Un alternador es un tipo de generador eléctrico que se utiliza en los automóviles modernos para cargar la batería y alimentar el sistema eléctrico cuando el motor está en marcha.
Hasta la década de 1960, los automóviles utilizaban generadores de dinamo de CC con conmutadores . A medida que los rectificadores de diodos de silicio se hicieron ampliamente disponibles y asequibles, el alternador reemplazó gradualmente a la dinamo. Esto se vio alentado por la creciente energía eléctrica requerida por los automóviles en este período, con cargas cada vez mayores provenientes de faros más grandes, limpiaparabrisas eléctricos, ventanas traseras con calefacción y otros accesorios.
El tipo moderno de alternadores de vehículos se utilizó por primera vez en aplicaciones militares durante la Segunda Guerra Mundial , para alimentar equipos de radio en vehículos especializados. [i] Después de la guerra, otros vehículos con altas demandas eléctricas, como ambulancias y radiotaxis, también podrían equiparse con alternadores opcionales. [1]
Los alternadores fueron introducidos por primera vez como equipo estándar en un automóvil de producción por Chrysler Corporation en el Valiant en 1960, varios años antes que Ford y General Motors . [1] [2]
Algunos de los primeros automóviles, como el Ford Modelo T , utilizaban un tipo diferente de sistema de carga: un magneto impulsado por un motor que generaba corriente alterna de bajo voltaje que se suministraba a las bobinas vibratorias , que proporcionaban el alto voltaje necesario para generar chispas de encendido. (Esto era diferente de un magneto de encendido verdadero , que genera alto voltaje directamente). Dado que dicho sistema magneto solo dependía del movimiento del motor para generar corriente, podría usarse incluso al arrancar un motor con arranque manual, siempre que se tirara bruscamente de la manivela. , para que el magneto produzca suficiente corriente para que las bobinas produzcan buenas chispas.
El Modelo T incorporó su magneto en el volante del motor. El primer Modelo T utilizó el magneto únicamente para el encendido de la bobina vibratoria. A partir del año modelo 1915, Ford añadió faros eléctricos, también accionados por magneto. [3] [4] El circuito magnético era estrictamente de CA, sin batería incluida. (Había un interruptor en las bobinas de encendido para usar una batería, lo que podría ser útil al arrancar en climas fríos, pero Ford no proporcionó una batería ni fomentó el uso de una antes de introducir un arranque eléctrico en 1919. El propietario Tendrían que instalar la batería ellos mismos y cargarla externamente).
A partir del año modelo 1919, Ford actualizó el Modelo T para incluir un arranque eléctrico, que era estándar para algunos modelos y opcional para otros. Esta instalación de arranque también incluía una batería, cargada por una dinamo convencional, y las luces ahora funcionaban con la batería. Sin embargo, el magneto del volante todavía alimentaba el encendido y, dado que los modelos sin motor de arranque no tenían batería, continuaron usando luces alimentadas por magneto. [5] [6]
Los alternadores tienen varias ventajas sobre los generadores de corriente continua ( dinamos ). Los alternadores son:
Se requiere un conjunto de rectificadores ( puente de diodos ) para convertir CA en CC . Para proporcionar corriente continua con baja ondulación , se utiliza un devanado polifásico y las piezas polares del rotor tienen forma (polo-garra). Los alternadores de automóviles suelen ser accionados por correas a 2 o 3 veces la velocidad del cigüeñal, velocidades que podrían provocar que un conmutador se rompiera en un generador. El alternador funciona a varias RPM (lo que varía la frecuencia) ya que es impulsado por el motor. Esto no es un problema porque la corriente alterna se rectifica a corriente continua .
Los reguladores de alternador también son más sencillos que los de los generadores. Los reguladores del generador requieren un relé de corte para aislar las bobinas de salida (la armadura) de la batería a baja velocidad; ese aislamiento lo proporcionan los diodos rectificadores del alternador. Además, la mayoría de los reguladores de generadores incluyen un limitador de corriente; Los alternadores están inherentemente limitados en corriente.
El diseño del polo en forma de garra produce una forma de onda de CA que se rectifica de manera más eficiente que una onda sinusoidal.
A pesar de sus nombres, tanto los "generadores de corriente continua" (o "dinamos") como los "alternadores" producen inicialmente corriente alterna. En el llamado "generador de CC", esta corriente CA se genera en la armadura giratoria y luego el conmutador y las escobillas la convierten en CC. En un 'alternador', la corriente CA se genera en el estator estacionario y luego los rectificadores (diodos) la convierten en CC.
Los alternadores típicos de vehículos de pasajeros y camiones ligeros utilizan una construcción de campo Lundahl o de "poste de garra". Utiliza un núcleo de hierro moldeado en el rotor para producir un campo multipolar a partir de un devanado de una sola bobina. Los polos del rotor parecen dedos de dos manos entrelazados entre sí. La bobina está montada axialmente dentro de este y la corriente de campo es suministrada por anillos colectores y escobillas de carbón. Estos alternadores tienen sus devanados de campo y estator enfriados por un flujo de aire axial, producido por un ventilador externo conectado a la polea de la correa de transmisión. [7]
Los vehículos modernos utilizan ahora el diseño compacto del alternador. Es eléctrica y magnéticamente similar, pero tiene una refrigeración por aire mejorada. Una mejor refrigeración permite obtener más potencia de una máquina más pequeña. La carcasa tiene ranuras de ventilación radiales distintivas en cada extremo y ahora encierra el ventilador. Se utilizan dos ventiladores, uno en cada extremo, y el caudal de aire es semirradial, entrando axialmente y saliendo radialmente hacia el exterior. [8] Los devanados del estator ahora constan de una banda central densa donde el núcleo de hierro y los devanados de cobre están estrechamente empaquetados, y bandas finales donde los devanados están más expuestos para una mejor transferencia de calor. La menor separación entre el núcleo y el rotor mejora la eficiencia magnética. Los ventiladores cerrados, más pequeños, producen menos ruido, especialmente a velocidades más altas de la máquina. [8]
Los alternadores de los automóviles también pueden refrigerarse por agua.
Los vehículos más grandes pueden tener alternadores de bobina de campo similares a las máquinas más grandes. [9]
Los devanados de un alternador trifásico se pueden conectar utilizando la configuración del régimen de conexión delta o estrella ( estrella ). [10]
Las versiones sin escobillas de este tipo de alternadores también son comunes en maquinaria más grande, como camiones de carretera y maquinaria de movimiento de tierras. Con dos cojinetes de eje de gran tamaño como únicas piezas de desgaste, estos pueden proporcionar un servicio extremadamente prolongado y confiable, incluso superando los intervalos de revisión del motor.
Los alternadores automotrices requieren un regulador de voltaje que funciona modulando la pequeña corriente de campo para producir un voltaje constante en los terminales de la batería. Los primeros diseños (c. 1960-1970) utilizaban un dispositivo discreto montado en otra parte del vehículo. Los diseños intermedios (c. 1970-1990) incorporaron el regulador de voltaje en la carcasa del alternador. Los diseños modernos eliminan por completo el regulador de voltaje; La regulación de voltaje ahora es una función de la unidad de control del motor (ECU). La corriente de campo es mucho menor que la corriente de salida del alternador; por ejemplo, un alternador de 70 A puede necesitar sólo 2-3 A de corriente de campo. La corriente de campo se suministra a los devanados del rotor mediante anillos colectores. Los anillos colectores relativamente suaves y de baja corriente garantizan una mayor confiabilidad y una vida útil más larga que la obtenida por un generador de CC con su conmutador y una mayor corriente pasando a través de sus escobillas.
Los devanados de campo reciben energía de la batería a través del interruptor de encendido y el regulador. Un circuito paralelo alimenta el indicador de advertencia de "carga" y está conectado a tierra a través del regulador (razón por la cual el indicador está encendido cuando el encendido está conectado pero el motor no está en marcha). Una vez que el motor está en marcha y el alternador está generando energía, un diodo alimenta la corriente de campo desde la salida principal del alternador e iguala el voltaje a través del indicador de advertencia que se apaga. El cable que suministra la corriente de campo a menudo se denomina cable "excitador". El inconveniente de esta disposición es que si la lámpara de advertencia se quema o el cable "excitador" se desconecta, no llega corriente a los devanados de campo y el alternador no generará energía. Algunos circuitos indicadores de advertencia están equipados con una resistencia en paralelo con la lámpara que permite que fluya la corriente de excitación si la lámpara de advertencia se funde. El conductor debe comprobar que el testigo esté encendido cuando el motor esté parado; de lo contrario, es posible que no haya ningún indicio de un fallo de la correa que también puede accionar la bomba de agua de refrigeración . Algunos alternadores se autoexcitarán cuando el motor alcance una determinada velocidad.
En los últimos años, [ ¿ cuándo? ] Los reguladores del alternador están vinculados al sistema informático del vehículo y se evalúan varios factores, incluida la temperatura del aire obtenida del sensor de temperatura del aire de admisión, el sensor de temperatura de la batería y la carga del motor, al ajustar el voltaje suministrado por el alternador.
Los automóviles más antiguos con iluminación mínima pueden haber tenido un alternador capaz de producir sólo 30 amperios . Los alternadores típicos de automóviles de pasajeros y camionetas ligeras tienen una clasificación de entre 50 y 70 A, [ cita necesaria ] aunque las clasificaciones más altas se están volviendo más comunes, especialmente porque hay más carga en el sistema eléctrico del vehículo con aire acondicionado , dirección asistida eléctrica y otros sistemas eléctricos. Los alternadores muy grandes utilizados en autobuses, equipos pesados o vehículos de emergencia pueden producir 300 A. Los semirremolques suelen tener alternadores que producen 140 A. Los alternadores muy grandes pueden estar enfriados por agua o por aceite.
La eficiencia de los alternadores de automóviles está limitada por la pérdida de enfriamiento del ventilador, la pérdida de cojinetes, la pérdida de hierro, la pérdida de cobre y la caída de voltaje en los puentes de diodos. La eficiencia se reduce drásticamente a altas velocidades debido principalmente a la resistencia del ventilador. A velocidades medias, la eficiencia de los alternadores actuales es del 70% al 80%. [11] Esto mejora a los alternadores de imanes permanentes de alto rendimiento muy pequeños, como los utilizados para los sistemas de iluminación de bicicletas , que alcanzan una eficiencia de alrededor del 60%. Las máquinas eléctricas de imanes permanentes más grandes (que pueden funcionar como motores o alternadores) pueden lograr hoy en día eficiencias mucho mayores. Pellegrino et al., [12] por ejemplo, proponen diseños no particularmente costosos que muestran amplias regiones en las que la eficiencia es superior al 96%. Los grandes generadores de CA utilizados en las centrales eléctricas funcionan a velocidades cuidadosamente controladas y no tienen restricciones de tamaño o peso. Tienen eficiencias muy altas de hasta el 98%.
Los vehículos eléctricos híbridos reemplazan el alternador y el motor de arranque separados por uno o más motores/generadores combinados que arrancan el motor de combustión interna, proporcionan parte o toda la potencia mecánica a las ruedas y cargan una batería de almacenamiento grande. Cuando hay presente más de un motor/generador, como en el Hybrid Synergy Drive utilizado en el Toyota Prius y otros, uno puede funcionar como generador y alimentar al otro como motor, proporcionando una ruta electromecánica para que fluya parte de la potencia del motor. a las ruedas. Estos motores/generadores tienen dispositivos electrónicos considerablemente más potentes para su control que el alternador de automóvil descrito anteriormente.
Otra "primicia" de Chrysler... el nuevo y sorprendente alternador