Generadores Electricos

GENERADORES ELÉCTRICOS

INTRODUCCIÓN

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).

En la actualidad, la generación de C.C. se realiza mediante pilas y acumuladores o se obtiene de la conversión de C.A. a C.C. mediante los puentes rectificadores. El uso de la dinamo para la producción de energía en forma de C. C. se estuvo utilizando hasta la llegada de los alternadores, que con el tiempo la han dejado totalmente desplazada. Hoy en día únicamente se utilizan las dinamos para aplicaciones específicas, como por ejemplo, para medir las velocidades de rotación de un eje (tacodinamos), ya que la tensión que presentan en los bornes de salida es proporcional a la velocidad de la misma.

Se puede decir que una dinamo es una máquina eléctrica rotativa que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Esta máquina consta fundamentalmente de un electroimán encargado de crear un campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor, y un cilindro donde se enrollan bobinas de cobre, que se hacen girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor, que se conoce como inducido.

GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA (O DINAMOS)

1. Producción de corriente alterna en una espira que gira en el seno de un campo magnético

FIGURA 1.1. Alternador Elemental

Cuando hacemos girar una espira rectangular una vuelta completa entre las masas polares de un electroimán inductor (véase Figura 1.1), los conductores a y b del inducido cortan en su movimiento el campo magnético fijo y en ellos se induce una f.e.m. inducida cuyo valor y sentido varía en cada instante con la posición.

Cada uno de los terminales de la espira se conecta a un anillo metálico conductor, donde dos escobillas de grafito recogen la corriente inducida y la suministran al circuito exterior.

Para determinar el sentido de la corriente inducida, en cada posición de los conductores, de la espira se aplica la regla de los tres dedos de la mano derecha, pudiéndose comprobar cómo se obtiene a la salida una tensión alterna senoidal.

2. Rectificación de la corriente mediante el colector de delgas

FIGURA 1.2. Alternador Elemental

Dado que lo que deseamos es obtener corriente continua en la salida del generador, necesitamos incorporar un dispositivo que convierta la C.A. generada en C.C. Esto se consigue mediante el colector de delgas.

Si, tal como se muestra en la Figura 1.2, conectamos los dos extremos de la espira, no ya en los dos anillos colectores, sino en dos semianillos conductores aislados uno del otro, sobre los que ponemos en contacto dos escobillas que recojan la corriente, conseguiremos obtener a la salida C.C.

Cuando la espira gira, la corriente inducida cambia de sentido en una determinada posición. Si observamos atentamente en la Figura 1.3 las dos posiciones de la espira, ésta es solidaria a los dos semianillos 1 y 2 que giran con ella. Sin embargo, las escobillas A y B son fijas.

Figura 1.3. El sentido de la corriente permanece

constante en la salida de la espira gracias al

colector de delgas.

En la posición de la Figura 1.3. a, la corriente inducida en los conductores a y b posee el sentido que se indica con las flechas. El semianillo 1 está en contacto con la escobilla A, y el semianillo 2 con la escobilla B.

Al girar la espira hasta la posición de la Figura 1.3 b, la corriente inducida en los conductores a y b ha cambiado de sentido, tal como se indica con las flechas, pero como el semianillo 1 está ahora en contacto con la escobilla B y el semianillo 2 queda en contacto con la escobilla A, el sentido de la corriente no cambia en los conductores A y B que suministran energía a la carga.

En resumen, la corriente que fluye por la espira es alterna, pero el colector formado por los semianillos aislados consiguen rectificar la corriente y convertirla en continua.

Con una sola espira y dos anillos colectores conseguimos una corriente continua similar a la obtenida en un puente rectificador de onda completa, tal como se muestra en la Figura 1.4.

Figura 1.4. Aspecto de la corriente continua que se presenta a la salida del colector.

Esta corriente continua presenta muchas variaciones, o lo que es lo mismo, un rizado excesivo e indeseable. Si incluyésemos en el inducido una segunda espira situada a 90° de la primera y conectada a otros dos nuevos semianillos o delgas, obtendríamos una corriente en la salida de la dinamo como la representada en la Figura 1.5, que como se puede comprobar posee un rizado menor que en el caso de una sola espira (la corriente ya no llega a descender a cero).En este caso el colector constaría de cuatro delgas.

Figura 1.5. Corriente de salida de una dinamo

con cuatro delgas

Si incluimos en el inducido cuatro espiras con ocho delgas obtenemos una corriente de salida todavía mucho más lineal, como la representada en la Figura 1.6. En la práctica, cuando se desea obtener una tensión continua lo más rectilínea posible, se construyen dinamos con un número considerable de espiras y delgas.

Figura 1.6. Corriente de salida de una dinamo

con ocho delgas

3. Constitución de una dinamo

Las partes fundamentales de una dinamo son el inductor, el inducido, y el colector.

3.1. Inductor. El inductor es fijo y se sitúa en el estator (parte estática o sin movimiento de la máquina). Está formado por un electroimán de dos polos magnéticos en las máquinas bipolares (Figura 1.7), o de varios pares de polos en las mul-tipolares.

Figura 1.7. Inductor de un dinamo

El bobinado y las piezas polares de hierro dulce del electroimán están rodeados por una carcasa o culata de fundición o de acero moldeado que sirve de soporte a la máquina y permite el cierre del circuito magnético (véase Figura 19.13).

3.2. El inducido. El inducido es móvil y se sitúa el rotor (parte que se mueve en sentido giratorio de la máquina). Está compuesto de un núcleo magnético en forma de cilindro y constituido por chapas magnéticas apiladas, con el fin de evitar la pérdida por histéresis y corrientes parásitas, donde se bobinan las espiras con conductores de cobre esmaltados, tal como se muestra en la Figura 1.8. El núcleo de chapas dispone de una serie de ranuras donde se alojan los bobinados del inducido.

El núcleo queda fijado a un eje, cuyos extremos se deslizan apoyados en cojinetes fijos a la carcasa. De esta forma el inducido se sustenta entre las piezas polares del inductor, pudiendo ser impulsado en un movimiento de rotación rápido.

3.3. El colector. En eí eje del inducido se fija el colector de delgas formado por láminas de cobre electrolítico con el fin de poderle conectar los diferentes circuitos del inducido. Las delgas se aislan del eje y entre sí por hojas de mica (Figura 1.9).

Figura 1.9. Colector de delgas

La corriente se recoge en el colector con la ayuda de dos o varios contactos deslizantes de grafito o de carbón puro, llamados escobillas (Figura 1.10).

Figura 1.10. Escobillas

Cada escobilla se monta en un portaescobillas, que asegura la presión de la misma contra el colector mediante muelles (Figura 1.11). Dé las escobillas parten los conductores que se conectan a la placa de bornas de la dinamo, de donde se conectarán al circuito exterior. Dada la fricción a la que se somete a las escobillas, se produce un desgaste progresivo de las mismas que limita su vida útil, teniendo que reponerlas cada ciertos períodos de tiempo.

Figura 1.11. Portaescobillas

4. Circuito magnético de una dinamo

En la Figura 1.12 se ha representado el circuito recorrido por las líneas de fuerza del campo magnético inductor. Éstas se cierran a través de las piezas polares del electroimán, el inducido y la carcasa o culata de la dinamo.

Figura 1.12. Circuito magnético de una dinamo.

Es importante hacer notar que las líneas de fuerza deben transcurrir por un pequeño espacio no ferromagnético existente entre las piezas polares y el entrehierro. Nos referimos al entrehierro formado por aire. Dado que las líneas de fuerza se establecen muy mal por el entrehierro, se intenta reducir al máximo su tamaño, procurando que esto no impida que el rotor pueda girar libremente y sin fricciones.

5. Fuerza electromotriz generada por una dinamo

El valor de la fuerza electromotriz se obtiene aplicando el principio de inducción electromagnética, por lo que dependerá del flujo magnético que corten los conductores, así como de lo rápido que lo hagan y del número de ellos. La expresión que

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