Una dinamo es un generador eléctrico que crea corriente continua mediante un conmutador . Las dinamos fueron los primeros generadores eléctricos capaces de suministrar energía para la industria y la base sobre la que se basaron muchos otros dispositivos posteriores de conversión de energía eléctrica , incluido el motor eléctrico , el alternador de corriente alterna y el convertidor rotativo .
Hoy en día, el alternador más simple domina la generación de energía a gran escala , por razones de eficiencia, confiabilidad y costo. Una dinamo tiene las desventajas de un conmutador mecánico . Además, convertir corriente alterna en corriente continua mediante rectificadores (como tubos de vacío o, más recientemente, mediante tecnología de estado sólido ) es eficaz y, por lo general, económico.
El principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos fue descubierto en los años 1831-1832 por Michael Faraday . El principio, más tarde llamado ley de Faraday , es 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 , utilizando un disco de cobre que gira entre los polos de un imán de herradura . Produjo un pequeño voltaje de CC . Esta no era una dinamo en el sentido actual, porque no usaba conmutador .
Este diseño era ineficiente debido a los contraflujos de corriente que se cancelaban automáticamente en regiones del disco que no estaban bajo la influencia del campo magnético. Si bien la corriente se inducía directamente debajo del imán, la corriente circularía hacia atrás en regiones que estaban fuera de la influencia del campo magnético. Este contraflujo limitó la salida de energía a los cables captadores e indujo 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 estable en una dirección de flujo de corriente.
Otra desventaja era que el voltaje de salida era muy bajo, debido al único camino de la corriente a través del flujo magnético. Faraday y otros descubrieron que se podían producir voltajes más altos y útiles enrollando múltiples vueltas de cable en una bobina. Los devanados de alambre pueden producir convenientemente cualquier voltaje deseado cambiando el número de vueltas, por lo que han sido una característica de todos los diseños de generadores posteriores, requiriendo la invención del conmutador para producir corriente continua.
La primera dinamo conmutada fue construida en 1832 por Hippolyte Pixii , un fabricante de instrumentos francés. Utilizaba un imán permanente que giraba mediante una manivela. El imán giratorio se colocó de modo que sus polos norte y sur pasaran por un trozo de hierro envuelto 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 indujeron corrientes en direcciones opuestas. Para convertir la corriente alterna a CC, Pixii inventó un conmutador , un cilindro metálico dividido en el eje, con dos contactos metálicos elásticos que presionaban contra él.
Este primer diseño tenía un problema: la corriente eléctrica que producía consistía en una serie de "picos" o pulsos de corriente separados por nada, lo que daba como resultado una salida de potencia promedio baja. Al igual que con los motores eléctricos de la época, los diseñadores no se dieron cuenta de los graves efectos perjudiciales de los grandes espacios de aire en el circuito magnético.
Antonio Pacinotti , un profesor de física italiano, resolvió este problema alrededor de 1860 reemplazando la bobina axial bipolar giratoria por una toroidal multipolar , que creó envolviendo un anillo de hierro con un devanado continuo, conectado al conmutador en muchos puntos iguales. puntos espaciados alrededor del anillo; estando el conmutador 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, ahora en Thinktank, Museo de Ciencias de Birmingham , es el primer generador eléctrico utilizado en un proceso industrial. [2] Fue utilizado por la firma Elkingtons para galvanoplastia comercial . [3] [4] [5]
.jpg/1280px-Thinktank_Birmingham_-_object_1889S00044(1).jpg)
En 1827, independientemente de Faraday, el inventor húngaro Ányos Jedlik comenzó a experimentar con dispositivos giratorios electromagnéticos a los que llamó autorrotores electromagnéticos . En el prototipo del arrancador eléctrico unipolar, tanto la parte estacionaria como la giratoria eran electromagnéticas.
Hacia 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 realizar la idea. En lugar de imanes permanentes, su dinamo utilizaba 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.
La dinamo fue el primer generador eléctrico capaz de suministrar energía para la industria. La dinamo moderna, apta para su uso en aplicaciones industriales, fue inventada de forma independiente 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 entregó 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 necesaria ] 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 considerablemente la potencia de salida de una dinamo y permitió la generación de alta energía 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 devanados giratorios que giran dentro de ese campo. En máquinas más grandes, el campo magnético constante lo proporcionan uno o más electroimanes, que suelen denominarse bobinas de campo.
Zénobe Gramme reinventó el diseño de Pacinotti en 1871 al diseñar las primeras centrales eléctricas comerciales operadas en París . Una ventaja del diseño de Gramme fue un mejor camino 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. La 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 corazón de todas las dinamos modernas. [11]
Charles F. Brush ensambló su primera dinamo en el verano de 1876 utilizando una cinta de correr tirada por caballos para impulsarla. El diseño de Brush modificó la dinamo Gramme al darle forma a la armadura del anillo como un disco en lugar de una forma cilíndrica. Los electroimanes de campo también se colocaron a los lados del disco de la armadura en lugar de alrededor de la circunferencia. [12] [13]
Después de que se descubrió que las dinamos y los motores permitían una fácil conversión de 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 de campo múltiple con dos o más conjuntos de contactos giratorios (ya sean conmutadores o anillos colectores, 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 rotativo puede convertir directamente, internamente, cualquier tipo de energía eléctrica en cualquier otra. Esto incluye la conversión entre corriente continua (CC) y corriente alterna (CA), energía trifásica y monofásica , 25 Hz CA y 60 Hz CA, o muchos voltajes de salida diferentes al mismo tiempo. El tamaño y la masa del rotor se hicieron grandes para que actuara como un volante y ayudara a suavizar cualquier aumento o caída repentina en la potencia aplicada.
La tecnología de los convertidores rotativos fue sustituida 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 actualmente los dispositivos semiconductores de potencia de estado sólido . Los convertidores rotativos siguieron utilizándose en el metro IRT del West Side de Manhattan hasta finales de la década de 1960, y posiblemente algunos años más tarde. Estaban alimentados por CA de 25 Hz y proporcionaban CC a 600 voltios para los trenes.
Las máquinas de corriente continua , como las dinamos y los motores de CC 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 sólo podía distribuirse a distancias de forma 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' (de la palabra griega dynamis (δύναμις), que significa fuerza o potencia) era originalmente otro nombre para un generador eléctrico , y todavía tiene cierto uso regional como reemplazo de la palabra generador. La palabra fue acuñada en 1831 por Michael Faraday , quien utilizó su invento para realizar muchos descubrimientos en electricidad (Faraday descubrió la inducción eléctrica) y magnetismo . [14] [15]
El "principio de la 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 CC. Los primeros generadores de CC que utilizaban imanes permanentes no se consideraban "máquinas dinamoeléctricas". [16] La invención del principio de dinamo (autoinducción) fue un gran salto tecnológico con respecto a los antiguos generadores tradicionales de CC basados en imanes permanentes. El descubrimiento del principio de la dinamo hizo viable técnica y económicamente la generación de energía eléctrica a escala industrial. Después de la invención del alternador y de que la corriente alterna se puede utilizar como fuente de alimentación, 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 ser conocido como un alternador .
Un pequeño generador eléctrico integrado en el cubo de una rueda de bicicleta para encender las luces se llama dinamo de buje , aunque invariablemente son 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 directa pulsante mediante 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 cable dentro del campo magnético crea una fuerza electromotriz , que empuja los electrones en el metal, creando una corriente eléctrica en el cable. 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 una espira de alambre gira en un campo magnético, el flujo magnético a través de ella (y por lo tanto el potencial inducido en ella) 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 ningún uso conocido. Los pocos usos de la electricidad, como la galvanoplastia , utilizaban corriente continua proporcionada por baterías líquidas sucias . Las dinamos se inventaron como reemplazo de las baterías. El conmutador es esencialmente un interruptor giratorio . Consiste en un conjunto de contactos montados en el eje de la máquina, combinados con contactos estacionarios de bloques de grafito, llamados "escobillas", porque los primeros contactos fijos de este tipo eran escobillas metálicas. El conmutador invierte la conexión de los devanados al circuito externo cuando se invierte el potencial, por lo que en lugar de corriente alterna, se produce una corriente continua pulsante.
Las primeras dinamos utilizaban imanes permanentes para crear el campo magnético. Se las denominó "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] Estas fueron llamadas "máquinas dinamoeléctricas" o dinamos. [17] Las bobinas de campo del estator fueron originalmente excitadas por separado por una dinamo o magneto separada, más pequeña. Un avance importante de Wilde y Siemens fue el descubrimiento (hacia 1866) de que una dinamo también podía autoexcitarse , utilizando la corriente generada por la propia dinamo. Esto permitió el crecimiento de un campo mucho más poderoso y, por lo tanto, de un poder de producción mucho mayor.
Las dinamos de corriente continua autoexcitadas comúnmente tienen una combinación de devanados de campo en serie y paralelo (en derivación), a los que el rotor suministra energía directamente a través del conmutador de manera regenerativa. Se arrancan y funcionan de manera similar a los modernos generadores eléctricos portátiles de corriente alterna, que no se utilizan con otros generadores en una red eléctrica.
Hay un débil campo magnético residual que persiste en el marco metálico del dispositivo cuando no está en funcionamiento, que ha sido impreso en el metal por los devanados de campo. La dinamo comienza a girar mientras no está conectada 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 adjunta, esta pequeña corriente se suministra completamente a los devanados de campo, lo que, en combinación con el campo residual, hace que el rotor produzca más corriente. De esta manera, la dinamo autoexcitante aumenta sus campos magnéticos internos hasta alcanzar 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 la estructura metálica no podrá producir ninguna corriente en el rotor, independientemente de la velocidad a la que gire el rotor. Esta situación también puede darse en los modernos generadores portátiles autoexcitados, y se resuelve para ambos tipos de generadores de forma similar, aplicando una breve carga de batería en corriente continua a los terminales de salida del generador parado. La batería energiza los devanados lo suficiente como para imprimir el campo residual, para permitir la acumulación de corriente. Esto se conoce como flashear el campo .
Ambos tipos de generadores autoexcitados, que han sido conectados a una gran carga externa mientras estaban estacionarios, no podrán generar 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, evitando la acumulación de campo magnético en la bobina de campo.
Las dinamos, generalmente impulsadas por máquinas de vapor , se utilizaban ampliamente en las centrales eléctricas para generar electricidad con fines industriales y domésticos. Desde entonces han sido reemplazados por alternadores .
Las dinamos industriales grandes con devanados en serie y en paralelo (en derivación) pueden ser difíciles de usar juntas en una planta de energía, a menos que el rotor o el cableado de campo o los sistemas de accionamiento mecánico estén acoplados en ciertas combinaciones especiales. [19]
Las dinamos se utilizaban en vehículos de motor para generar electricidad para cargar baterías. Uno de los primeros tipos fue la dinamo de tercer cepillo . Nuevamente han sido sustituidos por alternadores .
Los dínamos 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 resultar ineficiente en estas aplicaciones.
Las dinamos de manivela se utilizan en radios de relojería , linternas manuales y otros equipos impulsados por humanos para recargar baterías .
El generador utilizado para la iluminación de las bicicletas puede denominarse "dinamo", pero casi siempre son dispositivos de CA y, por lo tanto, estrictamente, se denominarían "alternadores".
máquina magnetoeléctrica.
