Alternador

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Un generador de corriente alterna ("alternador") es una máquina eléctrica que convierte la energía mecánica en energía eléctrica de corriente alterna . La mayoría de los alternadores utilizan un campo magnético giratorio .

El principio de funcionamiento del generador es convertir la energía mecánica en energía eléctrica haciendo girar una bobina de alambre en un campo magnético. También se genera una corriente eléctrica cuando las líneas de fuerza de un imán en movimiento se cruzan con las vueltas de una bobina de alambre. Los electrones se mueven hacia el polo positivo del imán y la corriente eléctrica fluye del polo positivo al polo negativo. Siempre que las líneas del campo magnético crucen la bobina (conductor), se induce una corriente eléctrica en el conductor. Un principio similar también funciona cuando el marco de alambre se mueve en relación con el imán, es decir, cuando el marco cruza las líneas del campo magnético. La corriente eléctrica inducida fluye de tal manera que su campo repele el imán cuando el marco se acerca y atrae cuando el marco se aleja. Cada vez que el marco cambia de orientación con respecto a los polos del imán, la corriente eléctrica también invierte su dirección. Mientras la fuente de energía mecánica gire el conductor (o campo magnético), el generador producirá una corriente eléctrica alterna.

Historia

Las máquinas eléctricas que generan corriente alterna se conocen de forma sencilla desde el descubrimiento de la inducción magnética de la corriente eléctrica . Las primeras máquinas fueron diseñadas por Michael Faraday e Hippolyte Pixie .

Faraday desarrolló un "rectángulo giratorio" que era multipolar : cada conductor activo pasaba en serie a través de un área donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas. La primera demostración pública del "sistema de alternador" más poderoso tuvo lugar en 1886 . En , el electricista británico James Henry Gordon construyó un gran alternador de dos fases . Lord Kelvin y Sebastian Ferranti ( ing. Sebastian Pietro Innocenzo Adhemar Ziani de Ferranti ) también desarrollaron un alternador temprano que producía corriente alterna a una frecuencia entre 100 y 300 hercios . En 1891, Nikola Tesla patentó un práctico alternador de "alta frecuencia" (que operaba a una frecuencia de unos 15.000 hercios). Después de 1891, se inventaron los alternadores polifásicos. El ingeniero ruso Dolivo-Dobrovolsky , quien trabajó como ingeniero jefe de la compañía AEG de Berlín, desarrolló y demostró un generador de corriente trifásico con una carga de tres hilos . En 1893, el invento que demostró fue utilizado por AN Shchensnovich en la construcción de la primera central eléctrica trifásica industrial como parte del elevador de granos de Novorossiysk. [una]

Teoría del alternador

El principio de funcionamiento del generador se basa en la ley de inducción electromagnética : la inducción de una fuerza electromotriz en un circuito rectangular (estructura de alambre) ubicado en un campo magnético giratorio uniforme . O viceversa, un circuito rectangular gira en un campo magnético fijo uniforme.

Supongamos que un campo magnético uniforme creado por un imán permanente gira alrededor de su eje en un bucle conductor (estructura de alambre) con una velocidad angular uniforme . Dos lados verticales iguales del contorno (ver figura) están activos , ya que están atravesados por las líneas magnéticas del campo magnético. Dos lados horizontales del contorno iguales por separado no están activos, ya que las líneas magnéticas del campo magnético no los cruzan, las líneas magnéticas se deslizan a lo largo de los lados horizontales, la fuerza electromotriz no se forma en ellos. $\omega$

En cada uno de los lados activos del circuito se induce una fuerza electromotriz cuyo valor viene determinado por la fórmula:

$e_{1}=Blv\sen\omega t$ y , $e_{2}=Blv\sin(\omega t+$ $\Pi$ $)=-Blv\sin \omega t$

dónde

$e_{1}$ y - valores instantáneos de las fuerzas electromotrices inducidas en los lados activos del circuito, en voltios ; $e_{2}$

$B$ - inducción magnética del campo magnético en voltios - segundos por metro cuadrado ( T , Tesla );

$yo$ - la longitud de cada uno de los lados activos del contorno en metros ;

$v$ - velocidad lineal con la que giran los lados activos del contorno, en metros por segundo;

$t$ — tiempo en segundos ;

$\ omega t$ y son los ángulos en los que las líneas magnéticas se cruzan con los lados activos del contorno. ${\ estilo de visualización \ omega t+}$ $\Pi$

Dado que las fuerzas electromotrices inducidas en los lados activos del circuito actúan de acuerdo entre sí, la fuerza electromotriz resultante inducida en el circuito,

será igual , es decir, la fuerza electromotriz inducida en el circuito cambia según una ley sinusoidal . $e=2Blv\sin\omega t$

Si un campo magnético uniforme gira en el circuito con una velocidad angular uniforme, entonces se induce en él una fuerza electromotriz sinusoidal .

Puede transformar la fórmula expresándola en términos del flujo magnético máximo que penetra en el circuito. $e=2Blv\sin\omega t$ ${\ estilo de visualización \ Phi _ {m}}$

La velocidad lineal relativa de los lados activos es igual al producto del radio de rotación y la velocidad angular , es decir $v$ ${\ estilo de visualización {\ frac {\ alfa} {2}}}$ $\omega$ $v={\frac {\alfa}{2}}\omega$

Entonces obtenemos $e=2Bl{\frac {\alpha }{2))\omega \sin \omega t$

dónde

${\ Displaystyle \ omega \ Phi _ {m}}$ es la amplitud de la fuerza electromotriz sinusoidal;

$\ omega t$ es la fase de la fuerza electromotriz sinusoidal;

$\omega$ es la velocidad angular de la fuerza electromotriz sinusoidal, en este caso igual a la velocidad angular del imán en el circuito.

Dado que el circuito consta de muchas vueltas de alambre, la fuerza electromotriz es proporcional al número de vueltas y la fórmula se verá así : $w$ $e=w2Bl{\frac {\alpha }{2}}\omega \sin \omega t$

Si ingresamos el flujo magnético máximo en la fórmula, entonces . $e=w\Phi _{m}\sin \omega t$

Dispositivo alternador

Por diseño, podemos distinguir:

generadores con polos magnéticos fijos y armadura giratoria ;
generadores de polos magnéticos giratorios y estator fijo.

Estos últimos se han generalizado, ya que debido a la inmovilidad del devanado del estator, no es necesario eliminar una gran corriente de alto voltaje del rotor utilizando contactos deslizantes (escobillas) y anillos colectores .

La parte móvil del generador se llama rotor y la parte fija se llama estator .

El estator se ensambla a partir de láminas de hierro separadas aisladas entre sí. En la superficie interna del estator hay ranuras donde se insertan los cables del devanado del estator del generador.

El rotor generalmente está hecho de hierro sólido, las piezas polares de los polos magnéticos del rotor están ensambladas con chapa de hierro. Durante la rotación, existe un espacio mínimo entre el estator y las piezas polares del rotor para crear la mayor inducción magnética posible. La forma geométrica de las piezas polares se selecciona de modo que la corriente generada por el generador sea lo más sinusoidal posible.

En los núcleos de los polos se colocan bobinas de excitación alimentadas por corriente continua. La corriente continua se suministra por medio de escobillas a los anillos deslizantes ubicados en el eje del generador .

Según el método de excitación, los alternadores se dividen en:

generadores cuyos devanados de excitación son alimentados por corriente continua de una fuente externa de energía eléctrica, como una batería ( generadores con excitación independiente ).
generadores cuyos devanados de excitación están alimentados por un generador de CC externo de baja potencia ( excitador ) que se encuentra en el mismo eje que el generador al que sirve.
generadores, cuyos devanados de excitación son alimentados por la corriente rectificada de los propios generadores ( generadores autoexcitados ). Véase también generador síncrono sin escobillas .
generadores con excitación de imanes permanentes .

Estructuralmente podemos distinguir:

generadores con polos pronunciados;
generadores con polos implícitos.

Por el número de fases , podemos distinguir:

generadores monofásicos. Véase también motor de condensador , motor monofásico .
Generadores bifásicos. Véase también red eléctrica bifásica , motor bifásico .
Generadores trifásicos. Véase también sistema de alimentación trifásico, motor trifásico .

Al conectar los devanados de fase de un generador trifásico:

sistema Tesla de seis hilos (no tiene valor práctico);
conexión estelar";
conexión delta";
conexión de seis devanados en forma de una "estrella" y un "triángulo" en un estator.

La más común es la conexión en “estrella” con hilo neutro (circuito de cuatro hilos), lo que facilita la compensación de desequilibrios de fase y elimina la aparición de una componente constante y corrientes de anillo parásitas en los devanados del generador, lo que provoca pérdidas de energía. y sobrecalentamiento.

Dado que en la práctica, en las redes eléctricas con muchos pequeños consumidores, la carga en diferentes fases no es simétrica (se conectan diferentes potencias eléctricas , o por ejemplo, una carga activa en una fase e inductiva o capacitiva en la otra , luego cuando se conecta con un "triángulo" o "estrella" sin cable neutro , puede obtener un fenómeno tan desagradable como " desequilibrio de fase ", por ejemplo, las lámparas incandescentes conectadas a una de las fases brillan débilmente, mientras que se aplica un voltaje eléctrico excesivamente alto a las otras fases y los dispositivos encendidos se “queman”.

La frecuencia de la corriente alterna producida por el generador

Estos generadores son síncronos , es decir, la velocidad angular (número de revoluciones) del campo magnético giratorio depende linealmente de la velocidad angular (número de revoluciones) del rotor del generador y asíncronos , en los que hay deslizamiento, es decir, el retraso del campo magnético del estator a partir de la velocidad angular del rotor. Debido a algunas regulaciones engorrosas, los generadores asíncronos han recibido poca distribución.

Si el rotor del generador es bipolar, entonces por una revolución completa de la fuerza electromotriz inducida se completará un ciclo completo de sus cambios.

Por tanto, la frecuencia de la fuerza electromotriz del generador síncrono será : $f = \frac{n}{60}$

dónde

$F$ - frecuencia en hercios ;

$norte$ - el número de revoluciones del rotor por minuto .

Si el generador tiene varios pares de polos , entonces, en consecuencia, la frecuencia de la fuerza electromotriz de dicho generador será $pags$

veces la frecuencia de la fuerza electromotriz de un generador bipolar : . $pags$ $f=p{\frac{n}{60}}$

La frecuencia de la corriente alterna en las redes eléctricas debe observarse estrictamente , en Rusia y otros países es de 50 periodos por segundo ( hertz ). En varios países, por ejemplo, en los EE . UU ., Canadá , Japón , se suministra corriente alterna con una frecuencia de 60 hercios a la red eléctrica. En la red de a bordo de las aeronaves se utiliza corriente alterna con una frecuencia de 400 hercios.

La tabla muestra la dependencia de la frecuencia de la corriente alterna generada en el número de polos magnéticos y el número de revoluciones del generador.

Este factor debe tenerse en cuenta al diseñar generadores.

Número de polos	El número de revoluciones del rotor para una frecuencia de 50 hercios, por 1 minuto	El número de revoluciones del rotor para una frecuencia de 60 hercios, por 1 minuto	El número de revoluciones del rotor para una frecuencia de 400 hercios, por 1 minuto
2	3000	3 600	24 000
cuatro	1500	1800	12 000
6	1000	1 200	8000
ocho	750	900	6000
diez	600	720	4 800
12	500	600	4000
catorce	428.6	514.3	3429
dieciséis	375	450	3000
Dieciocho	333.3	400	2667
veinte	300	360	2400
40	150	180	1 200

Por ejemplo, una turbina de vapor funciona de manera óptima a 3000 rpm, el número de polos del generador es dos.

Por ejemplo, para un motor diésel utilizado en centrales eléctricas diésel , el modo de funcionamiento óptimo es de 750 rpm, entonces el generador debe tener 8 polos.

Por ejemplo, las turbinas hidráulicas masivas y de baja velocidad en las grandes centrales hidroeléctricas giran a una velocidad de 150 revoluciones por minuto, entonces el generador debe tener 40 polos.

Estos ejemplos se dan para una frecuencia de corriente alterna de 50 hercios.

Parámetros del generador síncrono

Las principales magnitudes que caracterizan a un generador síncrono son:

tensión eléctrica en los terminales , voltios ; $tu$
fuerza actual , amperio ; $yo$
potencia aparente [voltio-amperio]
potencia activa , vatio ; $Pi}$
número de revoluciones del rotor por minuto ; $norte$
factor de potencia ( coseno " phi ") . ${\ estilo de visualización \ cos \ phi}$
tipo de excitación de devanado

Característica de inactividad del generador

La fuerza electromotriz de un alternador es proporcional a la magnitud del flujo magnético y al número de revoluciones del rotor del generador por minuto: $\Fi$ $norte$

${\ Displaystyle E = cn \ Phi}$ , donde es el coeficiente de proporcionalidad (determinado por el diseño del generador). $C$

Aunque la magnitud de la FEM de un generador síncrono depende del número de revoluciones del rotor, es imposible regularla cambiando la velocidad de rotación del rotor, ya que la frecuencia de la corriente alterna generada por el generador está relacionada con el número de revoluciones del rotor del generador. Cuando el generador está funcionando en redes eléctricas , la frecuencia debe observarse estrictamente (en Rusia 50 hercios ). $norte$

Por lo tanto, la única forma de cambiar el valor de EMF de un generador síncrono es cambiar el flujo magnético . $\Fi$

El flujo magnético es proporcional a la fuerza de la corriente en el circuito ( A , amperios ) y la inductancia ( H , henry ): $\Fi$ $yo$ $L$

${\ estilo de visualización \ Phi = LI}$ .

A partir de aquí, la fórmula para la FEM de un generador síncrono se verá así :. $E=cnLI$

La regulación de EMF al cambiar el flujo magnético se lleva a cabo conectando secuencialmente reóstatos o reguladores de voltaje electrónicos al circuito del devanado de excitación . Hay anillos deslizantes en el rotor del generador , la corriente de excitación se suministra a través del conjunto de escobillas ( contactos deslizantes ). En el caso de que un pequeño generador de excitación esté ubicado en un eje común con un generador, la regulación se lleva a cabo indirectamente, regulando la corriente de excitación del generador de excitación.

En el caso de que se utilicen generadores de corriente alterna con excitación de imanes permanentes (por ejemplo, en ingeniería energética a pequeña escala), la tensión de salida se regula mediante dispositivos externos: reguladores de tensión y estabilizadores . Véase también estabilizadores de voltaje de CA , regulador de voltaje de conmutación .

Si no importa qué corriente de frecuencia se obtiene en los terminales del generador (por ejemplo, la corriente alterna luego se rectifica, como en las locomotoras diésel con transmisión AC-DC, como ТЭ109 , ТЭ114 , ТЭ129 , ТЭМ7 , etc.) - EMF se regula cambiando la corriente de excitación y cambiando el número de revoluciones del generador de tracción .

Funcionamiento en paralelo de generadores síncronos

En las centrales eléctricas, los generadores síncronos se conectan entre sí en paralelo para trabajar juntos en una red eléctrica común . Cuando la carga en la red eléctrica es baja, solo una parte de los generadores funcionan, con un mayor consumo de energía (" hora pico "), se encienden los generadores de respaldo. Este método es ventajoso, ya que cada generador opera a plena capacidad , por lo tanto, con la mayor eficiencia .

Sincronización del generador con la red eléctrica

Al momento de conectar el generador de respaldo a los buses eléctricos , su fuerza electromotriz debe ser numéricamente igual al voltaje en estas llantas, tener la misma frecuencia con él , y el desfase debe ser igual a cero. El proceso de llevar el generador de respaldo a un modo que proporcione la condición especificada se denomina sincronización del generador .

Si no se cumple esta condición (el generador conectado no se pone en modo síncrono), entonces puede fluir una gran corriente desde la red al generador, el generador comenzará a funcionar en el modo de motor eléctrico, lo que puede provocar un accidente.

Para sincronizar el generador conectado con la red eléctrica, se utilizan dispositivos especiales, en su forma más simple: un sincroscopio .

El sincroscopio es una lámpara incandescente y un voltímetro "cero" , conectados en paralelo a los contactos del interruptor , que desconecta el generador de los buses de la red (respectivamente, cuántas fases, cuántas lámparas incandescentes y voltímetros).

Cuando el interruptor está abierto, el conjunto paralelo "lámpara incandescente -" cero "voltímetro" resulta estar conectado en serie con el circuito "fase generador - fase de red".

Después de encender el generador (con el interruptor abierto), se lo lleva a la velocidad nominal y, al ajustar la corriente de excitación, el voltaje en los terminales del generador y en los buses de la red es aproximadamente el mismo.

Cuando el generador se acerca a la sincronización, las lámparas incandescentes comienzan a parpadear y, en el momento de la sincronización casi completa, se apagan. Sin embargo, las lámparas se apagan con un voltaje que no es igual a cero; los voltímetros (voltímetros "cero") sirven para indicar el cero completo . Tan pronto como los voltímetros "cero" muestren 0 voltios , el generador y la red eléctrica están sincronizados, puede cerrar el interruptor. Si dos lámparas incandescentes (en dos fases) se apagan, pero la tercera no, significa que una de las fases del generador está mal conectada al bus de la red eléctrica.

Alternadores de vehículos

Los alternadores trifásicos con un puente rectificador trifásico de semiconductor incorporado se utilizan en automóviles modernos para cargar una batería de automóvil , así como para alimentar consumidores eléctricos , como un sistema de encendido , iluminación automotriz , una computadora a bordo , un sistema de diagnóstico, y otros. La constancia del voltaje en la red de a bordo se mantiene mediante un regulador de voltaje especializado .

El uso de alternadores automotrices le permite reducir las dimensiones generales, el peso del generador, aumentar su confiabilidad, manteniendo o incluso aumentando su potencia en comparación con los generadores de CC [2] .

Por ejemplo, el generador de CC G-12 ( automóvil GAZ-69 ) pesa 11 kg, corriente nominal de 20 amperios , y el alternador G-250P2 ( automóvil UAZ-469 ) con una masa de 5,2 kg produce una corriente nominal de 28 amperios.

Los alternadores se utilizan en vehículos híbridos , lo que permite combinar el empuje de un motor de combustión interna y un motor eléctrico . Esto evita el funcionamiento del motor de combustión interna en el modo de carga baja, así como para implementar la recuperación de energía cinética , lo que aumenta la eficiencia de combustible de la planta de energía.

En locomotoras diésel , como TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K , se utiliza transmisión eléctrica AC-DC, se instalan generadores de tracción trifásicos síncronos . Motores de tracción DC, la electricidad generada por el generador es rectificada por un rectificador de semiconductores. Reemplazar el generador de CC con un generador de corriente alterna permitió reducir la masa del equipo eléctrico, la reserva se puede utilizar para instalar un motor diesel más potente . Sin embargo, el alternador de tracción no puede ser utilizado como arrancador de un motor de combustión interna, el arranque lo realiza un generador de corriente continua para circuitos de control.

En una locomotora diésel experimental 2TE137 , se utilizan nuevas locomotoras rusas 2TE25A , TEM21 , transmisión eléctrica AC-AC, con motores de tracción asíncronos.

Motores de inducción como alternadores

Como máquina eléctrica reversible, un motor de CA asíncrono se puede transferir al modo generador .

En modo generador, el deslizamiento (la diferencia entre la velocidad angular del rotor y la velocidad angular del campo magnético giratorio) cambia de signo,
es decir, el motor de inducción funciona como un generador asíncrono .

Esta inclusión se utiliza principalmente en el transporte para frenado reostático o regenerativo (donde los asíncronos se utilizan como motores de tracción ).

Enfriamiento de alternadores

Durante el funcionamiento, se producen pérdidas de energía en el generador, que se convierten en calor y elementos calefactores. Aunque la eficiencia de los generadores modernos es muy alta, las pérdidas absolutas son bastante grandes, lo que conduce a un aumento significativo de la temperatura del acero activo, el cobre y el aislamiento . Un aumento en la temperatura de los elementos estructurales, a su vez, conduce a su destrucción gradual y a una disminución de la vida útil del generador [3] [4] . Para evitar esto, se utilizan varios sistemas de refrigeración.

Existen los siguientes tipos de sistemas de refrigeración: superficie (indirecta) y refrigeración directa [3] . El enfriamiento indirecto, a su vez, puede ser aire e hidrógeno.

Los sistemas de enfriamiento de hidrógeno se instalan con mayor frecuencia en generadores grandes, ya que proporcionan una mejor eliminación de calor [5] (en comparación con el aire , el hidrógeno tiene una conductividad térmica más alta y una densidad 10 veces menor [6] ). El hidrógeno es inflamable y explosivo, por lo que se utilizan aislamiento del sistema de ventilación y mantenimiento de alta presión.

Véase también

Notas

↑ Rybnikova, I. A. Aspectos históricos de la construcción de instalaciones para el transbordo de granos en el puerto marítimo de Novorossiysk a finales de los siglos XIX y XX / I. A. Rybnikova, A. M. Rybnikov // VESTNIK ISTU. - 2014. - Nº 7 (90). — ISSN 1814-3520 .
La central eléctrica estaba destinada a proporcionar energía a los motores eléctricos de los mecanismos del ascensor, .... La construcción fue supervisada por A. N. Shchensnovich, quien utilizó la invención de I. O. Dolivo-Dobrovolsky. Los planos de la estación fueron realizados por la empresa suiza Brown Boveri, y todo el equipo eléctrico principal se fabricó in situ en los talleres mecánicos del ascensor, incluido el bobinado y montaje de los motores eléctricos.
↑ El alternador utilizado en el sistema de suministro de energía de un automóvil de pasajeros tiene las mismas ventajas.
↑ 1 2 Centrales eléctricas y subestaciones. Tema 2. Generadores síncronos y compensadores . Consultado el 29 de abril de 2013. Archivado desde el original el 5 de marzo de 2016. (indefinido)
↑ Enfriadores de gas de máquinas eléctricas . Consultado el 29 de abril de 2013. Archivado desde el original el 17 de mayo de 2013. (indefinido)
↑ Sistema de enfriamiento de hidrógeno del generador (enlace inaccesible)
↑ El principio de funcionamiento y diseño de las máquinas síncronas . Consultado el 29 de abril de 2013. Archivado desde el original el 13 de septiembre de 2014. (indefinido)

Literatura

Thompson, S. P. Dynamo-Electric Machinery : A Manual for Students of Electrotechnics : Part 1 : [ ing. ] . - Nueva York: Collier and Sons, 1902.

Enlaces

Alternadores Archivado el 29 de abril de 2004 en Wayback Machine . Publicación integrada (TPub.com).
Alternador de madera de bajas revoluciones . Campo de fuerza, Fort Collins, Colorado, Estados Unidos.
Comprender los alternadores trifásicos . WindStuffAhora.
Alternador, Arco y Chispa. Los primeros transmisores inalámbricos . La página de inicio de G0UTY.
White, Thomas H., Desarrollo del alternador-transmisor (1891-1920) . EarlyRadioHistory.us.

diccionarios y enciclopedias	Britannica (en línea) Treccani
En catálogos bibliográficos	BNF : 123986174 J9U : 987007536063205171 LCCN : sh85041708