El generador monofásico (también conocido como alternador monofásico ) es un generador eléctrico de corriente alterna que produce un único voltaje alterno continuo. Los generadores monofásicos se pueden utilizar para generar energía en sistemas de energía eléctrica monofásicos . Sin embargo, los generadores polifásicos se utilizan generalmente para entregar energía en el sistema de distribución trifásica y la corriente se convierte a monofásica cerca de las cargas monofásicas. Por lo tanto, los generadores monofásicos se encuentran en aplicaciones que se utilizan con mayor frecuencia cuando las cargas que se impulsan son relativamente ligeras, [1] y no están conectadas a una distribución trifásica, por ejemplo, generadores de motor portátiles. Los generadores monofásicos más grandes también se utilizan en aplicaciones especiales como la energía de tracción monofásica para sistemas de electrificación ferroviaria . [2]
El diseño de los generadores de armadura giratoria es tener la parte de la armadura en un rotor y la parte del campo magnético en el estator . Un diseño básico, llamado generador elemental , [3] es tener una armadura de bucle rectangular para cortar las líneas de fuerza entre los polos norte y sur. Al cortar líneas de fuerza a través de la rotación, produce corriente eléctrica. La corriente se envía fuera de la unidad generadora a través de dos juegos de anillos colectores y escobillas , uno de los cuales se utiliza para cada extremo de la armadura. En este diseño de dos polos, a medida que la armadura gira una revolución, genera un ciclo de corriente alterna (CA) monofásica . Para generar una salida de CA, la armadura gira a una velocidad constante que tiene el número de rotaciones por segundo para coincidir con la frecuencia deseada (en hercios ) de la salida de CA.
La relación entre la rotación de la armadura y la salida de CA se puede ver en esta serie de imágenes. Debido al movimiento circular de la armadura contra las líneas de fuerza rectas, se cortará un número variable de líneas de fuerza incluso a una velocidad constante del movimiento. A cero grados, el brazo rectangular de la armadura no corta ninguna línea de fuerza, lo que da una salida de voltaje cero. A medida que el brazo de la armadura gira a una velocidad constante hacia la posición de 90°, se cortan más líneas. Las líneas de fuerza se cortan como máximo cuando la armadura está en la posición de 90°, lo que genera la mayor corriente en una dirección. A medida que gira hacia la posición de 180°, se cortan un número menor de líneas de fuerza, lo que genera un voltaje menor hasta que se vuelve cero nuevamente en la posición de 180°. El voltaje comienza a aumentar nuevamente a medida que la armadura se dirige al polo opuesto en la posición de 270°. Hacia esta posición, la corriente se genera en la dirección opuesta, lo que genera el voltaje máximo en el lado opuesto. El voltaje disminuye nuevamente a medida que completa la rotación completa. En una rotación, la salida de CA se produce con un ciclo completo como se representa en la onda sinusoidal .
También se pueden agregar más polos al generador monofásico para permitir que una rotación produzca más de un ciclo de salida de CA. En un ejemplo de la izquierda, la parte del estator se reconfigura para tener 4 polos que están espaciados de manera uniforme. Un polo norte está adyacente a los dos polos sur. La forma de la armadura en la parte del rotor también cambia. Ya no es un rectángulo plano. El brazo está doblado 90 grados. Esto permite que un lado de la armadura interactúe con un polo norte mientras que el otro lado interactúa con un polo sur de manera similar a la configuración de dos polos. La corriente aún se entrega a través de los dos juegos de anillos colectores y escobillas de la misma manera que en la configuración de dos polos. La diferencia es que se puede completar un ciclo de salida de CA después de una rotación de 180 grados de la armadura. En una rotación, la salida de CA será de dos ciclos. Esto aumenta la frecuencia de la salida del generador. Se pueden agregar más polos para lograr una frecuencia más alta a la misma velocidad de rotación del generador, o la misma frecuencia de salida a la menor velocidad de rotación del generador, según las aplicaciones.
Este diseño también nos permite aumentar el voltaje de salida modificando la forma de la armadura. Podemos agregar más bucles rectangulares a la armadura como se ve en la imagen de la derecha. Los bucles adicionales en el brazo de la armadura están conectados en serie, que en realidad son devanados adicionales del mismo cable conductor para formar una bobina en forma rectangular. En este ejemplo, hay 4 devanados en la bobina. Dado que las formas de todos los devanados son las mismas, la cantidad de líneas de fuerza se cortará en la misma cantidad en la misma dirección al mismo tiempo en todos los devanados. Esto crea una salida de CA en fase para estos 4 devanados. Como resultado, el voltaje de salida aumenta 4 veces como se muestra en la onda sinusoidal en el diagrama. [4]
El diseño de los generadores de campo giratorio consiste en tener la parte de armadura en el estator y la parte de campo magnético en el rotor. A la derecha se muestra un diseño básico de un generador monofásico de campo giratorio. Hay dos polos magnéticos, norte y sur, unidos a un rotor y dos bobinas que están conectadas en serie y espaciadas de manera uniforme en el estator. Los devanados de las dos bobinas están en dirección inversa para que la corriente fluya en la misma dirección porque las dos bobinas siempre interactúan con polaridades opuestas. Dado que los polos y las bobinas están espaciados de manera uniforme y las ubicaciones de los polos coinciden con las ubicaciones de las bobinas, las líneas de fuerza magnéticas se cortan en la misma cantidad en cualquier grado del rotor. Como resultado, los voltajes inducidos en todos los devanados tienen el mismo valor en cualquier momento dado. Los voltajes de ambas bobinas están " en fase " entre sí. Por lo tanto, el voltaje de salida total es dos veces el voltaje inducido en cada devanado. En la figura, en la posición donde se encuentran el polo número 1 y la bobina número 1, el generador produce el voltaje de salida más alto en una dirección. A medida que el rotor gira 180 grados, el voltaje de salida se alterna para producir el voltaje más alto en la otra dirección. [3] La frecuencia de la salida de CA en este caso es igual al número de rotaciones del rotor por segundo. [1]
Este diseño también nos permite aumentar la frecuencia de salida añadiendo más polos. En este ejemplo de la derecha, tenemos 4 bobinas conectadas en serie en el estator y el rotor de campo tiene 4 polos. Tanto las bobinas como los polos están espaciados de forma uniforme. Cada polo tiene polaridad opuesta a sus vecinos, que están en un ángulo de 90 grados. Cada bobina también tiene un devanado opuesto a sus vecinos. Esta configuración permite que las líneas de fuerza en 4 polos sean cortadas por 4 bobinas en la misma cantidad en un momento dado. En cada rotación de 90 grados, la polaridad de salida de voltaje cambia de una dirección a la otra. Por lo tanto, hay 4 ciclos de la salida de CA en una rotación. Como las 4 bobinas están conectadas en serie y sus salidas están "en fase", la salida de CA de este generador monofásico tendrá 4 veces el voltaje generado por cada bobina individual. [3]
Una ventaja del diseño del campo giratorio es que si los polos son imanes permanentes , entonces no hay necesidad de utilizar ningún anillo colector ni cepillo para entregar electricidad fuera del generador ya que las bobinas son estacionarias y se pueden conectar directamente desde el generador a las cargas externas.
Los generadores monofásicos con los que estamos familiarizados suelen ser pequeños. Se utilizan como generadores de reserva en caso de que se interrumpa el suministro eléctrico principal y para suministrar energía temporal en obras de construcción. [5]
Otra aplicación es la tecnología de energía eólica a pequeña escala . Aunque la mayoría de las turbinas eólicas utilizan generadores trifásicos, algunos modelos de turbinas eólicas a pequeña escala utilizan generadores monofásicos con potencias nominales de hasta 55 kW. Los modelos monofásicos están disponibles en las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) y en las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT). [6] [7]
En los primeros días de la generación de electricidad , los generadores en las centrales eléctricas habían sido monofásicos de corriente alterna o corriente continua . La dirección de la industria energética estaba cambiando en 1895 cuando se implementaron con éxito generadores polifásicos más eficientes en la Planta de Generación Hidroeléctrica Adams, que fue la primera central eléctrica polifásica a gran escala . [8] Las centrales eléctricas más nuevas comenzaron a adoptar el sistema polifásico. En la década de 1900, muchos ferrocarriles comenzaron la electrificación de sus líneas. Durante ese tiempo, el sistema de CA monofásica había sido ampliamente utilizado para sus redes de energía de tracción junto con el sistema de corriente continua. Los primeros generadores para esas redes de tracción monofásicas son generadores monofásicos. [9] Incluso con los motores trifásicos más nuevos que se introdujeron en algunos trenes modernos, la transmisión monofásica para redes de tracción sobrevive a su tiempo y todavía se usa en muchos ferrocarriles en la actualidad. [10] Sin embargo, muchas centrales eléctricas de tracción han reemplazado sus generadores con el tiempo para usar generadores trifásicos y convertirlos en monofásicos para la transmisión. [11]
En el desarrollo temprano de la hidroelectricidad , los generadores monofásicos desempeñaron un papel importante en la demostración de los beneficios de la corriente alterna. En 1891, se instaló un generador monofásico de 3000 voltios y 133 Hz de 100 caballos de fuerza en la planta generadora hidroeléctrica de Ames , que estaba conectado por correa con una rueda hidráulica Pelton. La energía se transmitía a través de cables de 4,2 kilómetros (2,6 millas) para alimentar un motor idéntico en el molino. La planta fue la primera en generar energía eléctrica de corriente alterna para aplicaciones industriales y fue una demostración de la eficiencia en la transmisión de CA. Esto fue un precedente para plantas mucho más grandes, como la planta de energía Edward Dean Adams en las cataratas del Niágara, Nueva York en 1895. [12] Sin embargo, las plantas más grandes se operaban utilizando generadores polifásicos para una mayor eficiencia. Eso dejó las aplicaciones para la generación de hidroelectricidad monofásica a casos especiales, como en cargas ligeras.
Un ejemplo de uso de una sola fase en un caso especial se implementó en 1902 en la planta de energía eléctrica municipal de St. Louis. Un generador monofásico de 20 kW se conectó directamente a una rueda hidráulica Pelton para generar electricidad suficiente para alimentar cargas ligeras. Esta fue una demostración temprana de la energía hidroeléctrica en conductos para capturar energía del flujo de agua en la tubería de agua pública . La energía para la tubería principal en este caso no se creó por gravedad, sino que el agua fue bombeada por una máquina de vapor más grande en una estación de bombeo de agua para suministrar agua a los clientes. La decisión de tener agua bombeada por una máquina más grande y luego tomar parte de la energía del flujo de agua para alimentar un generador más pequeño utilizando una rueda hidráulica se basó en el costo. En ese momento, las máquinas de vapor no eran eficientes ni rentables para un sistema de 20 kW. Por lo tanto, instalaron una bomba de agua a vapor para tener suficiente energía para mantener la presión de agua para el cliente y para impulsar un pequeño generador al mismo tiempo. [13]
El uso principal de la generación hidroeléctrica monofásica en la actualidad es suministrar energía a la red de tracción de los ferrocarriles. Muchas redes de transmisión eléctrica para ferrocarriles, especialmente en Alemania, dependen de la generación y transmisión monofásicas que todavía se utilizan en la actualidad. Una central eléctrica notable es la central hidroeléctrica de Walchensee en Baviera . La central toma agua del lago elevado Walchensee para impulsar ocho turbinas que impulsan los generadores. Cuatro de ellos son generadores trifásicos para abastecer la red eléctrica . Los otros cuatro son generadores monofásicos que están conectados a turbinas Pelton que tienen una capacidad combinada de 52 MW para abastecer la electrificación ferroviaria alemana de 15 kV CA. [ 14]
En otra variante del sistema de electrificación ferroviaria de Estados Unidos también se utilizan sistemas de generación de energía hidroeléctrica monofásica similares. Una central eléctrica en la presa Safe Harbor , en Pensilvania, genera energía tanto para los servicios públicos como para el ferrocarril Amtrak . Dos de sus 14 turbinas están conectadas a dos generadores monofásicos para alimentar el sistema de tracción de 25 Hz de Amtrak . Las dos turbinas son del tipo Kaplan con 5 aspas y una potencia nominal de 42.500 caballos. [15]
En los primeros años, se utilizaban máquinas de vapor como motores principales de los generadores. Una instalación en la planta eléctrica municipal de St. Louis en la década de 1900 fue un ejemplo de uso de máquinas de vapor con generadores monofásicos. La planta de St. Louis utilizó una máquina de vapor compuesta para impulsar un generador monofásico de 100 kW que producía corriente a una potencia nominal de 1150 voltios. [13]
Las máquinas de vapor también se utilizaron durante el siglo XX en centrales eléctricas para redes de tracción que tenían distribución de energía monofásica para ferrocarriles específicos. Un conjunto especial de generadores monofásicos con turbinas de vapor en la Central Generadora Waterside en la ciudad de Nueva York en 1938 fue un ejemplo de tales sistemas de generación y distribución. Los generadores monofásicos finalmente se retiraron a fines de la década de 1970 debido a preocupaciones por una falla de la turbina en otra estación. Los generadores fueron reemplazados por dos transformadores para reducir de otra fuente de energía trifásica a la energía de catenaria monofásica existente. Finalmente, los transformadores fueron reemplazados por dos cicloconvertidores de estado sólido . [8]
Normalmente, las centrales nucleares se utilizan como estaciones de carga base con capacidades muy altas para suministrar energía a las redes. Neckarwestheim I en Neckarwestheim es una central nuclear única en el mundo, ya que está equipada con generadores monofásicos de alta capacidad para suministrar a la Deutsche Bahn un voltaje de CA específico a una frecuencia de 16 2/3 Hz. El reactor de agua presurizada transporta energía térmica a dos turbinas y generadores con una potencia nominal de 187 MW y 152 MW. [16]
