Un dinamo es un generador eléctrico que crea corriente continua mediante un conmutador . Los dinamos fueron los primeros generadores eléctricos capaces de suministrar energía a la industria y la base sobre la que se basaron muchos otros dispositivos de conversión de energía eléctrica posteriores, incluidos el motor eléctrico , el alternador de corriente alterna y el convertidor rotatorio .
En la actualidad, el alternador, más simple, domina la generación de energía a gran escala por razones de eficiencia, confiabilidad y costo. Un dinamo tiene las desventajas de un conmutador mecánico . Además, la conversión de corriente alterna a corriente continua mediante rectificadores (como tubos de vacío o, más recientemente, mediante tecnología de estado sólido ) es eficaz y, por lo general, económica.
El principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos fue descubierto en los años 1831-1832 por Michael Faraday . El principio, posteriormente llamado ley de Faraday , establece 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 utilizaba un disco de cobre que giraba entre los polos de un imán de herradura . Producía una pequeña tensión continua . No se trataba de una dinamo en el sentido actual, porque no utilizaba un conmutador .
Este diseño era ineficiente debido a contraflujos de corriente que se autocancelaban en regiones del disco que no estaban bajo la influencia del campo magnético. Mientras que la corriente se inducía directamente debajo del imán, la corriente circulaba en sentido inverso en regiones que estaban fuera de la influencia del campo magnético. Este contraflujo limitaba la salida de potencia a los cables de captación e inducía un calentamiento residual del disco de cobre. Los generadores homopolares posteriores resolverían este problema utilizando una serie de imanes dispuestos alrededor del perímetro del disco para mantener un efecto de campo constante en una dirección del 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. Faraday y otros descubrieron que se podían producir voltajes más altos y útiles al enrollar múltiples vueltas de alambre en una bobina. Los bobinados de alambre pueden producir cómodamente cualquier voltaje deseado modificando el número de vueltas, por lo que han sido una característica de todos los diseños de generadores posteriores, lo que requirió la invención del conmutador para producir corriente continua.
El primer dinamo conmutado fue construido en 1832 por Hippolyte Pixii , un fabricante de instrumentos francés. Utilizaba un imán permanente que giraba mediante una manivela. El imán giratorio estaba colocado de forma que sus polos norte y sur pasaran por una pieza de hierro envuelta con un cable aislado.
Pixii descubrió que el imán giratorio producía un pulso de corriente en el cable cada vez que un polo pasaba por la bobina. Sin embargo, los polos norte y sur del imán inducían corrientes en direcciones opuestas. Para convertir la corriente alterna en corriente continua, Pixii inventó un conmutador , un cilindro de metal dividido en dos partes sobre el eje, con dos contactos metálicos elásticos que lo presionaban.
Este diseño inicial tenía un problema: la corriente eléctrica que producía consistía en una serie de "picos" o pulsos de corriente que no estaban separados entre sí, lo que daba como resultado una potencia de salida media baja. Al igual que con los motores eléctricos de la época, los diseñadores no se dieron cuenta plenamente de los efectos perjudiciales de los grandes huecos de aire en el circuito magnético.
Antonio Pacinotti , un profesor de física italiano, resolvió este problema alrededor de 1860 al reemplazar la bobina axial giratoria de dos polos por una toroidal multipolar , que creó envolviendo un anillo de hierro con un devanado continuo, conectado al conmutador en muchos puntos espaciados equitativamente alrededor del anillo; el conmutador estaba dividido en muchos segmentos. Esto significaba que una parte de la bobina pasaba continuamente por los imanes, suavizando la corriente. [1]
El generador eléctrico Woolrich de 1844, que se encuentra actualmente en el Thinktank del Museo de Ciencias de Birmingham , es el primer generador eléctrico utilizado en un proceso industrial. [2] Fue utilizado por la empresa Elkingtons para la galvanoplastia comercial . [3] [4] [5]
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En 1827, independientemente de Faraday, el inventor húngaro Ányos Jedlik comenzó a experimentar con dispositivos rotatorios electromagnéticos a los que llamó autorrotores electromagnéticos . En el prototipo del arrancador eléctrico unipolar, tanto las partes estacionarias como las giratorias eran electromagnéticas.
Alrededor de 1856, seis años antes que Siemens y Wheatstone , Ányos formuló el concepto de dinamo, pero no lo patentó porque pensó que no era el primero en hacer realidad la idea. En lugar de imanes permanentes, su dinamo utilizó dos electroimanes colocados uno frente al otro para inducir un campo magnético alrededor del rotor. [6] [7] Este fue también el descubrimiento del principio de autoexcitación de la dinamo , [8] que reemplazó los diseños de imanes permanentes.
El dinamo fue el primer generador eléctrico capaz de suministrar energía a la industria. El dinamo moderno, apto para su uso en aplicaciones industriales, fue inventado independientemente 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; este último presentó un documento sobre su descubrimiento a la Royal Society .
La "máquina dinamoeléctrica" empleaba bobinas de campo electromagnético autoalimentadas en lugar de imanes permanentes para crear el campo del estator. [ cita requerida ] 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. [9] El uso de electroimanes en lugar de imanes permanentes aumentó enormemente la potencia de salida de un dinamo 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 dinamos electromagnéticos para alimentar hornos de arco eléctrico para la producción de metales y otros materiales.
La máquina dinamo que se desarrolló constaba de una estructura estacionaria, que proporciona el campo magnético, y un conjunto de bobinados giratorios que giraban dentro de ese campo. En máquinas más grandes, el campo magnético constante lo proporcionan uno o más electroimanes, que suelen llamarse bobinas de campo.
En 1871, Zénobe Gramme reinventó el diseño de Pacinotti al diseñar las primeras centrales eléctricas comerciales que funcionaron en París . Una ventaja del diseño de Gramme era que proporcionaba una mejor ruta para el flujo magnético , al llenar el espacio ocupado por el campo magnético con núcleos de hierro pesados y minimizar los espacios de aire entre las partes estacionarias y giratorias. El dinamo Gramme fue una de las primeras máquinas en generar cantidades comerciales de energía para la industria. [10] Se realizaron más mejoras en el anillo Gramme, pero el concepto básico de un bucle de alambre giratorio sin fin sigue siendo el núcleo de todos los dinamos modernos. [11]
Charles F. Brush montó su primer dinamo en el verano de 1876 utilizando una cinta de correr tirada por caballos como motor. El diseño de Brush modificó el dinamo Gramme al darle a la armadura del anillo la forma de un disco en lugar de una forma cilíndrica. Los electroimanes de campo también se colocaron en los lados del disco de la armadura en lugar de alrededor de la circunferencia. [12] [13]
Después de que se descubrió que los dinamos y los motores permitían una conversión fácil entre energía mecánica o eléctrica, se combinaron en dispositivos llamados convertidores rotativos , máquinas rotativas cuyo propósito no era proporcionar energía mecánica a las cargas sino convertir un tipo de corriente eléctrica en otro, por ejemplo, CC en CA. Eran dispositivos de un solo rotor y campo múltiple con dos o más conjuntos de contactos rotativos (ya sean conmutadores o anillos rozantes, según sea necesario), uno para proporcionar energía a un conjunto de devanados de armadura para hacer girar el dispositivo y uno o más conectados a otros devanados para producir la corriente de salida.
El convertidor rotatorio puede convertir directamente, internamente, cualquier tipo de energía eléctrica en cualquier otro. Esto incluye la conversión entre corriente continua (CC) y corriente alterna (CA), energía trifásica y monofásica , CA de 25 Hz y CA de 60 Hz, o muchos voltajes de salida diferentes al mismo tiempo. El tamaño y la masa del rotor se hicieron grandes para que el rotor actuara como un volante para ayudar a suavizar cualquier aumento o caída repentina de la energía aplicada.
La tecnología de los convertidores rotativos fue reemplazada a principios del siglo XX por los rectificadores de vapor de mercurio , que eran más pequeños, no producían vibraciones ni ruidos y requerían menos mantenimiento. Las mismas tareas de conversión las realizan ahora los dispositivos semiconductores de potencia de estado sólido . Los convertidores rotativos siguieron utilizándose en el metro de West Side IRT en Manhattan hasta finales de la década de 1960, y posiblemente algunos años más tarde. Se alimentaban con corriente alterna de 25 Hz y proporcionaban corriente continua a 600 voltios para los trenes.
Las máquinas de corriente continua, como las dinamos y los motores de corriente continua conmutados, tienen mayores costos de mantenimiento y limitaciones de potencia que las máquinas de corriente alterna (CA) debido al uso del conmutador . Estas desventajas son:
Aunque las dinamos de corriente continua fueron la primera fuente de energía eléctrica para la industria, debían ubicarse cerca de las fábricas que utilizaban su energía. La electricidad solo podía distribuirse a distancias de manera económica como corriente alterna (CA), mediante el uso del transformador . Con la conversión de los sistemas de energía eléctrica a corriente alterna en la década de 1890, durante el siglo XX las dinamos fueron reemplazadas por alternadores , y ahora están casi obsoletos.
La palabra "dinamo" (del griego dynamis (δύναμις), que significa fuerza o potencia) era originalmente otro nombre para un generador eléctrico , y todavía tiene algún uso regional como reemplazo de la palabra generador. La palabra fue acuñada en 1831 por Michael Faraday , quien utilizó su invento para hacer muchos descubrimientos en electricidad (Faraday descubrió la inducción eléctrica) y magnetismo . [14] [15]
El "principio de dinamo" original de Werner von Siemens se refería únicamente a los generadores de corriente continua que utilizan exclusivamente el principio de autoexcitación (autoinducción) para generar energía de CC. Los generadores de CC anteriores que utilizaban imanes permanentes no se consideraban "máquinas eléctricas de dinamo". [16] La invención del principio de dinamo (autoinducción) fue un gran salto tecnológico con respecto a los antiguos generadores de CC tradicionales basados en imanes permanentes. El descubrimiento del principio de dinamo hizo que la generación de energía eléctrica a escala industrial fuera técnica y económicamente factible. Después de la invención del alternador y de que la corriente alterna se puede utilizar como fuente de energía, la palabra dinamo pasó a asociarse exclusivamente con el " generador eléctrico de corriente continua conmutada ", mientras que un generador eléctrico de CA que utiliza anillos colectores o imanes de rotor pasaría a conocerse como alternador .
Un pequeño generador eléctrico integrado en el buje de una rueda de bicicleta para alimentar luces se llama dinamo de buje , aunque estos son invariablemente dispositivos de CA, [ cita requerida ] y en realidad son magnetos .
La dinamo eléctrica utiliza bobinas giratorias de alambre y campos magnéticos para convertir la rotación mecánica en una corriente eléctrica continua pulsante a través de la ley de inducción de Faraday . Una máquina dinamo consta de una estructura estacionaria, llamada estator , que proporciona un campo magnético constante , y un conjunto de devanados giratorios llamados armadura que giran dentro de ese campo. Debido a la ley de inducción de Faraday, el movimiento del alambre dentro del campo magnético crea una fuerza electromotriz , que empuja a los electrones en el metal, creando una corriente eléctrica en el alambre. En máquinas pequeñas, el campo magnético constante puede ser proporcionado por uno o más imanes permanentes ; las máquinas más grandes tienen el campo magnético constante proporcionado por uno o más electroimanes , que generalmente se denominan bobinas de campo .
El conmutador es necesario para producir corriente continua . Cuando un bucle de alambre gira en un campo magnético, el flujo magnético a través de él (y, por lo tanto, el potencial inducido en él) se invierte con cada media vuelta, generando una corriente alterna . Sin embargo, en los primeros días de la experimentación eléctrica, la corriente alterna generalmente no tenía un uso conocido. Los pocos usos de la electricidad, como la galvanoplastia , utilizaban corriente continua proporcionada por baterías líquidas desordenadas . Los dinamos se inventaron como reemplazo de las baterías. El conmutador es esencialmente un interruptor rotatorio . Consiste en un conjunto de contactos montados en el eje de la máquina, combinados con contactos estacionarios de bloque de grafito, llamados "escobillas", porque los primeros contactos fijos de este tipo eran escobillas de metal. El conmutador invierte la conexión de los devanados al circuito externo cuando el potencial se invierte, por lo que en lugar de corriente alterna, se produce una corriente continua pulsante.
Los primeros dinamos utilizaban imanes permanentes para crear el campo magnético. Se los denominaba "máquinas magnetoeléctricas" o magnetos . [17] Sin embargo, los investigadores descubrieron que se podían producir campos magnéticos más fuertes (y, por lo tanto, más potencia) utilizando electroimanes (bobinas de campo) en el estator. [18] Se los llamaba "máquinas dinamoeléctricas" o dinamos. [17] Las bobinas de campo del estator se excitaban originalmente por separado mediante un dinamo o magneto separado y más pequeño. Un desarrollo importante de Wilde y Siemens fue el descubrimiento (en 1866) de que un dinamo también podía autoexcitarse , utilizando la corriente generada por el propio dinamo. Esto permitió el crecimiento de un campo mucho más potente, por lo tanto, una potencia de salida mucho mayor .
Las dinamos de corriente continua autoexcitadas suelen tener una combinación de devanados de campo en serie y en paralelo (en derivación), a los que el rotor suministra energía directamente a través del conmutador de manera regenerativa. Se ponen en marcha y funcionan de manera similar a los generadores eléctricos portátiles de corriente alterna modernos, que no se utilizan con otros generadores en una red eléctrica.
Existe un campo magnético residual débil que persiste en el armazón metálico del dispositivo cuando no está en funcionamiento, que ha sido impreso en el metal por los devanados de campo. El dinamo comienza a girar cuando no está conectado a una carga externa. El campo magnético residual induce una corriente eléctrica muy pequeña en los devanados del rotor cuando comienzan a girar. Sin una carga externa conectada, esta pequeña corriente se suministra entonces por completo a los devanados de campo, que en combinación con el campo residual, hacen que el rotor produzca más corriente. De esta manera, el dinamo autoexcitado acumula sus campos magnéticos internos hasta que alcanza su voltaje de funcionamiento normal. Cuando es capaz de producir suficiente corriente para sostener tanto sus campos internos como una carga externa, está listo para ser utilizado.
Una dinamo autoexcitada con un campo magnético residual insuficiente en el marco metálico no podrá producir ninguna corriente en el rotor, independientemente de la velocidad a la que gire el rotor. Esta situación también puede ocurrir en los generadores portátiles autoexcitados modernos y se resuelve para ambos tipos de generadores de manera similar, aplicando una breve carga de batería de corriente continua a los terminales de salida del generador parado. La batería energiza los devanados lo suficiente para imprimir el campo residual, lo que permite generar la corriente. Esto se conoce como " destellos de campo" .
Ambos tipos de generadores autoexcitados, que se han conectado a una gran carga externa mientras estaban estacionarios, no podrán acumular voltaje incluso si el campo residual está presente. La carga actúa como un sumidero de energía y drena continuamente la pequeña corriente del rotor producida por el campo residual, lo que evita la acumulación de campo magnético en la bobina de campo.
Las dinamos, normalmente accionadas por máquinas de vapor , se utilizaban ampliamente en las centrales eléctricas para generar electricidad con fines industriales y domésticos. Desde entonces han sido sustituidas por alternadores .
Puede resultar difícil utilizar juntos dinamos industriales grandes con bobinados en serie y en paralelo (en derivación) en una central eléctrica, a menos que el cableado del rotor o del campo o los sistemas de accionamiento mecánico estén acoplados entre sí en determinadas combinaciones especiales. [19]
Los dinamos se utilizaban en vehículos de motor para generar electricidad para cargar baterías. Uno de los primeros tipos fue el dinamo de tercera escobilla . A su vez, han sido reemplazados por alternadores .
Los dinamos todavía tienen algunos usos en aplicaciones de baja potencia, particularmente donde se requiere CC de bajo voltaje , ya que un alternador con un rectificador semiconductor puede ser ineficiente en estas aplicaciones.
Los dinamos accionados manualmente se utilizan en radios de relojería , linternas manuales y otros equipos accionados por humanos para recargar baterías .
El generador utilizado para la iluminación de la bicicleta puede llamarse "dinamo", pero casi siempre son dispositivos de corriente alterna y, por lo tanto, estrictamente, se llamarían "alternadores".
máquina magnetoeléctrica.
