¿Cómo funcionan los generadores de CA y CC?

El término "generación" en ingeniería eléctrica proviene del latín. Significa "nacimiento". En cuanto a la energía, podemos decir que los generadores son dispositivos técnicos que generan electricidad.

En este caso, cabe señalar que la corriente eléctrica se puede producir mediante la conversión de diferentes tipos de energía, por ejemplo:

• químico;

• luz;

• térmico y otros.

Históricamente, los generadores son estructuras que convierten la energía cinética de rotación en electricidad.

Según el tipo de electricidad generada, los generadores son:

1. corriente continua;

2. variable.

El principio de funcionamiento del generador más simple.

Las leyes físicas que permiten crear modernas instalaciones eléctricas para generar electricidad mediante la transformación de energía mecánica fueron descubiertas por los científicos Oersted y Faraday.

Se aplica cualquier diseño de generador principio de inducción electromagnéticacuando hay una inducción de una corriente eléctrica en un marco cerrado debido a su intersección con un campo magnético giratorio que se crea magnetos permanentes en modelos simplificados para uso doméstico o bobinas de excitación en productos industriales con mayor potencia.

Cuando gira el bisel, la magnitud del flujo magnético cambia.

La fuerza electromotriz inducida en la espira depende de la tasa de cambio del flujo magnético que penetra en la espira en una espira cerrada S y es directamente proporcional a su valor. Cuanto más rápido gira el rotor, mayor es el voltaje generado.

Para crear un circuito cerrado y desviar la corriente eléctrica, fue necesario crear un colector y un cepillo que proporcione un contacto constante entre el marco giratorio y una parte estacionaria del circuito.

Debido a la construcción de cepillos con resorte presionados contra las placas colectoras, la corriente eléctrica se transmite a los terminales de salida y desde ellos pasa a la red del consumidor.

El principio de funcionamiento del generador de CC más simple.

A medida que el marco gira alrededor del eje, sus mitades izquierda y derecha giran alrededor de los polos norte o sur de los imanes. Cada vez en ellos hay un cambio en la dirección de las corrientes al revés, de modo que en cada polo fluyen en una dirección.

Para crear una corriente continua en el circuito de salida, se crea un medio anillo en el nodo del colector para cada mitad de la bobina. Los cepillos adyacentes al anillo eliminan el potencial solo de su signo: positivo o negativo.

Dado que el semianillo del marco giratorio está abierto, se crean momentos en él cuando la corriente alcanza su valor máximo o está ausente. Para mantener no solo la dirección, sino también un valor constante del voltaje generado, el marco se fabrica de acuerdo con una tecnología especialmente preparada:

• no usa una bobina, sino varias, según la magnitud del voltaje planificado;

• el número de cuadros no se limita a una copia: intentan hacer un número suficiente para mantener de manera óptima la caída de voltaje en el mismo nivel.

En el generador de CC, los devanados del rotor están ubicados en las ranuras circuito magnético… Esto permite reducir la pérdida del campo electromagnético inducido.

Características de diseño de los generadores de corriente continua.

Los elementos principales del dispositivo son:

• marco de alimentación externa;

• polos magnéticos;

• estator;

• rotor giratorio;

• bloque de interruptores con cepillos.

Bastidor fabricado con aleaciones de acero o hierro fundido para dar resistencia mecánica a la estructura general. Una tarea adicional de la carcasa es transferir el flujo magnético entre los polos.

Polos de imanes unidos al cuerpo con pasadores o pernos. Una bobina está montada sobre ellos.

Un estator, también llamado yugo o esqueleto, está hecho de materiales ferromagnéticos. La bobina de la bobina de excitación se coloca sobre ella. Núcleo del estator equipado con polos magnéticos que forman su campo magnético.

Rotor tiene un sinónimo: ancla. Su núcleo magnético consta de placas laminadas que reducen la formación de corrientes de Foucault y aumentan la eficiencia. Los devanados del rotor y/o de autoexcitación se colocan en los canales del núcleo.

Un nodo de conmutación con escobillas, puede tener diferente número de polos, pero siempre es múltiplo de dos. El material del cepillo suele ser grafito. Las placas colectoras están hechas de cobre, como el metal más adecuado para las propiedades eléctricas de conducción de corriente.

Gracias al uso de un interruptor, se genera una señal pulsante en los terminales de salida del generador de CC.

Los principales tipos de construcciones de generadores de CC.

Según el tipo de fuente de alimentación de la bobina de excitación, se distinguen los dispositivos:

1. con autoexcitación;

2. operar sobre la base de la inclusión independiente.

Los primeros productos pueden:

• usar imanes permanentes;

• u operar desde fuentes externas, por ejemplo, baterías, turbinas eólicas...

Los generadores de conmutación independiente funcionan con su propio devanado, que se puede conectar:

• secuencialmente;

• shunts o excitación en paralelo.

Una de las opciones para tal conexión se muestra en el diagrama.

Un ejemplo de un generador de CC es un diseño que se usaba a menudo en la ingeniería automotriz en el pasado. Su estructura es la misma que la de un motor de inducción.

Tales estructuras de colectores pueden operar simultáneamente en modo motor o generador. Debido a esto, se han generalizado en los vehículos híbridos existentes.

Proceso de formación de anclas

Esto ocurre en modo inactivo cuando la presión del cepillo se ajusta incorrectamente, creando un modo de fricción subóptimo. Esto puede provocar una reducción de los campos magnéticos o un incendio debido al aumento de las chispas.

Las formas de reducir son:

• compensación de campos magnéticos conectando polos adicionales;

• ajuste del desplazamiento de la posición de los cepillos colectores.

Ventajas de los generadores de CC

Incluyen:

• sin pérdidas por histéresis y formación de corrientes de Foucault;

• trabajar en condiciones extremas;

• Peso reducido y pequeñas dimensiones.

El principio de funcionamiento del alternador más simple.

Dentro de este diseño, se utilizan los mismos detalles que en el análogo anterior:

• campo magnético;

• marco giratorio;

• bloque colector con escobillas de drenaje de corriente.

La principal diferencia radica en el diseño del conjunto del colector, que está diseñado para que cuando el marco gire a través de las escobillas, se haga contacto constante con la mitad del marco sin cambiar cíclicamente su posición.

Por lo tanto, la corriente, que cambia de acuerdo con las leyes de los armónicos en cada mitad, se transfiere completamente sin cambios a los cepillos y luego, a través de ellos, al circuito del consumidor.

Naturalmente, el marco se crea enrollando no de una vuelta, sino de un número calculado de ellas para lograr la tensión óptima.

Por lo tanto, el principio de funcionamiento de los generadores de CC y CA es común, y las diferencias de diseño están en la producción de:

• conjunto de colector de rotor giratorio;

• Configuración del devanado del rotor.

Características de diseño de alternadores industriales.

Considere las partes principales de un generador de inducción industrial en el que el rotor recibe movimiento de rotación de una turbina cercana. La construcción del estator incluye un electroimán (aunque el campo magnético puede crearse mediante un conjunto de imanes permanentes) y un devanado del rotor con un cierto número de vueltas.

En cada bucle se induce una fuerza electromotriz, que se suma sucesivamente en cada uno de ellos y forma en los terminales de salida el valor total de la tensión suministrada al circuito de alimentación de los consumidores conectados.

Para aumentar la amplitud de la EMF a la salida del generador, se utiliza un diseño especial del sistema magnético, hecho de dos circuitos magnéticos debido al uso de grados especiales de acero eléctrico en forma de placas laminadas con canales. Las bobinas están instaladas en su interior.

En la carcasa del generador, hay un núcleo de estator con canales para acomodar una bobina que crea un campo magnético.

El rotor que gira sobre cojinetes también tiene un circuito magnético ranurado dentro del cual está montada una bobina que recibe un EMF inducido. Habitualmente se elige la dirección horizontal para el eje de giro, aunque existen generadores con disposición vertical y el correspondiente diseño de los rodamientos.

Siempre se crea un espacio entre el estator y el rotor, que es necesario para garantizar la rotación y evitar atascos. Pero al mismo tiempo, hay una pérdida de energía de inducción magnética en él. Por ello, intentan que sea lo más pequeño posible, teniendo en cuenta ambos requisitos de forma óptima.

Situado en el mismo eje que el rotor, el excitador es un generador de corriente continua de potencia relativamente baja. Su propósito: suministrar electricidad a los devanados de un generador de energía en un estado de excitación independiente.

Dichos excitadores se usan con mayor frecuencia con diseños de turbinas o generadores hidráulicos cuando se crea un método de excitación principal o de respaldo.

La foto de un generador industrial muestra la disposición de los anillos deslizantes y las escobillas para capturar las corrientes de una estructura de rotor giratorio. Durante el funcionamiento, este dispositivo está sujeto a esfuerzos mecánicos y eléctricos constantes. Para superarlos, se crea una estructura compleja, que durante la operación requiere controles periódicos y medidas preventivas.

Para reducir los costes operativos generados, se utiliza una tecnología alternativa diferente que aprovecha también la interacción entre campos electromagnéticos rotativos. Solo se colocan imanes permanentes o eléctricos en el rotor y se elimina el voltaje de la bobina estacionaria.

Al crear un circuito de este tipo, dicha estructura puede llamarse el término «alternador». Se utiliza en generadores síncronos: alta frecuencia, automoción, locomotoras diésel y barcos, instalaciones de centrales eléctricas para la producción de electricidad.

Características de los generadores síncronos

Principio de operación

El nombre y característica distintiva de la acción radica en la creación de una conexión rígida entre la frecuencia de la fuerza electromotriz alterna inducida en el devanado del estator «f» y la rotación del rotor.

En el estator está montado un devanado trifásico, y en el rotor hay un electroimán con núcleo y un devanado de excitación alimentado por circuitos de corriente continua a través de un colector de escobillas.

El rotor es impulsado a girar por una fuente de energía mecánica: un motor de accionamiento a la misma velocidad. Su campo magnético hace el mismo movimiento.

Las fuerzas electromotrices de la misma magnitud pero con un cambio de dirección de 120 grados se inducen en los devanados del estator, creando un sistema simétrico trifásico.

Cuando se conectan a los extremos de los devanados de los circuitos consumidores, comienzan a actuar corrientes de fase en el circuito, que forman un campo magnético que gira de la misma manera: sincrónicamente.

La forma de la señal de salida de la FEM inducida depende únicamente de la ley de distribución del vector de inducción magnética en el espacio entre los polos del rotor y las placas del estator. Por lo tanto, buscan crear tal diseño cuando la magnitud de la inducción cambia según una ley sinusoidal.

Cuando el espacio es constante, el vector de flujo dentro del espacio es trapezoidal, como se muestra en el gráfico de líneas 1.

Sin embargo, si la forma de las franjas en los polos se corrige para que sea sesgada cambiando el espacio al valor máximo, entonces es posible lograr una forma sinusoidal de la distribución como se muestra en la línea 2. Esta técnica se usa en la práctica.

Circuitos de excitación para generadores síncronos

La fuerza magnetomotriz que surge en el devanado de excitación del rotor «OB» crea su campo magnético. Para ello existen diferentes diseños de excitadores DC basados ​​en:

1. método de contacto;

2. método sin contacto.

En el primer caso, se utiliza un generador separado llamado excitador «B». Su bobina de excitación es alimentada por un generador adicional según el principio de excitación en paralelo, denominado excitador «PV».

Todos los rotores están ubicados en un eje común. Por lo tanto, giran exactamente de la misma manera. Los reóstatos r1 y r2 se utilizan para regular las corrientes en los circuitos de excitación y amplificación.

Con el método sin contacto, no hay anillos colectores en el rotor. Un devanado de excitador trifásico está montado directamente sobre él. Gira sincrónicamente con el rotor y transmite corriente eléctrica continua a través del rectificador co-rotante directamente al devanado del excitador «B».

Los tipos de circuitos sin contacto son:

1. sistema de autoexcitación desde el propio devanado del estator;

2. esquema automatizado.

En el primer método, el voltaje de los devanados del estator se alimenta al transformador reductor y luego al rectificador de semiconductores «PP», que genera corriente continua.

Con este método, la excitación inicial se crea debido al fenómeno del magnetismo residual.

El esquema automático para crear autoexcitación implica el uso de:

• transformador de tensión VT;

• regulador de excitación automatizado ATS;

• transformador de corriente TT;

• rectificador VT;

• convertidor de tiristores TP;

• bloque de protección BZ.

Características de los generadores asíncronos

La principal diferencia entre estos diseños es la falta de una relación rígida entre la velocidad del rotor (nr) y la FEM inducida en la bobina (n). Siempre hay una diferencia entre ellos, que se llama "deslizamiento". Se denota con la letra latina "S" y se expresa con la fórmula S = (n-nr) / n.

Cuando la carga se conecta al generador, se crea un par de frenado para hacer girar el rotor. Afecta la frecuencia del EMF generado, crea un deslizamiento negativo.

La construcción del rotor para generadores asíncronos se realiza:

• cortocircuito;

• fase;

• hueco.

Los generadores asíncronos pueden tener:

1. emoción independiente;

2. autoexcitación.

En el primer caso, se utiliza una fuente de tensión alterna externa, y en el segundo, se utilizan convertidores de semiconductores o condensadores en el circuito primario, secundario o en ambos tipos.

Así, los alternadores y los generadores de corriente continua tienen mucho en común en los principios de construcción, pero difieren en el diseño de ciertos elementos.