Generador eléctrico
En la generación de electricidad, un generador es un dispositivo que convierte la fuerza motriz (energía mecánica) en energía eléctrica para su uso en un circuito externo. Las fuentes de energía mecánica incluyen turbinas de vapor, turbinas de gas, turbinas de agua, motores de combustión interna, turbinas de viento e incluso manivelas. El primer generador electromagnético, el disco de Faraday, fue inventado en 1831 por el científico británico Michael Faraday. Los generadores proporcionan casi toda la energía para las redes eléctricas.
La conversión inversa de energía eléctrica en energía mecánica se realiza mediante un motor eléctrico, y los motores y generadores tienen muchas similitudes. Muchos motores pueden accionarse mecánicamente para generar electricidad; con frecuencia hacen generadores manuales aceptables.
Terminología
Los generadores electromagnéticos se clasifican en una de dos amplias categorías, dínamos y alternadores.
- Los dínamos generan corriente continua pulsante mediante el uso de un conmutador.
- Los alternadores generan corriente alterna.
Mecánicamente, un generador consta de una parte giratoria y una parte estacionaria:
- Rotor: La parte giratoria de una máquina eléctrica.
- Estator: La parte estacionaria de una máquina eléctrica, que rodea al rotor.
Una de estas partes genera un campo magnético, la otra tiene un devanado de alambre en el que el campo cambiante induce una corriente eléctrica:
- Devanado de campo o imanes de campo (permanentes): El componente productor de campo magnético de una máquina eléctrica. El campo magnético de la dínamo o el alternador puede ser proporcionado por bobinas de alambre llamadas bobinas de campo o imanes permanentes. Los generadores excitados eléctricamente incluyen un sistema de excitación para producir el flujo de campo. Un generador que utiliza imanes permanentes (PM) a veces se denomina magneto o generador síncrono de imanes permanentes (PMSG).
- Armadura: El componente productor de energía de una máquina eléctrica. En un generador, alternador o dínamo, los devanados del inducido generan la corriente eléctrica, que proporciona energía a un circuito externo.
La armadura puede estar en el rotor o en el estator, según el diseño, con la bobina de campo o el imán en la otra parte.
Historia
Antes de que se descubriera la conexión entre el magnetismo y la electricidad, se inventaron los generadores electrostáticos. Operaban sobre principios electrostáticos, mediante el uso de cinturones, placas y discos cargados eléctricamente que transportaban la carga a un electrodo de alto potencial. La carga se generaba mediante dos mecanismos: inducción electrostática o efecto triboeléctrico. Dichos generadores generaban muy alto voltaje y baja corriente. Debido a su ineficiencia y la dificultad de aislar máquinas que producían voltajes muy altos, los generadores electrostáticos tenían clasificaciones de baja potencia y nunca se usaron para generar cantidades comercialmente significativas de energía eléctrica. Sus únicas aplicaciones prácticas fueron para alimentar los primeros tubos de rayos X y, más tarde, en algunos aceleradores de partículas atómicas.
Generador de discos de Faraday
El principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos fue descubierto en los años 1831-1832 por Michael Faraday. El principio, más tarde llamado ley de Faraday, es que se genera una fuerza electromotriz en un conductor eléctrico que rodea un flujo magnético variable.
También construyó el primer generador electromagnético, llamado disco de Faraday; un tipo de generador homopolar, que utiliza un disco de cobre que gira entre los polos de un imán de herradura. Produjo un pequeño voltaje de CC.
Este diseño era ineficiente debido a los contraflujos de corriente que se cancelaban automáticamente en las regiones del disco que no estaban bajo la influencia del campo magnético. Si bien la corriente se inducía directamente debajo del imán, la corriente circularía hacia atrás en las regiones que estaban fuera de la influencia del campo magnético. Este contraflujo limitó la salida de energía a los cables de captación e indujo el calentamiento residual del disco de cobre. Los generadores homopolares posteriores resolverían este problema mediante el uso de una serie de imanes dispuestos alrededor del perímetro del disco para mantener un efecto de campo constante en una dirección de flujo de corriente.
Otra desventaja era que el voltaje de salida era muy bajo, debido a la única ruta de corriente a través del flujo magnético. Los experimentadores descubrieron que el uso de múltiples vueltas de cable en una bobina podría producir voltajes más altos y útiles. Dado que el voltaje de salida es proporcional al número de vueltas, los generadores podrían diseñarse fácilmente para producir cualquier voltaje deseado variando el número de vueltas. Los devanados de alambre se convirtieron en una característica básica de todos los diseños de generadores posteriores.
Jedlik y el fenómeno de la autoexcitación
Independientemente de Faraday, Ányos Jedlik comenzó a experimentar en 1827 con los dispositivos rotativos electromagnéticos a los que denominó auto-rotores electromagnéticos. En el prototipo del arrancador eléctrico unipolar (terminado entre 1852 y 1854) tanto las partes estacionarias como las giratorias eran electromagnéticas. También fue el descubrimiento del principio de autoexcitación de la dínamo, que reemplazó los diseños de imanes permanentes. También puede haber formulado el concepto de la dínamo en 1861 (antes de Siemens y Wheatstone), pero no lo patentó porque pensó que no era el primero en darse cuenta de esto.
Generadores de corriente continua
Una bobina de alambre que gira en un campo magnético produce una corriente que cambia de dirección con cada rotación de 180°, una corriente alterna (CA). Sin embargo, muchos de los primeros usos de la electricidad requerían corriente continua (CC). En los primeros generadores eléctricos prácticos, llamados dínamos, la CA se convertía en CC con un conmutador, un conjunto de contactos de interruptores giratorios en el eje del inducido. El conmutador invirtió la conexión del devanado del inducido al circuito cada 180° de rotación del eje, creando una corriente continua pulsante. Una de las primeras dínamos fue construida por Hippolyte Pixii en 1832.
La dínamo fue el primer generador eléctrico capaz de entregar energía para la industria. El generador eléctrico Woolrich de 1844, ahora en Thinktank, Museo de Ciencias de Birmingham, es el primer generador eléctrico utilizado en un proceso industrial. Fue utilizado por la firma Elkingtons para galvanoplastia comercial.
La dínamo moderna, apta para su uso en aplicaciones industriales, fue inventada de forma independiente por Sir Charles Wheatstone, Werner von Siemens y Samuel Alfred Varley. Varley obtuvo una patente el 24 de diciembre de 1866, mientras que Siemens y Wheatstone anunciaron sus descubrimientos el 17 de enero de 1867, y el último entregó un artículo sobre su descubrimiento a la Royal Society.
La "máquina dinamoeléctrica" empleó bobinas de campo electromagnético autoalimentadas en lugar de imanes permanentes para crear el campo del estator. El diseño de Wheatstone era similar al de Siemens, con la diferencia de que en el diseño de Siemens los electroimanes del estator estaban en serie con el rotor, pero en el diseño de Wheatstone estaban en paralelo. El uso de electroimanes en lugar de imanes permanentes aumentó considerablemente la potencia de salida de una dínamo y permitió la generación de alta potencia por primera vez. Esta invención condujo directamente a los primeros usos industriales importantes de la electricidad. Por ejemplo, en la década de 1870, Siemens utilizó dínamos electromagnéticos para alimentar hornos de arco eléctrico para la producción de metales y otros materiales.
La máquina de dinamo que se desarrolló constaba de una estructura estacionaria, que proporciona el campo magnético, y un conjunto de devanados giratorios que giran dentro de ese campo. En máquinas más grandes, el campo magnético constante lo proporcionan uno o más electroimanes, que generalmente se denominan bobinas de campo.
Las grandes dínamos de generación de energía ahora rara vez se ven debido al uso ahora casi universal de corriente alterna para la distribución de energía. Antes de la adopción de CA, las dínamos de corriente continua muy grandes eran el único medio de generación y distribución de energía. La CA ha llegado a dominar debido a la capacidad de la CA de transformarse fácilmente hacia y desde voltajes muy altos para permitir bajas pérdidas en grandes distancias.
Generadores síncronos (generadores de corriente alterna)
A través de una serie de descubrimientos, la dínamo fue sucedida por muchas invenciones posteriores, especialmente el alternador de CA, que era capaz de generar corriente alterna. Es comúnmente conocido como los generadores síncronos (SG). Las máquinas síncronas están conectadas directamente a la red y deben sincronizarse correctamente durante el arranque. Además, están excitados con un control especial para mejorar la estabilidad del sistema de energía.
Los sistemas generadores de corriente alterna se conocían en formas simples a partir del descubrimiento original de Michael Faraday de la inducción magnética de la corriente eléctrica. El mismo Faraday construyó uno de los primeros alternadores. Su máquina era un "rectángulo giratorio", cuya operación era heteropolar: cada conductor activo pasaba sucesivamente a través de regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas.
Un electricista británico, JEH Gordon, construyó grandes generadores de corriente alterna de dos fases en 1882. La primera demostración pública de un "sistema de alternador" fue realizada por William Stanley, Jr., un empleado de Westinghouse Electric en 1886.
Sebastian Ziani de Ferranti fundó Ferranti, Thompson e Ince en 1882, para comercializar su Alternador Ferranti-Thompson, inventado con la ayuda del renombrado físico Lord Kelvin. Sus primeros alternadores producían frecuencias entre 100 y 300 Hz. Ferranti pasó a diseñar la central eléctrica de Deptford para London Electric Supply Corporation en 1887 utilizando un sistema de corriente alterna. Cuando se completó en 1891, fue la primera central eléctrica verdaderamente moderna, que suministraba energía de CA de alto voltaje que luego se "reducía" para uso del consumidor en cada calle. Este sistema básico sigue en uso hoy en día en todo el mundo.
Después de 1891, se introdujeron los alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. Los alternadores posteriores se diseñaron para variar las frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hercios, para usar con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos.
Autoexcitación
A medida que aumentaron los requisitos para la generación de energía a mayor escala, surgió una nueva limitación: los campos magnéticos disponibles de los imanes permanentes. Desviar una pequeña cantidad de la energía generada por el generador a una bobina de campo electromagnético permitió que el generador produjera sustancialmente más energía. Este concepto se denominó autoexcitación.
Las bobinas de campo están conectadas en serie o en paralelo con el devanado del inducido. Cuando el generador comienza a girar por primera vez, la pequeña cantidad de magnetismo remanente presente en el núcleo de hierro proporciona un campo magnético para que arranque, generando una pequeña corriente en la armadura. Este fluye a través de las bobinas de campo, creando un campo magnético más grande que genera una corriente de armadura más grande. Este proceso de "arranque" continúa hasta que el campo magnético en el núcleo se nivela debido a la saturación y el generador alcanza una potencia de salida de estado estable.
Los generadores de centrales eléctricas muy grandes a menudo utilizan un generador más pequeño separado para excitar las bobinas de campo del más grande. En el caso de un corte de energía generalizado severo donde se haya producido una isla de las estaciones de energía, es posible que las estaciones deban realizar un arranque en negro para excitar los campos de sus generadores más grandes, a fin de restaurar el servicio de energía del cliente.
Tipos especializados de generador
Corriente continua (CC)
Una dínamo usa conmutadores para producir corriente directa. Es autoexcitado, es decir, sus electroimanes de campo son alimentados por la propia salida de la máquina. Otros tipos de generadores de CC utilizan una fuente separada de corriente continua para energizar sus imanes de campo.
Generador homopolar
Un generador homopolar es un generador eléctrico de CC que consta de un disco o cilindro eléctricamente conductor que gira en un plano perpendicular a un campo magnético estático uniforme. Se crea una diferencia de potencial entre el centro del disco y el borde (o extremos del cilindro), dependiendo la polaridad eléctrica del sentido de giro y la orientación del campo.
También se conoce como generador unipolar, generador acíclico, dínamo de disco o disco de Faraday. El voltaje suele ser bajo, del orden de unos pocos voltios en el caso de modelos de demostración pequeños, pero los grandes generadores de investigación pueden producir cientos de voltios, y algunos sistemas tienen múltiples generadores en serie para producir un voltaje aún mayor. Son inusuales porque pueden producir una tremenda corriente eléctrica, algunas de más de un millón de amperios, porque el generador homopolar puede fabricarse para tener una resistencia interna muy baja.
Generador magnetohidrodinámico (MHD)
Un generador magnetohidrodinámico extrae directamente energía eléctrica del movimiento de gases calientes a través de un campo magnético, sin el uso de maquinaria electromagnética giratoria. Los generadores MHD se desarrollaron originalmente porque la salida de un generador MHD de plasma es una llama, capaz de calentar las calderas de una planta de energía de vapor. El primer diseño práctico fue el AVCO Mk. 25, desarrollado en 1965. El gobierno de los EE. UU. financió un desarrollo sustancial, que culminó con una planta de demostración de 25 MW en 1987. En la Unión Soviética, desde 1972 hasta finales de la década de 1980, la planta MHD U 25 estuvo en funcionamiento regular en el sistema eléctrico de Moscú con una calificación de 25 MW, la calificación de planta MHD más grande del mundo en ese momento. Los generadores MHD operados como ciclo topping son actualmente (2007) menos eficientes que las turbinas de gas de ciclo combinado.
Corriente alterna (CA)
Generador de inducción
Los motores de CA de inducción se pueden utilizar como generadores, convirtiendo la energía mecánica en corriente eléctrica. Los generadores de inducción funcionan girando mecánicamente su rotor más rápido que la velocidad síncrona, dando un deslizamiento negativo. Un motor asíncrono de CA normal generalmente se puede usar como generador, sin modificaciones internas. Los generadores de inducción son útiles en aplicaciones tales como minicentrales hidroeléctricas, turbinas eólicas o para reducir las corrientes de gas de alta presión a una presión más baja, porque pueden recuperar energía con controles relativamente simples. No requieren un circuito excitador porque el campo magnético giratorio lo proporciona la inducción del circuito del estator. Tampoco requieren equipo regulador de velocidad ya que operan inherentemente a la frecuencia de la red conectada.
Para operar, un generador de inducción debe estar excitado con un voltaje principal; esto generalmente se hace mediante la conexión a una red eléctrica o, a veces, se autoexcitan mediante el uso de condensadores de corrección de fase.
Generador eléctrico lineal
En la forma más simple de generador eléctrico lineal, un imán deslizante se mueve de un lado a otro a través de un solenoide: un carrete de alambre de cobre. Se induce una corriente alterna en los bucles de alambre por la ley de inducción de Faraday cada vez que el imán se desliza. Este tipo de generador se utiliza en la linterna Faraday. Los generadores de electricidad lineales más grandes se utilizan en esquemas de energía undimotriz.
Generadores de frecuencia constante de velocidad variable
Muchos esfuerzos de energía renovable intentan aprovechar fuentes naturales de energía mecánica (viento, mareas, etc.) para producir electricidad. Debido a que estas fuentes fluctúan en la potencia aplicada, los generadores estándar que usan imanes permanentes y devanados fijos generarían voltaje y frecuencia no regulados. La sobrecarga de regulación (ya sea antes del generador a través de la reducción de engranajes o después de la generación por medios eléctricos) es alta en proporción a la energía de origen natural disponible.
Los nuevos diseños de generadores, como el generador asíncrono o de inducción de alimentación única, el generador de doble alimentación o el generador de rotor devanado sin escobillas y doble alimentación están teniendo éxito en aplicaciones de frecuencia constante de velocidad variable, como turbinas eólicas u otras tecnologías de energía renovable. Por lo tanto, estos sistemas ofrecen beneficios de costo, confiabilidad y eficiencia en ciertos casos de uso.
Casos de uso comunes
Central eléctrica
Una central eléctrica, también denominada central eléctrica o central eléctrica y, a veces , estación generadora o planta generadora, es una instalación industrial para la generación de energía eléctrica. La mayoría de las centrales eléctricas contienen uno o más generadores, una máquina giratoria que convierte la energía mecánica en energía eléctrica trifásica. El movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor crea una corriente eléctrica. La fuente de energía utilizada para hacer girar el generador varía ampliamente. La mayoría de las centrales eléctricas del mundo queman combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural para generar electricidad. Las fuentes más limpias incluyen la energía nuclear y un uso cada vez mayor de energías renovables como la solar, eólica, undimotriz e hidroeléctrica.
Generadores vehiculares
Vehículos de carretera
Los vehículos motorizados requieren energía eléctrica para alimentar su instrumentación, mantener el motor en funcionamiento y recargar sus baterías. Hasta aproximadamente la década de 1960, los vehículos de motor solían utilizar generadores de corriente continua (dinamos) con reguladores electromecánicos. Siguiendo la tendencia histórica anterior y por muchas de las mismas razones, estos ahora han sido reemplazados por alternadores con circuitos rectificadores incorporados.
Bicicletas
Las bicicletas requieren energía para alimentar las luces de marcha y otros equipos. Hay dos tipos comunes de generadores que se usan en las bicicletas: dínamos de botella que enganchan el neumático de la bicicleta según sea necesario y dínamos de buje que se conectan directamente al tren de transmisión de la bicicleta. El nombre es convencional ya que se trata de pequeños alternadores de imanes permanentes, no de máquinas de CC autoexcitadas como las dínamos. Algunas bicicletas eléctricas tienen capacidad de frenado regenerativo, en el que el motor de accionamiento se utiliza como generador para recuperar algo de energía durante el frenado.
Veleros
Los barcos de vela pueden usar un generador de agua o viento para cargar las baterías. Una pequeña hélice, turbina eólica o turbina está conectada a un generador de baja potencia para suministrar corrientes a velocidades típicas de viento o de crucero.
Scooters electricos
Los scooters eléctricos con frenado regenerativo se han vuelto populares en todo el mundo. Los ingenieros utilizan sistemas de recuperación de energía cinética en el scooter para reducir el consumo de energía y aumentar su autonomía hasta un 40-60 % simplemente recuperando energía mediante el freno magnético, que genera energía eléctrica para su uso posterior. Los vehículos modernos alcanzan una velocidad de 25 a 30 km/h y pueden recorrer hasta 35 a 40 km.
Grupo electrógeno
Un motor-generador es la combinación de un generador eléctrico y un motor (motor principal) montados juntos para formar una sola pieza de equipo autónomo. Los motores utilizados suelen ser motores de pistón, pero también se pueden utilizar turbinas de gas, e incluso existen unidades híbridas diésel-gas, denominadas unidades de combustible dual. Hay muchas versiones diferentes de generadores de motor disponibles, que van desde conjuntos portátiles de gasolina muy pequeños hasta grandes instalaciones de turbinas. La principal ventaja de los motores-generadores es la capacidad de suministrar electricidad de forma independiente, lo que permite que las unidades sirvan como soluciones de energía de respaldo.
Generadores eléctricos accionados por humanos
Un generador también puede ser impulsado por la fuerza de los músculos humanos (por ejemplo, en el equipo de una estación de radio de campo).
Los generadores eléctricos accionados por humanos están disponibles comercialmente y han sido el proyecto de algunos entusiastas del bricolaje. Estos generadores, que normalmente funcionan con pedales, un entrenador de bicicleta convertido o una bomba de pie, se pueden usar prácticamente para cargar baterías y, en algunos casos, están diseñados con un inversor integral. Un "humano saludable" promedio puede producir 75 vatios (0,1 caballos de fuerza) constantes durante un período completo de ocho horas, mientras que un "atleta de primera clase" puede producir aproximadamente 298 vatios (0,4 caballos de fuerza) durante un período similar. Al final del cual se requerirá un período indeterminado de descanso y recuperación. Con 298 vatios, el "humano sano" promedio se agota en 10 minutos.La potencia eléctrica neta que se puede producir será menor, debido a la eficiencia del generador. Los receptores de radio portátiles con manivela se fabrican para reducir los requisitos de compra de baterías, consulte radio reloj. A mediados del siglo XX, se utilizaron radios de pedal en todo el interior de Australia para proporcionar educación (Escuela del aire), atención médica y otras necesidades en estaciones y pueblos remotos.
Medición mecánica
Un tacogenerador es un dispositivo electromecánico que produce un voltaje de salida proporcional a la velocidad de su eje. Puede usarse para un indicador de velocidad o en un sistema de control de velocidad de retroalimentación. Los tacogeneradores se utilizan con frecuencia para alimentar tacómetros para medir las velocidades de los motores eléctricos, los motores y los equipos que alimentan. Los generadores generan voltaje aproximadamente proporcional a la velocidad del eje. Con una construcción y un diseño precisos, los generadores se pueden construir para producir voltajes muy precisos para ciertos rangos de velocidades del eje.
Circuito equivalente
En el diagrama adyacente se muestra un circuito equivalente de un generador y una carga. El generador está representado por un generador abstracto que consiste en una fuente de voltaje ideal y una impedancia interna. 
Este es el modelo más simple de un generador, es posible que se deban agregar más elementos para una representación precisa. En particular, se puede agregar inductancia para permitir los devanados de la máquina y el flujo de fuga magnética, pero una representación completa puede volverse mucho más compleja que esto.
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