Un alternador es un generador eléctrico que convierte energía mecánica en energía eléctrica en forma de corriente alterna . [2] Por razones de costo y simplicidad, la mayoría de los alternadores utilizan un campo magnético giratorio con una armadura estacionaria . [3] Ocasionalmente, se utiliza un alternador lineal o una armadura giratoria con un campo magnético estacionario. En principio, cualquier generador eléctrico de CA puede llamarse alternador, pero por lo general, el término se refiere a pequeñas máquinas rotativas impulsadas por motores de combustión interna de automóviles y otros.
Un alternador que utiliza un imán permanente como campo magnético se denomina magneto . Los alternadores de las centrales eléctricas accionados por turbinas de vapor se denominan turboalternadores. Los grandes alternadores trifásicos de 50 o 60 Hz de las centrales eléctricas generan la mayor parte de la energía eléctrica del mundo, que se distribuye a través de las redes eléctricas . [4]
Los sistemas de generación de corriente alterna se conocían en formas simples desde el descubrimiento de la inducción magnética de la corriente eléctrica en la década de 1830. Los generadores rotatorios producían naturalmente corriente alterna, pero como no se usaba mucho, normalmente se convertía en corriente continua mediante la adición de un conmutador en el generador. [8] Las primeras máquinas fueron desarrolladas por pioneros como Michael Faraday e Hippolyte Pixii . Faraday desarrolló el "rectángulo rotatorio", cuyo funcionamiento era heteropolar : cada conductor activo pasaba sucesivamente por regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas. [9] Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrollaron los primeros alternadores, que producían frecuencias entre 100 y 300 Hz . https://www.reliablebusinessarena.com/traction-alternators-r857616
A finales de la década de 1870 se introdujeron los primeros sistemas eléctricos a gran escala con estaciones de generación central para alimentar lámparas de arco , utilizadas para iluminar calles enteras, patios de fábricas o el interior de grandes almacenes. Algunas, como las lámparas de arco Yablochkov introducidas en 1878, funcionaban mejor con corriente alterna, y el desarrollo de estos primeros sistemas de generación de CA estuvo acompañado por el primer uso de la palabra "alternador". [10] [8] El suministro de la cantidad adecuada de voltaje desde las estaciones generadoras en estos primeros sistemas se dejó en manos de la habilidad del ingeniero para "soportar la carga". [11] En 1883, Ganz Works inventó el generador de voltaje constante [12] que podía producir un voltaje de salida establecido, independientemente del valor de la carga real. [13] La introducción de transformadores a mediados de la década de 1880 condujo al uso generalizado de la corriente alterna y al uso de alternadores necesarios para producirla. [14] Después de 1891, se introdujeron alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. [15] Posteriormente se diseñaron alternadores para varias frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hercios para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. [16] Los alternadores de radiofrecuencia especializados, como el alternador Alexanderson, se desarrollaron como transmisores de radio de onda larga alrededor de la Primera Guerra Mundial y se usaron en algunas estaciones de telegrafía inalámbrica de alta potencia antes de que los transmisores de tubo de vacío los reemplazaran. [ cita requerida ]
Un conductor que se mueve en relación con un campo magnético desarrolla una fuerza electromotriz (FEM) en él ( Ley de Faraday ). Esta FEM invierte su polaridad cuando se mueve bajo polos magnéticos de polaridad opuesta. Normalmente, un imán giratorio, llamado rotor , gira dentro de un conjunto estacionario de conductores, llamado estator , enrollado en bobinas sobre un núcleo de hierro. El campo corta a través de los conductores, generando una FEM inducida (fuerza electromotriz), ya que la entrada mecánica hace que el rotor gire. [ cita requerida ]
El campo magnético giratorio induce una tensión alterna en los devanados del estator. Dado que las corrientes en los devanados del estator varían en función de la posición del rotor, un alternador es un generador síncrono. [3]
El campo magnético del rotor puede ser producido por imanes permanentes o por un electroimán de bobina de campo. Los alternadores de automoción utilizan un devanado de rotor, que permite controlar el voltaje generado por el alternador al variar la corriente en el devanado de campo del rotor. Las máquinas de imán permanente evitan la pérdida debido a la corriente magnetizante en el rotor, pero tienen un tamaño limitado debido al costo del material del imán. Dado que el campo magnético permanente es constante, el voltaje terminal varía directamente con la velocidad del generador. Los generadores de CA sin escobillas suelen ser más grandes que los que se utilizan en aplicaciones automotrices. [ cita requerida ]
Un dispositivo de control automático de voltaje controla la corriente de campo para mantener constante el voltaje de salida. Si el voltaje de salida de las bobinas de inducido estacionarias disminuye debido a un aumento en la demanda, se suministra más corriente a las bobinas de campo rotatorias a través del regulador de voltaje (VR). Esto aumenta el campo magnético alrededor de las bobinas de campo, lo que induce un mayor voltaje en las bobinas de inducido. De esta manera, el voltaje de salida vuelve a su valor original. [ cita requerida ]
Los alternadores utilizados en las centrales eléctricas también controlan la corriente de campo para regular la potencia reactiva y ayudar a estabilizar el sistema eléctrico frente a los efectos de fallos momentáneos . A menudo, hay tres conjuntos de devanados del estator, desplazados físicamente de modo que el campo magnético giratorio produzca una corriente trifásica , desplazada un tercio de un período con respecto a cada una. [17]
Cada vez que un par de polos de campo pasa por un punto del devanado estacionario se produce un ciclo de corriente alterna. La relación entre velocidad y frecuencia es , donde es la frecuencia en Hz (ciclos por segundo). es el número de polos (2, 4, 6, …), y es la velocidad de rotación en revoluciones por minuto (r/min). Las descripciones antiguas de los sistemas de corriente alterna a veces dan la frecuencia en términos de alternancias por minuto, contando cada medio ciclo como una alternancia ; por lo tanto, 12.000 alternancias por minuto corresponden a 100 Hz. [ cita requerida ]
La frecuencia de salida de un alternador depende del número de polos y de la velocidad de rotación. La velocidad correspondiente a una frecuencia determinada se denomina velocidad sincrónica . En la tabla [18] se ofrecen algunos ejemplos:
Los alternadores pueden clasificarse según el método de excitación, el número de fases, el tipo de rotación, el método de enfriamiento y su aplicación. [19]
Existen dos formas principales de producir el campo magnético utilizado en los alternadores: mediante imanes permanentes , que crean su campo magnético persistente, o mediante bobinas de campo . Los alternadores que utilizan imanes permanentes se denominan específicamente magnetos . [ cita requerida ]
En otros alternadores, las bobinas de campo enrolladas forman un electroimán para producir el campo magnético giratorio. [ cita requerida ]
Un dispositivo que utiliza imanes permanentes para producir corriente alterna se denomina alternador de imanes permanentes (PMA). Un generador de imanes permanentes (PMG) puede producir corriente alterna o corriente continua si tiene un conmutador . [ cita requerida ]
Este método de excitación consiste en un generador de corriente continua (CC) más pequeño fijado en el mismo eje que el alternador. El generador de CC genera una pequeña cantidad de electricidad, la suficiente para excitar las bobinas de campo del alternador conectado y generar electricidad. Una variación de este sistema es un tipo de alternador que utiliza corriente continua de una batería para la excitación inicial al arrancar, después de lo cual el alternador se autoexcita. [19]
Este método de excitación consiste en un generador de corriente alterna (CA) más pequeño fijado en el mismo eje que el alternador. El estator de CA genera una pequeña cantidad de corriente de excitación de la bobina de campo, que se induce en el rotor y se rectifica a CC mediante un rectificador de puente integrado en los devanados, donde excita las bobinas de campo del alternador más grande conectado para generar electricidad. Este sistema tiene la ventaja de no requerir escobillas, lo que aumenta la vida útil, aunque con una eficiencia general ligeramente inferior. Una variación de este sistema es un tipo de alternador que utiliza corriente continua de una batería para la excitación inicial al arrancar, después de lo cual el alternador se autoexcita. [19]
Este método depende del magnetismo residual retenido en el núcleo de hierro para generar un campo magnético débil, lo que permitiría generar un voltaje débil. Este voltaje se utiliza para excitar las bobinas de campo para que el alternador pueda generar un voltaje más fuerte como parte de su proceso de acumulación . Después de la acumulación inicial de voltaje de CA, el campo se alimenta con voltaje rectificado del alternador. [19]
Un alternador sin escobillas se compone de dos alternadores construidos de extremo a extremo en un eje. Hasta 1966, los alternadores usaban escobillas con campo giratorio. [20] Con el avance en la tecnología de semiconductores, son posibles los alternadores sin escobillas. Los alternadores sin escobillas más pequeños pueden parecer una unidad, pero las dos partes son fácilmente identificables en las versiones grandes. El alternador principal es la más grande de las dos secciones, y la más pequeña es el excitador. El excitador tiene bobinas de campo estacionarias y una armadura giratoria (bobinas de potencia). El alternador principal usa la configuración opuesta con un campo giratorio y una armadura estacionaria. Un rectificador de puente , llamado conjunto rectificador giratorio, está montado en el rotor. No se utilizan escobillas ni anillos colectores, lo que reduce la cantidad de piezas de desgaste. El alternador principal tiene un campo giratorio y una armadura estacionaria (bobinados de generación de energía).
La variación de la cantidad de corriente a través de las bobinas de campo del excitador estacionario varía la salida trifásica del excitador. Esta salida se rectifica mediante un conjunto rectificador giratorio montado en el rotor, y la corriente continua resultante suministra el campo giratorio del alternador principal y, por lo tanto, la salida del alternador. El resultado es que una pequeña corriente continua del excitador controla indirectamente la salida del alternador principal. [21]
Otra forma de clasificar los alternadores es por el número de fases de su voltaje de salida. La salida puede ser monofásica o polifásica. Los alternadores trifásicos son los más comunes, pero los alternadores polifásicos pueden ser bifásicos, hexafásicos o más. [19]
La parte giratoria de los alternadores puede ser la armadura o el campo magnético. El tipo de armadura giratoria tiene la armadura enrollada en el rotor, donde el devanado se mueve a través de un campo magnético estacionario. El tipo de armadura giratoria no se utiliza a menudo. [19] El tipo de campo giratorio tiene un campo magnético en el rotor para girar a través de un devanado de armadura estacionario. La ventaja es que entonces el circuito del rotor transporta mucha menos energía que el circuito de la armadura, lo que hace que las conexiones de anillo colector sean más pequeñas y menos costosas; solo se necesitan dos contactos para el rotor de corriente continua, mientras que a menudo un devanado de rotor tiene tres fases y múltiples secciones que requerirían cada una una conexión de anillo colector. La armadura estacionaria se puede enrollar para cualquier nivel de voltaje medio conveniente, hasta decenas de miles de voltios; la fabricación de conexiones de anillo colector para más de unos pocos miles de voltios es costosa e inconveniente. [ cita requerida ]
Muchos alternadores se enfrían con aire ambiente, que pasa a través de la carcasa mediante un ventilador acoplado al eje que acciona el alternador. En vehículos como los autobuses, una gran demanda del sistema eléctrico puede requerir que un alternador grande se enfríe con aceite. [22] En aplicaciones marinas también se utiliza refrigeración por agua. Los automóviles caros pueden utilizar alternadores refrigerados por agua para satisfacer las altas demandas del sistema eléctrico. [ cita requerida ]
La mayoría de las centrales eléctricas utilizan máquinas sincrónicas como generadores. La conexión de estos generadores a la red eléctrica requiere que se cumplan las condiciones de sincronización. [23]
Los alternadores se utilizan en los automóviles modernos con motor de combustión interna para cargar la batería y alimentar el sistema eléctrico cuando el motor está en funcionamiento. [ cita requerida ]
Hasta la década de 1960, los automóviles utilizaban generadores de dinamo de corriente continua con conmutadores . Con la disponibilidad de rectificadores de diodos de silicio asequibles , se utilizaron en su lugar alternadores. [ cita requerida ]
En las locomotoras diésel-eléctricas y unidades diésel-eléctricas múltiples posteriores , el motor principal hace girar un alternador que proporciona electricidad a los motores de tracción (CA o CC). [ cita requerida ]
El alternador de tracción generalmente incorpora rectificadores de diodos de silicio integrales para proporcionar a los motores de tracción hasta 1200 voltios de CC. [ cita requerida ]
Las primeras locomotoras diésel-eléctricas, y muchas de las que todavía están en servicio, utilizan generadores de corriente continua, ya que, antes de la electrónica de potencia de silicio, era más fácil controlar la velocidad de los motores de tracción de corriente continua. La mayoría de estos tenían dos generadores: uno para generar la corriente de excitación para un generador principal más grande. [ cita requerida ]
Opcionalmente, el generador también suministra energía para la cabecera (HEP) o energía para la calefacción del tren eléctrico . La opción HEP requiere una velocidad constante del motor, normalmente 900 r/min para una aplicación HEP de 480 V 60 Hz, incluso cuando la locomotora no está en movimiento. [ cita requerida ]
Los alternadores marinos que se utilizan en los yates son similares a los de los automóviles, con las adaptaciones adecuadas para el entorno de agua salada. Los alternadores marinos están diseñados para ser a prueba de explosiones (protegidos contra ignición) de modo que las chispas de las escobillas no enciendan mezclas de gases explosivas en un entorno de sala de máquinas. Según el tipo de sistema instalado, pueden ser de 12 o 24 voltios. Los motores diésel marinos más grandes pueden tener dos o más alternadores para hacer frente a la gran demanda eléctrica de un yate moderno. En los circuitos de un solo alternador, la energía puede dividirse entre la batería de arranque del motor y la batería doméstica o de la casa (o baterías) mediante el uso de un diodo de carga dividida ( aislador de batería ) o un relé sensible al voltaje. Debido al alto costo de los grandes bancos de baterías domésticas, los alternadores marinos generalmente utilizan reguladores externos. Los reguladores multipaso controlan la corriente de campo para maximizar la efectividad de la carga (tiempo de carga) y la vida útil de la batería. Los reguladores multipaso se pueden programar para diferentes tipos de baterías. Se pueden agregar dos sensores de temperatura: uno para la batería, para ajustar el voltaje de carga, y un sensor de sobretemperatura en el alternador para protegerlo del sobrecalentamiento. [ cita requerida ]
Los alternadores de alta frecuencia del tipo de reluctancia variable se aplicaron comercialmente a la transmisión de radio en bandas de radio de baja frecuencia. Se utilizaron para transmitir código Morse y, experimentalmente, para transmitir voz y música. En el alternador Alexanderson , tanto el devanado de campo como el devanado de armadura son estacionarios, y la corriente se induce en la armadura por la reluctancia magnética cambiante del rotor (que no tiene devanados ni partes que transporten corriente). Estas máquinas se fabricaron para producir corriente de radiofrecuencia para transmisiones de radio, aunque la eficiencia era baja. [ cita requerida ]
