Generaador De Energia Estatica Van Der Graaf

CAPITULO I

PLANTEAMIENTO

Desde la antigüedad se ha convertido en un lugar común enumerar las ventajas que posee la máquina de inducción cuando se compara con otros convertidores electromecánicos de energía; mínimo costo de inversión y mantenimiento, así como la gran robustez mecánica, son las principales consideraciones en tal sentido. La primera gran batalla librada y ganada por la máquina de inducción ocurre poco tiempo después de su invención por Tesla a finales del siglo XIX. El enfrentamiento se lleva a cabo, nada más ni nada menos que contra el gran convertidor electromecánico de la época; la máquina de corriente continua. Las importantísimas consecuencias de estos escarceos iniciales han perdurado durante todo el siglo XX, y han definido en buena parte el desarrollo de los sistemas modernos de generación, transmisión y consumo de energía eléctrica.

En sus inicios la electricidad se estudia como un fenómeno interesante, con una curiosidad que se podría considerar prácticamente infantil. Son los antiguos griegos quienes en primer lugar investigan la propiedad que posee cierta sustancia resinosa denominada ámbar, del griego electron. Cuando se somete el ámbar a un proceso de frotación con un paño o un trozo de cuero, el material es capaz de atraer pequeñas partículas. En épocas mucho más recientes se descubre una propiedad atractiva similar en una piedra denominada magnetita. Este material atrae solamente algunos metales, no requiere del proceso de frotación para desarrollar el fenómeno de atracción, y esta propiedad se mantiene prácticamente inalterada.

Así mismo, en 1670 Otto von Gueriche inventa la primera máquina productora de electricidad por fricción, este desarrollo culmina alrededor de 1931 con el famoso generador de Van der Graff . Los investigadores cuentan con la primera forma artificial de obtener electricidad en magnitudes apreciables para sus experimentos.

Igualmente, las experiencias del profesor Mushenbroeck de la universidad de Leiden en 1746, permitieron que algunos años después se fabricara la famosa botella de Leiden, primer condensador capaz de almacenar electricidad por periodos largos de tiempo. Este invento permitió la realización de experimentos tan audaces y peligrosos como los realizados por Benjamín Franklin con su famosa cometa.

Con estos inventos se podía generar y almacenar electricidad en grandes cantidades, pero el flujo eléctrico que se obtenía era de muy corta duración, aun cuando podía ser de gran intensidad. De cualquier forma, hasta que Volta descubre la generación de electricidad al sumergir dos metales diferentes en un medio electrolítico, no se dispone de un generador práctico. Estas pilas primitivas producen electricidad sin recurrir a medios mecánicos, puede obtenerse un flujo eléctrico por muchísimo más tiempo, se fabrican muy fácilmente, y son infinitamente menos peligrosas que la electricidad estática obtenida por fricción.

Cabe señalar que, este desarrollo le permite a Oersted en 1819 descubrir que el flujo de la electricidad - corriente eléctrica - produce efectos atractivos y repulsivos similares a los de la magnetita. Pero es Ampère quien formula y explica teóricamente el principio de generación de los campos magnéticos a partir de la corriente eléctrica.

En el mismo orden de idea, el científico Faraday por su parte, investiga en sentido contrario y establece los principios de generación de electricidad a partir del campo magnético. Están sentadas a partir de este momento las bases fundamentales de la conversión electromecánica de energía.

Igualmente, en una secuencia vertiginosa, centrada en la mitad del siglo XIX, se suceden las invenciones de máquinas eléctricas que utilizan los principios electromagnéticos, primero para general y luego para utilizar la electricidad.

En menos de un siglo la electricidad pasa de ser una curiosidad científica a tener enormes aplicaciones prácticas. Las primeras máquinas intentan reproducir por medios mecánicos la electricidad de las pilas de Volta, esto conduce al empleo de rectificación mecánica. Nace así el generador de corriente continua. Las primeras aplicaciones prácticas de estos dinamos son la iluminación, inicialmente con lamparas de arco eléctrico y posteriormente con los bulbos incandescentes. Se descubren los principios básicos de la reversibilidad de los fenómenos electromecánicos, y aparecen entonces las primeras máquinas motrices. En la última década del siglo XIX, la máquina de corriente continua se ha consolidado completamente, y presenta prácticamente todas sus características modernas. Son utilizadas para generar la corriente que ilumina las principales capitales del mundo y para accionar los primeros tranvías eléctricos.

En consecuencia, pronto se descubren algunas limitaciones del nuevo sistema, aumentar el tamaño y potencia de los generadores, necesario para poder suplir la demanda creciente de electricidad se complica. Esto es debido a la disminución en el rendimiento de la máquina cuando se aumenta la cantidad de corriente transmitida. Aparecen las primeras ideas sobre la necesidad de incrementar los niveles de tensión para mejorar estos rendimientos. Una solución interesante de este problema consiste en conectar varios generadores en serie y alimentar las cargas de iluminación de la misma forma. Sin embargo, esto limita notablemente el rango de aplicaciones.

La aparición y desarrollo del transformador resuelve el problema de mejorar el rendimiento del sistema de transmisión, pero su principio de funcionamiento requiere el uso corriente alterna. La posibilidad de utilizar la corriente alterna en la iluminación es bien conocida, pero las aplicaciones tracción limitan la expansión de este sistema. Parece un callejón sin salida, pero la concepción teórica del campo magnético rotatorio producido con corrientes alternas en devanados fijos, desemboca rápidamente en el desarrollo de la máquina de inducción. El camino a la utilización industrial de la corriente alterna queda completamente despejado.

Así mismo, comienza el lento pero sistemático decaimiento de las aplicaciones de la corriente continua. El transformador y la máquina de inducción son una combinación de tal importancia práctica, que determinan la selección técnica de la corriente alterna en una de las primeras centrales hidroeléctrica de potencia importante, construida por Whestinhouse en los Estados Unidos de Norte América.

A partir de este momento los esfuerzos se dirigen a mejorar las características técnicas de estos equipos. El transformador se utiliza tanto para elevar los niveles de tensión y rendimiento del sistema de transmisión, como para reducir la tensión en los puntos de consumo. El motor de inducción se industrializa, se estudian en profundidad sus características, se mejoran hasta alcanzar durante los primeros treinta años del siglo XX, prácticamente los diseños actuales. Durante todo este proceso la máquina de corriente continua se utiliza solamente en aquellas aplicaciones puntuales que requieren control de velocidad o generación de corriente continua. La máquina de corriente continua es todavía prácticamente imprescindible, hoy por hoy, para la tracción de trenes eléctricos, tranvías, y metros urbanos.

Hasta hace menos de veinte años era muy frecuente su aplicación en la tracción de ascensores y como excitatriz de las máquinas sincrónicas.

Al mismo tiempo la electrónica - control de la corriente eléctrica por medios

no mecánicos - comienza su desarrollo, lento al principio, pero ya en los años 30 aparece la posibilidad de rectificar la corriente alterna para producir corriente continua, o incluso invertir la corriente continua para producir corriente alterna.

Primero se utilizan válvulas de vapor de mercurio, ignitrones y tiratrones -, y al cabo de algunos años con los dispositivos de interrupción de estado sólido.

Aparecen nuevas ideas para la aplicación, tanto de la corriente alterna como

de la corriente continua, a gran escala. La inversión estática de la corriente permite la construcción de fuentes confiables y seguras de corriente alterna cuya frecuencia y tensión son controlables. Esto determina la incorporación de la máquina de inducción en el campo del control de velocidad; otro duro golpe a la máquina de corriente continua. Los costos de la electrónica descienden rápidamente con el desarrollo de la tecnología. La diferencia de precio entre las máquinas de inducción y de corriente continua se acentúa debido a la complejidad mecánica de las primeras y a la economía de escala de estas últimas. Parece que el camino se estrecha para las aplicaciones de la corriente continua. Sin embargo, y aun cuando pudiese parecer paradógico, la propia electrónica de potencia ofrece una alternativa importante, ya no a la máquina de corriente continua, pero si a los sistemas de transmisión en corriente continua cuando se establece la necesidad de incrementar la capacidad de transmisión de los cables aislados o de las líneas muy largas.

La capacidad de transmisión está limitada por la distancia, en el caso de los cables por el incremento de la capacitancia, y en el caso de las líneas aéreas por el aumento de la reactancia. De cualquier manera la máquina de corriente continua no se aprovecha de este auge y continua en un lento, pero perceptible descenso en su ámbito de aplicación.

En la actualidad, el motor de corriente continua se continua utilizando en algunas aplicaciones que

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