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Generadores corriente alterna
 

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maquinas electricas

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    Generadores corriente alterna Generadores corriente alterna Document Transcript

    • Universidad Politécnica Salesiana – Maquinas Eléctricas II . GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA Pablo Zumba pzumbap@est.ups.edu.ec Ing. Omar Álvarez oalvarez@ups.edu.ec 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. 2 SISTEMAS CONSTRUCTIVOS.RESUMEN: Este trabajo presenta las característicasconstructivas de los generadores de corriente alterna 2.1 Generador Polos Salientes en elsíncronos, así como de sus partes constitutivas, como parte Estator.de un mejor entendimiento de este tipo de maquinas La particularidad de este tipo de generador es que tienetambién se lograra establecer las respectivas semejanzas y el inducido en el rotor, esta configuración es propia dediferencias entre los generadores de corriente continua y máquinas de baja y media velocidad y potencia, hastade corriente alterna respectivamente, haciendo referencia 1000 rpm.en sus características principales. 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 1 INTRODUCCIÓN. del número de fases con la que nos encontremos trabajando.El generador síncrono está compuesto principalmente deuna parte móvil o rotor y de una parte fija o estator, elprincipio de funcionamiento de un generador síncrono sebasa en la ley de Faraday [1]. Para crear tensión inducidaen el estator, debemos crear un campo magnético en elrotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado elrotor con una batería, este campo magnético inducirá unatensión en el devanado de armadura por lo que tendremosuna corriente alterna fluyendo a través de él.Al operar como generador, la energía mecánica essuministrada a la máquina por la aplicación de un torque y Ilustración 1Polos salientes en el estator.por la rotación del eje de la misma, una fuente de energíamecánica puede ser, por ejemplo, una turbina hidráulica, a 2.2 Polos Salientes en el rotor.gas o a vapor. Una vez estando el generador conectado a lared eléctrica, su rotación es dictada por la frecuencia de la El estator está constituido principalmente de un conjuntored, pues la frecuencia de la tensión trifásica depende de láminas de acero de silicio que se les llamadirectamente de la velocidad de la máquina. "paquete", que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parteEn la actualidad las maquinas de corriente alterna tienen metálica del estator y los devanados proveen los polosuna gran participación en la vida diaria de la humanidad, en magnéticos.especial los generadores en el área industrial, debido a su Este generador a diferencia del anterior tiene el inducidoamplio campo de aplicación y beneficios. en el estator, por tal razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión DESARROLLO. 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 1
    • Universidad Politécnica Salesiana – Maquinas Eléctricas II.hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillasno tendrían un tamaño mayor.Este tipo de generadores se los utiliza para grandespotencias debido a la versatibilidad que nos brinda. Ilustración 3Generador sin escobillas. 3 DESCRIPCIÓN DE PARTES Ilustración 2Polos en el rotor. CONSTRUCTIVAS.2.3 Generador sin escobillas. Un generador y sus partes que lo conforman, son: anillos rozantes, eje, polos magnéticos, carcasa, cojinetes, y diferentes accesorios mecánicos y eléctricos añadidos alEste tipo de generadores son de mediana potencia, para conjunto principal conformado por el rotor y el estator.la excitación podríamos tener un banco de baterías quesería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador,es decir un generador síncrono con polos salientes en el Anillos deslizantes.estator, luego de esta etapa, sale a una placaelectrónica en donde por medio de dispositivos La función que tienen los anillos rozantes, son paraelectrónicos, se envía al circuito de excitación del poder conectar externamente al circuito eléctricogenerador principal. integrado en el rotor, resistencias externas. La función de dichas resistencias, es modificar la resistencia Para realizar reparaciones en este tipo de generadores, retóricaes necesario saber sobre dispositivos electrónicos, ycentrarse en el controlador. Polos Magnéticos.Los generadores síncronos auto excitados ya norequieren de escobillas y los de excitación separada Hay solo dos tipos de polos magnéticos (denominadosrequieren de escobillas y en lugar del conmutador polo norte magnético, "N", y polo sur magnético, "S"), yutilizan anillos rosantes. que nunca pueden aislarse. Un imán puede ser "Multi polar" (más de un N, o más de un S), pero no puedeExisten modelos para los generadores síncronos sin tener solo N sin S, ni solo S sin N. Si el imán es unaescobillas, los cuales pueden ser, de anillos para barra con los polos en los extremos (barraintroducir corriente de excitación, de anillos para extraer "magnetizada" longitudinalmente), al partirla por la mitadtensiones generadas. 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. Cojinete de rodamiento.2
    • Universidad Politécnica Salesiana – Maquinas Eléctricas II.Un rodamiento o cojinete de rodadura es un tipo de Figura4. Foto de escobillas Industriales [2].cojinete, que es un elemento mecánico que reduce lafricción entre un árbol y las piezas conectadas a éste por Rotor.medio de rodadura ,que le sirve de apoyo y facilita sudesplazamiento. El rotor es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, sea ésta un motor o un generador Cojinete de deslizamiento. eléctrico. Junto con su contraparte fija, el estator, El rotor está formado por un eje que soporta un juego deEn un cojinete de deslizamiento dos casquillos tienen un bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético que gira dentro de un campo magnético creado bien por un imánmovimiento en contacto directo, realizándose un o por el paso por otro juego de bobinas, arrolladas sobredeslizamiento por fricción, con el fin de que esta sea la unas piezas polares, que permanecen estáticas y quemenor posible. La reducción del rozamiento se realiza constituyen lo que se denomina estator de un corrientesegún la selección de materiales y lubricantes. Los continua o alterna, dependiendo del tipo de máquinalubricantes tienen la función de crear una película de que se trate. En máquinas de corriente alterna dedeslizante que separe los dos materiales o evite el mediana y gran potencia, es común la fabricación decontacto directo. Al tocarse las dos partes, que es uno rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables,de los casos de uso más solicitados de los cojinetes de como las corrientes de Foucault y las producidas por eldeslizamiento, el desgaste en las superficies de contacto fenómeno llamado histéresis.limita la vida útil. La generación de la película lubricanteque separa por una lubricación completa requiere unesfuerzo adicional para elevar la presión y que se usasólo en máquinas de gran tamaño para grandescojinetes de deslizamiento. La resistencia aldeslizamiento provoca la conversión departe de laenergía cinética en calor, que desemboca en las partesque sostienen los casquillos del cojinete. Escobillas.Este es el caso de los motores ó generadores eléctricos,donde se debe establecer una conexión de la parte fijade la máquina con las bobinas del rotor. Para realizaresta conexión, se fijan dos anillos en el eje de giro, Figura 5. Rotorgeneralmente de cobre, aislados eléctricamente del eje y Estator.conectados a los terminales de la bobina rotatoria.Enfrente de los anillos se disponen unos bloques de El estator es la parte fija de una máquina rotativa y unocarbón que, mediante unos resortes, hacen presión de los dos elementos fundamentales para la transmisiónsobre ellos estableciendo el contacto eléctrico necesario. de potencia(siendo el otro su contraparte móvil, elEstos bloques de carbón se denominan escobillas y los rotor). El término aplica principalmente a la construcciónanillos rotatorios reciben el nombre de colector. En de máquinas eléctricas y dependiendo de ladeterminado tipo de máquinas electromagnéticas, como configuración de la máquina, el estator puede ser:los motores o generadores de corriente continua, losanillos del colector están divididos en dos o más partes El alojamiento del circuito magnético del campo en lasaisladas unas de otras y conectadas a una o más máquinas de corriente continua. En este caso, el estatorbobinas. 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.3
    • Universidad Politécnica Salesiana – Maquinas Eléctricas II. De esta forma, cada espira dispone de dos conductores activos. Figura 6. Bobinados de rotor y estator. Figura 8. Bobinado de tambor. Bobinado. Ranura de armaduraRecibe el nombre de bobinado el conjunto formado por Ocupada por un solo lado activo. Bobinado de una capa.las bobinas, comprendiendo en esta expresión tanto loslados activos que están colocados en el interior delas ranuras y las cabezas que sirven para unir los ladosactivos, como los hilos de conexión que unen lasbobinas entre sí como los que unen estas bobinas con elcolector o con la placa de bornes. Bobinado en anillo yen tambor: La fuerza electromotriz generada en elbobinado inducido depende sólo del número de hilosactivos, o sea, los exteriores paralelos al eje de rotación.Puede hacerse una primera clasificación de losbobinados según la manera de unir entre sí los hilosactivos:  Bobinado en anillo.- Ocupada por dos lados activos. Bobinado de dos capas.Es aquel en el cual las espiras son arrolladas sobre elanillo que constituye la armadura del inducido. Lasbobinas solo poseen un lado activo, que es el que seencuentra en el lado exterior y es paralelo al eje derotación. 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 Figura 7. Bobinado en anillo. corriente alterna son ejecutados tanto en una como en dos capas. Arrollamientos distribuidos.  Bobinado en tambor.- Así como los arrollamientos concentrados son simplesEs aquel en el que los dos lados activos de cada bobina bobinas, fáciles de concebir, los arrollamientosestán colocados en la superficie exterior de la armadura. distribuidos son mucho más complejos ya que deben4
    • Universidad Politécnica Salesiana – Maquinas Eléctricas II.cumplir no solamente condiciones eléctricas y por ejemplo más de 50 kW y en los inducidos a colector,magnéticas, sino también constructivas: las bobinas salvo los muy pequeños, de pocos cientos de watt.deben ser sencillas de realizar, de colocar y minimizar el Cuando las ranuras son abiertas, con sus ladosuso de materiales. Los arrollamientos rotóricos de las paralelos, y están ubicadas sobre una estructuramáquinas eléctricas se conectan a través de escobillas cilíndrica, los dientes resultan necesariamenteque puede apoyar sobre anillos rozantes, que son aros trapezoidales, es decir no tienen la misma sección enconductores, continuos, conectados a los extremos del toda su altura, lo que debe ser tenido en cuenta alarrollamiento. 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 Figura 9. Anillos rosantes en un rotor. fondo y en el tope de las ranuras, lo que mejora el factor de llenado de las mismas, conviene que ambos sean O sobre un colector, que está formado por segmentos redondeados, como se muestra en la figura. Tanto en lasconductores, denominados delgas, aisladas entre sí y ranuras abiertas como en las semi cerradas, se debeconectadas a cada bobina. Esto da lugar a dos tipos de evitar que los lados de las bobinas se salgan de lasarrollamientos distribuidos, los mismas, especialmente si están sometidas a la fuerzaprimeros denominados a anillos, o de fases son centrífuga del rotor, lo que provocaría un accidenteeléctricamente abiertos y pueden estar tanto en el catastrófico. El cerrado de las ranuras se hace por medioestator como en el rotor; mientras que los segundos, de una cuña de cierre construida con un material de ladenominados a colector, son eléctricamente cerrados y resistencia adecuada y que, en la mayoría de los casos,se utilizan solamente en el rotor. 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. Figura 10. Colector en un inducido. 4 SEMENJAS Y DIFERENCIAS ENTRE GENERADOR DE CA Y Tipos de ranura. GENERADOR DE CD.Como ya se dijo las bobinas de los arrollamientosdistribuidos, y sus aislaciones, se alojan en ranuras o Semejanzascanaletas ubicadas en la superficie, o muy cerca de ella,del estator o del rotor o en ambas. Las partes Ambos producen energía eléctrica en base almagnéticas entre las ranuras se denominan dientes. Las movimiento (energía mecánica)ranuras pueden ser abiertas, semi cerradas o cerradas. 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 Figura 11. Tipos de Ranura. bobinado y un imán (permanente o electromagnético).Las ranuras abiertas, que poseen sus lados paralelos,se emplean en máquinas de potencia media o grande,5
    • Universidad Politécnica Salesiana – Maquinas Eléctricas II. Los voltajes de salida de ambos tipos de eléctricos indirectos y de las medidas generador son sensibles a los cambios de carga complementarias. La fem (fuerza electromotriz) alterna de ambos, es rectificada mediante unas escobillas Diferencias colectoras que la rectifican de manera mecánica (conmutando). En un generador de c.a., el voltaje inducido se Ambos generadores constan de un campo transmite directamente a la carga, a través de magnético, que es el electroimán con sus anillos rozantes. bobinas En cambio en un generador de c.c. el La armadura es la estructura que sostiene los conmutador convierte la c.a. inducida en c.c. conductores que cortan el campo magnético antes de que ésta sea aplicada a la carga. En ambos generadores también la que En la mayor parte de los generadores de c-c el transporta la corriente inducida en un generador campo es estacionario y la armadura gira, es su armadura (estator) En cambio en los generadores de ca, ocurre Sus armaduras son por lo general un núcleo de todo lo contrario. hierro dulce laminado, alrededor del cual se Los generadores de c.a. puedan tener salidas enrollan en bobinas los cables conductores. mucho mayores de las que son posibles con Para mejorar su funcionamiento, se añaden generadores de c.c. interpolos más pequeños para compensar las Para su fuente de voltaje de excitación, los distorsiones que causa el efecto magnético de la generadores de c.c. pueden constar ya sea de armadura en el flujo eléctrico del campo. una fuente de excitación externa y separada o Sus parámetros para el diseño de construcción bien obtener el voltaje necesario directamente son iguales de su propia salida. Mantienen una diferencia de potencial eléctrico En cambio los generadores de c.a. deben estar entre dos de sus puntos (llamados polos, provistos de una fuente separada. terminales o bornes) El generador de c.a. puede ser monofásica, Se rigen a fundamentos de la electrotécnia, ya trifásica o de mas fases, definidas En un generador de c.c., puede entregar un solo Ambos siguen usados en la industria, a pesar de tipo de entrega de corriente. que el dinamo ya es casi obsoleto debido al La regulación de voltaje en los generadores de costo, tiene su grado de utilización para ciertas c.c. son inherentemente más estables que los de aplicaciones c.a. Sus características constructivas son iguales, El voltaje de salida de un generador de c.a. es constan de un estator, rotor, polos, etc. sensible a cambios en el factor de potencia de Las aplicaciones para ambos tipos de la carga. generadores, podría ser las mismas, su uso Es posible un buen grado de autorregulación en radica en costos, en ciertas aplicaciones se un generador de c.c. usando un devanado de puede tener más eficiencia de funcionamiento, armadura combinado. pero a un mayor costo En los generadores de c.a., no es factible usar Sus usos más comunes para ambos tipos es un devanado de armadura combinado, ya que generar electricidad en aquellos lugares donde éstos deben ser excitados separadamente. no hay suministro eléctrico, generalmente son Los generadores de corriente continua zonas apartadas con pocas infraestructuras y funcionan normalmente a voltajes bastante muy poco habitadas. bajos para evitar las chispas que se producen Otra utilidad de los generadores electricos sería entre las escobillas y el conmutador a voltajes en locales de pública concurrencia, hospitales, altos. fábricas, etc., que a falta de energía eléctrica de En los generadores de c.c., el sistema de red, necesiten de otra fuente de energía alterna escobillas se desgasta haciendo un tiempo de para abastecerse. vida menor y generando mayores pérdidas de Ambos constituyen una gran ayuda para energía en comparación con los generadores de emergencias, ya que pueden ser utilizadas para c.a. cuando exista falla en la red de corriente, se Los generadores de c.c. cuenta con una parte puede usar como fuente única, de uso portáti) que se llama conmutador donde van los incluso la potencia del mismo (grande, carbones que recolectan la energía eléctrica pequeña) condiciona en la práctica la elección (corriente directa). del sistema de protección contra contactos6
    • Universidad Politécnica Salesiana – Maquinas Eléctricas II. 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 generadoresen todas partes, cada vez hay más demanda para su usoy se encuentran en más tipos de aplicaciones.Es importante conocer su funcionamiento a profundidad,así como conocer cada diferencia y tipo que exista paraque como estudiantes previos a ser ingenieros, estemosen la capacidad de dar soluciones a cualquier tipo deproblema que se nos presente.Los generadores de corriente, tienen una amplia gamade usos, si bien las dinamos ya no se los encuentran enmuchos usos, como estudiantes debemos conocercualquier tipo de generador.El mundo funciona con energía, eléctrica principalmentey la manera de la obtención de la misma es medianteestos generadores, así podemos decir que es la basefundamental para cualquier aplicación y/ofuncionamiento de “lo que sea”. 6 REFERENCIAS[1] M. Cortez, (2006), “Maquinas sincronas y motores CA”, 3era Edicion, Mexico.[2]http://agamenon.tsc.uah.es/Asignaturas/itiei/mqe/apuntes/TM E4.pdf[3]http://www.monografias.com/trabajos85/diseno-generadores- sincronos/diseno-generadores-sincronos.shtml7