GENERADORES ELECTRICOS

¿CÓMO FUNCIONA UN GENERADOR ELECTRICO?

 

Los generadores electricos son aparatos que convierten la energía mecánica en energía eléctrica. La energía mecánica, a su vez, se produce a partir de la energía química o nuclear con varios tipos de combustible, o se obtiene a partir de fuentes renovables como el viento o los saltos de agua. Las turbinas de vapor, los motores de combustión interna, las turbinas de combustión de gas, los motores eléctricos, las turbinas de agua y de viento son los métodos comunes que proporcionan energía mecánica para este tipo de dispositivos. Hay generadores electricos de todo tipo de tamaños, desde muy pequeños de unos pocos vatios de potencia de salida hasta centrales eléctricas de gran potencia que proporcionan gigavatios de potencia.

Esta imagen de un generador electrico pone de manifiesto un ejemplo de cómo produce energía un generador electrico. Las dos flechas negras indican la dirección de rotación de la bobina. Las líneas azules representan el campo magnético orientado del polo norte al polo sur. Las flechas rojas indican la dirección instantánea de la corriente CA (corriente alterna) inducida.

 

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Funcionamiento de los generadores electricos

El funcionamiento de los generadores electricos se basa en el fenómeno de inducción electromagnética: cuando un conductor hace un movimiento relativo hacia el campo magnético, se induce el voltaje en el conductor. Particularmente, si una bobina está girando en un campo magnético, significa que las dos caras de la turbina se mueven en direcciones opuestas y se añaden los voltajes inducidos a cada lado. Numéricamente, el valor instantáneo del voltaje final (denominado fuerza electromotriz –emf–) es igual al resto del índice de cambio del flujo magnético Φ veces el nombre de vueltas de la bobina: V=−N•∆Φ/Δt. Esta relación se ha encontrado experimentalmente y hace referencia a la Ley de Faraday. El símbolo "menos" es por la ley de Lenz, que indica que la dirección de emf es tal que el campo magnético de la corriente inducida se opone al cambio en el flujo que produce esta emf. La ley de Lenz está relacionada con la conservación de energía.

Como la frecuencia de flujo magnético cambia a través de la bobina que gira en una frecuencia constante que varia de forma sinusoidal con la rotación, el voltaje generado a las terminales de la bobina también es sinusoidal (CA). Si un circuito externo se conecta a las terminales de bobina, este voltaje creará corriente a través de este circuito, que será energía que se transferirá a la carga. Por lo tanto, la energía mecánica que hace rotar la bobina se convierte en energía eléctrica.

La corriente de la carga, a su vez, crea un campo magnético que se opone al cambio del flujo de la bobina, por lo tanto, la bobina se opone al movimiento. Como más alta sea la corriente, más grande debe de ser la fuerza que se tiene que aplicar a la armadura para evitar que se ralentice. En la imagen, una biela manual hace rotar la bobina. A la práctica, la energía mecánica es producida por turbinas o motores que se denominan fuentes energéticas. En un generador electrico de CA pequeño, una fuente energética normalmente es un motor de combustión interna rotatorio.

Entre los aparatos comercialmente disponibles, un alternador está integrado con un motor en un aparato simple. El dispositivo resultante se denomina generador electrico. Un generador electrico es la fuente de energía de reserva más común en caso de emergencia y probablemente la más económica para uso doméstico.

Los generadores electricos más económicos se venden por unos 70 € por kilovatio. La producción de voltaje depende solamente del movimiento relativo entre la bobina y el campo magnético. La emf es inducida por la misma ley de la física si el campo magnético traviesa una bobina fija, o la bobina pasa a través de un campo magnético fijo. Los generadores electricos de CA actuales normalmente no tienen escobillas. Tienen un campo giratorio y una armadura fija que produce energía.

Esta armadura incluye un grupo de bobinas que forman un cilindro. Además, a la práctica, el campo magnético normalmente es inducido por un electroimán en vez de un imán permanente. El electroimán está formado por las denominadas bobinas de campo fijadas encima de un núcleo de hierro. El flujo de corriente de las bobinas de campo produce el campo magnético.

Esta corriente se puede obtener a partir de la fuente externa o de la propia armadura del sistema. Se alcanza la regulación detectando el voltaje de salida, que lo convierte en CC (corriente continua) y que compara su nivel con un voltaje de referencia. Un error se utiliza para controlar el campo por tal de mantener una salida constante. Las fuentes de CA modernas con bobinas de campo son autoexcitadas: la corriente por las bobinas de campo es accionado por un bobinado excitador adicional de la armadura.

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¿Cómo funciona la autoexcitación?

El voltaje de salida del excitador lo rectifica un puente de diodos y normalmente se incluye en el regulador de voltaje. Cuando se genera la corriente CA de salida, una porción de ella fluye en la bobina de campo para generar el campo magnético. El campo magnético inicial, de antes de encender el generador electrico lo produce el magnetismo residual en núcleos de electroimanes o lo crea una corriente eléctrica que se transfiere durante el acoplamiento del motor desde una batería.

Los campos magnéticos de cualquier fuente o la no utilización del generador electricos durante un largo periodo de tiempo pueden perder o debilitar el magnetismo residual del núcleo excitador. Algunos modelos de generadores electricos proporcionan excitación inicial del campo automática. Por el contrario, si el núcleo electromagnético perdiera su magnetismo residual, el rotor giraría, pero no se produciría voltaje de salida de CA.

En este caso, para encender el aparato sería necesario hacer lo denominado excitación inicial del campo del generador electrico. El procedimiento típico de excitación inicial del campo consiste en parar el motor, desconectar los cables eléctricos del campo excitador desde el regulador de voltaje (vigilar la polaridad de los cables eléctricos) y apagar el interruptor. Después se tendría que aplicar voltaje desde una batería externa o desde otra fuente de CC en series de 10-20 Ohm 25 W de resistencia restrictiva o una bombilla hacia la bobina del campo controlando la polaridad.

Una vez hecho esto, se debería permitir que el campo se excite durante unos 10 segundos, después eliminar la fuente de voltaje externa, y finalmente volver a conectar la bobina excitadora. Para los modelos particulares es mejor consultar el propio manual de funcionamiento, ya que incluye recomendaciones.