eventos similar pero opuesta ocurre cuando el regulador siente una disminución en el voltaje de salida del generador.
2.7. Clasificación de los generadores de C-A
Todo generador de c-c tiene una clasificación de potencia, expresada normalmente en kilowatts, que indica la máxima potencia que puede ser constantemente alimentada por el generador. Por otra parte, los generadores
de c-a no pueden generalmente clasificarse de la misma manera, ya que la potencia consumida en un circuito de c-a depende del factor de potencia del circuito, lo cual significa que un generador de c-a puede alimentar una cantidad moderada de potencia real para una carga y, sin embargo, si el factor de potencia de la carga fuese bajo, la potencia total o aparente que el generador produce realmente puede ser muy grande. En estas condiciones, el generador se puede quemar.
Por esta. razón, los generadores de c-a no deben clasificarse según la máxima potencia de' consumo permisible de la carga, sino de acuerdo con la potencia aparente máxima que pueden pasar. Esto se hace expresando la capacidad en voltamperes a kilovoltamperes. Así pues, para determinado voltaje de salida se sabe la máxima corriente que el generador puede producir, independientemente del factor de potencia de la carga. Por ejemplo, si un generador clasificado como de 100 kilovoltamperes tiene una salida de 50 kilovolts, o sea que la máxima corriente que puede producir sin peligro es de 100 kilovoltamperes dividido entre 50 kilovolts, es decir, 2 amperes.
Ocasionalmente, los generadores de c-a se diseñan para usarse con cargas que tengan un factor de potencia constante. En este caso, la clasificación de estos generadores puede indicarse en watts o kilowatts, para ese factor de potencia particular.
2.8 Estructura de los generadores de C-A
Desde el punto de vista de apariencia física, los generadores de c-a varían considerablemente, desde los muy grandes, impulsados por turbinas que pesan miles de kilogramos, hasta pequeños generadores de aplicación especial que sólo pesan unos cuantos kilogramos y aun menos. Sin embargo, según ha quedado apuntado,
prácticamente todos los generadores de c-a tienen armaduras estacionarias y campos rotatorios. Los devanados de armadura se colocan siguiendo la circunferencia interna de la cubierta del generador y generalmente se incrustan en un núcleo de hierro laminado. El núcleo y los devanados constituyen el estator
Los devanados de campo y los polos de campo, que constituyen el rotor, están montados sobre un eje y giran con el estator. También sobre el eje del rotor se encuentran montados los anillos rozantes para los devanados de campo. Cuando el generador contiene su propia fuente excitadora de c-c, la armadura de la fuente excitadora y el conmutador también están montados en el eje del motor. Los portaescobillas para los anillos rozantes del generador y el conmutador de la fuente excitadora están montados en la cubierta del generador, lo mismo que las terminales para efectuar las conexiones eléctricas al generador. La figura representa un generador de c-a típica con fuente excitadora dentro de él.
2.9. Comparación de generadores de c-c y de c-a
Ahora que se han estudiado tanto los generadores de c-c como los de c-a, se pueden observar las semejanzas básicas que hay entre ellos, así como sus diferencias fundamentales. En un generador de c-a, el voltaje inducido se transmite directamente a la carga, a través de anillos rozantes en tanto que en un generador de c-c el conmutador convierte la c-a inducida en c-c antes de que ésta sea aplicada a la carga.
Una diferencia física importante entre los generadores de c-c y los de c-a estriba en que el campo de la mayor parte de los generadores de c-c es estacionario y la armadura gira, en tanto que lo opuesto ocurre generalmente en los generadores de c-a. Esto tiene el efecto de hacer que los generadores de c-a puedan tener salidas mucho mayores de las que son posibles con generadores de c-c. Otra diferencia entre ambos tipos de generadores es la fuente de voltaje de excitación para el devanado de campo. Los generadores de c-c pueden constar ya sea de una fuente de excitación externa y separada o bien obtener el voltaje necesario directamente de su propia salida. Por su parte, los generadores de c-a deben estar provistos de una fuente separada.
Por lo que respecto a la regulación de voltaje los generadores de c-c son inherentemente más estables que los de c-a, Una de las razones es que, aunque los voltajes de salida de ambos tipos de generador son sensibles a los cambios de carga, el voltaje de salida de un generador de c-a también es sensible a cambios en el factor de potencia de la carga. Además, es posible un buen grado de autorregulación en un generador de c-c usando un devanado de armadura combinado, lo cual no es factible en generadores de c-a, ya que éstos deben ser excitados separadamente.
2.10. El alternador de automóvil
La comparación de las ventajas de los generadores de c-c y de los alternadores, los cuales se acaban de estudiar, se basa, en las categorías aceptadas de los generadores básicos. Sin embargo, es posible combinar las ventajas de generadores c-c y c-a mediante diseños de circuitos adicionales. Para el alternador de automóvil, esto se logra en una forma única para producir una fuente de carga de c-c de corriente elevada con un generador del tipo de c-a. A éste se le llama alternador aunque produce un voltaje de c-c ya que en realidad, se trata de un generador de c-a. de armadura fija con rectificadores, para convertir la c-a en c-c
Los rectificadores son dispositivos que, en su mayor parte, conducen sólo en una dirección. Así pues, el rectificador pasará solamente una polaridad del voltaje de c-a para producir una c-c pulsante. El alternador común de automóvil produce c-a trifásica, de manera que después de que el voltaje se convierte en c-c, se tiene menos ondulación. Luego se conecta un capacitor a la salida, para filtrar la ondulación y obtener un voltaje de c-c relativamente con poca variación.
Debido a que los rectificadores se oponen al flujo de corriente en la dirección opuesta, no se necesita relevador de corte de corriente inversa en el regulador de voltaje. Además, como el alternador es un generador de alta corriente, tampoco se necesita un regulador de corriente. Por lo tanto, el regulador para el alternador es mucho más simple que para el generador de c-c; .sólo cuenta con un circuito de relevador para regular el voltaje de salida del alternador, controlando la corriente del campo. Nótese que, a pesar de ser un alternador, es autoexcitado. Esto se puede hacer debido a que la salida rectificada es c-c.
2.11. Funcionamiento del alternador
El alternador de automóvil trifásico está provisto de devanados de armadura fija conectados en Y, los cuales, según se ha explicado, producen un voltaje de fase entre dos puntas de salida. La salida del alternador es un voltaje positivo en relación con tierra. Pero ninguna punta de los devanados Y está conectada directamente a tierra debido a que los devanados producen c-a; las tres puntas son alternativamente negativas y positivas, al recorrer los ciclos de c-a. Por lo tanto, cada punta debe conectarse a tierra cuando es negativa y, a la salida, cuando es positiva. Esto se logra con rectificadores.
Los rectificadores sirven como interruptores que cierran una polaridad y abren la otra. Nótese que cada onda tiene dos rectificadores conectados en oposición. Un rectificador conectará la punta a la línea de salida cuando sea positiva, pero la desconectará cuando sea negativa. El otro rectificador conecta la terminal a tierra cuando es negativa y la desconecta cuando es positiva. El diagrama ilustra cómo se conectan los mismos dos devanados para ángulos de fase diferentes del voltaje de salida. En consecuencia, la salida siempre es positiva.
Si se recuerda lo estudiado acerca del generador de c-c, es fácil comprender que el conmutador era necesario para efectuar la misma operación siempre que las puntas cambiaran de polaridad, ya que la armadura siempre produce c-a. Por lo tanto, en el alternador los rectificadores sirven como conmutadores electrónicos, por lo que es discutible si el alternador es en realidad un alternador o nada más otro tipo de generador de c-c.
2.12. Resistencia interna del generador
En todo generador, la corriente de carga fluye a través del devanado de armadura. Como cualquier bobina o devanado, la armadura tiene resistencia e inductancia. La combinación de esta resistencia y la reactancia inductiva que ocasiona la inductancia, constituye la llamada resistencia interna del generador. Cuando fluye corriente de carga, produce una caída de voltaje en la resistencia interna. Esta caída de voltaje se resta del voltaje de salida del generador y, en consecuencia, representa voltaje generado, el cual se pierde y no puede ser aprovechado por la carga.
Adviértase que, cuanto mayor sea la resistencia interna, mayor será la parte de voltaje generado que se presente como caída interna del generador y, en consecuencia, que se pierde. En un generador de c-c con determinada resistencia interna, la caída de voltaje interno es directamente proporcional a la corriente de carga, siendo igual a:
E = Icarga Rinterna
Así pues, cuanto mayor sea la corriente de carga, mayor será el valor de la caída de voltaje en la resistencia interna. En un generador de c-a, la caída interna de voltaje depende también de la frecuencia del voltaje de salida del generador, ya que la reactancia inductiva del devanado de armadura varía siempre que lo hace la frecuencia. Como la velocidad de un generador es uno de los factores que determina la frecuencia, la resistencia interna de un generador de c-a cambiará según la velocidad del generador.
2.1.3 El motogenerador
Un motogenerador consta de un motor eléctrico y un generador conectado mecánicamente de manera que el motor hace girar al generador. El motor suministra así la energía mecánica que el generador transforma en energía eléctrica. Tanto el motor como el generador de un motor generador suelen estar montados sobre la misma base y pueden moverse e instalarse como una sola unidad.
Los motogeneradores generalmente se usan para cambiar electricidad de un voltaje o frecuencia a otro o para convertir c-a en c-c ó c-c en c-a. La electricidad que tiene las características que han de transformarse alimenta al motor y el generador está diseñado para producir electricidad con las nuevas características deseadas. Por ejemplo, el motor puede ser impulsado por una fuente de potencia de 60-cps, en tanto que el generador produce una salida cuya frecuencia es de 400-cps. O bien un motor de c-c puede impulsar a un generador de c-a para lograr la conversión de c-c en c-a.
Cuando el dispositivo cambia una clase de c-a. a otra clase de c-a o a c-c, se llama grupo motogenerador. Pero, cuando se usa para convertir c-c en c-a, a veces también se le llama convertidor. Muy frecuentemente, el convertidor tiene el motor y el generador dentro de la misma cubierta.
