Un motor-generador (un conjunto M-G ) es un dispositivo para convertir energía eléctrica a otra forma. Los conjuntos motor-generador se utilizan para convertir frecuencia , voltaje o fase de potencia. También se pueden utilizar para aislar cargas eléctricas de la línea de suministro de energía eléctrica. Los motogeneradores de gran tamaño se utilizaban ampliamente para convertir cantidades industriales de energía, mientras que los motogeneradores más pequeños (como el que se muestra en la imagen) se utilizaban para convertir la energía de la batería a voltajes de CC más altos.
Si bien un conjunto de motor-generador puede consistir en distintas máquinas de motor y generador acopladas entre sí, un dinamotor de una sola unidad (para dinamo -motor) tiene las bobinas del motor y las bobinas del generador enrolladas alrededor de un solo rotor; Por lo tanto, tanto el motor como el generador comparten las mismas bobinas o imanes de campo exterior. [1] Normalmente, las bobinas del motor son accionadas desde un conmutador en un extremo del eje, mientras que las bobinas del generador proporcionan salida a otro conmutador en el otro extremo del eje. Todo el conjunto de rotor y eje es más pequeño, más liviano y más económico que un par de máquinas y no requiere ejes de transmisión expuestos.
Los dispositivos de consumo de baja potencia, como los receptores de radio de vehículos con tubos de vacío , no utilizaban motogeneradores caros, ruidosos y voluminosos. En su lugar, utilizaron un circuito inversor que constaba de un vibrador (un relé autoexcitante) y un transformador para producir los voltajes más altos necesarios para los tubos de vacío de la batería de 6 o 12 V del vehículo. [2]
En el contexto de la generación de energía eléctrica y de los grandes sistemas fijos de energía eléctrica, un motor-generador consiste en un motor eléctrico acoplado mecánicamente a un generador eléctrico (o alternador ). El motor funciona con la corriente eléctrica de entrada mientras que el generador crea la corriente eléctrica de salida, y la potencia fluye entre las dos máquinas como un par mecánico ; esto proporciona aislamiento eléctrico y cierta amortiguación de la energía entre los dos sistemas eléctricos.
Un uso es eliminar picos y variaciones en la "energía sucia" ( acondicionamiento de energía ) o proporcionar coincidencia de fases entre diferentes sistemas eléctricos.
Otro uso es amortiguar cargas extremas en el sistema eléctrico. Por ejemplo, los dispositivos de fusión tokamak imponen cargas máximas muy grandes, pero cargas promedio relativamente bajas, en la red eléctrica. El tokamak DIII-D de General Atomics , el Princeton Large Torus (PLT) del Princeton Plasma Physics Laboratory y el sincrotrón Nimrod del Rutherford Appleton Laboratory utilizaron grandes volantes en múltiples plataformas de motor-generador para nivelar la carga impuesta al sistema eléctrico. Sistema: el lado del motor aceleró lentamente un gran volante para almacenar energía , que se consumió rápidamente durante un experimento de fusión mientras el lado del generador actuaba como freno en el volante. De manera similar, el Sistema de Lanzamiento de Aeronaves Electromagnético (EMALS, por sus siglas en inglés) del portaaviones de la Armada de los EE. UU. de próxima generación utilizará un equipo de motor-generador de volante para suministrar energía instantáneamente para los lanzamientos de aviones a una capacidad mayor que la capacidad del generador instalado en el barco. Además de las aplicaciones especializadas mencionadas anteriormente, se han comercializado sistemas de generador de volante para su uso en centros de datos como complemento o alternativa a los sistemas de energía ininterrumpida (UPS) basados en baterías o generadores más convencionales. [3]
Los motogeneradores se pueden utilizar para diversas conversiones, entre ellas:
Antes de que la regulación de voltaje de CA de estado sólido estuviera disponible o fuera rentable, se usaban grupos electrógenos de motor para proporcionar un voltaje de CA variable. El voltaje de CC a la armadura del generador se variaría manual o electrónicamente para controlar el voltaje de salida. Cuando se utiliza de esta manera, el conjunto MG equivale a un transformador variable aislado.
Un alternador Alexanderson es un alternador de alta frecuencia impulsado por un motor que proporciona energía de radiofrecuencia . En los primeros días de las comunicaciones por radio, la onda portadora de alta frecuencia tenía que producirse mecánicamente mediante un alternador con muchos polos accionados a altas velocidades. Los alternadores Alexanderson producían RF hasta 600 kHz, con unidades grandes capaces de generar una potencia de 500 kW. Si bien en las tres primeras décadas del siglo XX se utilizaban habitualmente convertidores electromecánicos para transmisiones de onda larga , se requerían técnicas electrónicas a frecuencias más altas. El alternador Alexanderson fue reemplazado en gran medida por el oscilador de tubo de vacío en la década de 1920.
Incluso se han utilizado motogeneradores donde las corrientes de entrada y salida son esencialmente las mismas. En este caso, la inercia mecánica del conjunto M – G se utiliza para filtrar transitorios en la potencia de entrada. La corriente eléctrica de la salida puede ser muy limpia (libre de ruido) y podrá atravesar breves apagones y transitorios de conmutación en la entrada del conjunto M-G. Esto puede permitir, por ejemplo, la perfecta transición de la red eléctrica a la corriente alterna proporcionada por un grupo electrógeno diésel .
El conjunto motor-generador puede contener un volante de inercia grande para mejorar su recorrido; sin embargo, se debe tener en cuenta esta aplicación, ya que el motor-generador requerirá una gran cantidad de corriente al volver a cerrarse, si antes de que se alcance el par de extracción [ se necesita aclaración ] , lo que resulta en un apagado. Sin embargo, la corriente de entrada durante el nuevo cierre dependerá de muchos factores. Como ejemplo, un motor generador de 250 kVA que funciona a 300 amperios de corriente de carga completa requerirá 1550 amperios de corriente de entrada durante un nuevo cierre después de 5 segundos. Este ejemplo utilizó un volante montado fijo dimensionado para dar como resultado una velocidad de giro de 1 ⁄ 2 Hz por segundo . El motor-generador era una máquina de tipo vertical con dos cojinetes en baño de aceite.
Los motores y generadores pueden acoplarse mediante un eje no conductor en instalaciones que necesitan controlar estrechamente la radiación electromagnética, [5] o donde se requiere un alto aislamiento de sobretensiones transitorias.
Los conjuntos motor-generador han sido sustituidos por dispositivos semiconductores para algunos fines. En el pasado, un uso popular de los equipos MG era en ascensores . Dado que se requería un control preciso de la velocidad de la máquina de elevación, la impracticabilidad de variar la frecuencia de un motor de CA de alta potencia significó que el uso de un conjunto MG con un motor de elevación de CC era una solución casi estándar en la industria. Los modernos sistemas electrónicos de accionamiento de frecuencia variable de CA con motores compatibles han sustituido cada vez más a las instalaciones tradicionales de ascensores accionados por MG, ya que los accionamientos electrónicos de CA suelen ser un 50 % o más eficientes que la maquinaria de MG alimentada por CC. [6]
Otro uso de los aparatos MG fue en la región sur de British Rail . Se utilizaron para convertir el voltaje de suministro de línea de 600 V CC – 850 V CC del tercer riel en 70 V CC para alimentar los controles del stock EMU en uso. Desde entonces, estos han sido reemplazados por convertidores de estado sólido en el nuevo material rodante. [7] Las locomotoras MG también se han utilizado comúnmente para transmisiones de locomotoras diésel ferroviarias de larga distancia en todo el mundo, debido a problemas de confiabilidad y desgaste con las transmisiones mecánicas y fluidas, pero generalmente se están reemplazando por motores más pequeños con transmisión convencional o MG en cada vagón. . Las locomotoras eléctricas de larga distancia con suministro de energía aérea de alto voltaje utilizaban transmisión MG, pero generalmente se está reemplazando por un motor distribuido en cada vagón con control y conversión de potencia electrónica. [8]
De manera similar, se utilizaron conjuntos MG en el tranvía PCC para producir una salida de 36 VCC a partir del suministro de tracción de 600 VCC. La salida de bajo voltaje carga las baterías del tranvía y suministra corriente para el control y el equipo auxiliar (incluidos los faros, los timbres, los motores de las puertas y los frenos electromagnéticos de las vías).
Los conjuntos de motor-generador se utilizaban a menudo para proporcionar corriente continua de alta corriente para lámparas de arco de carbón en grandes proyectores de películas en la era de 1950 y 1960, antes de que la luz de arco con electrodo de carbón fuera reemplazada por modernos sistemas de proyección con lámparas de arco de xenón (a partir de 1963 en los Estados Unidos).
En entornos industriales donde se necesita cancelación de armónicos, conversión de frecuencia o aislamiento de línea, los conjuntos MG siguen siendo una solución popular. [ cita necesaria ] Una característica útil de los motores-generadores es que pueden manejar grandes sobrecargas a corto plazo mejor que los dispositivos semiconductores con la misma capacidad de carga promedio. Considere que los componentes térmicamente limitados por corriente de un gran inversor semiconductor son interruptores de estado sólido que pesan unos pocos gramos con una constante de tiempo térmico para sus disipadores de calor de probablemente más de 100 ms, mientras que los componentes térmicamente limitados por corriente de un MG son devanados de cobre. acumulando a veces cientos de kilogramos que están intrínsecamente unidos a su propia gran masa térmica. También tienen una resistencia inherentemente excelente a las descargas electrostáticas (ESD).
En principio, cualquier generador eléctrico también puede servir como motor eléctrico, o viceversa. En los vehículos híbridos y otros sistemas de energía livianos, un "motor-generador" es una máquina eléctrica única que puede usarse como motor eléctrico o generador , convirtiendo entre energía eléctrica y energía mecánica .
A partir de la temporada 2014, los coches de carreras de Fórmula 1 tendrán dos de lo que se describen como "unidades motor-generador" (MGU) [9] . Esto hace que los coches sean más eficientes en el consumo de combustible al recolectar energía del turbocompresor y al frenar . Sin embargo, estos no son motogeneradores como se describe aquí, sino que se parecen más a dinamotores , unidades individuales que pueden actuar como generador o como motor. Se pueden usar para proporcionar 160 BHP adicionales a las ruedas para ayudar a acelerar y adelantar, o se pueden usar para hacer girar el turbo para aumentar la presión de sobrealimentación más rápido, reduciendo así el retraso del turbo .
