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.
DEDICATORIA
Este trabajo esta
dedicado a todos
Los futuros técnicos egresados de la
Institución José pardina,
así como
también a cada uno de los profeso-
res que lo integran .
Autor:
Michael Thotty
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