Almacenamiento y Generación de Electricidad

 

Sistema de generación y almacenamiento de electricidad del automóvil Este sub-sistema del  del sistema eléctrico del automóvil del automóvil está constituido comúnmente por cuatro componentes; el generador, el generador, el  el regulador de voltaje, que puede estar como elemento independiente o incluido en el generador, la  la  batería de acumuladores y el interruptor de la excitación del generador.

Figura 0-1. esquema general del sistema de generación y almacenamiento

El borne negativo de lapor batería de acumuladores está conectado a tierra para queque todos los circuitos del sistema se cierren esa vía. Del borne positivo sale un conductor grueso se conecta a la salida del generador, por este conductor circulará la corriente de carga de la batería producida por el generador. Esta corriente en los generadores modernos puede estar en el orden de 100 amperios. De este cable, parte uno para el indicador de la carga de la batería en el tablero de instrumentos, generalmente un voltímetro un voltímetro en los vehículos actuales. Este indicador mostrará al conductor el estado de trabajo del sistema. Desde el borne positivo de la batería también se alimenta, a través de un fusible, el interruptor del encendido. Cuando se conecta este interruptor se establece la corriente de excitación del generador y se pone en marcha el motor, la corriente de excitación será regulada para garantizar un valor preestablecido y estable en el voltaje de salida del generador. Este valor preestablecido corresponde al máximo valor del voltajecargado, nominalnodel acumulador acumulador    durante la ycarga, carga,    de modo cuando este, esté completamente circule alta corriente por él así protegerlo deque sobrecarga.

 

Con este esquema de conexiones (Figura 0-1) se 0-1) se garantiza que una vez puesto en marcha el motor, ya el generador tenga la corriente de excitación y comience rápidamente a generar electricidad para restituir el estado de carga completa del acumulador, y alimentar el resto de los consumidores. En un principio se utilizaba un dínamo como generador de corriente directa, pero éste fue desplazado por los alternadores. Se define como generador eléctrico a toda máquina que transforma la energía mecánica en electricidad, generalmente por medio de la inducción electromagnética. La energía mecánica se puede tomar directa o indirectamente del movimiento del motor; la eléctrica se manipula adecuadamente para su consumo directo o para su almacenaje en un acumulador o en una batería. El generador que produce corriente alterna se denomina alternador, el que produce corriente continua se denomina dinamo.

El Alternador El alternador es el encargado de proporcionar la energía eléctrica necesaria a los consumidores del automóvil (encendido, luces, motores de limpia-parabrisas, cierre centralizado, etc.), también sirve para cargar la batería. Antiguamente en los coches se montaba una dinamo en vez de un alternador, pero se dejó de usar por que el alternador tiene menor volumen y peso para una misma potencia útil. Además, el alternador entrega su potencia nominal a un régimen de revoluciones bajo; esto le hace ideal para vehículos que circulan frecuentemente en ciudad, ya que el alternador carga la batería incluso con el motor funcionando a ralentí.

Figura 0-2. Promedio del tiempo de diversos regímenes del motor de un autobus

Por otra parte, debido al incremento del tráfico urbano, el motor del vehículo se ve obligado a girar a velocidades muy bajas o a ralentí; a pesar de todo es necesario satisfacer las necesidades de energía aún en estas condiciones adversas. Donde más se advierte esto es, por ejemplo, en los autobuses de servicio urbano en grandes ciudades con circulación intensa. La Figura La Figura 0-2 muestra el promedio (en tantos por cientos señalados a la izquierda) del tiempo que un motor de autobús gira a diversas velocidades de rotación. El 35% de su funcionamiento lo hace al ralentí (unas 400 revoluciones por minuto), mientras que la dinamo empieza empieza a cargar a 500 o más rpm. Como además en estos vehículos el consumo por alumbrado interior y otros servicios es muy alto, fue en ellos

 

donde primero se usaron los alternadores (con rectificador de comente para los usos de batería). La línea D corresponde a la característica de la dinamo, en más del 40% del tiempo de funcionamiento funcionamiento no carga. La curva A es la característica de un alternador de análoga potencia: en ralentí ya da 30 amperios, con lo que se asegura la debida alimentación de la batería. Por su constitución el alternador puede girar a mayor número de revoluciones que la dinamo (limitada por su colector y escobillas), consiguiéndose una mayor potencia para el mismo peso y volumen. Esta posibilidad unida a que el alternador inicia su carga a unas revoluciones inferiores a la dinamo, permite en la mayoría de los casos alimentar los servicios y cargar el acumulador estando el vehículo al ralentí. El acumulador queda prácticamente reducido a un elemento necesario para la puesta en marcha del vehículo, encontrándose siempre cargado y dispuesto para realizar sus funciones. Las limitaciones de la dinamo, las salvan los alternadores de la siguiente manera:  Los anillos rozantes de los altemadores, que guardan una cierta relación aparente con el colector, no presentan el inconveniente de las chispas de naturaleza %eléctrica que en éste último se generan, puesto que la comente que por ellos circula es contínua (y por lo tanto sin cambio de sentido), de mucha menos intensidad ("excitación" del inductor solamente), y o no se producen "rupturas" como entre las delgas del colector y sus correspondientes escobillas. Los anillos son totalmente cerrados y, por ello, rígidos desde el punto de vista mecánico. 

 El devanado del rotor puede ser único y realizado en torno al propio eje de la máquina. De hecho,

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es así en la casi totalidad de las marcas y modelos, teniendo también, gracias a eso, una gran rigidez mecánica. De esta forma, el alternador, además de empezar a cargar "antes" (por debajo de la marcha en ralentí), puede alcanzar hasta el 15.000 rpm, superando todo inconveniente por alta, aunque sea la velocidad alcanzada por el vehículo. La dificultad para el empleo del alternador estaba en el rectificador necesario para convertir su corriente alterna, CA, en corriente contínua, CC, forma indispensable para la imprescindible imprescindible batería. El alternador igual que el motor de arranque se rodea de un circuito eléctrico que es igual para todos los vehículos.

Figura 0-3. Conexión de conjunto batería-alternador-regulador de tensión

El circuito que rodea el alternador se denomina circuito de carga que está formado por: el propio alternador, la batería y el regulador de tensión. Este último elemento sirve para que la tensión que

 

proporciona el alternador se mantenga siempre constante aprox. 12 V. El borne positivo del alternador se conecta directamente al positivo de la batería y al borne + del regulador de tensión, cuyo borne EXC se conecta al borne EXC del alternador. La energía eléctrica proporcionada por el alternador está controlada por el regulador de tensión, esta energía es enviada hacia la batería, donde queda almacenada, y a los circuitos eléctricos que proporcionan energía eléctrica a los distintos consumidores (encendido, luces, radio, cierre centralizado etc.).

Descripción y funcionamiento del alternador

Figura 0-4. Despiece de alternador  

El alternador está formado básicamente por los siguientes elementos  elementos   Figura 0-4.  0-4.  La carcasa o envolvente formada por las piezas 1 y 2, que se sujetan entre sí por espárragos; dentro del cárter así formado y fijo a la carcasa va el inducido o estatór 3 constituido por un paquete de láminas de acero troqueladas en forma de corona circular; unas ranuras, situadas en el diámetro interior del mismo, sirven de alojamiento al arrollamiento del inducido. En el interior de la carcasa gira el rotor 4 cuyo eje se apoya en 1 y 2 mediante rodamiento de bolas o cojinete de agujas. Ambos apoyos suelen venir con un depósito de lubricante sellado, de modo que no haya que ocuparse de su engrase. La tapa 2 lleva montado el porta-escobillas 5, asegurando la unión eléctrica con el inducido o rotor; en ella también van montados los diodos rectificadores con su soporte refrigerador 6 y los bornes del alternador. La tapa 1, 1 , del lado de accionamiento, deja paso al eje del rotor para que en su extremo se monte la polea de arrastre 7 y el ventilador 8. El rotor 4, formado por una bobina única, montada entre dos colectores de flujo magnético o expansiones polares en forma de dientes, presenta una serie consecutiva de polos N y S. La alimentación de esta bobina se realiza a través de los dos anillos rozantes 9, a los cuales se encuentran soldados los

 

extremos de la bobina. Todas las piezas se encuentran montadas sobre un eje formando un conjunto robusto y resistente a la acción de la fuerza centrífuga. El condensador 10. Al ser accionado el alternador, mediante la polea de arrastre por la que recibe el giro desde el cigüeñal por una correa, el rotor va enfrentando sucesivamente los polos N y S de sus expansiones polares con los dientes del estátor, creando corrientes alternas inducidas en los arrollamientos del mismo. El reforzamiento del campo magnético de las expansiones polares se lleva a cabo o bien alimentando la bobina del rotor desde la batería o bien, como en la mayoría de los alternadores hoy día, en los alternadores "auto excitados", utilizando en la bobina inductora del rotor parte de la corriente generada por el mismo. En el primer caso, los polos del rotor no tienen magnetismo residual siendo de excitación externa y en el segundo sí, al ser de excitación interna, o, como se ha señalado, auto excitado. La corriente es monofásica o trifásica según la disposición y conexionado de los arrollamientos del inducido. En la mayoría de los alternadores, la llave de contacto del vehículo cierra el circuito batería-bobina del rotor, ya sea a través del regulador o de la lámpara de control, con lo que se consigue que el alternador empiece a producir comente inmediatamente después de efectuado el arranque. En algunos alternadores equipados con regulador electrónico y que no disponen de lámpara de control, no existe dicha conexión, siendo necesario efectuar un pequeño acelerón, después de realizado el arranque, para que el alternador cargue; en estos modelos, la bobina del rotor es alimentada durante las primeras vueltas del alternador con la comente producida por el magnetismo remanente de las expansiones polares. La corriente generada en el estátor, inicialmente alterna, se transforma en continua por medio de unos diodos de rectificación. Con el fin de amortiguar y suavizar la tensión de salida, de valor pulsatorio más o menos acentuado, suele conectarse entre los bornes un condensador. El ventilador, que gira acoplado al eje del rotor, produce una corriente de aire forzada a través del alternador, pasando por el soporte refrigerador donde están montados los diodos de rectificación. Esta corriente es muy importante para la duración de los diodos, ya que la temperatura elevada afecta gravemente su funcionamiento. Causas de fallo

En un alternador solo hay una pieza en movimiento, el rotor, este está montado en cojinetes de bolas (uno en cada extremo) y tiene acoplado en el eje de salida la polea de donde recibirá el movimiento desde el motor a través de la correa. Otra parte vulnerable del alternador son las escobillas de deslizamiento, como funcionan deslizándose sobre los anillos colectores transmitiendo la corriente al rotor, es natural que se desgasten con el uso. El resto de las piezas tienen teóricamente" una vida ilimitada (o extremadamente larga) y rara vez son causa de fallo del alternador. Por este motivo la reparación del alternador en caso de fallo, puede ser ejecutado por cualquiera, ya que en la inmensa mayoría de los casos se limita a la sustitución de las escobillas, elemento con un 5-10% del valor de un nuevo alternador. Estas escobillas en muchos casos pueden sustituirse incluso, sin desmontar el alternador del coche. Un caso menos frecuente es la rotura de los cojinetes de bolas, para esto hay que separar las tapas de la carcasa y sustituirlos. Los cojinetes de bolas tienen en general una larga vida. Solo son necesarias una pocas herramientas para hacer la reparación, siendo en algunas ocasiones lo más difícil la extracción de la polea.

 

Regulador de tensión

Figura 0-5. Regulador de tensión montado a carcasa de alternador  

La tensión e intensidad producida por un generador son valores que varían en función de su velocidad de rotación. La electricidad necesaria para el encendido, alumbrado, carga de la batería y demás aparatos eléctricos del automóvil es suministrada por el generador, que ha de proporcionar una tensión aproximadamente constante sea cual fuere la velocidad de arrastre del motor. Por otro lado, el consumo de corriente experimenta grandes alteraciones en función de los elementos en servicio. Pues bien: aun teniendo en cuenta estas amplias variaciones de revoluciones y consumo, y añadiendo el inconveniente de que no se necesita más corriente cuando el generador gira más deprisa, se le sigue exigiendo una tensión prácticamente constante. Para cumplir estos requisitos se recurre a la utilización del regulador; que mantiene constante su tensión sean cuales fueren las condiciones de funcionamiento y utilización. El regulador de tensión hasta los años 80 venia separado del alternador. Estaba constituido por dos o tres elementos electro-magnéticos según los casos, era voluminoso y más propenso a las averías que los pequeños reguladores de tensión electrónicos utilizados después de los años 80 hasta hoy en día. Son reguladores electrónicos de pequeño tamaño y que van acoplados a la carcasa del alternador como se ve en la Figura la  Figura 0-5. Regulador de tensión montado a carcasa de alternador.  alternador.  Los reguladores electrónicos tienen menos averías debido a que carecen c arecen de elementos mecánicos, sometidos siempre a desgastes y dilataciones. Los reguladores r eguladores electrónicos no tienen arreglo, si se estropean se sustituyen por otro nuevo.

Rectificador de corriente La dificultad para el empleo del alternador estaba en el rectificador necesario para convertir su comente alterna (CA) en corriente continua (CC), para alimentar la batería. Los conjuntos rectificadores están compuestos básicamente por diodos de silicio. Su funcionamiento se puede comparar al de una válvula que deja pasar a la corriente en un sentido y en el otro no. En función del extremo del diodo en contacto con el envase metálico que lo recubre y le sirve de sujeción al soporte rectificador, se clasifican en los tipos: "cátodo base" y "ánodo base". Así se define también el sentido en que el diodo deja pasar la comente. El número y conexionado de los diodos depende del tipo de alternador al que estén acoplados. Como se sabe la corriente generada por el alternador trifásico no es adecuada para la batería ni tampoco para la alimentación de los consumidores del vehículo. Es necesario rectificarla. Una

 

condición importante para la rectificación es disponer de diodos de potencia aptos para funcionar en un amplio intervalo de temperatura. El rectificador está formado por un puente de 6 o 9 diodos de silicio, puede ir montado directamente en la carcasa lado anillos rozantes o en un soporte (placa) en forma de "herradura", conexionados a cada una de las fases del estator, formando un puente rectificador, obteniéndose a la salida del mismo una tensión de corriente continua. Los diodos se montan en esta placa de manera que tres de ellos quedan conectados a masa por uno de sus lados y los otros tres al borne de salida de corriente del alternador, también por uno de sus lados. El lado libre de los seis queda conectado a los extremos de las fases de las bobinas del estator.

Figura 0-6. Esquema eléctrico báisco de un alternador

Los alternadores, con equipo rectificador de 9 diodos (nanodiodo), incorporan tres diodos más al puente rectificador normal, utilizándose esta conexión auxiliar para el control de la luz indicadora de carga y para la alimentación del circuito de excitación. El calentamiento de los diodos está limitado y, por ello, debe evacuarse el calor de las zonas donde se alojan, tanto los de potencia como los de excitación. Con este fin se montan los diodos sobre cuerpos de refrigeración, que por su gran superficie y buena conductividad térmica son capaces de evacuar rápidamente el calor a la corriente de aire refrigerante. En algunos casos, para mejorar esta función, están provistos de aletas. La fijación de la placa portadiodos a la carcasa del alternador se realiza con interposición de casquillos aislantes, como se ve en la Figura la  Figura 0-7. Puente nano diodo

Figura 0-7. Puente nano diodo

 

 

Figura 0-8. Despiece de un puente rectificador

En la  la  Figura 0-9. Esquema eléctrico y foto de un puente rectificador (nano diodo)t enemos otra variante de puente de diodos más moderno.

Figura 0-9. Esquema eléctrico y foto de un puente rectificador (nano diodo)

No vamos a entrar en el modo de funcionamiento funcionamiento de los diodos simplemente decir que un diodo se comporta idealmente como una válvula anti retorno en un circuito neumático e hidráulico, según como están polarizados los diodos en sus extremos deja pasar la corriente eléctrica o no la deja pasar. Los diodos utilizados en el automóvil pueden ser de dos tipos: de "ánodo común" son los que tienen conectado el ánodo a la parte metálica que los sujeta (la herradura que hemos visto antes) y que está conectada a masa. De "cátodo común" son los diodos que tienen el cátodo unido a la parte metálica que los sujeta (masa).

 

  Figura 0-10. Funcionamiento de diodos

El diodo rectificador hace que se supriman las semiondas negativas y solo se dejan pasar las semiondas positivas de forma que se genere una corriente continua pulsatoria. A fin de aprovechar para la rectificación todas las semiondas, incluso las negativas suprimidas, se aplica una rectificación doble o de onda completa. Para aprovechar tanto las semiondas positivas como las negativas de cada fase (rectificación de onda completa), se dispone de dos diodos para cada fase, uno en el lado positivo y otro en el negativo, siendo necesarios en total seis diodos de potencia en un alternador trifásico. Las semiondas positivas pasan por los diodos del lado positivo y las semiondas negativas por los diodos del lado negativo, quedando así rectificadas. La rectificación completa con el puente de diodos origina la suma de las envolventes positivas y negativas de estas semiondas (gráfica del medio), por lo que se obtiene del alternador una tensión levemente ondulada. La corriente eléctrica que suministra el alternador por los terminales t erminales B+ y B-, no es lisa, como sería lo ideal (linea roja de la gráfica inferior), sino que es ligeramente ondulada (gráfica inferior). Esta ondulación se reduce por efecto de la batería, conectada en paralelo con el alternador, y, en su caso, por medio de condensadores instalados en el sistema eléctrico del vehículo.

Figura 0-11. Formas de ondas que se dan en u un n alternador

 

LA BATERIA DE ACUMULADORES

Figura 0-12. Vista de acumulador real seccionado mostrando sus detalles constructivos 

La corriente eléctrica del generador se produce cuando gira arrastrado por el motor térmico del vehículo, de modo que, si está parado, o gira a bajas revoluciones, no genera electricidad y no podría hacerse funcionar el arranque eléctrico, o es insuficiente para alimentar a los diferentes servicios del sistema eléctrico del vehículo. Esta dificultad se resuelve haciendo que la comente que produce el generador con el motor en marcha, deje su energía "almacenada" en unos recipientes llamados acumuladores, que, en realidad, es de donde se saca siempre, esté o no en marcha el motor del vehículo. La batería de acumuladores, normalmente denominada batería, constituye el corazón del sistema eléctrico. Batería de plomo-ácido

Está constituida por un recipiente que contiene un conjunto de elementos sumergidos en el electrólito, que tienen la propiedad de almacenar energía química y devolverla en forma de energía eléctrica. Estas baterías son denominadas "reversibles", pues una vez transformada la energía química en eléctrica, pueden ser cargadas de nuevo con una corriente continua, haciéndola circular en sentido inverso. La electricidad se almacena en las celdas de la batería, como energía química o electricidad potencial, siendo su capacidad y su tensión los dos factores que la determinan. Una batería eléctrica es un "conjunto de acumuladores eléctricos independientes" conectados entre sí. Esos acumuladores tienen la capacidad de convertir la energía eléctrica en energía química, almacenarla y, ante un requerimiento, invertir el proceso y entregarla nuevamente convertida en

 

energía eléctrica. Ahora bien, los acumuladores pueden repetir dicho proceso muchas veces, lo que les diferencia de las pilas que, funcionando bajo el mismo principio químico, sólo tienen la capacidad de entregar una sola vez la energía acumulada. Las tres funciones principales de una batería de arranque son: 1).- La primera, y más importante, es entregar energía al motor de arranque y al sistema de encendido para que el motor de explosión pueda ser puesto en marcha. 2) Proporcionar, en forma excepcional, la energía extra requerida cuando el consumo eléctrico del vehículo sea superior al que puede proporcionar su alternador. 3).- Actuar como estabilizador de voltaje en el sistema eléctrico. La batería reduce momentáneamente altos voltajes (voltajes transitorios) que ocurren en el sistema eléctrico de los vehículos. Estos voltajes excesivos pueden dañar otros componentes del sistema eléctrico si no estuvieran bajo la protección de la batería. El proceso en una batería plomo- ácido está determinado por los elementos químicos que reaccionan en ella. Estos son: 1) Peróxido de plomo. Es la "pasta" o materia activa de las placas positivas. 2) Plomo puro esponjoso. Es la materia activa de las placas negativas. 3) Ácido sulfúrico (diluido). Es el componente del electrolito. Cuando dos metales diferentes se sumergen en un ácido, se inicia una reacción química que por su diferencia de potencial eléctrico genera una "corriente eléctrica". Dependiendo del tipo de metales y del ácido en que se sumerjan, se generan potenciales de magnitudes distintas. En las baterías comúnmente utilizadas para arranque de vehículos, los metales o componentes químicos de las placas son: peróxido de plomo (placa t), plomo esponjoso (placa -) y ácido Sulfúrico. La reacción electroquímica de estos componentes genera, aproximadamente, 2.1 voltios de tensión entre placas.

Conclusiones El uso de alternadores desplazó súbitamente a los dínamos como generadores, pues, el alt alternador ernador entrega su potencia nominal a un régimen de revoluciones bajo, esto lo hace ideal para los vehículos que frecuentemente funcionan con el motor a ralentí, que es en promedio a 400rpm, siendo caso contrario para el dínamo, que comienza a cargar a partir de las 500rpm o más. Además, el alternador posee menor volumen y peso para una misma potencia útil. http://www.aficionadosalamecanica.ne osalamecanica.net/alternador-funcionam.h t/alternador-funcionam.html tml   http://www.aficionad http://www.sabelotodo.org/automovil/generacion.html  http://autastec.com/blog/organos-elemen tos/de-la-dinamo-al-alternador/ ternador/ http://autastec.com/blog/organos-elementos/de-la-dinamo-al-al

 

preguntas 1.  ¿Por qué se cambió el uso del dínamo al alternador en el sistema de generación y almacenamiento almacenamien to de los vehículos?

El uso de alternadores desplazó súbitamente a los dínamos como generadores, pues, el alternador entrega su potencia nominal a un régimen de revoluciones bajo, esto lo hace ideal para los vehículos que frecuentemente funcionan funcionan con el motor a ralentí, que es en promedio a 400rpm, siendo caso contrario para el dínamo, que comienza a cargar a partir de las 500rpm o más. Además, el alternador posee menor volumen y peso para una misma potencia útil.   2.  ¿Qué es un alternador?

El alternador es el encargado de convertir la energía mecánica proveniente del cigüeñal a energía eléctrica, generalmente se utilizan alternadores trifásicos para la generación de electricidad en los automóviles.  3.  Mencione los componentes principales básicos del sistema de generación y almacenamiento de electricidad

         

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Generador  Acumulador  Regulador de voltaje  Fusible  Interruptor 

4.  Explique ¿cuál es el propósito del regulador de tensión?

La tensión e intensidad producida por un generador son valores que varían en función de su velocidad de rotación. La electricidad necesaria para el encendido, alumbrado, carga de la batería y demás aparatos eléctricos del automóvil es suministrada por el generador, que ha de proporcionar una tensión aproximadamente constante sea cual fuere la velocidad de arrastre del motor, a esto se le suma las variaciones de energía eléctrica por los distintos componentes del auto. La función del regulador de tensión es mantener un voltaje constante a expensas del régimen que proporcione el motor y de la carga de los componentes eléctricos. 5.  Mencione las 3 funciones principales de la batería de arranque:

1).- La primera, y más importante, es entregar energía al motor de arranque y al sistema de encendido para que el motor de explosión pueda ser puesto en marcha. 2) Proporcionar, en forma excepcional, la energía extra requerida cuando el consumo eléctrico del vehículo sea superior al que puede proporcionar su alternador. 3).- Actuar como estabilizador de voltaje en el sistema eléctrico. La batería reduce momentáneamente altos voltajes (voltajes transitorios) que ocurren en el sistema eléctrico de los vehículos. 6.  Explique el propósito del rectificador

Como se sabe la corriente generada por el alternador trifásico no es adecuada para la batería ni tampoco para la alimentación de los consumidores del vehículo. Es necesario rectificarla. Una condición importante para la rectificación es disponer de diodos de potencia aptos para funcionar en un amplio intervalo de temperatura.