generadores_electricos

8/2/2019 Generadores_electricos

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INTRODUCCIN.

1. Generador de corriente continua (o dinamos).2. Generador de corriente alterna (o alternador).

Un generador elctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial elctrico entre dos de suspuntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores elctricos son mquinas destinadas a transformar la

energa mecnica en elctrica. Esta transformacin se consigue por la accin de un campo magntico sobre losconductores elctricos dispuestos sobre una armadura (denominada tambin estator). Si mecnicamente se produce unmovimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).

En la actualidad, la generacin de CC se realiza mediante pilas y acumuladores o se obtiene de la conversin de CA aCC mediante los puentes rectificadores. El uso de la dinamo para la produccin de energa en forma de CC se estuvoutilizando hasta la llegada de los alternadores, que con el tiempo la han dejado totalmente desplazada. Hoy en danicamente se utilizan las dinamos para aplicaciones especficas, como por ejemplo, para medir las velocidades derotacin de un eje (tacodinamos), ya que la tensin que presentan en los bornes de salida es proporcional a la velocidadde la misma.

Se puede decir que una dinamo es una mquina elctrica rotativa que produce energa elctrica en forma de corrientecontinua aprovechando el fenmeno de induccin electromagntica. Esta mquina consta fundamentalmente de un

electroimn encargado de crear un campo magntico fijo conocido por el nombre de inductor, y un cilindro donde seenrollan bobinas de cobre, que se hacen girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor, que se conoce comoinducido.

1) GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA (O DINAMOS).

Produccin de corriente alterna en una espira que gira en el seno de uncampo magntico

Alternador Elemental.

Cuando hacemos girar una espira rectangular una vuelta completa entre lasmasas polares de un electroimn inductor (ver figura 1.1), los conductores

a y b del inducido cortan en su movimiento el campo magntico fijo y enellos se induce una f.e.m. inducida cuyo valor y sentido vara en cadainstante con la posicin.

Cada uno de los terminales de la espira se conecta a un anillo metlico conductor, donde dos escobillas de grafitorecogen la corriente inducida y la suministran al circuito exterior.

Para determinar el sentido de la corriente inducida, en cada posicin de los conductores, de la espira se aplica la reglade los tres dedos de la mano derecha, pudindose comprobar cmo se obtiene a la salida una tensin alterna senoidal.

Rectificacin de la corriente mediante el colector de delgas.

Dado que lo que deseamos es obtener corriente continua en la salida del generador,necesitamos incorporar un dispositivo que convierta la CA generada en CC. Esto seconsigue mediante el colector de delgas.

Si, tal como se muestra en la Figura 1.2, conectamos los dos extremos de la espira, noya en los dos anillos colectores, sino en dos semianillos conductores aislados uno delotro, sobre los que ponemos en contacto dos escobillas que recojan la corriente,conseguiremos obtener a la salida CC.

Cuando la espira gira, la corriente inducida cambia de sentido en una determinadaposicin. Si observamos atentamente en la imagen las dos posiciones de la espira, sta

es solidaria a los dos semianillos 1 y 2 que giran con ella. Sin embargo, las escobillas A y B son fijas.

En la posicin de la Figura 1.3.a, la corriente inducida en los conductores a y b posee el sentido que se indica con lasflechas. El semianillo 1 est en contacto con la escobilla A, y el semianillo 2 con la escobilla B.


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Al girar la espira hasta la posicin en la Figura 1.3.b, la corriente inducida en losconductores a y b ha cambiado de sentido, tal como se indica con las flechas,

pero como el semianillo 1 est ahora en contacto con la escobilla B y elsemianillo 2 queda en contacto con la escobilla A, el sentido de la corriente nocambia en los conductores A y B que suministran energa a la carga.

En resumen, la corriente que fluye por la espira es alterna, pero el colectorformado por los semianillos aislados consiguen rectificar la corriente yconvertirla en continua.

Con una sola espira y dos anilloscolectores conseguimos una corrientecontinua similar a la obtenida en un

puente rectificador de onda completa, talcomo se muestra en la Figura 1.4.

Esta corriente continua presenta muchas variaciones, o lo que es lo mismo, unrizado excesivo e indeseable. Si incluysemos en el inducido una segunda espirasituada a 90 de la primera y conectada a otros dos nuevos semianillos o delgas,obtendramos una corriente en la salida de la dinamo como la representada en laFigura 1.5, que como se puede comprobar posee un rizado menor que en el casode una sola espira (la corriente ya no llegaa descender a cero). En este caso elcolector constara de cuatro delgas.

Si incluimos en el inducido cuatro espirascon ocho delgas obtenemos una corrientede salida todava mucho ms lineal, comola representada en la Figura 1.6. En la

prctica, cuando se desea obtener unatensin continua lo ms rectilnea posible,

se construyen dinamos con un nmero considerable de espiras y delgas.

Constitucin de una dinamo.

Las partes fundamentales de un dnamo son el inductor, el inducido, y el colector.

Inductor. El inductor es fijo y se sita en el estator (parte esttica o sinmovimiento de la mquina). Est formado por un electroimn de dos polosmagnticos en las mquinas bipolares (Figura 1.7), o de varios pares de

polos en las multipolares.

El bobinado y las piezaspolares de hierro dulce delelectroimn estn rodeados poruna carcasa o culata de

fundicin o de acero moldeadoque sirve de soporte a lamquina y permite el cierre del

circuito magntico (ver Figura 1.8).

El inducido. El inducido es mvil y se sita el rotor (parte que se mueve en sentido giratorio de la mquina). Estcompuesto de un ncleo magntico en forma de cilindro y constituido por chapas magnticas apiladas, con el fin deevitar la prdida por histresis y corrientes parsitas, donde se bobinan las espiras con conductores de cobre esmaltados,


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tal como se muestra en la Figura 1.8. El ncleo de chapas dispone de una serie de ranuras donde se alojan los bobinadosdel inducido.

El ncleo queda fijado a un eje, cuyos extremos se deslizan apoyados encojinetes fijos a la carcasa. De esta forma el inducido se sustenta entre las

piezas polares del inductor, pudiendo ser impulsado en un movimiento derotacin rpido.

El colector. En e eje del inducido se fija el colector de delgas formado porlminas de cobre electroltico con el fin de poderle conectar los diferentescircuitos del inducido. Las delgas se aislan del eje y entre s por hojas demica (Figura 1.9).

La corriente se recoge en ecolector con la ayuda de dos ovarios contactos deslizantes degrafito o de carbn puro,llamados escobillas (Figura1.10).

Cada escobilla se monta en unportaescobillas, que asegura la presin de la misma contra el colectormediante muelles (Figura 1.11). D las escobillas parten los conductores que se conectan a la placa de bornas de ladinamo, de donde se conectarn al circuito exterior. Dada la friccin a la que se somete alas escobillas, se produce un desgaste progresivo de las mismas que limita su vida til,teniendo que reponerlas cada ciertos perodos de tiempo.

Circuito magntico de un dnamo

En la Figura 1.12 se ha representado el circuito recorrido por las lneas de fuerza delcampo magntico inductor. stas se cierran a travs de las piezas polares del electroimn,el inducido y la carcasa o culata de la dinamo.

Es importante hacer notar que las lneas de fuerza deben transcurrir por un pequeoespacio no ferromagntico existente entre las piezas polares y el entrehierro. Nosreferimos al entrehierro formado por aire. Dado que las lneas de fuerza se establecen muymal por el entrehierro, se intenta reducir al mximo su tamao, procurando que esto no impida que el rotor pueda girarlibremente y sin fricciones.

Fuerza electromotriz generada por una dinamo.

El valor de la fuerza electromotriz se obtiene aplicando el principio de induccin electromagntica, por lo quedepender del flujo magntico que corten los conductores, as como de lo rpido que lo hagan y del nmero de ellos. Laexpresin que relaciona la fuerza electromotriz de una dinamo con estas variables, es:

Ecuacin 1:

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 trminos n, p y c son constantes para una mquina de C.C., tenemos que:

E=nNp

a

1

60


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Ecuacin 2:

La fuerza electromotriz es directamente proporcional al flujo inductor y al nmero de revoluciones de la dnamo.

Reaccin del inducido.

Cuando los conductores del inducido son recorridos por unacorriente elctrica, producen un campo magntico cuya direccin ysentido se obtiene aplicando la regla del sacacorchos. La direccinde este campo transversal de reaccin adquiere la misma direccinque el eje de las escobillas, con lo que resulta ser perpendicular alcampo principal producido por los polos inductores (Figura 1.13).

E l c a m p ot rans -ve rs a ldebido a lareaccin delinducido se

s u m avectorialmente al principal, dando como fruto un campo magnticoresultante que queda desviado de la posicin original (Figura 1.14).Esta desviacin del campo inductor produce una serie de problemascuando las escobillas conmutan de una delga a otra en el colector,

dando como resultado chispas que perjudican notablemente el funcionamiento de la mquina.

Existen dos posibilidades para evitar los efectos perjudiciales de la reaccin del inducido: desviar las escobillas odisponer de polos auxiliares de conmutacin:

La desviacin de las escobillas debe hacerse en el mismo sentido de giro de ladinamo hasta que el eje de las mismas coincida con la perpendicular al camporesultante (Figura 1.15). El inconveniente que conlleva este sistema es que, al

ser el valor del campo transversal de reaccin del inducido dependiente de lacorriente que absorba el inducido, la desviacin de la escobillas ser laadecuada para una corriente determinada. Para una corriente mayor o menor, ladesviacin de la escobillas tambin tendra que ser diferente.

Los polos de conmutacin se disponenen la culata del generador de tal formaque produzcan un campo magnticotransversal del mismo valor y de sentidocontrario al flujo transversal de reaccindel inducido (Figura 1.16). Para que estosea as, los polos de conmutacin seconectan en serie con el inducido para

que la corriente que pasa por ellos seaigual que la del inducido.

De esta forma, cuando crece el campotransversal de reaccin del inducido por un aumento de corriente, tambin lohace el flujo de compensacin producido por los polos de conmutacin. En este

caso siempre se consigue eliminar con efectividad el campo magntico de reaccin

E= KN


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del inducido.

Devanado de compensacin.

En las mquinas de gran potencia, aparte de los polos de conmutacin, se colocaen las ranuras de los polos principales un devanado compensador, cuya misines eliminar las distorsiones del campo magntico principal originados por el

flujo transversal. Este devanado se conecta en serie con el de conmutacin y elinducido (Figura 1.17).

Excitacin de los inductores.

El campo magntico necesario para que una dinamo pueda funcionar se puede producir de dos formas claramentediferenciadas: mediante un imn permanente o mediante electroimanes alimentados por comente continua.

Dado que los imanes permanentes producen un campo magntico no muy intenso y constante (sin posibilidad deregulacin) su uso se hace interesante para pequeas dinamos como, por ejemplo, dinamos taquimtricas, magnetos,etc.

Cuando se desea la obtencin de un campo magntico de excitacin elevado y con posibilidad de regulacin se recurrea bobinas inductoras que rodean las piezas polares y que son alimentados por una corriente continua

Dependiendo de cmo se obtenga la energa elctrica necesaria para alimentar el circuito inductor de una dinamo y decmo se conecten surgen diferentes tipos de excitacin:

Dinamos de excitacin independiente.

Dinamos autoexcitadas.

Dinamos de excitacin independiente.

La corriente de excitacin con la que se alimenta a las bobinas inductoras se proporciona mediante una fuente de

energa exterior de C.C, como por ejemplo una batera de acumuladores o una fuente de alimentacin (Figura 1.18).

Los terminales A y B se corresponden con los delcircuito del inducido y los terminales K e I conlos del devanado del inductor.

En la Figura 1.19 se muestra la caracterstica encarga de una dinamo con excitacinindependiente para una velocidad determinada yconstante. Aqu se puede comprobar que latensin que proporciona la dinamo a la cargadisminuye al aumentar la intensidad de carga.Esto se debe fundamntale-mente a que la cada de tensin que se produce en la

resistencia interna del inducido aumenta proporcionalmente a la intensidad. En lacaracterstica de la Figura 1.19 se han incluido dos curvas; se puede comprobar que aldisminuir la corriente de excitacin del inductor se consigue reducir tambin la tensinde salida de la dinamo.

La dinamo de excitacin independiente posee el inconveniente de que necesita de unafuente de alimentacin de C.C. para la alimentacin del inductor; sin embargo la

independencia entre la corriente de excitacin y la tensin en bornes del inducido lahacen interesante para ciertas aplicaciones.

Dinamos autoexcitadas.

En la prctica resulta ms interesante conseguir que el propio generador produzca la energa necesaria para laalimentacin del circuito inductor. Esto presenta un problema, que es cmo conseguimos que la dinamo comience a

producir f.e.m. si inicialmente no existe campo magntico en el inductor. Este problema se solventa fcilmente graciasal pequeo magnetismo remanente que poseen los ncleos magnticos de las piezas polares.


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Efectivamente, cuando un material magntico es sometido a una imantacin, aunque retiremos la causa imanadora,dicho material siempre queda algo magnetizado, dependiendo de la intensidad del magnetismo remanente del materialutilizado. De esta forma, si conectamos el circuito del inducido con el del inductor, por ejemplo, en paralelo con elinductor, al girar el inducido a su velocidad nominal, los conductores del mismo cortan el dbil campo magnticodebido al magnetismo remanente, producindose una pequea f.e.m., pero suficiente para alimentar con una pequeacorriente al circuito inductor. Esto, a su vez, produce un aumento del flujo magntico inductor, que hace que aumente laf.e.m. en el inducido, producindose un ciclo repetido de aumentos de la f.e.m. y de flujo inductor hasta que se alcanzala f.e.m. nominal.

Segn como se conecte el devanado inductor respecto al inducido surgen tres tipos de dinamos autoexcitadas: dinamocon excitacin en derivacin, dinamo con excitacin en serie y dinamoexcitacin compound.

Dinamo con excitacin en derivacin.

Aqu se conecta el devanado inductor en paralelo con el inducido, tal como semuestra en la imagen. Para producir el flujo magntico necesario se montan

bobinas inductoras con un gran nmero de espiras, ya que la corriente deexcitacin que se alcanza con este montaje es pequea, siendo reducida laseccin de los conductores.

En el esquema elctrico de la Figura 1.20 se ha incluido un reostato de regulacinde campo conectado en serie con el devanado inductor. Al modificar la resistencia de este reostato conseguimos variarla corriente de excitacin y con ella el flujo magntico inductor, consiguiendo as tener un control efectivo sobre latensin de salida del generador.

En la Figura 1.21 se muestra la curva caracterstica de una dinamo en derivacin o shunt en carga. Aqu se puedeobservar que la tensin que proporciona el generador a la carga se reduce ms drsticamente con los aumentos de lacorriente de carga que en la dinamo con excitacin independiente. Esto es debido a que al aumentar la cada de tensinen el inducido con la carga, se produce una disminucin de la tensin en bornes, que provoca, a su vez, una reduccinde la corriente de excitacin. Esto hace que la f.e.m. inducida se vea reducida, pudindose llegar a perder la excitacintotal de la dinamo para corrientes de carga muy elevadas.

Dinamo con excitacin en serie.

En este caso se conecta el devanado inductor en serie con el inducido, de tal forma quetoda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambosdevanados (Figura 1.22). Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor eselevada, es necesario construirlos con pocas espiras y una gran seccin en losconductores.

El inconveniente fundamental de este tipo degenerador es que cuando trabaja en vaco (sinconectar ningn receptor exterior), al ser lacorriente nula, no se excita. Adems, cuandoaumenta mucho la corriente de carga, tambin lo

hace el flujo inductor por lo que la tensin enbornes de la dinamo tambin se eleva, tal comose muestra en la curva caracterstica de carga dela Figura 1.23. Esto hace que este generador sea muy inestable en sufuncionamiento y, por lo tanto, poco til para la generacin de energa elctrica.


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Dnamo con excitacin compound.

En la excitacin mixta o compound se divide un circuito inductor en dos partesindependientes, conectando una en serie con el inducido y otra en derivacin, tal como

se muestra en el esquema de la Figura 1.24.

Gracias a la combinacin de los efectos serie y

derivacin en la excitacin de la dinamo seconsigue que la tensin que suministra elgenerador a la carga sea mucho ms estable paracualquier rgimen de carga, tal como se muestraen la curva caracterstica en carga de la Figura1.25.

La gran estabilidad conseguida en la tensin porlas dinamos con excitacin compound hace que sta sea en la prctica la ms utilizada

para la generacin de energa.

Ensayos en una dnamo.

Al igual que se hace con los transformadores, las dinamos tambin pueden ser sometidas a una serie de ensayos con elfin de determinar sus caractersticas y analizar su comportamiento en diferentes situaciones de funcionamiento. De estaforma, se pueden realizar ensayos para determinar el rendimiento, para evaluar el calentamiento de la mquina paradiferentes regmenes de funcionamiento, medir la resistencia de aislamiento, la rigidez dielctrica, etc. Adems, a travsde los ensayos se pueden determinar las curvas caractersticas de la dinamo, como pueden ser:

Caracterstica de vaco: Vb=f(Iex) Para una velocidad de rotacin fija (N - cte) y estando la dinamo trabajando en vaco(I = 0), la curva representa el valor de la tensin en bornes (Vb) en funcin de la corriente de excitacin (Iex).

Caracterstica en carga: Vh = f(Iex ) Para una velocidad de rotacin fija (N = cte) y estando la dinamo trabajando encarga a una intensidad constante (Ii = cte), la curva representa el valor de la tensin en bornes (Vb) en funcin de lacorriente de excitacin (Iex).

Caracterstica de excitacin o regulacin: Iex = f (Ii). Para una velocidad de rotacin y una tensin en bornes constantes(N = cte, Vb = cte), la curva representa la corriente de excitacin (Iex) en funcin de la corriente suministrada por elinducido (L).

Caracterstica de cortocircuito: I," = f(lI). Para una velocidad constante (N = cte) y una tensin en bornes igual a cero(Vb = 0), la curva representa la comente de excitacin (Iex) en funcin de la corriente suministrada por el inducido (Ii).

Caracterstica exterior: Vh=f(). Para una corriente de excitacin y velocidad constantes (Iex = cte, N - cte), la curvarepresenta la tensin en la carga (Vb) en funcin de la corriente suministrada por la dinamo (I).

Caracterstica interior: E =f(I). Para una corriente de excitacin y velocidad constantes (Iex = cte, N = cte), la curvarepresenta la f.e.m. inducida por la dinamo (E) en funcin 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 regulacin y control de velocidad. En la Figura 1.26 se ha utilizado un motor decorriente continua en derivacin en el que, modificando su corriente de excitacin (variando el reostato Rr) y tensindel inducido (variando la tensin en la fuente de alimentacin F.A. regulable) se puede conseguir un amplio margen develocidad.

Fuente de alimentacin de C.C. regulable para alimentacin del motor de arrastre.

Fuente de alimentacin de C.C. regulable para alimentacin de la excitacin de la dinamo.

Aparatos de medida de alcance adecuado para medir tensin y corriente en los diferentes circuitos.


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Un tacmetro para medir la velocidad de la dinamo (la mayor parte de los ensayos se hacen a velocidad constante, quedeber corresponderse con la nominal de la dinamo. Para conseguir mantener esta velocidad constante en el circuito dela Figura 1.26 habr que ajustar la tensin de alimentacin y la corriente de excitacin del motor de arrastre).

Reostatos para regular corriente del inducidoo de la excitacin (R, Rr).

En la Figura 1.26 se muestra, como ejemplo,el circuito para obtener las curvas en vaco ycarga de una dinamo de excitacinindependiente. Para realizar las curvas de unadinamo con la excitacin en derivacin oserie no sera necesario utilizar la fuente dealimentacin para la alimentacin deexcitacin, ya que la dinamo con estasconexiones se auto-excita.

G E N E R A D O R D E C O R R I E N T EALTERNA (O ALTERNADOR).

Generadores de c-a con armadura estacionaria.

Cuando un generador de CA produce una cantidad de potencia relativamente pequea, los anillos rozantes operansatisfactoriamente. Por otra parte, cuando se manejan potencias elevadas, resulta cada vez ms difcil el aislarsuficientemente sus anillos rozantes y por lo tanto, stos se convierten en un motivo frecuente de problemas. Debido aesto, la mayor parte de los generadores de c-a tienen una armadura estacionaria y un campo rotatorio. En estosgeneradores, las bobinas de armadura estn montadas permanentemente con arreglo a la circunferencia interna de lacubierta del generador, en tanto que las bobinas de campo y sus piezas polares estn montadas sobre un eje y girandentro de la armadura estacionaria. Esta disposicin de armadura estacionaria y campo rotatorio parece extraa a

primera vista; pero si se tienen presentes los fundamentos de la induccin mutua, se comprender que en las bobinas dearmadura se induce un voltaje independientemente de que corten las lneas de flujo de un campo magntico estacionarioo bien que las corten las lneas de flujo de uncampo magntico mvil. Lo que se requiere

es que haya un movimiento relativo entre elcampo magntico y las bobinas de armadura.

En el campo de una armadura estacionaria, lasalida del generador puede conectarsedirectamente a un circuito externo sinnecesidad de anillos rozantes ni escobillas, locual elimina los problemas de aislamiento queexistiran si fuese necesario producircorrientes y voltajes elevados a la carga, pormedio de anillos rozantes. Naturalmente,como el devanado de campo gira, debenusarse anillos rozantes para conectar eldevanado a su fuente externa de excitacin deCC. Sin embargo, los voltajes y corrientesque se manejan son pequeos, comparadoscon los de armadura y no hay dificultad ensuministrar el aislamiento suficiente.


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Otra ventaja en usar una armadura estacionaria es que hace posible velocidades de rotacin mucho ms altas y por lotanto, voltajes ms altos de los que se pueden obtenercon armaduras rotatorias; esto se debe nuevamente ala dificultad que hay en aislarla. A velocidades derotacin muy elevadas, la elevada fuerza centrfugaque resulta hace difcil aislar adecuadamente eldevanado de armadura. Este problema no existecuando el devanado de campo gira a altas

velocidades.

En resumen, en tanto que prcticamente todos losgeneradores de CC constan de una armadura rotatoriay un campo estacionario, la mayor parte de losgeneradores de CA tienen una armadura estacionariay un campo rotatorio. En el caso de una armaduraestacionaria, se pueden producir voltajes muchomayores que los que son posibles con generadores dearmadura rotatoria. La parte de un generador que girase llama rotor en tanto que la parte estacionariarecibe el nombre de estator.

Ntese que si un generador de CA de armadura estacionaria est provisto de un imn fijo para el campo en el rotor, enlugar de un electroimn, no se necesitarn anillos rozantes. Sin embargo, este generador tiene una salida muy baja, porlo que sus aplicaciones son limitadas.

2.2. Generadores de CA monofsicos

Cuando se trat de generadores de CA, la armadura ha sidorepresentada por una sola espira. El voltaje inducido en estaespira sera muy pequeo; as pues, lo mismo que ocurre en losgeneradores de c-c, la armadura consta en realidad denumerosas bobinas, cada una con ms de una espira. Las

bobinas estn devanadas de manera que cada uno de losvoltajes en las espiras de cualquier bobina se suman para

producir el voltaje total de la bobina. Las bobinas se puedenconectar de varias maneras, segn el mtodo especfico que seuse para darle las caractersticas deseadas al generador.

Si todas las bobinas de armadura se conectan en serie aditiva, elgenerador tiene una salida nica. La salida es sinusoidal y encualquier instante es igual en amplitud a la suma de voltajesinducidos en cada una de las bobinas. Un generador con armadura devanada en esta forma es un generador de una faseo monofsico. Todas las bobinas conectadas en serie constituyen el devanado de armadura. En la prctica, muy pocosgeneradores de CA son monofsicos, ya que puede obtenerse una mayor eficiencia conectando las bobinas de armaduramediante otro sistema.

Generadores de CA trifasicos.


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Bsicamente, los principios del generador trifsicoson los mismos que los de un generador bifsico,excepto que se tienen tres devanados espaciadosigualmente y tres voltajes de salida desfasados 120grados entre s. A continuacin, se ilustra ungenerador simple trifsico de espira rotatoria,incluyendo las formas de onda. Fsicamente, lasespiras adyacentes estn separadas por un ngulo

equivalente a 60 grados de rotacin. Sin embargo, losextremos de la espira estn conectados a los anillosrozantes de manera que la tensin 1 est adelantada120 grados con respecto a la tensin 2; y la tensin 2,a su vez, est adelantada 120 grados con respecto a latensin 3.

Tambin se muestra un diagrama simplificado de ungenerador trifsico de armadura estacionaria. En estediagrama, las bobinas de cada devanado se combinany estn representadas por una sola. Adems, noaparece el campo rotatorio. La ilustracin muestraque el generador trifsico tiene tres devanados de

armadura separados, desfasados 120 grados.

Conexiones delta o estrella.

Hay seis puntas que salen de los devanados de armadura de ungenerador trifsico y el voltaje de salida est conectado a lacarga externa por medio de estas seis puntas. En la prctica,esto no sucede as. En lugar de ello, se conectan los devanadosentre s y slo salen tres puntas que se conectan a la carga.

Existen dos maneras en que pueden conectarse los devanadosde armadura. El que se emplee uno u otro es cosa que

determina las

caractersticasde la salida delgenerador. Enuna de l a sc o n e x i o n e s ,los tres devanados estn conectados en serie y forman un circuitocerrado. La carga est conectada a los tres puntos donde se unen dosdevanados. A esto se le llama conexin delta, ya que su representacinesquemtica es parecida a la letra griega delta (A), En la otra conexin,una de las puntas de cada uno de los devanados se junta con una de losotros dos, lo que deja tres puntas libres que salen para la conexin a lacarga. A ste se le llama conexin Y, ya que esquemticamenterepresenta la letra Y.

Ntese que, en ambos casos, los devanados estn espaciados 120 grados, de manera que cada devanado producir unvoltaje desfasado 120 grados con respecto a los voltajes de los dems devanados.

Caractersticas elctricas de las conexiones delta o estrella.


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Como todos los devanados de una conexin delta estn conectadosen serie y forman un circuito cerrado, podra parecer que hay unaelevada corriente continuamente en los devanados, aun en ausenciade carga conectada. En realidad, debido a la diferencia de fase quehay entre los tres voltajes generados, pasa una corrientedespreciable o nula en los devanados en condiciones de vaco (sincarga).

Las tres puntas que salen de la conexin delta se usan para conectarla salida del generador a la carga. El voltaje existente entre doscualesquiera de las puntas, llamada voltaje de la lnea, es igual alvoltaje generado en un devanado, que recibe el nombre de voltajede fase. As pues, como se puede apreciar en la figura, tanto los tresvoltajes de fase como los tres voltajes de lnea son iguales, y todostienen el mismo valor. Sin embargo, la corriente en cualquier lneaes "3 o sea, aproximadamente 1.73 veces la corriente en cualquierfase del devanado. Por lo tanto, ntese que una conexin delta

suministra un aumento de corriente pero no hay aumento en elvoltaje.

La potencia total real que produce un generador trifsico conectado en delta es igual a "3, o 1.73 veces la potencia real

en cualquiera de las lneas. Sin embargo, tngase presente de lo estudiado en los volmenes 3 y 4, que la potencia realdepende del factor de potencia (cos) del circuito. Por lo tanto, la potencia real total es igual a 1.73 veces el voltaje de lalnea multiplicado por la corriente de lnea, multiplicada asu vez, por el factor de potencia. O sea:

Ecuacin 3

Las caractersticas de voltaje y corriente de una conexin Yson opuestas a las que presenta una conexin delta. Elvoltaje que hay entre dos lneas cualesquiera de una

conexin Y es 1.73 veces el voltaje de una fase, en tanto quelas corrientes en la lnea son iguales a las corrientes en eldevanado de cualquier fase. Esto presenta un contraste conla conexin delta en la cual, segn se recordar, el voltajeen la lnea es igual al voltaje de fase y la corriente en lalnea es igual a 1.73 veces la corriente en la fase. As pues,en tanto que una conexin delta hace posible aumentar lacorriente sin aumentar el voltaje, la conexin Y aumenta elvoltaje pero no la corriente.

Regulacin del generador.

Cuando cambia la carga en un generador de c-a, el voltaje

de salida tambin tiende a cambiar, como ocurre en ungenerador de CC. La principal razn de ello es el cambio dela cada de voltaje en el devanado de armadura, ocasionado por el cambio en la corriente de carga. Sin embargo, entanto que en un generador de CC la cada de voltaje en el devanado de armadura es simplemente una cada IR, en ungenerador de CA existe una cada IR y una cada IX, producida por la corriente alterna que fluye a travs de lainductancia del devanado. La cada IR depende slo de la cantidad del cambio de carga; pero la cada IXL dependetambin del factor de potencia del circuito. As pues, el voltaje de salida de generadores de c-a vara con los cambios enla corriente de carga lo mismo que con todo cambio en el factor pie potencia. Como resultado, un generador de CA quetiene una regulacin satisfactoria para un valor de factor de potencia puede tener una mala regulacin con otro valor delfactor de potencia.

Debido a su regulacin inherentemente mala los generadores de c-a generalmente estn provistos de algn medioauxiliar de regulacin. Los reguladores auxiliares usados, independientemente de que sean operados manualmente o de

que funcionen de manera automtica cumplen su funcin bsicamente de la misma manera; "sienten" el voltaje de

Preal =1.73ElineaIlineaCos


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salida del generador y, cuandoste cambia, ocasionan uncambio correspondiente en lacorriente de cambio de la fuenteexcitadora que suministra lac o r r i e n t e d e c a m p o a lgenerador. As pues, si elvoltaje de salida del generador

se reduce, el regulador produceun aumento en la corriente decampo de la fuente excitadora.Por tanto, el voltaje de salida dela fuente excitadora, aumenta,haciendo que tambin aumentela corriente en el devanado decampo del generador. Comoresultado, el campo magnticodel generador aumenta enintensidad y eleva el voltaje del generador a su amplitud original. Una secuencia de eventos similar pero opuesta ocurrecuando el regulador siente una disminucin en el voltaje de salida del generador.

Clasificacin de los generadores de CA.

Todo generador de CC tiene una clasificacin de potencia, expresada normalmente en kilowatts, que indica la mximapotencia que puede ser constantemente alimentada por el generador. Por otra parte, los generadores de CA no puedengeneralmente clasificarse de la misma manera, ya que la potencia consumida en un circuito de CA depende del factor de

potencia del circuito, lo cual significa que un generador de CA puede alimentar una cantidad moderada de potencia realpara una carga y, sin embargo, si el factor de potencia de la carga fuese bajo, la potencia total o aparente que elgenerador produce realmente puede ser muy grande. En estas condiciones, el generador se puede quemar.

Por esta. razn, los generadoresde c-a no deben clasificarsesegn la mxima potencia deconsumo permisible de la carga,

sino de acuerdo con la potenciaaparente mxima que puedenpasar. Esto se hace expresandola capacidad en voltamperes akilovoltamperes. As pues, paradeterminado voltaje de salida sesabe la mxima corriente que elgenerador puede producir,independientemente del factorde potencia de la carga. Porejemplo, si un generadorclasificado como de 100kilovoltamperes tiene una salidade 50 kilovolts, o sea que lamxima corriente que puede

producir sin peligro es de 100kilovoltamperes dividido entre50 kilovolts, es decir, 2amperes.

Ocasionalmente, los generadores de CA se disean para usarse con cargas que tengan un factor de potencia constante.En este caso, la clasificacin de estos generadores puede indicarse en watts o kilowatts, para ese factor de potencia

particular.

Estructura de los generadores de CA.


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Desde el punto de vista de apariencia fsica,l o s g e n e r a d o r e s d e C A v a r a nconsiderablemente, desde los muy grandes,impulsados por turbinas que pesan miles dekilogramos, hasta pequeos generadores deaplicacin especial que slo pesan unoscuantos kilogramos y aun menos. Sinembargo, segn ha quedado apuntado,

prcticamente todos los generadores de c-atienen armaduras estacionarias y camposrotatorios. Los devanados de armadura secolocan siguiendo la circunferencia interna dela cubierta del generador y generalmente seincrustan en un ncleo de hierro laminado. Elncleo y los devanados constituyen el estator

Los devanados de campo y los polos decampo, que constituyen el rotor, estnmontados sobre un eje y giran con el estator.Tambin sobre el eje del rotor se encuentran

montados los anillos rozantes para losdevanados de campo. Cuando el generadorcontiene su propia fuente excitadora de CC, laarmadura de la fuente excitadora y el conmutador tambin estn montados en el eje del motor. Los portaescobillas paralos anillos rozantes del generador y el conmutador de la fuente excitadora estn montados en la cubierta del generador,lo mismo que las terminales para efectuar las conexiones elctricas al generador. La figura representa un generador deCA tpica con fuente excitadora dentro de l.

Comparacin de generadores de CC y de CA.

Ahora que se han estudiado tanto los generadores de CC como los de CA, se pueden observar las semejanzas bsicasque hay entre ellos, as como sus diferencias fundamentales. En un generador de CA, el voltaje inducido se transmitedirectamente a la carga, a travs de anillos

rozantes en tanto que en un generador de CCel conmutador convierte la CA inducida enCC antes de que sta sea aplicada a la carga.

Una diferencia fsica importante entre losgeneradores de CC y los de CA estriba en queel campo de la mayor parte de losgeneradores de CC es estacionario y laarmadura gira, en tanto que lo opuesto ocurregeneralmente en los generadores de CA. Estotiene el efecto de hacer que los generadoresde CA puedan tener salidas mucho mayoresde las que son posibles con generadores de

CC. Otra diferencia entre ambos tipos degeneradores es la fuente de voltaje deexcitacin para el devanado de campo. Losgeneradores de CC pueden constar ya sea deuna fuente de excitacin externa y separada o

bien obtener el voltaje necesario directamentede su propia salida. Por su parte, losgeneradores de CA deben estar provistos deuna fuente separada.

Por lo que respecto a la regulacin de voltaje los generadores de CC son inherentemente ms estables que los de CA,Una de las razones es que, aunque los voltajes de salida de ambos tipos de generador son sensibles a los cambios decarga, el voltaje de salida de un generador de CA tambin es sensible a cambios en el factor de potencia de la carga.

Adems, es posible un buen grado de autorregulacin en un generador de CC usando un devanado de armaduracombinado, lo cual no es factible en generadores de CA, ya que stos deben ser excitados separadamente.

El alternador de automvil.


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La comparacin de las ventajas de los generadores de CC y de los alternadores, los cuales se acaban de estudiar, sebasa, en las categoras aceptadas de los generadores bsicos. Sin embargo, es posible combinar las ventajas degeneradores CC y CA mediante diseos de circuitos adicionales. Para el alternador de automvil, esto se logra en unaforma nica para producir una fuente de carga de CC de corriente elevada con un generador del tipo de CA. A ste se lellama alternador aunque produce un voltaje deCC ya que en realidad, se trata de ungenerador de CA. de armadura fija conrectificadores, para convertir la CA en CC.

Los rectificadores son dispositivos que, en sumayor parte, conducen slo en una direccin.As pues, el rectificador pasar solamente una

polaridad del voltaje de CA para producir unaCC pulsante. El alternador comn deautomvil produce CA trifsica, de maneraque despus de que el voltaje se convierte enCC, se tiene menos ondulacin. Luego seconecta un capacitor a la salida, para filtrar laondulacin y obtener un voltaje de CCrelativamente con poca variacin.

Debido a que los rectificadores se oponen alflujo de corriente en la direccin opuesta, nose necesita relevador de corte de corrienteinversa en el regulador de voltaje. Adems,como el alternador es un generador de altacorriente, tampoco se necesita un regulador de corriente. Por lo tanto, el regulador para el alternador es mucho mssimple que para el generador de CC; .slo cuenta con un circuito de relevador para regular el voltaje de salida delalternador, controlando la corriente del campo. Ntese que, a pesar de ser un alternador, es autoexcitado. Esto se puedehacer debido a que la salida rectificada es CC.

Funcionamiento del alternador.

El alternador de automvil trifsico

est provisto de devanados dearmadura fija conectados en Y, loscuales, segn se ha explicado,

producen un voltaje de fase entre dospuntas de sa lida . La salida de lalternador es un voltaje positivo enrelacin con tierra. Pero ninguna puntade los devanados Y est conectadadirectamente a tierra debido a que losdevanados producen CA; las tres

puntas son alternativamente negativasy positivas, al recorrer los ciclos deCA. 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. Ntese que cada onda tiene dosrectificadores conectados en oposicin. Un rectificador conectar la punta a la lnea de salida cuando sea positiva, perola desconectar cuando sea negativa. El otro rectificador conecta la terminal a tierra cuando es negativa y la desconectacuando es positiva. El diagrama ilustra cmo se conectan los mismos dos devanados para ngulos de fase diferentes delvoltaje de salida. En consecuencia, la salida siempre es positiva.

Si se recuerda lo estudiado acerca del generador de CC, es fcil comprender que el conmutador era necesario paraefectuar la misma operacin siempre que las puntas cambiaran de polaridad, ya que la armadura siempre produce CA.Por lo tanto, en el alternador los rectificadores sirven como conmutadores electrnicos, por lo que es discutible si elalternador es en realidad un alternador o nada ms otro tipo de generador de CC.


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Resistencia interna del generador.

En todo generador, la corriente de carga fluyea travs del devanado de armadura. Comocualquier bobina o devanado, la armaduratiene resis tencia e inductancia. Lacombinacin de esta resistencia y lareactancia inductiva que ocasiona lainductancia, constituye la llamada resistenciainterna del generador. Cuando fluye corrientede carga, produce una cada de voltaje en laresistencia interna. Esta cada de voltaje seresta del voltaje de salida del generador y, enconsecuencia, representa voltaje generado, elcual se pierde y no puede ser aprovechado porla carga.

Advirtase que, cuanto mayor sea laresistencia interna, mayor ser la parte devoltaje generado que se presente como cadainterna del generador y, en consecuencia, que

se pierde. En un generador de CC con determinada resistencia interna, la cada de voltaje interno es directamenteproporcional a la corriente de carga, siendo igual a:

Ecuacin 4:

As pues, cuanto mayor sea la corriente de carga, mayor ser el valor de la cada de voltaje en la resistencia interna. Enun generador de CA, la cada interna de voltaje depende tambin de la frecuencia del voltaje de salida del generador, yaque la reactancia inductiva del devanado de armadura vara siempre que lo hace la frecuencia. Como la velocidad de ungenerador es uno de los factores que determina la frecuencia, la resistencia interna de un generador de CA cambiarsegn la velocidad del generador.

El motogenerador.

Un motogenerador consta de un motor elctrico y un generadorconectado mecnicamente de manera que el motor hace girar algenerador. El motor suministra as la energa mecnica que elgenerador transforma en energa elctrica. Tanto el motor como elgenerador de un motor generador suelen estar montados sobre lamisma base y pueden moverse e instalarse como una sola unidad.

Los motogeneradores generalmente se usan para cambiarelectricidad de un voltaje o frecuencia a otro o para convertir CAen CC CC en CA. La electricidad que tiene las caractersticas que

han de transformarse alimenta al motor y el generador estdiseado para producir electricidad con las nuevas caractersticasdeseadas. Por ejemplo, el motor puede ser impulsado por unafuente de potencia de 60-cps, en tanto que el generador produceuna salida cuya frecuencia es de 400-cps. O bien un motor de CC

puede impulsar a un generador de CA para lograr la conversin de CC en CA.

Cuando el dispositivo cambia una clase de CA. a otra clase de CA o a CC, se llama grupo motogenerador. Pero, cuandose usa para convertir CC en CA, a veces tambin se le llama convertidor. Muy frecuentemente, el convertidor tiene elmotor y el generador dentro de la misma cubierta.

E= IcarR int

generadores_electricos

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