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Alternador fabricado en 1909 por Ganz Works en la sala de generación de energía de una central hidroeléctrica rusa (fotografía de Prokudin-Gorsky , 1911). [1]

Un alternador es un generador eléctrico que convierte la energía mecánica a energía eléctrica en forma de corriente alterna . [2] Por razones de costo y simplicidad, la mayoría de los alternadores utilizan un campo magnético giratorio con una armadura estacionaria . [3] Ocasionalmente, se utiliza un alternador lineal o una armadura giratoria con un campo magnético estacionario. En principio, cualquier generador eléctrico de CA puede llamarse alternador, pero generalmente el término se refiere a pequeñas máquinas rotativas impulsadas por automóviles. y otros motores de combustión interna.

Un alternador que utiliza un imán permanente para su campo magnético se llama magneto . Los alternadores en las centrales eléctricas accionadas por turbinas de vapor se denominan turboalternadores . Los grandes alternadores trifásicos de 50 o 60 Hz en las centrales eléctricas generan la mayor parte de la energía eléctrica del mundo, que se distribuye a través de las redes eléctricas . [4]

Historia [ editar ]

En lo que se considera el primer uso industrial de corriente alterna en 1891, los obreros posan con un alternador Westinghouse en la Planta de Generación Hidroeléctrica Ames . Esta máquina se usó como generador que producía 3000 voltios, 133 hercios, CA monofásica, y una máquina idéntica a 3 millas de distancia se usó como motor de CA. [5] [6] [7]

Los sistemas de generación de corriente alterna se conocieron en formas simples a partir del descubrimiento de la inducción magnética de la corriente eléctrica en la década de 1830. Los generadores rotativos producían corriente alterna de forma natural pero, dado que tenía poco uso, normalmente se convertía en corriente continua mediante la adición de un conmutador en el generador. [8] Las primeras máquinas fueron desarrolladas por pioneros como Michael Faraday e Hippolyte Pixii . Faraday desarrolló el "rectángulo giratorio", cuyo funcionamiento era heteropolar : cada conductor activo pasaba sucesivamente a través de regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas. [9] Lord Kelviny Sebastian Ferranti también desarrolló los primeros alternadores, produciendo frecuencias entre 100 y 300 Hz .

A fines de la década de 1870, se introdujeron los primeros sistemas eléctricos a gran escala con estaciones de generación central para alimentar las lámparas de arco , utilizadas para iluminar calles enteras, patios de fábricas o el interior de grandes almacenes. Algunas, como las lámparas de arco Yablochkov introducidas en 1878, funcionaban mejor con corriente alterna, y el desarrollo de estos primeros sistemas de generación de CA fue acompañado por el primer uso de la palabra "alternador". [10] [8] El suministro de la cantidad adecuada de voltaje de las estaciones generadoras en estos primeros sistemas se dejó en manos de la habilidad del ingeniero para "montar la carga". [11] En 1883, Ganz Works inventó el generador de voltaje constante [12]que podría producir un voltaje de salida establecido, independientemente del valor de la carga real. [13] La introducción de transformadores a mediados de la década de 1880 llevó al uso generalizado de corriente alterna y al uso de alternadores necesarios para producirla. [14] Después de 1891, se introdujeron alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. [15] Los alternadores posteriores fueron diseñados para varias frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hercios, para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. [16] Se desarrollaron alternadores de radiofrecuencia especializados como el alternador Alexanderson como onda larga transmisores de radio alrededor de la Primera Guerra Mundial y utilizados en algunas estaciones de telegrafía inalámbrica de alta potencia antes de que los reemplazaran los transmisores de tubo de vacío.

Principio de funcionamiento [ editar ]

Diagrama de un alternador simple con un núcleo magnético giratorio (rotor) y un cable estacionario (estator) que también muestra la corriente inducida en el estator por el campo magnético giratorio del rotor.

Un conductor que se mueve en relación con un campo magnético desarrolla una fuerza electromotriz (EMF) en él ( Ley de Faraday ). Este EMF invierte su polaridad cuando se mueve bajo polos magnéticos de polaridad opuesta. Por lo general, un imán giratorio, llamado rotor, gira dentro de un conjunto estacionario de conductores enrollados en bobinas en un núcleo de hierro, llamado estator . El campo atraviesa los conductores y genera una EMF (fuerza electromotriz) inducida, ya que la entrada mecánica hace que el rotor gire.

El campo magnético giratorio induce un voltaje CA en los devanados del estator. Dado que las corrientes en los devanados del estator varían según la posición del rotor, un alternador es un generador síncrono. [3]

El campo magnético del rotor puede ser producido por imanes permanentes o por un electroimán de bobina de campo. Los alternadores automotrices usan un devanado de rotor que permite el control del voltaje generado por el alternador variando la corriente en el devanado de campo del rotor. Las máquinas de imán permanente evitan la pérdida debido a la corriente de magnetización en el rotor, pero tienen un tamaño limitado debido al costo del material del imán. Dado que el campo del imán permanente es constante, el voltaje del terminal varía directamente con la velocidad del generador. Los generadores de CA sin escobillas suelen ser más grandes que los que se utilizan en aplicaciones automotrices.

Un dispositivo de control de voltaje automático controla la corriente de campo para mantener constante el voltaje de salida. Si el voltaje de salida de las bobinas del inducido estacionario cae debido a un aumento en la demanda, se alimenta más corriente a las bobinas de campo giratorio a través del regulador de voltaje (VR). Esto aumenta el campo magnético alrededor de las bobinas de campo, lo que induce un mayor voltaje en las bobinas del inducido. Por lo tanto, la tensión de salida vuelve a su valor original.

Los alternadores utilizados en las centrales eléctricas también controlan la corriente de campo para regular la potencia reactiva y ayudar a estabilizar el sistema de energía contra los efectos de fallas momentáneas . A menudo, hay tres conjuntos de devanados del estator, desplazados físicamente de modo que el campo magnético giratorio produce una corriente trifásica , desplazada en un tercio de un período entre sí. [17]

Velocidades sincrónicas [ editar ]

Se produce un ciclo de corriente alterna cada vez que un par de polos de campo pasa sobre un punto del devanado estacionario. La relación entre velocidad y frecuencia es , donde es la frecuencia en Hz (ciclos por segundo). es el número de polos (2, 4, 6,…) y es la velocidad de rotación en revoluciones por minuto (r / min). Las descripciones muy antiguas de los sistemas de corriente alterna a veces dan la frecuencia en términos de alternancias por minuto, contando cada semiciclo como una alternancia ; por lo que 12.000 alternancias por minuto corresponden a 100 Hz.

La frecuencia de salida de un alternador depende del número de polos y la velocidad de rotación. La velocidad correspondiente a una frecuencia particular se llama velocidad síncrona para esa frecuencia. Esta tabla [18] da algunos ejemplos:

Clasificaciones [ editar ]

Los alternadores pueden clasificarse por método de excitación, número de fases, tipo de rotación, método de enfriamiento y su aplicación. [19]

Por excitación [ editar ]

Hay dos formas principales de producir el campo magnético utilizado en los alternadores, mediante el uso de imanes permanentes que crean su propio campo magnético persistente o mediante el uso de bobinas de campo . Los alternadores que utilizan imanes permanentes se denominan específicamente magnetos .

En otros alternadores, las bobinas de campo enrolladas forman un electroimán para producir el campo magnético giratorio.

Un dispositivo que utiliza imanes permanentes para producir corriente alterna se llama alternador de imán permanente (PMA). Un generador de imán permanente (PMG) puede producir corriente alterna o corriente continua si tiene un conmutador .

Generador de corriente continua (CC) de conexión directa [ editar ]

Este método de excitación consiste en un generador de corriente continua (CC) más pequeño fijado en el mismo eje con el alternador. El generador de CC genera una pequeña cantidad de electricidad lo suficiente para excitar las bobinas de campo del alternador conectado para generar electricidad. Una variación de este sistema es un tipo de alternador que utiliza corriente continua de la batería para la excitación inicial en el arranque, después de lo cual el alternador se autoexcita. [19]

Transformación y rectificación [ editar ]

Este método depende del magnetismo residual retenido en el núcleo de hierro para generar un campo magnético débil que permitiría generar un voltaje débil. Este voltaje se usa para excitar las bobinas de campo para que el alternador genere un voltaje más fuerte como parte de su proceso de acumulación . Después de la acumulación inicial de voltaje de CA, el campo recibe voltaje rectificado del alternador. [19]

Alternadores sin escobillas [ editar ]

Un alternador sin escobillas se compone de dos alternadores integrados de extremo a extremo en un eje. Hasta 1966, los alternadores utilizaban escobillas con campo giratorio. [20] Con el avance de la tecnología de semiconductores, los alternadores sin escobillas son posibles. Los alternadores sin escobillas más pequeños pueden parecer una unidad, pero las dos partes son fácilmente identificables en las versiones grandes. La más grande de las dos secciones es el alternador principal y la más pequeña es el excitador. El excitador tiene bobinas de campo estacionarias y una armadura giratoria (bobinas de potencia). El alternador principal utiliza la configuración opuesta con un campo giratorio y una armadura estacionaria. Un puente rectificador, llamado conjunto rectificador giratorio, está montado en el rotor. No se utilizan escobillas ni anillos colectores, lo que reduce el número de piezas de desgaste. El alternador principal tiene un campo giratorio como se describió anteriormente y una armadura estacionaria (devanados de generación de energía).

Al variar la cantidad de corriente a través de las bobinas de campo del excitador estacionario, varía la salida trifásica del excitador. Esta salida se rectifica mediante un conjunto de rectificador giratorio, montado en el rotor, y la CC resultante suministra el campo giratorio del alternador principal y, por lo tanto, la salida del alternador. El resultado de todo esto es que una pequeña corriente CC del excitador controla indirectamente la salida del alternador principal. [21]

Por número de fases [ editar ]

Otra forma de clasificar los alternadores es por el número de fases de su voltaje de salida. La salida puede ser monofásica o polifásica. Los alternadores trifásicos son los más comunes, pero los alternadores polifásicos pueden ser de dos, seis o más fases. [19]

Girando parte [ editar ]

La parte giratoria de los alternadores puede ser la armadura o el campo magnético. El tipo de armadura giratoria tiene la armadura enrollada en el rotor, donde el devanado se mueve a través de un campo magnético estacionario. El tipo de armadura giratoria no se usa a menudo. [19] El tipo de campo giratorio tiene un campo magnético en el rotor para girar a través de un devanado de inducido estacionario. La ventaja es que entonces el circuito del rotor lleva mucha menos potencia que el circuito del inducido, lo que hace que el anillo deslizanteconexiones más pequeñas y menos costosas; solo se necesitan dos contactos para el rotor de corriente continua, mientras que a menudo un devanado de rotor tiene tres fases y varias secciones, cada una de las cuales requeriría una conexión de anillo deslizante. La armadura estacionaria se puede enrollar para cualquier nivel conveniente de voltaje medio, hasta decenas de miles de voltios; la fabricación de conexiones de anillos colectores para más de unos pocos miles de voltios es costosa e inconveniente.

Métodos de enfriamiento [ editar ]

Muchos alternadores se enfrían con aire ambiental, forzado a través del gabinete por un ventilador adjunto en el mismo eje que impulsa el alternador. En vehículos como los autobuses de tránsito, una gran demanda en el sistema eléctrico puede requerir que se enfríe por aceite un alternador grande. [22] En aplicaciones marinas también se utiliza refrigeración por agua. Los automóviles costosos pueden usar alternadores enfriados por agua para satisfacer las altas demandas del sistema eléctrico.

Aplicaciones específicas [ editar ]

Generadores eléctricos [ editar ]

La mayoría de las centrales eléctricas utilizan máquinas síncronas como generadores. La conexión de estos generadores a la red pública requiere que se cumplan las condiciones de sincronización. [23]

Alternadores automotrices [ editar ]

Alternador montado en un motor de automóvil con una polea de correa serpentina (correa no presente).

Los alternadores se utilizan en los automóviles modernos para cargar la batería y para alimentar el sistema eléctrico cuando el motor está en funcionamiento.

Hasta la década de 1960, los automóviles usaban generadores de dínamo de CC con conmutadores . Con la disponibilidad de rectificadores de diodo de silicio asequibles , se utilizaron alternadores en su lugar.

Alternadores de locomotoras eléctricas diésel [ editar ]

En locomotoras eléctricas diesel posteriores y en unidades múltiples eléctricas diesel , el motor principal hace girar un alternador que proporciona electricidad para los motores de tracción (CA o CC).

El alternador de tracción generalmente incorpora rectificadores de diodos de silicio integrales para proporcionar a los motores de tracción hasta 1200 voltios CC.

Las primeras locomotoras eléctricas diesel, y muchas de las que todavía están en servicio, utilizan generadores de CC ya que, antes de la electrónica de potencia de silicio, era más fácil controlar la velocidad de los motores de tracción de CC. La mayoría de estos tenían dos generadores: uno para generar la corriente de excitación para un generador principal más grande.

Opcionalmente, el generador también suministra energía de cabecera (HEP) o energía para la calefacción del tren eléctrico . La opción HEP ​​requiere una velocidad constante del motor, típicamente 900 r / min para una aplicación HEP ​​de 480 V 60 Hz, incluso cuando la locomotora no está en movimiento.

Alternadores marinos [ editar ]

Los alternadores marinos utilizados en los yates son similares a los alternadores de automóviles, con adaptaciones adecuadas al entorno de agua salada. Los alternadores marinos están diseñados para ser a prueba de explosiones, de modo que las chispas de las escobillas no enciendan mezclas de gases explosivos en un ambiente de sala de máquinas. Pueden ser de 12 o 24 voltios según el tipo de sistema instalado. Los motores diesel marinos más grandes pueden tener dos o más alternadores para hacer frente a la gran demanda eléctrica de un yate moderno. En los circuitos de un solo alternador, la energía se puede dividir entre la batería de arranque del motor y la batería (o baterías) doméstica o doméstica mediante el uso de un diodo de carga dividida ( aislador de batería ) o un relé sensible al voltaje.

Alternadores de radio [ editar ]

Los alternadores de alta frecuencia del tipo de reluctancia variable se aplicaron comercialmente a la transmisión de radio en las bandas de radio de baja frecuencia. Estos se utilizaron para la transmisión de código Morse y, experimentalmente, para la transmisión de voz y música. En el alternador Alexanderson , tanto el devanado de campo como el devanado del inducido están estacionarios y la corriente se induce en el inducido en virtud de la reluctancia magnética cambiante del rotor (que no tiene devanados ni partes que transporten corriente). Estas máquinas se fabricaron para producir corriente de radiofrecuencia para transmisiones de radio, aunque la eficiencia fue baja.

Ver también [ editar ]

  • Dinamo de botella
  • Dinamo
  • Generador eléctrico
  • Motor-generador
  • Parque histórico estatal Folsom Powerhouse
  • Dinamo de buje
  • Generador de inducción , con motor de inducción regular (asíncrono)
  • Dinamo de Jedlik
  • Alternador lineal
  • Magneto
  • Bobina polifásica
  • Alternador de inducido giratorio
  • Generador monofásico
  • Alternador de conmutación de flujo

Referencias [ editar ]

  1. ^ "Abraham Ganz en el Hindukush" . Poemas del río Wang . Studiolum. Archivado desde el original el 11 de febrero de 2016 . Consultado el 30 de septiembre de 2015 .
  2. Aylmer-Small, Sidney (1908). "Lección 28: Alternadores" . Ferrocarriles eléctricos; o Electricidad aplicada al transporte ferroviario . Chicago: Frederick J. Drake & Co. págs. 456–463.
  3. ↑ a b Gordon R. Selmon, Magnetoelectric Devices , John Wiley and Sons, 1966 sin ISBN págs. 391-393
  4. ^ "Lista de enchufes / enchufes y voltaje de diferentes países" . Estándares mundiales . Estándares mundiales.
  5. ^ DM Mattox, Los fundamentos de la tecnología de revestimiento al vacío, página 39
  6. ^ "CHARLES C. BRITTON, una instalación de energía eléctrica temprana en Colorado, Colorado Magazine v49n3 verano de 1972, página 185" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 28 de julio de 2016 . Consultado el 15 de agosto de 2016 .
  7. ^ "Hitos: planta hidroeléctrica de Ames, 1891" . Red de historia global IEEE . IEEE . Consultado el 29 de julio de 2011 .
  8. ^ a b Christopher Cooper, La verdad sobre Tesla: El mito del genio solitario en la historia de la innovación, Quarto Publishing Group USA - 2015, página 93
  9. ^ Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery . pag. 7.
  10. ^ Jill Jonnes, Imperios de la luz: Edison, Tesla, Westinghouse y la carrera para electrificar el mundo, Random House - 2004, página 47
  11. ^ Donald Scott McPartland, Casi Edison: cómo William Sawyer y otros perdieron la carrera hacia la electrificación, ProQuest - 2006, página 135
  12. ^ Sociedad estadounidense de educación en ingeniería (1995). Actas, Parte 2 . pag. 1848.
  13. ^ Robert L. Libbey (1991). Un manual de matemáticas de circuitos para ingenieros técnicos . Prensa CRC . pag. 22. ISBN 9780849374005.
  14. ^ Thompson, Sylvanus P. "Hitos: electrificación de corriente alterna, 1886" . Red de historia global IEEE . Consultado el 22 de septiembre de 2013 .
  15. ^ Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery . págs.17
  16. ^ Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery . págs.16
  17. ^ BM Weedy. Segunda edición de Electric Power Systems , John Wiley and Sons, 1972, ISBN 0 471 92445 8 , p. 141 
  18. ^ The Electrical Year Book 1937, publicado por Emmott & Co. Ltd., Manchester, Inglaterra, página 72
  19. ^ a b c d e Manual del técnico de mantenimiento de aviación — General (FAA-H-8083-30) (PDF) . Administración Federal de Aviación . 2008. págs. 10_160–10_161. Archivado desde el original (PDF) el 6 de septiembre de 2013 . Consultado el 6 de septiembre de 2013 .
  20. ^ "Tecnologías de generador Cummins | STAMFORD | AvK" . www.stamford-avk.com . Consultado el 27 de noviembre de 2019 .
  21. ^ GK Dubey, Fundamentos de accionamientos eléctricos , CRC Press, 2002, ISBN 084932422X , página 350 
  22. ^ Gus Wright, Fundamentos de motores diésel de servicio mediano / pesado , Jones & Bartlett Publishers, 2015, ISBN 128406705X página 1233 
  23. ^ Sincronización suave de generadores dispersos a microrredes para aplicaciones de redes inteligentes

Enlaces externos [ editar ]

  • White, Thomas H., " Desarrollo del alternador-transmisor (1891-1920) ". EarlyRadioHistory.us.
  • Alternadores en Integrated Publishing (TPub.com)
  • Alternador de madera de bajas revoluciones , ForceField, Fort Collins, Colorado, EE. UU.
  • Comprensión de los alternadores trifásicos en WindStuffNow
  • Alternador, arco y chispa. Los primeros transmisores inalámbricos (página de inicio de G0UTY)