Universidad Politécnica Salesiana – Salesiana – Maquinas Eléctricas II
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GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA Pablo Zumba
[email protected] Ing. Omar Álvarez
[email protected]
Abstract. Mathematics in signal processing in continuous time has involved the transformation and Fourier series, but as the name suggests are applicable for continuous time, ie for signals over a given time always signal value, but not having signal values at certain times should be given a different treatment to signals, this treatment is called discrete-time Fourier, because the signals are defined only at discrete instants of time.
RESUMEN: Este trabajo presenta las características constructivas de los generadores de corriente alterna síncronos, así como de sus partes constitutivas, como parte de un mejor entendimiento de este tipo de maquinas también se lograra establecer las respectivas semejanzas y diferencias entre los generadores de corriente continua y de corriente alterna respectivamente, haciendo referencia en sus características características principales.
1 INTRODUCCIÓN.
2 SISTEMAS CONSTRUCTIVOS. 2.1 Generador Polos Salientes en el Estator. La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000 rpm. Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema de colector de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender directamente del número de fases con la que nos encontremos trabajando.
El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en la ley de Faraday [1]. Para crear tensión inducida en el estator, debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él. Al operar como generador, la energía mecánica es suministrada a la máquina por la aplicación de un torque y por la rotación del eje de la misma, una fuente de energía mecánica puede ser, por ejemplo, una turbina hidráulica, a gas o a vapor. Una vez estando el generador conectado a la red eléctrica, su rotación es dictada por la frecuencia de la red, pues la frecuencia de la tensión trifásica depende directamente de la velocidad de la máquina. En la actualidad las maquinas de corriente alterna tienen una gran participación en la vida diaria de la humanidad, en especial los generadores en el área industrial, debido a su amplio campo de aplicación y beneficios.
DESARROLLO.
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Ilustración 1Polos salientes en el estator.
2.2 Polos Salientes en el rotor. El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero de silicio que se les llama "paquete", que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina, necesitaríamos únicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es considerablemente más pequeño que la tensión generada, por tal razón este par de anillos van
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. hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no tendrían un tamaño mayor. Este tipo de generadores se los utiliza para grandes potencias debido a la versatibilidad que nos brinda.
Ilustración 3Generador sin escobillas.
Ilustración 2Polos en el rotor.
2.3 Generador sin escobillas. Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador, es decir un generador síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de excitación del generador principal. Para realizar reparaciones en este tipo de generadores, es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador. Los generadores síncronos auto excitados ya no requieren de escobillas y los de excitación separada requieren de escobillas y en lugar del conmutador utilizan anillos rosantes. Existen modelos para los generadores síncronos sin escobillas, los cuales pueden ser, de anillos para introducir corriente de excitación, de anillos para extraer tensiones generadas.
3 DESCRIPCIÓN DE PARTES CONSTRUCTIVAS. Un generador y sus partes que lo conforman, son: anillos rozantes, eje, polos magnéticos, carcasa, cojinetes, y diferentes accesorios mecánicos y eléctricos añadidos al conjunto principal conformado por el rotor y el estator.
Anillos deslizantes.
La función que tienen los anillos rozantes, son para poder conectar externamente al circuito eléctrico integrado en el rotor, resistencias externas. La función de dichas resistencias, es modificar la resistencia retórica
Polos Magnéticos.
Hay solo dos tipos de polos magnéticos (denominados polo norte magnético, "N", y polo sur magnético, "S"), y que nunca pueden aislarse. Un imán puede ser "Multi polar" (más de un N, o más de un S), pero no puede tener solo N sin S, ni solo S sin N. Si el imán es una barra con los polos en los extremos (barra "magnetizada" longitudinalmente), al partirla por la mitad para intentar separar el polo N del S, se obtienen dos imanes de menor tamaño, cada uno con sus polos N y S en los extremos. Cojinetes.
Un cojinete en ingeniería es la pieza o conjunto de ellas sobre las que se soporta y gira el árbol transmisor de momento giratorio de una máquina. Cojinete de deslizamiento radial, por partes: el cilindro claro es donde iría el árbol, la tapa negra desmontable para la lubricación (fricción mixta).De acuerdo con el tipo de contacto que exista entre las piezas (deslizamiento o rodadura), el cojinete puede ser un cojinete de deslizamiento o uno de rodamiento respectivamente.
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Cojinete de rodamiento.
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. Un rodamiento o cojinete de rodadura es un tipo de cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un árbol y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura ,que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento.
Cojinete de deslizamiento.
En un cojinete de deslizamiento deslizamiento dos casquillos tienen un movimiento en contacto directo, realizándose un deslizamiento por fricción, con el fin de que esta sea la menor posible. La reducción del rozamiento se realiza según la selección de materiales y lubricantes. Los lubricantes tienen la función de crear una película deslizante que separe los dos materiales o evite el contacto directo. Al tocarse las dos partes, que es uno de los casos de uso más solicitados de los cojinetes de deslizamiento, el desgaste en las superficies de contacto limita la vida útil. La generación de la película lubricante que separa por una lubricación completa requiere un esfuerzo adicional para elevar la presión y que se usa sólo en máquinas de gran tamaño para grandes cojinetes de deslizamiento. La resistencia al deslizamiento provoca la conversión departe de la energía cinética en calor, que desemboca en las partes que sostienen los casquillos del cojinete.
Rotor.
El rotor es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, sea ésta un motor o un generador eléctrico. Junto con su contraparte fija, el estator, El rotor está formado por un eje que soporta un juego de bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético que gira dentro de un campo magnético creado bien por un imán o por el paso por otro juego de bobinas, arrolladas sobre unas piezas polares, que permanecen estáticas y que constituyen lo que se denomina estator de un corriente continua o alterna, dependiendo del tipo de máquina de que se trate. En máquinas de corriente alterna d e mediana y gran potencia, es común la fabricación de rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables, como las corrientes de Foucault y las producidas por el fenómeno llamado histéresis.
Escobillas.
Este es el caso de los motores ó generadores eléctricos, donde se debe establecer una conexión de la parte fija de la máquina con las bobinas del rotor. Para realizar esta conexión, se fijan dos anillos en el eje de giro, generalmente de cobre, aislados eléctricamente del eje y conectados a los terminales de la bobina rotatoria. Enfrente de los anillos se disponen unos bloques de carbón que, mediante unos resortes, hacen presión sobre ellos estableciendo el contacto eléctrico necesario. Estos bloques de carbón se denominan escobillas y los anillos rotatorios reciben el nombre de colector. En determinado tipo de máquinas electromagnéticas, como los motores o generadores de corriente continua, los anillos del colector están divididos en dos o más partes aisladas unas de otras y conectadas a una o más bobinas.
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Figura4. Foto de escobillas Industriales Industriales [2].
Figura 5. Rotor
Estator.
El estator es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia(siendo potencia(siendo el otro su contraparte móvil, el rotor). El término aplica principalmente a la construcción de máquinas eléctricas y dependiendo de la configuración de la máquina, el estator puede ser: El alojamiento del circuito magnético del campo en las máquinas de corriente continua. En este caso, el estator interactúa con la armadura móvil para producir torque en el eje de la máquina. Su construcción puede ser de imán permanente o de electroimán, en cuyo caso la bobina que lo energizase denomina devanado de campo . El alojamiento del circuito de armadura en las máquinas de corriente alterna. En este caso, el estator interactúa con el campo rotante para producir el torque y su construcción consiste en una estructura hueca con simétrica cilíndrica, hecha de láminas de acero magnético apiladas, para así reducir las pérdidas debidas a la histéresis y las corrientes de Foucault.
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. De esta forma, cada espira dispone de dos conductores activos.
Figura 6. Bobinados de rotor y estator.
Bobinado.
Recibe el nombre de bobinado el conjunto formado por las bobinas, comprendiendo en esta expresión tanto los lados activos que están colocados en el interior de las ranuras y las cabezas que sirven para unir los lados activos, como los hilos de conexión que unen las bobinas entre sí como los que unen estas bobinas con el colector o con la placa de bornes. Bobinado en anillo y en tambor: La fuerza electromotriz generada en el bobinado inducido depende sólo del número de hilos activos, o sea, los exteriores paralelos al eje de rotación. Puede hacerse una primera clasificación de los bobinados según la manera de unir entre sí los hilos activos:
Bobinado en anillo.anillo.-
Es aquel en el cual las espiras son arrolladas sobre el anillo que constituye la armadura del inducido. Las bobinas solo poseen un lado activo, que es el que se encuentra en el lado exterior y es paralelo al eje de rotación.
Figura 7. Bobinado en anillo.
Bobinado en tambor.tambor.-
Es aquel en el que los dos lados activos de cada bobina están colocados en la superficie exterior de la armadura. 4
Figura 8. Bobinado de tambor.
Ranura de armadura
Ocupada por un solo lado activo. Bobinado de una capa.
Ocupada por dos lados activos. Bobinado de dos capas.
Cuando el bobinado es de dos capas, la capa que está en el fondo de la ranura se llama capa inferior, baja o interior y laque se encuentra junto al entrehierro es llamada capa superior, alta o exterior. Los bobinados de máquinas de corriente continua se construyen modernamente en dos capas, mientras que los de corriente alterna son ejecutados tanto en una como en dos capas. Arrollamientos distribuidos. Así como los arrollamientos concentrados son simples bobinas, fáciles de concebir, los arrollamientos distribuidos son mucho más complejos ya que deben
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. cumplir no solamente condiciones eléctricas y magnéticas, sino también constructivas: constructivas: las bobinas deben ser sencillas de realizar, de colocar y minimizar el uso de materiales. Los arrollamientos rotóricos de las máquinas eléctricas se conectan a través de escobillas que puede apoyar sobre anillos rozantes, que son aros conductores, continuos, conectados a los extremos del arrollamiento.
Figura 9. Anillos rosantes en un rotor. O sobre un colector, que está formado por segmentos conductores, denominados delgas, aisladas entre sí y conectadas a cada bobina. Esto da lugar a dos tipos de arrollamientos distribuidos, los primeros denominados a anillos, o de fases son eléctricamente abiertos y pueden estar tanto en el estator como en el rotor; mientras que los segundos, denominados a colector, son eléctricamente cerrados y se utilizan solamente en el rotor.
Figura 10. Colector en un inducido.
Tipos de ranura.
Como ya se dijo las bobinas de los arrollamientos distribuidos, y sus aislaciones, se alojan en ranuras o canaletas ubicadas en la superficie, o muy cerca de ella, del estator o del rotor o en ambas. Las partes magnéticas entre las ranuras se denominan dientes. Las ranuras pueden ser abiertas, semi cerradas o cerradas.
por ejemplo más de 50 kW y en los inducidos a colector, salvo los muy pequeños, de pocos cientos de watt. Cuando las ranuras son abiertas, con sus lados paralelos, y están ubicadas sobre una estructura cilíndrica, los dientes resultan necesariamente trapezoidales, es decir no tienen la misma sección en toda su altura, lo que debe ser tenido en cuenta al considerar la inducción magnética y la saturación de los mismos. La razón por la cual se emplean las ranuras abiertas, con sus lados paralelos, es que las bobinas utilizadas en esas máquinas son prácticamente rígidas y no se podrían colocar si la abertura de la ranura fuera más estrecha. Las ranuras semi abiertas se emplean en máquinas de menor potencia, que utilizan bobinas formadas por conductores sueltos, los que se colocan individualmente o en pequeños grupos, muchas veces en forma manual y luego se terminan de conformar y de acomodar las cabezas de bobina, en la propia máquina. A fin de poder acomodar mejor los conductores en el fondo y en el tope de las ranuras, lo que mejora mejora el factor de llenado de las mismas, conviene que ambos sean redondeados, como se muestra en la figura. Tanto en las ranuras abiertas como en las semi cerradas, se debe evitar que los lados de las bobinas se salgan de las mismas, especialmente si están sometidas a la fuerza centrífuga del rotor, lo que provocaría un accidente catastrófico. El cerrado de las ranuras se hace por medio de una cuña de cierre construida con un material de la resistencia adecuada y que, en la mayoría de los casos, es no magnético. En los dientes de las ranuras abiertas se hacen unas entalladuras a fin de sostener esas cuñas de cierre. Las ranuras cerradas, que no necesariamente deben tener una sección circular como se muestra en la figura, se emplean principalmente en los rotores de las máquinas asincrónicas. Dentro de esas ranuras se colocan barras conductoras, normalmente sin aislación, que constituyen el arrollamiento rotórico de esas máquinas. Es común que las máquinas posean distintos tipos de ranuras en el estator y en el rotor, adecuándolas a los arrollamientos empleados.
4 SEMENJAS Y DIFERENCIAS ENTRE GENERADOR DE CA Y GENERADOR DE CD. Semejanzas
Figura 11. Tipos de Ranura. Las ranuras abiertas, que poseen sus lados paralelos, se emplean en máquinas de potencia media o grande, 5
Ambos producen energía eléctrica en base al movimiento (energía mecánica) Ambos generan corriente, ya sea continua o alterna a través del mismo principio: El principio de la inducción de Faraday Para ambos tipos de generadores, son aplicables todas las leyes de principio electromagnéticos. Ambos usan la inducción generada entre un bobinado y un imán (permanente o electromagnético).
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Los voltajes de salida de ambos tipos de generador son sensibles a los cambios de carga La fem (fuerza electromotriz) alterna de ambos, es rectificada mediante unas escobillas colectoras que la rectifican de manera mecánica (conmutando). Ambos generadores constan de un campo magnético, que es el electroimán con sus bobinas La armadura es es la estructura estructura que sostiene los los conductores que cortan el campo magnético En ambos generadores también la que transporta la corriente inducida en un generador es su armadura (estator) Sus armaduras son por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los cables conductores. Para mejorar su funcionamiento, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo. Sus parámetros para el diseño de construcción son iguales Mantienen una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) Se rigen a fundamentos de la electrotécnia, ya definidas Ambos siguen usados en la industria, a pesar de que el dinamo ya es casi obsoleto debido al costo, tiene su grado de utilización para ciertas aplicaciones Sus características constructivas son iguales, constan de un estator, rotor, polos, etc. Las aplicaciones para ambos tipos de generadores, podría ser las mismas, su uso radica en costos, en ciertas aplicaciones se puede tener más eficiencia de funcionamiento, pero a un mayor costo Sus usos más comunes para ambos tipos es generar electricidad en aquellos lugares donde no hay suministro eléctrico, generalmente son zonas apartadas con pocas infraestructuras y muy poco habitadas. Otra utilidad de los generadores electricos sería en locales de pública concurrencia, hospitales, fábricas, etc., que a falta de energía eléctrica de red, necesiten de otra fuente de energía alterna para abastecerse. Ambos constituyen una gran ayuda para emergencias, ya que pueden ser utilizadas para cuando exista falla en la red de corriente, se puede usar como como fuente única, de uso portáti) incluso la potencia del mismo (grande, pequeña) condiciona en la práctica la elección del sistema de protección contra contactos
eléctricos indirectos y de las medidas complementarias. Diferencias
En un generador de c.a., el voltaje inducido se transmite directamente a la carga, a través de anillos rozantes. En cambio en un generador de c.c. el conmutador convierte la c.a. inducida en c.c. antes de que ésta sea aplicada a la carga. En la mayor parte de los generadores de c-c el campo es estacionario y la armadura gira, En cambio en los generadores de ca, ocurre todo lo contrario. Los generadores de c.a. puedan tener salidas mucho mayores de las que son posibles con generadores de c.c. Para su fuente de voltaje de excitación, los generadores de c.c. pueden constar ya sea de una fuente de excitación externa y separada o bien obtener el voltaje necesario directamente de su propia salida. En cambio los generadores de c.a. deben estar provistos de una fuente separada. El generador de c.a. puede ser monofásica, trifásica o de mas fases, En un generador de c.c., puede entregar un solo tipo de entrega de corriente. La regulación de voltaje en los generadores de c.c. son inherentemente más estables que los de c.a. El voltaje de salida de un generador de c.a. es sensible a cambios en el factor de potencia de la carga. Es posible un buen grado de autorregulación en un generador de c.c. usando un devanado de armadura combinado. En los generadores de c.a., no es factible usar un devanado de armadura combinado, ya que éstos deben ser excitados separadamente. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. En los generadores de c.c., el sistema sistema de escobillas se desgasta haciendo un tiempo de vida menor y generando mayores pérdidas de energía en comparación con los generadores de c.a. Los generadores de c.c. cuenta con una parte que se llama conmutador donde van los carbones que recolectan la energía eléctrica (corriente directa).
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Un alternador no cuenta con este conmutador, la energía se recoge de las terminales llamadas fases. Los generadores de c.a. suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple, esto no pasa en los generadores de c.c. El mantenimiento de los generadores de c.c. es mucha más elevado en comparación con los generadores de c.a. El generador de c.c. es reversible, puede ser utilizado como motor tanto como generador. El generador de c.c. es reversible, puede ser utilizado como motor tanto como generador.
5 CONCLUSIONES. En la vida práctica podemos encontrar a los generadores en todas partes, cada vez hay más demanda para su uso y se encuentran en más tipos de aplicaciones. Es importante conocer su funcionamiento a profundidad, así como conocer cada diferencia y tipo que exista para que como estudiantes previos a ser ingenieros, estemos en la capacidad de dar soluciones a cualquier tipo de problema que se nos presente. Los generadores de corriente, tienen una amplia gama de usos, si bien las dinamos ya no se los encuentran en muchos usos, como estudiantes debemos conocer cualquier tipo de generador. El mundo funciona con energía, eléctrica principalmente y la manera de la obtención de la misma es mediante estos generadores, así podemos decir que es la base fundamental para cualquier aplicación y/o funcionamiento de “lo que sea”.
6 REFERENCIAS [1] M. Cortez, (2006), “Maquinas sincronas y motores CA”, 3era Edicion, Mexico. [2]http://agamenon.tsc.uah.e [2]http://agamenon.tsc.uah.es/Asignaturas/itiei/ s/Asignaturas/itiei/mqe/apuntes/TM mqe/apuntes/TM E4.pdf [3]http://www.monografias.co [3]http://www.monografias.com/trabajos85/diseno-ge m/trabajos85/diseno-generadoresneradoressincronos/diseno-generadores-sincronos.shtml
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