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21/2/2015 Losgeneradoreselctricos|ENDESAEDUCA
http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursosinteractivos/conceptosbasicos/v.funcionamentobasicodegeneradores# 1/10
Losgeneradoreselctricos
DetalledeungeneradorelctricoUngeneradoresunamquinaelctricarotativaquetransformaenergamecnicaenenergaelctrica.Loconsiguegraciasalainteraccindelosdoselementosprincipalesquelocomponen:lapartemvilllamadarotor,ylaparteestticaquesedenominaesttor.
Cuandoungeneradorelctricoestenfuncionamiento,unadelasdospartesgeneraunflujomagntico(actacomoinductor)paraqueelotrolotransformeenelectricidad(actacomoinducido).
Losgeneradoreselctricossediferenciansegneltipodecorrientequeproducen.As,nosencontramoscondosgrandresgruposdemquinaselctricasrotativas:losalternadoresylasdinamos.
Losalternadoresgeneranelectricidadencorrientealterna.Elelementoinductoreselrotoryelinducidoelesttor.Unejemplosonlosgeneradoresdelascentraleselctricas,lascualestransformanlaenergiamecnicaenelctricaalterna.
Lasdinamosgeneranelectricidadencorrientecontinua.Elelementoinductoreselesttoryelinducidoelrotor.Unejemploloencotraramosenlaluzquetieneunabicicleta,lacualfuncionaatravsdelpedaleo.
Aprendemssobrelosgeneradoreselctricos
Mquinaselctricasrotativas:losgeneradores.
Principiodefuncionamientodeungeneradorelctrico:LeydeFaraday.
Generadordecorrientealterna:elalternador.
Generadordecorrientecontinua:ladinamo.
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Ventajasdelalternadorrespectoaladinamo.
Preguntassobregeneradoreselctricos.
Mquinaselctricasrotativas:losgeneradores
Llamamosmquinaselctricasalosdispositivoscapacesdetransformarenergaelctricaencualquierotraformadeenerga.Lasmquinaselctricassepuedendividiren:
Mquinaselctricasrotativas,queestncompuestasdepartesgiratorias,comolasdinamos,alternadoresymotores.
Mquinaselctricasestticas,quenodisponendepartesmviles,comolostransformadores.
Vamosafijarnosenelgrupodelasmquinasrotativas,queloconstituyenlosmotoresylosgeneradores.Lasmquinaselctricasrotativassonreversibles,yqquepuedentrabajardedosmanerasdiferentes:
Comomotorelctrico:Conviertelaenergaelctricaenmecnica.
Comogeneradorelctrico:Conviertelaenergamecnicaenelctrica.
Detalledelrotorydelesttordeungenerador
Lasmquinaselctricassepuedendividirenrotativasyestticas.Enestecasovamosafijarnosenelgrupodelasmquinasrotativasqueloconstituyenlosmotoresylosgeneradores.
Todaslasmquinasrotativasestnformadaporunapartefijallamadaesttor,tieneformacilndrica,yotramvilllamadarotor.Elrotorsemontaenunejequedescansaendosrodamientosocojinetes.Elespaciodeairequeseparaelesttordelrotor,necesarioparaquepuedagirarlamquinasedenominaentrehierro.
Normalmentetantoenelesttorcomoenelrotorexistendevanadoshechosconconductoresdecobreporlosquecirculancorrientessuministradasocedidasauncircuitoexteriorqueconstituyeelsistemaelctrico.Unodelosdevanadoscreaunflujoenelentrehierroysedenominainductor.Elotrodevanadorecibeelflujodelprimeroysedenominainducido.Deigualmanera,sepodriasituarelinductorenelesttoryelinducidoenelrotoroviceversa.
PrdidasyeficienciadelasmquinaselctricasrotativasComocualquiermquina,lapotenciadesalidaqueofrecenlasmquinaselctricasrotativasesmenorquelapotenciadealimentacinqueselessuministra,potenciasuministrada.Ladiferenciaentrelapotenciadesalidaylasuministradasonlasprdidas:
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Lapotenciadesalidadeungeneradorelctricoeslapotenciaelctricaqueentrega,lapotenciatil.Lapotenciasuministradaototaleslapotenciamecnicadeentrada:lapotenciamecnicaqueabsorbelamquinaparapodergenerarelectricidad.
Dentrodeunamquinaelctricarotativa,lasprdidasmssignificativasson:
Prdidasmecnicas:Causadasporelrozamientoentrelaspiezasmvilesyporlaventilacinorefrigeracininteriordelosdevanados.
Prdidaselctricasoprdidasenelcobre:SeproducenenelcircuitoelctricoyensusconexionesysondebidasalefectoJoule.
Prdidasmagnticasoprdidasenelhierro:Dependendelasvariacionesqueseproducenenloscamposmagnticosydelafrecuencia.
Asmismo,elcocienteentrelapotenciadesalida(tambinllamadapotenciatil)ylapotenciasuministrada(tambinllamadapotenciatotaloabsorbida)eslaeficiencia.Estaeficienciaseexpresaentantoporciento(%):
Porlotanto,laeficienciadeunamquinaelctricadeterminalacantidaddetrabajotilquepuedeproducir,apartirdelaenergiatotalqueconsume.
Principiodefuncionamientodeungeneradorelctrico:LeydeFaraday
RepresentacindelexperimentoquerealizFaraday
Elprincipiodefuncionamientodelosgeneradoressebasaenelfenmenodeinduccinelectromagntica.
LaLeydeFaraday.Estaleynosdicequeelvoltajeinducidoenuncircuitoesdirectamenteproporcionalalcambiodelflujomagnticoenunconductoroespira.Estoquieredecirquesitenemosuncampomagnticogenerandounflujomagntico,necesitamosunaespirapor
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dondecirculeunacorrienteparaconseguirquesegeneralaf.e.m.(fuerzaelectromotriz).
Estedescubrimiento,realizadoenelao1830porMichaelFaraday,permitiunaodespuslacreacindeldiscodeFaraday.EldiscodeFaradayconsisteenunimnenformadeU,conundiscodecobrededocepulgadasdedimetroy1/5depulgasdeespesorenmediocolocadosobreuneje,queestgirando,dentrodeunpotenteelectroimn.Alcolocarunabandaconductorarozandoelexteriordeldiscoyotrabandasobreeleje,comprobconungalvanmetroqueseproducaelectricidadmedianteimanespermanentes.FueelcomienzodelasmodernasdinamosEsdecir,generadoreselctricosquefuncionanpormediodeuncampomagntico.Eramuypocoeficienteynotenaningnusocomofuentedeenergaprctica,perodemostrlaposibilidaddegenerarelectricidadusandomagnetismoyabrilapuertaalosconmutadores,dinamosdecorrientecontinuayfinalmentealosalternadoresdecorriente.
Comoseobservaenelcaptulodeelectromagnetismo,cuandodentrodeuncampomagnticotenemosunaespirapordondecirculaunacorrienteelctricaaparecenunpardefuerzasqueprovocanquelaespiragirealrededordesueje.Deestamismamanera,sidentrodeuncampomagnticointroducimosunaespiraylahacemosgirarprovocaremosla
corrienteinducida.Estacorrienteinducidaeslaresponsabledelaf.e.m.yservariableenfuncindelaposicindelaespirayelcampomagntico.
Lacantidaddecorrienteinducidaof.e.m.dependerdelacantidaddeflujomagntico(tambinllamadolneas)quelaespirapuedacortar,cuantomayorseaelnmero,mayorvariacindeflujogenerarayporlotantomayorfuerzaelectromotriz..
Seobservalosdoscasosmsextremos,cuandolaespiraestsituadaa0o180ynocortalneas,ycuandoesta90y270y
lascortatodasAlhacergirarlaespiradentrodelimnconseguiremosunatensinquevariarenfuncindeltiempo.Estatensintendrunaformaalterna,puestoquede180a360lospolosestarninvertidosyelvalordelatensinsernegativo.
Elprincipiodefuncionamientodelalternadorydeladinamosebasaenqueelalternadormantienelacorrientealternamientrasladinamoconviertelacorrientealternaencorrientecontinua.
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Sealesdesalidadeunalternador,en
corrientealterna,ydeunadinamoencorrientecontinuo
Generadordecorrientealterna:elalternador
Losgeneradoresdecorrientealternaoalternadoressonmquinasquetransformanenergamecnica,querecibenporelrotor,enenergaelctricaenformadecorrientealterna.Lamayoradealternadoressonmquinasdecorrientealternasncrona,quesonlasquegiranalavelocidaddesincronismo,queestrelacionadaconelnombredepolosquetienelamquinaylafrecuenciadelafuerzaelectromotriz.Estarelacinhacequeelmotorgirealamismavelocidadqueleimponeelesttoratravsdelcampomagntico.Estarelacinvienedadaporlaexpresin:
DondefeslafrecuenciaalacualestaconectadalamquinayPeselnumerodeparesdepolos.
Modelizacindelfuncionamientodeungenerador
Suestructuraeslasiguiente:
Esttor:Partefijaexteriordelamquina.Elesttorestformadoporunacarcasametlicaquesirvedesoporte.Ensuinteriorencontramoselncleodelinducido,conformadecoronayranuraslongitudinales,dondesealojanlosconductoresdelenrollamientoinducido.
Rotor:PartemvilquegiradentrodelesttorElrotorcontieneelsistemainductorylosanillosderozamiento,medianteloscualessealimentaelsistemainductor.Enfuncin
delavelocidaddelamquinahaydosformasconstructivas.
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Rotordepolossalidosoruedapolar:Utilizadoparaturbinashidrulicasomotorestrmicos,parasistemasdebajavelocidad.
Rotordepoloslisos:Utilizadoparaturbinasdevaporygas,estosgrupossonllamadosturboalternadores.Puedengirara3000,1500o1000r.p.m.enfuncindelospolosquetenga.
Elalternadoresunamquinaelctricarotativasncronaquenecesitadeunacorrientedeexcitacinenelbobinajeinductorparagenerarelcampoelctricoyfuncionar.Porlotantosudiagramadefuncionamientoeselsiguiente:
Diagramadefuncionamientodel
alternadorAlsermquinassncronasqueseconectanalaredhandetrabajaraunafrecuenciadeterminada.EnelcasodeEuropayalgunaszonasdeLatinoamricasetrabajaa50Hz,mientrasqueenlosEstadosUnidosusan60Hz.Enaplicacionesespecialescomoenelcasodelaaeronutica,seutilizanfrecuenciasmselevadas,delordendelos400Hz.
Elprincipiodefuncionamientodelosalternadoreseselmismoquehemosestudiadohastaahora,conunapequeadiferencia.Paragenerarelcampomagntico,hayqueaportarunacorrientedeexcitacin(Ie)encorrientecontinua.Estacorrientegeneraelcampomagnticoparaconseguirlacorrienteinducida(Ii)quesercorrientealterna.
Losalternadoresestnacopladosaunamquinamotrizquelesgeneralaenergamecnicaenformaderotacin.Segnlamquinamotriztenemostrestipos:
Mquinasdevapor:Seacopladirectamentealalternador.Generanunavelocidaddegirobajaynecesitanunvolantedeinerciaparagenerarunarotacinuniforme.
Motoresdecombustininterna:Seacoplandirectamenteylascaractersticassonsimilaresalcasoanterior.
Turbinashidrulicas:Lavelocidaddefuncionamientotieneunrangomuyamplio.Estosalternadoresestndiseadosparafuncionarbienhastaeldobledesuvelocidaddergimen.
ExcitatrizdelosalternadoresLosalternadoresnecesitanunafuentedecorrientecontinuaparaalimentarloselectroimanes(deanados)queformanelsistemainductor.Poreso,enelinteriordelrotorseincorporalaexcitatriz.
Laexcitatrizeslamquinaencargadadesuministrarlacorrientedeexcitacinalasbobinasdelesttor,partedondesegeneraelcampomagntico.Segnlaformadeproducirelflujomagnticoinductorpodemoshablarde:
Excitacinindependiente.Lacorrienteelctricaprovienedeunafuenteexterior.
Excitacinserie.Lacorrientedeexcitacinseobtieneconectandolasbobinasinductorasenserieconelinducido.Todalacorrienteinducidaalasbobinasdelrotorpasaporlasbobinasdelesttor.
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Excitacinshuntoderivacin.Lacorrientedeexcitacinseobtieneconectandolasbobinasdelesttorenparaleloconelinducido.Solopasaporlasbobinasdelesttorunapartedelacorrienteinducida.
Excitacincompound.Enestecasolasbobinasdelesttorestnconectadastantoenseriecomoenparaleloconelinducido.
EfectosdelfuncionamientodeunalternadorCuandounalternadorfuncionaconectadoauncircuitoexteriorsecreancorrientesinducidasquenosgeneranlossiguientesefectos:
Cadadetensinenlosbobinajesinducidos:Laresistividadquenospresentanlosconductoreshacequetengamosunacadadetensin.
Efectodereaccinenelinducido:Eltipodereaccinquetendremosenelinducidodependerdelacargaconectada:
Resistiva:Tenemosunincrementoenlacadadetensininternayunadisminucindelatensinenlosbornesdesalida.
Inductiva:Apareceunacadadetensinimportanteenlosbornesdesalida.
Capacitiva:Disminuyelacadadetensininternayelevamaselvalordelatensindesalidaenlosbornesdesalida.
Efectodedispersindelflujomagntico:Haylneasdefuerzaquenopasanporelinducido,sepierdenolleganalsiguientepolo.Cuantomsaltasealacorrientedelinducido,msprdidaspordispersinnosencontramos.
Generadordecorrientecontinua:ladinamo
Elgeneradordecorrientecontinua,tambinllamadodinamo,esunamquinaelctricarotativaalacuallesuministramosenergamecnicaylatransformaenenergaelctricaencorrientecontinua.Enlaactualidadseutilizanmuypoco,yaquelaproduccinytransportedeenergaelctricaesenformadecorrientealterna.
Unadelascaractersticasdelasdinamosesquesonmquinasreversibles:sepuedenutilizartantocomogeneradorocomomotor.Elmotoreslaprincipalaplicacinindustrialdeladinamo,yaquetienefacilidadalahoraderegularsuvelocidaddegiroenelrotor.
Lasprincipalespartesdeestamquinason:
EsttorElesttoreslapartefijaexteriordeladinamo.Elesttorcontieneelsistemainductordestinadoaproducirelcampomagntico.Estformadopor:
Polosinductores:Diseadospararepartiruniformementeelcampomagntico.Distinguimosenelloselncleoylaexpansinpolar.Elnmerodepoloshadeserpar,encasodemquinasgrandessehandeutilizarpolosauxiliares.
Devanadoinductor:Sonlasbobinasdeexcitacindelospolosprincipales,colocadasalrededordelncleo.Estnhechosconconductoresdecobreodealuminiorecubiertosporunbarnizaislante.
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Culata:Laculatasirveparacerrarelcircuitomagnticoysujertarlospolos.Estaconstruidaconmaterialferromagntico.
RotorElrotoreslaPartemvilquegiradentrodelesttor.Elrotoralestarsometidoavariacindeflujocrealafuerzaelectromotrizinducida,porlotantocontieneelsistemainducido.Estformadopor:
Ncleodelinducido:Cilindroconstruidoparareducirlasprdidasmagnticas.Disponederanuraslongitudinalesdondesecolocanlasespirasdelenrollamientodelinducido.
Devanadoinducido:Formadoporespirasquesedistribuyenuniformementeporlasranurasdelncleo.Seconectaalcircuitoexteriordelamquinapormediodelcolectorylasescobillas.
Colector:Cilindrosolidarioalejedelamquinaformadoporsegmentosdecobreolminasaisladaselctricamenteentreellas.Encadalminaseconectaunabobina.Eselencargadoderealizarlaconversindecorrientealternaacorrientecontinua.
Escobillas:Sonpiezasdecarbngrafitoometlicas,queestnencontactoconelcolector.Hacenlaconmutacindelacorrienteinducidaylatransportanenformadecorrientecontinuahaciaelexterior.
Cojinetes:Sirvendesoporteypermitenelgirodelejedelamquina.
EntrehierroElentrehierroeselespaciodeairecomprendidoentreelrotoryelesttor.Suelesernormalmentedeentre1y3milmetros.Elentehierroesimprescindibleparaevitarrozamientosentrelapartefijaylapartemvil.
Detalledelaespiradeunadinamoconloscolectoresdelgas
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LaconmutacinenlasdinamosLaconmutacineslaoperacindetransformacindeunasealalternaaunasealcontinuaytambinseconocecomorectificacindeseal.Lasdinamoshacenestaconmutacinporquetienenquesuministrarcorrientecontinua.
Estaconmutacinenlasdinamosserealizaatravsdelcolectordedelgas.Losanillosdelcolectorestncortadosdebidoaqueporfueradelaespiralacorrientesiempretienequeirenelmismosentido.
Alahoraderealizarestaconmutacinexistendiferentesproblemas.Cuandoelgeneradorfuncionaconunacargaconectadaensusbornes,nosencontramosconunacadadetensininternayunareaccinenelinducido.
Elinducidocrearunflujomagnticoqueseoponealgeneradoporelimn.Aesteefectoseledaelnombredefuerzacontraelectromotriz,quedesplazarelplanoneutro.
Parasolucionaresteproblemasepuedenrealizardiversasmejorascomo:
Desplazamientodelasescobillas:Estemtodocambialasescobillasasunuevaposicincorrigiendoeldesvodelplano,elproblemaesqueelmotorpuedetrabajardesdeel0%desucargatotalal100%,porloqueelplanopuedecambiar.
Polosdeconmutacinoauxiliares:lafuncindeestospolosauxiliaresesladecompensarelflujoproducidoporlasbobinasinducidasycompensarlo.Esunasolucinmuytilyeconmica.
Bobinasdecompensacin:Cuandolosgeneradoressondegranpotencia,lospolosdeconmutacinnosonsuficientes,enestecasousamosbobinasdecompensacin.
Ventajasdelalternadorrespectoaladinamo
Elalternadortienevariasventajasquehacenqueseauntipodemquinamsutilizada,yanosoloelhechodequeproduceelectricidadencorrientealterna,queescomoseconsume,sinoporotrasventajasdeltipoutilizacin.
Lasventajasdelalternadorrespectoaladinamosonlassiguientes:
Enelalternadorelctricosepuedeobtenermayorgamadevelocidaddegiro.Lavelocidaddegiropuedeirdesde500a7.000rpm.Ladinamoaaltasrpmsufreelelcolectorylasescobillaselevadodesgasteysubidadetemperaturas.
Elconjuntorotoryesttorenelalternadoresmuycompacto.
Losalternadoresposeenunsoloelementocomoreguladordetensin.
Losalternadoreselctricossonmsligeros:puedenllegaraserentreun40yun45%menospesadosquelasdinamos,ydeun25aun35%mspequeos.
Elalternadortrabajaenambossentidosdegirosinnecesidaddemodificacin.
Lavidatildelalternadoressuperioraladeladinamo.Estoesdebidoaqueelalternadorelctricoesmsrobustoycompacto,porlaausenciadelcolectorenelinducido,ysoportamejorlasaltastemperaturas.
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Preguntassobregeneradoreselctricos
Qutiposdegeneradoreselctricosexisten?
Paraqusirvencadaunadelaspartesdeungeneradorelctrico?
Cmofuncionaelcircuitodeexcitacindelgenerador?
Aquvelocidadgiraungenerador?