GENERADORES Y TRANSFORMADORES

GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA

Cuando, por un campo magnético, se desplaza un conductor se induce sobre él una tensión. Si a un motor C.C. le hacemos girar el rotor (eje), se estarán moviendo los arrollados de éste dentro de un campo magnético (creado por los imanes del motor).

Si este motor no está conectado para que funcione como tal, en sus terminales de alimentación aparecerá la tensión generada internamente. De esta manera un motor de C.C. se convierte en un generador de corriente continua.

La tensión de salida de un generador es directamente proporcional a su velocidad, entonces... es posible saber a que velocidad gira el generador sólo con medir la tensión de salida.
El circuito equivalente del generador CC es casi igual al de un motor CC., solo que en este caso la corriente de excitación no entra, sino que sale.

En la (figura1) se muestra el circuito equivalente de un generador de corriente continua
La tensión de salida se obtiene con ayuda de la ley de tensiones de Kirchoff. Vg = Vb - (Ia x Ra)
Donde:- Vb = Fuerza contraelectromotriz del motor (FCEM)- Ia = Corriente de excitación- Ra = Resistencia del devanado
Se puede ver que la tensión de salida es igual a la FCEM del motor menos la caída de tensión en el devanado del mismo.
- Si un motor de corriente continua aprovecha, la fuerza que se produce sobre un conductor, para poder girar, el generador de CC por el principio recíproco, aprovecha el movimiento de giro del conductor para que sobre el (el conductor) se induzca una tensión.
- En un motor, la corriente que circula por un conductor del motor hace que este se mueva. En un generador, cuando un conductor se mueve se produce sobre el, la circulación de una corriente eléctrica
Si el generador no está cargado (no hay nada conectado la los terminales de salida), Ia es casi cero (0). La tensión de salida Vg y la tensión Vg (fuerza electromotriz del motor) son iguales, debido a que no hay caída en la resistencia Ra. Ecuación anterior.

La velocidad del generador será: Vb/K rpm (revoluciones por minuto)
Donde:- K = constante de FCEM- Vb = Fuerza contraelectromotriz del motor (FCEM)
La corriente continua presenta grandes ventajas, entre las cuales está su capacidad para ser almacenada de una forma relativamente sencilla. Esto, junto a una serie de características peculiares de los motores de corriente continua, y de aplicaciones de procesos electrolíticos, tracción eléctrica, entre otros, hacen que existen diversas instalaciones que trabajan basándose en la corriente continua.

Los generadores de corriente continua son las mismas máquinas que transforman la energía mecánica en eléctrica. No existe diferencia real entre un generador y un motor, a excepción del sentido de flujo de potencia. Los generadores se clasifican de acuerdo con la forma en que se provee el flujo de campo, y éstos son de excitación independiente, derivación, serie, excitación compuesta acumulativa y compuesta diferencial, y además difieren de sus características terminales (voltaje, corriente) y por lo tanto en el tipo de utilización.
Fundamentos
Las máquinas de corriente continua son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica de corriente continua, y motores que convierten energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. La mayoría las máquinas de corriente continua son semejantes a las máquinas de corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y voltajes de corriente alterna. Las máquinas de corriente continua tienen corriente continua sólo en su circuito exterior debido a la existencia de un mecanismo que convierte los voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente continua en los terminales. Este mecanismo se llama colector, y por ello las máquinas de corriente continua se conocen también como máquinas con colector.

Clasificación de los generadores de corriente continúa

En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar más allá de lo que permite la saturación.
En la Figura 2 se representa el esquema de conexiones completo de un generador de corriente continua con excitación independiente; se supone que el sentido de giro de la máquina es a derechas lo que, por otro lado, es el que corresponde a casi todas las máquinas motrices. Si hubiere que cambiar el sentido de giro, bastará con cambiar, las conexiones del circuito principal.

Generador con excitación en paralelo (shunt)

El generador con excitación shunt suministra energía eléctrica a una tensión aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del generador con excitación independiente. Cuando el circuito exterior está abierto, la máquina tiene excitación máxima porque toda la corriente producida se destina a la alimentación del circuito de excitación; por lo tanto, la tensión en bornes es máxima. Cuando el circuito exterior está cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el circuito del inducido y la excitación es mínima, la tensión disminuye rápidamente y la carga se anula. Por lo tanto, un cortocircuito en la línea no compromete la máquina, que se desexcita automáticamente, dejando de producir corriente. Esto es una ventaja sobre el generador de excitación independiente en donde un cortocircuito en línea puede producir graves averías en la máquina al no existir éste efecto de desexcitación automática.
Respecto a los generadores de excitación independiente, los generadores shunt presentan el inconveniente de que no pueden excitarse si no están en movimiento, ya que la excitación procede de la misma máquina. (figura3)


Generador con excitación compound

El generador con excitación compound tiene la propiedad de que puede trabajar a una tensión prácticamente constante, es decir, casi independiente de la carga conectada a la red, debido a que por la acción del arrollamiento shunt la corriente de excitación tiende a disminuir al aumentar la carga, mientras que la acción del arrollamiento serie es contraria, o sea, que la corriente de excitación tiende a aumentar cuando aumente la carga. Eligiendo convenientemente ambos arrollamientos puede conseguirse que se equilibren sus efectos siendo la acción conjunta una tensión constante cualquiera que sea la carga. Incluso, se puede obtener dimensionando convenientemente el arrollamiento serie, que la tensión en bornes aumente si aumenta la carga, conexión que se denomina hipercompound y que permite compensar la pérdida de tensión en la red, de forma que la tensión permanezca constante en los puntos de consumo.
El generador compound tiene la ventaja, respecto al generador shunt, de que no disminuye su tensión con la carga, y, además, que puede excitarse aunque no esté acoplado al circuito exterior, tal como vimos que sucedía en el generador shunt. Durante la puesta en marcha, funciona como un generador shunt una vez conectado a la red, la tensión en bornes del generador shunt, tendería a disminuir si no fuera por la acción del arrollamiento serie, que compensa esta tendencia. Es decir, que el arrollamiento serie sirve para regular la tensión del generador, en el caso de que la resistencia exterior descienda más allá de cierto límite.
En la Figura4 se expresan las conexiones completas de un generador compound. Las maniobras relativas a la puesta en marcha, parada y regulación de un generador compound, son idénticas a las estudiadas para un generador shunt.

El papel más importante que desempeña el generador de corriente continua es alimentar de electricidad al motor de corriente continua. En esencia produce corriente libre de rizo y un voltaje fijo de manera muy precisa a cualquier valor deseado desde cero hasta la máxima nominal; ésta es en realidad corriente eléctrica de corriente continua que permite la mejor conmutación posible en el motor, porque carece de la forma de las ondas bruscas de energía de corriente continua de los rectificadores. El generador tiene una respuesta excelente y es particularmente apropiado para el control preciso de salida por reguladores de retroalimentación de control además de estar bien adaptado para producir corriente de excitación de respuesta y controlada en forma precisa tanto ara máquinas de corriente alterna como para máquinas de corriente continua.

GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA

El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme.

El movimiento de rotación de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroeléctrica, o por un chorro de vapor en una central térmica. En el primer caso, una parte de la energía potencial agua embalsada se transforma en energía eléctrica; en el segundo caso, una parte de la energía química se transforma en energía eléctrica al quemar carbón u otro combustible fósil.
Cuando la espira gira, el flujo del campo magnético a través de la espira cambia con el tiempo. Se produce una fem. Los extremos de la espira se conectan a dos anillos que giran con la espira, tal como se ve en la figura. Las conexiones al circuito externo se hacen mediante escobillas estacionarias en contacto con los anillos.

(figura5)Si conectamos una bombilla al generador veremos que por el filamento de la bombilla circula una corriente que hace que se ponga incandescente, y emite tanta más luz cuanto mayor sea la velocidad con que gira la espira en el campo magnético.
Con este ejemplo, completamos las tres formas que hay de variar con el tiempo el flujo de un campo magnético a través de una espira, F =B·S, como producto escalar de dos vectores, el vector campo B y el vector superficie S.
Cuando el campo cambia con el tiempo.
Cuando el área de la espira cambia con el tiempo.
Cuando el ángulo entre el vector campo B y el vector superficie S cambia con el tiempo.

Funcionamiento del generador AC

Si se toma un motor AC y se hace girar mecánicamente su eje, este motor se comportará como un generador AC (generador de corriente alterna)

El funcionamiento de un generador de corriente alterna se basa en:

- Cuando se coloca una bobina en un campo magnético variable se genera en la bobina una tensión que hace que por esta circule una corriente.- Cuando el campo magnético aumenta, su velocidad de variación aumenta la frecuencia y la tensión de la señal que se genera.

Frecuencia, velocidad y amplitud de salida de un generador AC
Al hacer girar mecánicamente el eje del generador, la frecuencia y la tensión de la señal de salida, aumentan proporcionalmente con la velocidad de giro del eje. La relación que existe entre la velocidad de giro del eje y la frecuencia de la señal generada está dada por la siguiente relación:

Ns = 60 x f / p
Donde:f = frecuencia en Hertz (Hz)p = número de polos del generador (motor)
Basta sólo medir la frecuencia de la señal generada y se puede obtener la velocidad

La frecuencia de la señal senoidal generada, se obtiene con la siguiente fórmula:

f (hz) = Ns x p / 60
donde:Ns = velocidad del motor sincrónico en r.p.m. (revoluciones por minuto)p = número de pares de polos del motor
La amplitud de la señal generada por un generador AC se obtiene con la siguiente fórmula:
V (voltios) = K x Ns
donde:K = Constante del motor en V / rpmNs = Velocidad del motor sincrónico