Alternador

Alternators made in 1909 by Ganz Works in the power generating hall of a Russian hydroelectric station (photograph by Prokudin-Gorsky, 1911).

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

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

Historia

En lo que se considera el primer uso industrial de la corriente alterna en 1891, los trabajadores posan con un alternador Westinghouse en la planta generadora hidroeléctrica Ames. Esta máquina se utilizó como generador que produce 3.000 voltios, 133 hélices, AC monofásico y una máquina idéntica a 4,8 km de distancia se utilizó como motor AC.

Los sistemas generadores de corriente alterna se conocieron en formas simples desde el descubrimiento de la inducción magnética de la corriente eléctrica en la década de 1830. Los generadores rotativos producían naturalmente corriente alterna pero, dado que tenía poco uso, normalmente se convertía en corriente continua mediante la adición de un conmutador en el generador. Las primeras máquinas fueron desarrolladas por pioneros como Michael Faraday e Hippolyte Pixii. Faraday desarrolló el "rectángulo giratorio", cuya operación era heteropolar: cada conductor activo pasaba sucesivamente a través de regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas. Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrollaron los primeros alternadores, que producían 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 encender lámparas de arco, que se usaban para iluminar calles enteras, patios de fábricas o el interior de grandes almacenes. Algunas, como las lámparas de arco de Yablochkov introducidas en 1878, funcionaban mejor con corriente alterna, y el desarrollo de estos primeros sistemas de generación de CA estuvo acompañado por el primer uso de la palabra "alternador". El suministro de la cantidad adecuada de voltaje desde las estaciones generadoras en estos primeros sistemas se dejaba en manos de la habilidad del ingeniero para 'manejar la carga'. En 1883, Ganz Works inventó el generador de voltaje constante que podía producir un voltaje de salida establecido, independientemente del valor de la carga real. La introducción de transformadores a mediados de la década de 1880 condujo al uso generalizado de corriente alterna y al uso de alternadores necesarios para producirla. Después de 1891, se introdujeron los alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. Los alternadores posteriores se diseñaron para varias frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hercios, para usar con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. Los alternadores de radiofrecuencia especializados como el alternador Alexanderson se desarrollaron como transmisores de radio de onda larga alrededor de la Primera Guerra Mundial y se usaron en algunas estaciones de telegrafía inalámbrica de alta potencia antes de que los transmisores de tubo de vacío los reemplazaran.

Principio de funcionamiento

Diagrama de un simple alternador con un núcleo magnético giratorio (rotor) y alambre estacionario (stator) también mostrando 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 (FEM) 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, generando una EMF (fuerza electromotriz) inducida, ya que la entrada mecánica hace que el rotor gire.

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

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 imanes permanentes evitan la pérdida debido a la corriente de magnetización en el rotor, pero tienen un tamaño restringido debido al costo del material del imán. Dado que el campo magnético permanente es constante, el voltaje 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 estacionarias del inducido cae debido a un aumento en la demanda, se alimenta más corriente a las bobinas del 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, el voltaje de salida vuelve a su valor original.

Los alternadores que se usan 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 un tercio de un período entre sí.

Velocidades síncronas

Un ciclo de corriente alterna se produce cada vez que un par de polos de campo pasa sobre un punto en el viento estacionario. La relación entre velocidad y frecuencia es N=120f/P{displaystyle N=120f/P}, donde f{displaystyle f} es la frecuencia en Hz (ciclos por segundo). P{displaystyle P} es el número de polos (2, 4, 6,...) y N{displaystyle N} es la velocidad de rotación de revoluciones por minuto (r/min). Las descripciones muy antiguas de los sistemas de corriente alterna a veces dan la frecuencia en términos de alternaciones por minuto, contando cada medio ciclo como uno alternancia; por lo que 12,000 alternaciones por minuto corresponde 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 denomina velocidad sincrónica para esa frecuencia. Esta tabla da algunos ejemplos:

Clasificaciones

Los alternadores se pueden clasificar según el método de excitación, el número de fases, el tipo de rotación, el método de enfriamiento y su aplicación.

Por excitación

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

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

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

Generador de corriente continua (CC) de conexión directa

Este método de excitación consta de un generador de corriente continua (CC) más pequeño fijado en el mismo eje que el alternador. El generador de CC genera una pequeña cantidad de electricidad 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 una batería para la excitación inicial al arrancar, después de lo cual el alternador se autoexcita.

Transformación y rectificación

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 construcción. Después de la acumulación inicial de voltaje de CA, el campo recibe voltaje rectificado del alternador.

Alternadores sin escobillas

Un alternador sin escobillas se compone de dos alternadores construidos de extremo a extremo en un eje. Hasta 1966, los alternadores usaban escobillas con campo giratorio. Con el avance en la tecnología de semiconductores, los alternadores sin escobillas son posibles. Los alternadores sin escobillas más pequeños pueden parecer una sola unidad, pero las dos partes son fácilmente identificables en las versiones grandes. La mayor de las dos secciones es el alternador principal y la menor es el excitador. El excitador tiene bobinas de campo estacionarias y una armadura giratoria (bobinas de potencia). El alternador principal usa la configuración opuesta con un campo giratorio y una armadura estacionaria. Un puente rectificador, llamado conjunto de 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 describe arriba 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 es rectificada por un conjunto rectificador giratorio, montado en el rotor, y la CC resultante alimenta el campo giratorio del alternador principal y, por lo tanto, la salida del alternador. El resultado de todo esto es que una pequeña corriente continua del excitador controla indirectamente la salida del alternador principal.

Por número de fases

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 fases, seis fases o más.

Por pieza giratoria

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 con frecuencia. El tipo de campo giratorio tiene un campo magnético en el rotor para girar a través de un devanado de armadura estacionario. La ventaja es que entonces el circuito del rotor transporta mucha menos potencia que el circuito del inducido, lo que hace que las conexiones de los anillos deslizantes sean 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 múltiples secciones, cada una de las cuales requeriría una conexión de anillo deslizante. La armadura estacionaria se puede enrollar para cualquier nivel de voltaje medio conveniente, hasta decenas de miles de voltios; la fabricación de conexiones de anillos deslizantes para más de unos pocos miles de voltios es costosa e inconveniente.

Métodos de enfriamiento

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 un alternador grande se enfríe con aceite. En aplicaciones marinas también se utiliza refrigeración por agua. Los automóviles caros pueden usar alternadores enfriados por agua para cumplir con las altas demandas del sistema eléctrico.

Aplicaciones específicas

Generadores eléctricos

La mayoría de las estaciones de generación de energía utilizan máquinas síncronas como generadores. La conexión de estos generadores a la red pública requiere que se cumplan las condiciones de sincronización.

Alternadores de automoción

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

Los alternadores se utilizan en los automóviles modernos con motor de combustión interna para cargar la batería y alimentar el sistema eléctrico cuando el motor está en marcha.

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 diésel-eléctricas

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

El alternador de tracción suele incorporar rectificadores de diodo de silicio integrales para proporcionar a los motores de tracción hasta 1200 voltios de CC.

Las primeras locomotoras eléctricas diésel, y muchas de las que aún 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

Los alternadores marinos que se usan en yates son similares a los alternadores de automóviles, con las adaptaciones adecuadas al entorno de agua salada. Los alternadores marinos están diseñados para ser a prueba de explosiones (protegidos contra la ignición) para que las chispas de las escobillas no enciendan mezclas de gases explosivas en un entorno 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. Debido al alto costo de los grandes bancos de baterías de las casas, los alternadores marinos generalmente usan reguladores externos. Los reguladores de varios pasos controlan la corriente de campo para maximizar la eficacia de la carga (tiempo de carga) y la duración de la batería. Los reguladores de varios pasos se pueden programar para diferentes tipos de batería. Se pueden agregar dos sensores de temperatura, uno para la batería para ajustar el voltaje de carga y un sensor de sobretemperatura en el alternador real para protegerlo del sobrecalentamiento.

Alternadores de radio

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 del código Morse y, de forma experimental, para la transmisión de voz y música. En el alternador Alexanderson, tanto el devanado de campo como el devanado del inducido son estacionarios, y se induce corriente en el inducido en virtud de la reluctancia magnética cambiante del rotor (que no tiene devanados ni partes portadoras de corriente). Estas máquinas se fabricaron para producir corriente de radiofrecuencia para transmisiones de radio, aunque la eficiencia era baja.