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ESTUDIO DE LAS PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE LOS GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA. Fernando Arévalo Salamea. [email protected]

Jorge Escobar Hinojosa. [email protected]

Juan Pesantez Gómez [email protected]

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.

RESUMEN: En el presente ensayo trataremos las principales características de los generadores síncronos como son los tipos de construcción que tienen y las partes que los conforman, además de las principales diferencias y semejanzas entre unos y otros puesto que es fundamental conocer estas características de los generadores para darles un uso adecuado a los mismos.

Para que la máquina síncrona sea capaz de efectivamente convertir energía mecánica aplicada a su eje, es necesario que el enrollamiento de campo localizado en el rotor de la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del estator. Debido a ese movimiento relativo entre el campo magnético de los polos del rotor, la intensidad del campo magnético que atraviesa los enrollamientos del estator irá a variar el tiempo, y así tendremos por la ley de Faraday una inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator. Debido a distribución y disposición espacial del conjunto de enrollamientos del estator, las tensiones inducidas en sus terminales serán alternas senoidales trifásicas.

PALABRAS CLAVE: generador, polos salientes, estator, rotor, rueda polar, sin escobillas.

1 INTRODUCCIÓN. Los generadores de corriente alterna constituyen el medio industrial más común de producción de energía eléctrica. Estos dispositivos se basan en el aprovechamiento de los fenómenos de la inducción electromagnética. El generador 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. Para crear tensión inducida en el (estator), debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él.

La corriente eléctrica utilizada para alimentar el campo es denominada corriente de excitación. Cuando el generador está funcionando aisladamente de un sistema eléctrico, la excitación del campo irá a controlar la tensión eléctrica generada. Cuando el generador está conectado a un sistema eléctrico que posee diversos generadores interligados, la excitación del campo irá a controlar la potencia reactiva generada [1].

2 GENERADOR DE POLOS SALIENTES EN EL ESTATOR. Es estator es mecánicamente hablando el componente estático de una máquina eléctrica, también llamado inductor porque en él se encuentran alojados los bobinados concatenados convenientemente, según se trate de un motor de corriente continua o alterna (monofásico, trifásico, etc) que "inducen" o producen el campo electromagnético.

Fig 1.Partes principales de un generador.

El núcleo del estator está hecho de cientos de láminas de acero delgadas. Las máquinas que las prensan usan soldadura automática, para asegurar ángulos de ranura, presiones de compresión y alineamiento correctos de las

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

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ranuras. Las láminas del estator generalmente son de acero siliconado especial.

mayores. Los rotores de polo saliente son definidos como superficies de polo en saliente de la superficie del rotor. Los devanados generalmente se enrollan alrededor de estos polos, como se muestra en la figura.

El núcleo del estator está sujeto a un flujo alterno, que induce pequeñas corrientes internas al acero, llamadas "corrientes parásitas" o de "Foucault". Las corrientes parásitas generan calor y pérdidas de eficiencia.

La figura muestra un campo rotatorio de polos no salientes, o rotor cilíndrico. Este se usa principalmente en turbinas de vapor grandes, accionadas por generadores y ocasionalmente con inducidos enfriados por agua. Frecuentemente, se hacen ranuras en las superficies de los polos para poner los devanados y reducir pérdidas. Este tipo de diseño de generador no se usa en algunos grupos electrógenos.

Al ser el núcleo de láminas comprimidas, en lugar de una sola pieza sólida de acero, se inhiben las corrientes parásitas, lo cual reduce la circulación de estas corrientes y las pérdidas que genera. La adición de silicio al acero también tiene el propósito de inhibir las corrientes parásitas.

4 GENERADOR SIN ESCOBILLAS. El devanado de corriente continua sobre la estructura giratoria del campo se conecta a una fuente externa por medio de anillos deslizantes y escobillas. Algunas estructuras de campo no tienen escobillas, sino que tienen excitación sin escobillas por medio de diodos giratorios. La presente invención se refiere a un generador CA polifásico sin escobillas que es adecuado para la excitación para avance de ángulo y a un aparato de control de excitación para uso con él. Un generador CA polifásico sin escobillas sensores de polo magnético, cada uno para detectar la posición rotativa de un rotor e incluyendo una pluralidad de fases a cada una de las cuales se suministra una corriente de fase, teniendo la corriente de fase su temporización de suministro avanzada en ángulo una cantidad predeterminada de ángulo según la señal de detección del sensor de polo magnético, donde cada uno de los sensores de polo magnético está dispuesto de manera que la temporización con que la corriente de fase se suministra para avance de ángulo pueda coincidir con la temporización con que se cambia el campo magnético detectado por el sensor de polo magnético.

Fig 2. Maquina de polos salientes en el estator. Los devanados del estator se dan pues cargas diferentes requieren tipos diferentes de voltaje. Los generadores se diseñan con varias combinaciones de ranuras, conductor y tipos de devanados, para proporcionar la clase especifica de voltaje requerido por las cargas del generador.

3 GENERADOR DE POLOS SALIENTES EN EL ROTOR (RUEDA POLAR). En cambio el rotor mecánicamente hablando es la parte móvil y ese movimiento es originado por el campo inducido (así también se lo llama "inducido") que por ley de Faraday-Lenz se opone a la causa que lo genera, entonces se establece una cupla par motor, que hace que gire. El rotor si es de un motor de corriente alterna, generalmente es macizo y posee un bobinado inducido tipo "jaula de ardilla", en cambio si es de corriente continua presenta un bobinado propiamente dicho.

Otro sistema de excitación llamado “excitatriz sin escobillas” opera bajo el mismo principio que el anterior, solo que ahora se eliminan las escobillas y el conmutador, de hecho, la excitatriz es un generador de C.A. con los polos de campo estacionarios, el voltaje generador, el voltaje generador en C.A. en los devanados rotatorios se rectifica por medio de diodos montados sobre la estructura rotatoria. El voltaje en C.D. producido por los rectificadores rotatorios se aplica directamente a los devanados de campo del generador, el regulador de voltaje controla la corriente de campo para obtener el voltaje deseado en las terminales

Fig 3. Maquina de polos salientes en el rotor [2] El rotor de polos salientes, o de disposición no cilíndrica, se usa en la mayoría de las máquinas con generadores impulsados por motor con clasificaciones de 20 kVA o

Fig 4 maquina sin escobillas [2] 2

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5 PARTES CONSTRUCTIVAS GENERADOR.

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Vamos a detallar las partes fundamentales que componen un generador síncrono, estas son similares entre los distintos tipos de generadores, salvo algunas diferencias que se presentan entre unos y otros que se detallan de forma separada. Rotor.- Es la parte de la máquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de un material envuelto en un enrollamiento llamado de "enrollamiento decampo", que tiene como función producir un campo magnético constante así como en el caso del generador de corriente continua para interactuar con el campo producido por el enrollamiento del estator.

Fig 6 estator. Regulador de Tensión.- El regulador automático de voltaje, proporciona una extinción al rotor, el rotor debe tener un campo magnético constante en cuanto a la dirección de sus líneas magnéticas (no en cuanto a intensidad del campo) y este se logra excitándolo con corriente directa (alterna rectificada) la corriente alterna generada por el generador, debe ser de una frecuencia constante 60Hz; y para eso el rotor siempre gira a la misma velocidad independientemente de que carga esté produciendo, como los requerimientos de carga (consumo de la energía producida) son variables, la generación es variable a frecuencia y voltaje constante, si no se tiene un regulador automático de voltaje (llamado AVR en ingles) esto no se puede lograr.

La tensión aplicada en ese enrollamiento es continua y la intensidad de la corriente soportada por ese enrollamiento es mucho más pequeño que el enrollamiento del estator, además de eso el rotor puede contener dos o más enrollamientos, siempre en número par y todos conectados en serie siendo que cada enrollamiento será responsable por la producción de uno de los polos del electroimán.

Regulador de Velocidad.- No hemos de confundir estos dispositivos con los reguladores de tensión de los alternadores, pues si bien actúan al unísono sobre el grupo, como elementos reguladores que son, sus funciones, aunque relacionadas, están perfectamente delimitadas. Un regulador de velocidad es el mecanismo, destinado a conseguir, en cualquier circunstancia, el equilibrio de los trabajos motor y resistente presentes en una turbina, manteniendo, sensiblemente constante, la velocidad de sincronismo del grupo ante todas las cargas solicitadas, protegiéndole, además, contra velocidades excesivas que pudieran surgir.

Fig 5 rotor Estator.-Parte fija de la máquina, montada envuelta del rotor de forma que el mismo pueda girar en su interior, también constituido de un material ferromagnético envuelto en un conjunto de enrollamientos distribuidos al largo de su circunferencia. Por el estator circula toda la energía eléctrica generada, siendo que tanto la tensión en cuanto a corriente eléctrica que circulan son bastante elevadas en relación al campo, que tiene como función sólo producir un campo magnético para "excitar" la máquina de forma que fuera posible la inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator.

Fig 7 Diagrama de bloques de un regulador de velocidad.

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Carcasa.- La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser: a) Totalmente cerrada b) Abierta c) A prueba de goteo d) A prueba de explosiones e) De tipo sumergible

6 SEMEJANZAS Y DIFERENCIAS ENTRE GENERADORES DE CONTINUA Y DE ALTERNA. 

El Generador de A.C es 'directo', cada escobilla capta a un borne de la bobina del rotor.

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El Generador de D.C debe 'conmutar' las escobillas (es un tema constructivo), para que cada media vuelta cambie de borne en el estator y la Corriente Sinusoidal generada siempre mantenga la misma polaridad.

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El Generador de A.C no posee Corriente Continua sino 'Alterna de una sola polaridad'; es decir una corriente sinusoidal, del mismo tipo que la alterna pero sin cambio de polaridad.

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El Generador de D.C se debe agregar un conjunto de capacitores que actúen como 'integrador' para 'alisar las variaciones' y obtener una corriente continua sin variaciones.

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El Generador de D.C se debe aumentar la cantidad de bobinados en el rotor para que la integración se haga a partir de varias sinusoides y la Corriente Continua obtenida sea más estable.

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El Generador de A.C no se debe aumentar la cantidad de bobinados en el rotor ya que no se necesita obtener corriente continua

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El generador A.C es mucho más sencillo. El rotor es un alambre y el estator son 4 bobinas. El generador D.C es mucho más complicado, porque tiene que realizar una conmutación. Si cada vuelta que da el alternador genera 1 ciclo de alterna, la dinamo tiene que conmutar cada media vuelta para invertir la polaridad.

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Los generadores D.C tienen la facilidad que ofrece al momento de variar la velocidad siendo muy aplicable en sistemas automatizados o para aplicaciones de precisión.

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Los generadores A.C. no cuentan con la facilidad que ofrece al momento de variar la velocidad debido a que se debe variar la frecuencia o el numero de polos para obtener este resultado, debido a que la se busca una frecuencia síncrona y el numero de polos en un factor constructivo .

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En el generador de D.C. La salida de voltaje es limitada e inferior a un generador AC

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En el generador de D.C. La fuente de voltaje de excitación para el devanado de campo pueden constar de una fuente de excitación externa y

Fig 8 Carcasa. Base.- La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede ser de dos tipos: a) Base frontal b) Base latera Caja de conexiones.- Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos Cojinetes.- También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia

Fig 9 coginetes de un generador.

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separada o bien obtener el voltaje necesario de directamente de su propia salida. 

En el generador de D.C. La salida de voltaje es sensible pero no en el cambio de factor de potencia de la carga

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En el generador de A.C. El voltaje de salida es sensible a los cambios de factor de potencia de la carga

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trabajando en sistemas industriales y en movimiento tienden a presentar ciertos inconvenientes (como se dijo, calibración y reconstrucción suelen ser difíciles), pero estos son ampliamente contrarrestados por las ventajas que presentan.

8 REFERENCIAS [1]

http://www.monografias.com/trabajos89/tipos-generadoressincronos/tipos-generadores-sincronos.shtml. [2] http://www.sertec.com [3] “Maquinas Eléctricas”. Stephen J. Chapman. Tercera Edición. [4] “Maquinas Eléctricas”. Jesús Mora. Quinta Edición.

En el generador de A.C. La regulación de voltaje es inestable

7 CONCLUSIONES Este trabajo profundiza el tema de los generadores de alterna, estos generadores son utilizados principalmente en el campo de la industria pues nos permite tener un mejor desempeño de la maquinaria y manejar elementos de mayor potencia. El diseño con los polos salientes en el estator presenta la propiedad de que es el rotor donde se encentra ubicado el inducido, por ello es necesario utilizar un sistema de escobillas o anillos para conseguir que se dé la transmisión de la energía generada hacia una red en la que pueda ser aprovechada. El sistema de polos salientes en el rotor (conocido también como de rueda polar), es utilizado para generadores de gran potencia, puesto que el inducido se encuentra ubicado en el estator, ya no es necesaria la ubicación de escobillas para captar el voltaje generado, pero son necesarias para transmitir la excitación para el campo, aun así la tensión ingresada resulta mucho menor que la de salida, por lo que las potencias manejadas por las escobillas resultan mucho menores que las generadas, minimizando las pérdidas que pudiesen llagar a producirse por el contacto en caso de tener voltajes más elevados. El generador sin escobillas posee un sistema electrónico el cual es el encargado de generar la excitación, este tipo de sistema es más complicado de manejar pues involucra el conocimiento del funcionamiento de la placa electrónica que controla la maquina, de otra forma la reparación de este tipo de maquinas o modificación de cualquier parámetro puede llevarnos demasiado tiempo; al ser sistemas electrónicos

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