En la generación de electricidad , un generador [1] es un dispositivo que convierte energía basada en el movimiento ( energía potencial y cinética ) o energía basada en combustible ( energía química ) en energía eléctrica para su uso en un circuito externo . Las fuentes de energía mecánica incluyen turbinas de vapor , turbinas de gas , turbinas hidráulicas , motores de combustión interna , turbinas eólicas e incluso manivelas . El primer generador electromagnético, el disco de Faraday , fue inventado en 1831 por el científico británico Michael Faraday . Los generadores suministran casi toda la energía a las redes eléctricas .
Además de los diseños basados en electricidad y movimiento, los generadores fotovoltaicos y de pilas de combustible utilizan energía solar y combustibles a base de hidrógeno, respectivamente, para generar producción eléctrica.
La conversión inversa de energía eléctrica en energía mecánica se realiza mediante un motor eléctrico , y los motores y generadores son muy similares. Muchos motores pueden generar electricidad a partir de energía mecánica.
Los generadores electromagnéticos se dividen en una de dos categorías amplias: dinamos y alternadores.
Mecánicamente, un generador consta de una parte giratoria y una parte estacionaria que juntas forman un circuito magnético :
Una de estas partes genera un campo magnético, la otra tiene un alambre enrollado en el que el campo cambiante induce una corriente eléctrica:
La armadura puede estar en el rotor o en el estator, según el diseño, con la bobina de campo o el imán en la otra parte.
Antes de que se descubriera la conexión entre el magnetismo y la electricidad , se inventaron los generadores electrostáticos . Operaban según principios electrostáticos , mediante el uso de correas, placas y discos móviles cargados eléctricamente que llevaban la carga a un electrodo de alto potencial. La carga se generó mediante cualquiera de dos mecanismos: inducción electrostática o efecto triboeléctrico . Estos generadores generaban muy alto voltaje y baja corriente . Debido a su ineficiencia y a la dificultad de aislar máquinas que producían voltajes muy altos, los generadores electrostáticos tenían potencias nominales bajas y nunca se utilizaron para generar cantidades comercialmente significativas de energía eléctrica. Sus únicas aplicaciones prácticas fueron alimentar los primeros tubos de rayos X y, más tarde, en algunos aceleradores de partículas atómicas .
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 .
Brage también construyó el primer generador electromagnético, llamado disco de Faraday ; un tipo de generador homopolar , que utiliza un disco de cobre que gira entre los polos de un imán en forma de herradura . Produjo un pequeño voltaje de CC .
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. Los experimentadores descubrieron que el uso de múltiples vueltas de cable en una bobina podría producir voltajes más altos y útiles. Dado que el voltaje de salida es proporcional al número de vueltas, los generadores podrían diseñarse fácilmente para producir cualquier voltaje deseado variando el número de vueltas. Los devanados de alambre se convirtieron en una característica básica de todos los diseños de generadores posteriores.
Independientemente de Faraday, Ányos Jedlik comenzó a experimentar en 1827 con dispositivos giratorios electromagnéticos a los que llamó autorrotores electromagnéticos . En el prototipo de arranque eléctrico unipolar (terminado entre 1852 y 1854) tanto la parte estacionaria como la giratoria eran electromagnéticas. También fue el descubrimiento del principio de autoexcitación de la dinamo , [2] que reemplazó los diseños de imanes permanentes. También pudo haber formulado el concepto de dinamo en 1861 (antes de Siemens y Wheatstone ), pero no lo patentó porque pensó que no era el primero en darse cuenta de ello. [3]
Una bobina de alambre que gira en un campo magnético produce una corriente que cambia de dirección con cada rotación de 180°, una corriente alterna (CA). Sin embargo, muchos de los primeros usos de la electricidad requerían corriente continua (CC). En los primeros generadores eléctricos prácticos, llamados dinamos , la CA se convertía en CC con un conmutador , un conjunto de contactos de interruptor giratorios en el eje de la armadura. El conmutador invirtió la conexión del devanado de la armadura al circuito cada rotación de 180° del eje, creando una corriente continua pulsante. Una de las primeras dinamos fue construida por Hippolyte Pixii en 1832.
La dinamo fue el primer generador eléctrico capaz de suministrar energía para la industria. El generador eléctrico Woolrich de 1844, ahora en Thinktank, Museo de Ciencias de Birmingham , es el primer generador eléctrico utilizado en un proceso industrial. [4] Fue utilizado por la firma Elkingtons para galvanoplastia comercial . [5] [6] [7]
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. [8] 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.
Hoy en día rara vez se ven grandes dinamos de generación de energía debido al uso casi universal de corriente alterna para la distribución de energía. Antes de la adopción de la CA, las dinamos de corriente continua de gran tamaño eran el único medio de generación y distribución de energía. La CA ha llegado a dominar debido a la capacidad de la CA de transformarse fácilmente hacia y desde voltajes muy altos para permitir bajas pérdidas en grandes distancias.
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A través de una serie de descubrimientos, a la dinamo le sucedieron muchos inventos posteriores, especialmente el alternador de CA , que era capaz de generar corriente alterna . Se los conoce comúnmente como Generadores Síncronos (SG). Las máquinas síncronas están conectadas directamente a la red y deben sincronizarse correctamente durante el inicio. [10] Además, se excitan con un control especial para mejorar la estabilidad del sistema de energía. [11]
Los sistemas generadores de corriente alterna se conocieron en formas simples gracias al descubrimiento original de Michael Faraday de la inducción magnética de la corriente eléctrica . El propio Faraday construyó uno de los primeros alternadores. Su máquina era un "rectángulo giratorio", cuyo funcionamiento era heteropolar : cada conductor activo pasaba sucesivamente por regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas. [12]
Un electricista británico, JEH Gordon , construyó grandes generadores de corriente alterna bifásicos en 1882. La primera demostración pública de un "sistema de alternador" la realizó William Stanley Jr. , un empleado de Westinghouse Electric en 1886. [13]
Sebastian Ziani de Ferranti fundó Ferranti, Thompson and Ince en 1882, para comercializar su alternador Ferranti-Thompson , inventado con la ayuda del renombrado físico Lord Kelvin . [14] Sus primeros alternadores producían frecuencias entre 100 y 300 Hz . Ferranti pasó a diseñar la central eléctrica de Deptford para London Electric Supply Corporation en 1887 utilizando un sistema de corriente alterna. Cuando se completó en 1891, fue la primera central eléctrica verdaderamente moderna, que suministraba energía CA de alto voltaje que luego se "reducía" para uso de los consumidores en cada calle. Este sistema básico sigue utilizándose hoy en día en todo el mundo.
Después de 1891, se introdujeron alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. [15] Los alternadores posteriores fueron diseñados para variar las frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hercios, para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. [dieciséis]
A medida que aumentaron los requisitos para la generación de energía a mayor escala, surgió una nueva limitación: los campos magnéticos disponibles a partir de imanes permanentes. Desviar una pequeña cantidad de la energía generada por el generador a una bobina de campo electromagnético permitió que el generador produjera sustancialmente más energía. Este concepto fue denominado autoexcitación .
Las bobinas de campo están conectadas en serie o en paralelo con el devanado del inducido. Cuando el generador comienza a girar por primera vez, la pequeña cantidad de magnetismo remanente presente en el núcleo de hierro proporciona un campo magnético para ponerlo en marcha, generando una pequeña corriente en la armadura. Este fluye a través de las bobinas de campo, creando un campo magnético más grande que genera una corriente de armadura más grande. Este proceso de "arranque" continúa hasta que el campo magnético en el núcleo se nivela debido a la saturación y el generador alcanza una salida de energía en estado estable.
Los generadores de centrales eléctricas muy grandes a menudo utilizan un generador más pequeño separado para excitar las bobinas de campo de los más grandes. En caso de un corte de energía severo y generalizado en el que se haya producido el aislamiento de las centrales eléctricas, es posible que las estaciones deban realizar un arranque en negro para excitar los campos de sus generadores más grandes, a fin de restaurar el servicio de energía al cliente.
Una dinamo utiliza conmutadores para producir corriente continua. Es autoexcitado , es decir, sus electroimanes de campo se alimentan de la propia salida de la máquina. Otros tipos de generadores de CC utilizan una fuente separada de corriente continua para energizar sus imanes de campo.
Un generador homopolar es un generador eléctrico de CC que comprende un disco o cilindro eléctricamente conductor que gira en un plano perpendicular a un campo magnético estático uniforme. Se crea una diferencia de potencial entre el centro del disco y el borde (o extremos del cilindro), dependiendo la polaridad eléctrica de la dirección de rotación y de la orientación del campo.
También se le conoce como generador unipolar , generador acíclico , dinamo de disco o disco de Faraday . El voltaje suele ser bajo, del orden de unos pocos voltios en el caso de modelos de demostración pequeños, pero los grandes generadores de investigación pueden producir cientos de voltios, y algunos sistemas tienen múltiples generadores en serie para producir un voltaje aún mayor. [17] Son inusuales porque pueden producir una tremenda corriente eléctrica, algunas de más de un millón de amperios , porque se puede hacer que el generador homopolar tenga una resistencia interna muy baja.
Un generador magnetohidrodinámico extrae directamente energía eléctrica del movimiento de gases calientes a través de un campo magnético, sin el uso de maquinaria electromagnética giratoria. Los generadores MHD se desarrollaron originalmente porque la salida de un generador MHD de plasma es una llama, capaz de calentar las calderas de una planta de energía de vapor . El primer diseño práctico fue el AVCO Mk. 25, construida en 1965. El gobierno de EE. UU. financió un desarrollo sustancial, que culminó con una planta de demostración de 25 MW en 1987. En la Unión Soviética, desde 1972 hasta finales de los años 1980, la planta MHD U 25 estuvo en operación regular en el sistema eléctrico de Moscú con una potencia de 25 MW, la potencia de planta MHD más grande del mundo en ese momento. [18] Los generadores MHD operados como ciclo superior son actualmente (2007) menos eficientes que las turbinas de gas de ciclo combinado .
Los motores de CA de inducción se pueden utilizar como generadores, convirtiendo la energía mecánica en corriente eléctrica. Los generadores de inducción funcionan girando mecánicamente su rotor más rápido que la velocidad simultánea, lo que produce un deslizamiento negativo. Un motor no simultáneo de CA normal normalmente se puede utilizar como generador, sin ningún cambio en sus piezas. Los generadores de inducción son útiles en aplicaciones como minicentrales hidroeléctricas, turbinas eólicas o para reducir corrientes de gas de alta presión a una presión más baja, porque pueden recuperar energía con controles relativamente simples. No requieren de otro circuito para empezar a funcionar porque el campo magnético de giro lo proporciona la inducción del que tienen. Tampoco requieren equipo de regulador de velocidad, ya que operan inherentemente a la frecuencia de la red conectada.
Un generador de inducción debe alimentarse con un voltaje principal; Esto generalmente se hace conectándolo a una red eléctrica o alimentándose con capacitores correctores de fase.
En la forma más simple de generador eléctrico lineal, un imán deslizante se mueve hacia adelante y hacia atrás a través de un solenoide , un cable de cobre o una bobina. La ley de inducción de Faraday induce una corriente alterna en el cable, o en los bucles de cable, cada vez que el imán se desliza. Este tipo de generador se utiliza en la linterna Faraday . En los sistemas de energía undimotriz se utilizan generadores de electricidad lineales de mayor tamaño .
Los generadores conectados a la red entregan energía a una frecuencia constante. Para generadores del tipo síncrono o de inducción, la velocidad del motor cebador que hace girar el eje del generador debe ser a una velocidad particular (o rango estrecho de velocidad) para entregar energía a la frecuencia de servicio requerida. Los dispositivos mecánicos de regulación de velocidad pueden desperdiciar una fracción significativa de la energía de entrada para mantener una frecuencia fija requerida.
Cuando no sea práctico o no se desee regular estrictamente la velocidad del motor primario, se pueden utilizar como generadores máquinas eléctricas doblemente alimentadas . Con la ayuda de dispositivos electrónicos de potencia, estos pueden regular la frecuencia de salida a un valor deseado en un rango más amplio de velocidades del eje del generador. Alternativamente, se puede utilizar un generador estándar sin intentar regular la frecuencia, y la potencia resultante se puede convertir a la frecuencia de salida deseada con una combinación de rectificador y convertidor. Permitir una gama más amplia de velocidades del motor primario puede mejorar la producción general de energía de una instalación, a costa de generadores y controles más complejos. Por ejemplo, cuando una turbina eólica que funciona a una frecuencia fija podría necesitar derramar energía a altas velocidades del viento, un sistema de velocidad variable puede permitir la recuperación de la energía contenida durante períodos de alta velocidad del viento.
Una central eléctrica , también conocida como central eléctrica o casa de máquinas y en ocasiones estación generadora o planta generadora , es una instalación industrial que genera electricidad . La mayoría de las centrales eléctricas contienen uno o más generadores o máquinas de hilar que convierten la energía mecánica en energía eléctrica trifásica . El movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor crea una corriente eléctrica . La fuente de energía aprovechada para hacer girar el generador varía ampliamente. La mayoría de las centrales eléctricas del mundo queman combustibles fósiles como carbón , petróleo y gas natural para generar electricidad. Las fuentes más limpias incluyen la energía nuclear y utilizan cada vez más energías renovables como el sol , el viento , las olas y el agua corriente .
Los vehículos de motor necesitan energía eléctrica para alimentar sus instrumentos, mantener el motor en funcionamiento y recargar sus baterías. Hasta aproximadamente la década de 1960, los vehículos de motor tendían a utilizar generadores de CC (dinamos) con reguladores electromecánicos. Siguiendo la tendencia histórica anterior y por muchas de las mismas razones, ahora han sido reemplazados por alternadores con circuitos rectificadores incorporados .
Las bicicletas requieren energía para alimentar las luces de marcha y otros equipos. Hay dos tipos comunes de generadores que se utilizan en bicicletas: dinamos de botella que activan el neumático de la bicicleta según sea necesario y dinamos de buje que están conectados directamente al tren motriz de la bicicleta. El nombre es convencional ya que se trata de pequeños alternadores de imanes permanentes, no máquinas de CC autoexcitadas como las dinamos . Algunas bicicletas eléctricas son capaces de realizar un frenado regenerativo , donde el motor de accionamiento se utiliza como generador para recuperar algo de energía durante el frenado.
Los veleros pueden utilizar un generador de agua o viento para cargar lentamente las baterías. Una pequeña hélice , aerogenerador o turbina se conecta a un generador de baja potencia para suministrar corrientes a velocidades típicas de viento o de crucero.
Los vehículos recreativos necesitan una fuente de alimentación adicional para alimentar sus accesorios a bordo, incluidas unidades de aire acondicionado y refrigeradores. Se conecta un enchufe de alimentación para vehículos recreativos al generador eléctrico para obtener un suministro de energía estable. [19]
Los patinetes eléctricos con frenado regenerativo se han vuelto populares en todo el mundo. Los ingenieros utilizan sistemas de recuperación de energía cinética en el scooter para reducir el consumo de energía y aumentar su autonomía hasta un 40-60% simplemente recuperando energía mediante el freno magnético, que genera energía eléctrica para su uso posterior. Los vehículos modernos alcanzan una velocidad de 25 a 30 km/h y pueden recorrer entre 35 y 40 km.
Un motor-generador es la combinación de un generador eléctrico y un motor (motor primario) montados juntos para formar una sola pieza de equipo autónomo. Los motores utilizados suelen ser motores de pistón, pero también se pueden utilizar turbinas de gas, e incluso existen unidades híbridas diésel-gas, denominadas unidades de combustible dual. Están disponibles muchas versiones diferentes de motogeneradores, desde muy pequeños grupos portátiles propulsados por gasolina hasta grandes instalaciones de turbinas. La principal ventaja de los generadores de motores es la capacidad de suministrar electricidad de forma independiente, lo que permite que las unidades sirvan como fuentes de energía de respaldo. [20]
Un generador también puede funcionar con la fuerza de los músculos humanos (por ejemplo, en los equipos de las estaciones de radio de campo).
Los generadores eléctricos de propulsión humana están disponibles comercialmente y han sido el proyecto de algunos entusiastas del bricolaje . Estos generadores, que normalmente funcionan mediante pedaleo, una bicicleta de entrenamiento reconvertida o una bomba de pie, se pueden utilizar prácticamente para cargar baterías y, en algunos casos, están diseñados con un inversor integral. Un "humano sano" promedio puede producir de manera constante 75 vatios (0,1 caballos de fuerza) durante un período completo de ocho horas, mientras que un "atleta de primera clase" puede producir aproximadamente 298 vatios (0,4 caballos de fuerza) durante un período similar, al final del cual un Se requerirá un período indeterminado de descanso y recuperación. Con 298 vatios, el "humano sano" medio se agota en 10 minutos. [22] La energía eléctrica neta que se puede producir será menor, debido a la eficiencia del generador. Los receptores de radio portátiles con manivela están fabricados para reducir los requisitos de compra de baterías, véase radio reloj . A mediados del siglo XX, las radios de pedal se utilizaban en todo el interior de Australia para cubrir necesidades escolares ( Escuela del Aire ), médicas y de otro tipo en estaciones y pueblos remotos.
Un tacogenerador es un dispositivo electromecánico que produce un voltaje de salida proporcional a la velocidad de su eje. Puede usarse como indicador de velocidad o en un sistema de control de velocidad por retroalimentación. Los tacogeneradores se utilizan con frecuencia para alimentar tacómetros que miden las velocidades de motores eléctricos, motores y los equipos que alimentan. Los generadores generan un voltaje aproximadamente proporcional a la velocidad del eje. Con una construcción y un diseño precisos, se pueden construir generadores para producir voltajes muy precisos para ciertos rangos de velocidades del eje. [ cita necesaria ]
En el diagrama adyacente se muestra un circuito equivalente de un generador y una carga. El generador está representado por un generador abstracto que consta de una fuente de voltaje ideal y una impedancia interna. Los parámetros del generador se pueden determinar midiendo la resistencia del devanado (corregida a la temperatura de funcionamiento ) y midiendo el circuito abierto y el voltaje cargado para una carga de corriente definida.
Este es el modelo más simple de un generador; es posible que sea necesario agregar más elementos para una representación precisa. En particular, se puede agregar inductancia para tener en cuenta los devanados de la máquina y el flujo de fuga magnética, [23] pero una representación completa puede volverse mucho más compleja que esto. [24]
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