INDICEINTRODUCCIONLos motores elctricos de corriente continua
son el tema de base que se ampla en el siguiente trabajo,
definindose en el mismo los temas de ms relevancia para el caso de
los motores elctricos de corriente continua, como lo son: su
definicin, los tipos que existen, su utilidad, distintas partes que
los componen, clasificacin por excitacin, la velocidad, la caja de
bornes y otros ms.Esta mquina de corriente continua es una de las
ms verstiles en la industria. Su fcil control de posicin, par y
velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en
aplicaciones de control y automatizacin de procesos. Se disean dos
tipos bsicos de motores para funcionar con corriente alterna
polifsica: los motores sncronos y los motores de induccin. El motor
sncrono es en esencia un alternador trifsico que funciona a la
inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan
mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura estn
divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna
trifsica. La variacin de las tres ondas de corriente en la armadura
provoca una reaccin magntica variable con los polos de los imanes
del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que
se determina por la frecuencia de la corriente en la lnea de
potencia de corriente alterna.
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA.PRINCIPIOS BSICOS
Tipos de mquinas elctricas
Generador: Transforma cualquier clase de energa, normalmente
mecnica, en elctrica. Transformador: Modifica alguna de las
caractersticas de la energa elctrica (Normalmente, tensin,
intensidad de corriente o potencia) Receptor: Convierte cualquier
tipo de energa la energa elctrica que reciben. Ejemplo:
motores.
1. Si la energa mecnica se transforma en elctrica hablamos de
generador.2. Si la energa elctrica se transforma en energa mecnica
hablamos de motor.A. CAMPO MAGNETICO
Un imn o una corriente elctrica perturba el espacio que le rodea
dando origen a un campo magntico. El campo magntico se representa
por lneas de fuerza.
Las lneas de campo magntico permiten estimar en forma aproximada
el campo magntico existente en un punto dado, tomando en cuenta las
siguientes caractersticas. Las lneas de fuerza de campos magnticos
son siempre lazos cerrados que van de norte a sur por fuera del imn
y de sur a norte por dentro del imn. Los lazos magnticos nunca se
entrecruzan. Las lneas del mismo sentido se atraen y las de sentido
opuesto se repelen.A las lneas de fuerza se les denomina lneas de
induccin para el campo magntico. La intensidad del campo magntico
se define como una magnitud vectorial, anloga a la intensidad del
campo elctrico (E), que se denomina induccin magntica (B), cuya
unidad internacional es el Tesla (T)
Una carga en movimiento produce un campo magntico a su
alrededor, luego, una corriente elctrica (cargas en movimiento)
produce tambin un campo magntico a su alrededor.
Definicin: Se define al flujo magntico como al nmero de lneas de
induccin magntica que atraviesa una seccin de superficie. Se
representa por la letra
d=B.dSB. FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDALa experiencia demuestra
que
Si un conductor se mueve en un campo magntico, cortando las
lneas de fuerza del campo, se crea una fuerza electromotriz
inducida (fem), es decir, una tensin.
Esta expresin representa la variacin del flujo a lo largo del
tiempo.Esta afirmacin tambin se puede decir cmo. Si se vara el
flujo magntico a travs de un circuito cerrado se origina una
fem.
Sabiendo que el flujo () es el nmero total de lneas de induccin
que atraviesa una determinada superficie, se puede deducir (no voy
a demostrarlo) una expresin que nos diga el valor de la fem
inducida en un conductor de longitud (l) que se mueve a velocidad
(v) dentro de un campo de induccin magntico (B).
Entre los extremos de conductor de longitud (l) aparece una
tensin, es la fuerza electromotriz (fem). Este es el principio de
funcionamiento de los generadores.
DONDE:E = fem inducida (en voltios)B = induccin magntica (en
tesla)l = longitud del conductor (en m)v = velocidad de
desplazamiento (en m/s)
El circuito cerrado donde se origina la corriente recibe el
nombre de inducido y el cuerpo que crea el campo magntico se
llamada inductor.
C. FUERZA ELECTROMAGNTICA EJERCIDA SOBRE UN CABLE CONDUCTOR
Si un cable conductor recorrido por una corriente elctrica de
intensidad (I) est en presencia de un campo magntico (B), aparece
una fuerza sobre el conductor cuyo valor es.
DONDE:B = Induccin magntica (Tesla)l = longitud (en m) del
conductorI = Intensidad de la corriente elctrica que recorre el
conductor (Amperios) = ngulo que forma el conductor y la direccin
del campo magnticoF = Fuerza a la que est sometido el conductor (en
Newton)
Como sen0=0, se puede deducir que si la direccin de las lneas
del campo magntico el sentido de la corriente, la fuerza es
nula.
Para conocer el sentido de la fuerza, usamos la regla de la mano
derecha.
Si por el cable circula una corriente (I) en el sentido que
muestra en dedo pulgar en la figura y el campo magntico (B) tiene
el sentido que muestra el dedo ndice, se ejercer sobre el cable que
conduce la corriente (I) una fuerza (F) que tiene la direccin
mostrada por el dedo medio.
En la imagen de la izquierda se puede apreciar el sentido de la
fuerza electromagntica F que aparece sobre el conductor de longitud
L que es recorrido por una corriente I. Aplicando la regla de la
mano derecha (I, pulgar; B ndice), se aprecia que la direccin y
sentido de F es hacia fuera del plano que contiene el campo y el
cable conductor.Si la direccin del campo B coincidiese con la de la
corriente (I), la fuerza sera nula, pues sen0 = 0. En el caso que
hubiera N cables en presencia de un campo magntico, la fuerza
magntica inducida ser la fuerza en un cable multiplicado por N, la
frmula ser entonces:
..(1)
Es el caso de un solenoide.
Supongamos que los conductores se hallan en un cilindro
(inducido) a modo de solenoide, de radio r, el momento de fuerzas
(M) o par-motor de giro ser.(2)
Si el campo es perpendicular al plano que corta al solenoide,
sen = sen 90 = 1 y la frmula ser. .(3)
A este par-motor se le denomina par electromagntico interno y en
realidad se representa como Mi, con lo cual...(4)
La potencia electromagntica interna de un motor est relacionada
con el par electromagntico interno a travs de la velocidad de
giro.
(5)
Donde:
Pi = la potencia electromagntica interna (en Vatios)
Mi =momento de fuerzas o par-motor electromagntico interno (en
Nm)
i = velocidad angula (en rad/s)
D. FUERZA ELECTROMAGNTICA EJERCIDA SOBRE UNA ESPIRA
RECTANGULAR.
En las mquinas elctricas, aparecen bobinas formadas por un
determinado nmero de espiras. Ya hemos visto cmo es la fuerza que
aparece sobre un hilo conductor recorrido por una corriente I, que
est presente en un campo B, pero. Cmo ser en una espira?
Sea B un campo de induccin magntico que acta sobre una espira
que es recorrida por una corriente elctrica de intensidad (I). Qu
pasar? Teniendo en cuenta el captulo anterior, es de esperar que
surjan fuerzas sobre la espira, pero, Cmo sern? Recurriremos a la
expresin anterior (F = BILsen).
La figura representa a la espira rectangular (color azul) cuyos
lados miden a y b y es recorrida por una corriente de intensidad I
tal como indica el sentido de la flecha azul en la figura.
La espira est situada en una regin en la que hay un campo
magntico uniforme B que est en el mismo plano que la espira (en
color rojo), tal como indica la flecha de color azul en la
figura.Calcularemos la fuerza que ejerce dicho campo magntico sobre
cada uno de los lados de la espira rectangular, como si fuesen
cuatro conductores diferentes. Lados a: Como la direccin de campo
(B) coincide con la direccin del conductor, ambas magnitudes forman
un ngulo nulo (0). La longitud del conductor es L=a. Como sen 0
=0.
..(a)
Lados b: Como la direccin del campo (B) es perpendicular a la
direccin del conductor, ambas magnitudes forman un ngulo de 90. La
longitud del conductor es L=b. Como sen90 = 1.
.(b)
Las fuerzas de los lados b, son de igual valor y... empleando la
regla de la mano derecha, se puede comprobar, son de sentido
contrario (una hacia dentro del papel y otra hacia fuera del
papel). Constituyen, pues, un par de fuerzas que har que la espira
gire alrededor de un eje imaginario paralelo a los lados b de la
espira.El momento de fuerzas es:
(c)
DONDE:M = momento de fuerzas o par-motor (Nm)I = Intensidad de
corriente (A)S = Superficie de la espira (m2)B = Induccin del campo
magntico (T)= ngulo formado por el vector S, perpendicular a la
superficie de la espira y las lneas de fuerzas del campo.
Si en lugar de una espira tenemos una bobina formada por N
espiras, el par-motor ser.
..(d)
E. CLASIFICACIN Y CONSTITUCIN DE LAS MQUINAS ELCTRICAS
Desde el punto de vista mecnico, un motor est constituido por:
Estator: parte fija. Rotor: Parte mvil o giratoria.El rotor es una
pieza giratoria cilndrica, un electroimn mvil, con varios salientes
laterales, que llevan cada uno a su alrededor un bobinado de hilo
de cobre por el que pasa la corriente elctrica. El estator, situado
alrededor del rotor, es un electroimn fijo, cubierto con un
aislante. Al igual que el rotor, dispone de una serie de salientes
con bobinados elctricos por los que circula la corriente.
Desde el punto de vista del tipo de corriente elctrica generada
pueden ser: de corriente continua de corriente alterna: sncronos y
asncronosPara permitir el movimiento del rotor, entre rotor y
estator, existe un espacio de aire llamado entrehierro, que debe
ser lo ms reducido posible para evitar prdidas del flujo
magntico.
Desde el punto de vista electromagntico se pueden considerar
constituidos por Un conjunto magntico. Dos circuitos elctricos: uno
en el rotor y otro en el estator.
Definicin: Devanado o bobinado: hilo de cobre arrollado que
forma parte de los circuitos elctricos de las mquinas. Uno de los
devanados de uno de los circuitos elctricos produce el flujo que se
establece en el conjunto magntico cuando es recorrido por la
corriente elctrica, es el devanado inductor o excitador. En el otro
devanado, perteneciente al segundo circuito elctrico se induce una
fuerza que provoca un par-motor en el caso de un motor elctrico,
este es el devanado inducido.
En resumen, los devanados pueden ser:
Devanado (o bobinado) inductor: Es el devanado (circuito
elctrico) que genera el campo magntico de excitacin en una mquina
elctrica. Se sita en el interior del estator en nmero par en unos
salientes llamados polos. Devanado (o bobinado inducido) Inducido:
Es el devanado sobre el que se inducen las fuerzas electromotrices.
Se sita en unas ranuras del rotor.
Los devanados inductores forman los polos del motor, es decir,
se sitan en el estator. En todo circuito magntico, como sabes se
distinguen los polos norte, de donde salen las lneas de fuerza del
campo de induccin magntica (B), y los polos sur, por donde entran
dichas lneas. Siguiendo el circuito magntico de los motores de
corriente continua se observan ncleos de hierro rodeados por
bobinas (devanados) que se conocen como polos, que van incrustados
por uno de sus extremos en una pieza de hierro llamada culata, de
manera que queda libre slo el extremos de cada uno de ellos, que es
precisamente el que da nombre al polo. En definitiva, los polos
generan un campo magntico cuando circula corriente por ellos, un
campo magntico inductor.
Antes de pasar a ver cmo es un motor de corriente continua por
dentro, debo aclarar una NOTACION Las intensidades que recorren los
conductores son perpendiculares al plano de papel en el que se
dibuja el conductor. Se representan del siguiente modo. Sentido del
campo de capo electro Fuerza (F)En la imagen superior se aprecia el
polo sur que forma parte del estator. A la izquierda del polo sur,
entre el rotor y el estator, se aprecia el entrehierro. Tanto el
conductor del rotor, como el estator estn recorridos por corrientes
elctricas cuyo sentido es entrante en el plano del papel. Si se
aplica la regla de la mano derecha, se comprueba que el campo
magntico ejerce fuerzas del mismo sentido (hacia abajo). Esto hace
girar el motor en sentido de las agujas del reloj. Para que se
sumen todas las fuerzas individuales de todos los conductores, es
preciso que todos hagan girar el motor en el mismo sentido. Para
ello, los conductores situados junto al polo sur han de ser
opuestos al que recorren los conductores colocados junto al polo
norte
Otro elemento importante y fundamental del motor elctrico de
corriente continua es el colector de delgas, que es un conjunto de
lminas de cobre , aisladas entre s y que giran solidariamente con
el rotor . Las delgas estn conectadas elctricamente a las bobinas
del devanado inducido y por medio de ellas dicho devanado se puede
conectar a la fuente de energa elctrica del exterior. Cada delga
est unida elctricamente al punto de conexin de dos bobinas del
devanado inducido, de tal forma que habr tantas delgas como bobinas
simples posea el devanado. Al colector de delgas tambin se le
conoce como conmutador.
Escobillas: Las escobillas permanecen fijas al estator, sin
realizar movimiento alguno, y estn en contacto permanente sobre la
superficie del colector de delgas. Esto permite el paso de
corriente elctrica desde el exterior hasta el devanado inducido del
rotor. Las escobillas y el colector de delgas permiten la
conmutacin de corriente cada media vuelta del rotor. Ver imagen
inferior.
F. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR
El rotor recibe la corriente a travs del contacto establecido
entre las escobillas y el conmutador. Las escobillas permanecen
fijas, mientras que el conmutador (colector de delgas) puede girar
libremente entre ellas siguiendo el movimiento del rotor. La
corriente llega al devanado del rotor a travs del contacto entre
las escobillas con el conmutador (colector de delgas).
Cuando la corriente pasa a lo largo del devanado del rotor, sus
polos son atrados y repelidos por los polos del devanado del
estator, de modo que el rotor se mover hasta que el polo norte del
devanado del rotor quede mirando al polo sur del estator. Pero tan
pronto como los polos del rotor quedan "mirando" a los polos del
estator, se produce un cambio en el sentido de la corriente que
pasa por el rotor. Este cambio es debido a que el conmutador, al
girar, modifica los contactos con las escobillas e intercambia el
modo en que el devanado del rotor recibe la corriente de la pila.
Es decir, se invierte la polaridad.
Al modificarse el signo de los polos del devanador del rotor,
los polos del rotor resultarn repelidos por los polos del estator
fijo, pues en esta nueva situacin estarn enfrentados polos de igual
signo, con lo cual el rotor se ve obligado a seguir girando.
Nuevamente, cuando los polos del devanado del rotor estn alineados
con los polos opuestos del estator fijo, el contacto entre
escobillas y conmutador modificar el sentido de la corriente, con
lo cual el rotor ser forzado a seguir girando. Si no lo has
entendido muy bien, fjate bien en los siguientes esquemas
G. PRINCIPIO DE REVERSIBILIDAD.Los generadores de corriente
continua son reversibles porque pueden transformar la energa en los
dos sentidos, es decir, si le aportamos energa mecnica, obtenemos
energa elctrica por los bornes (generador) y si absorben energa
elctrica de la red, nos aportan energa mecnica por su eje
(receptor). Al generador de corriente continua se le llama dinamo y
al receptor rotativo se le llama motor. Para invertir el sentido de
giro de los motores, es necesario invertir el sentido de la
corriente en las bobinas inducidas, aunque no en las inductoras, ya
que si se variase tambin el sentido de la corriente en stas, el
sentido de giro no cambia. En la dinamo, la escobilla o borne
positivo corresponde a la salida de corriente del inducido,
mientras que en el motor es por donde entra la corriente.
MOTOR DE CORRIENTE ALTERNASe denomina motor de corriente alterna
a aquellos motores elctricos que funcionan con corriente alterna.
Un motor es una mquina motriz, esto es, un aparato que convierte
una forma determinada de energa en energa mecnica de rotacin o par.
Un motor elctrico convierte la energa elctrica en fuerzas de giro
por medio de la accin mutua de los campos magnticos.Un generador
elctrico, por otra parte, transforma energa mecnica de rotacin en
energa elctrica y se le puede llamar una mquina generatriz de fem.
Las dos formas bsicas son el generador de corriente continua y el
generador de corriente alterna, este ltimo ms correctamente llamado
alternador.Todos los generadores necesitan una mquina motriz
(motor) de algn tipo para producir la fuerza de rotacin, por medio
de la cual un conductor puede cortar las lneas de fuerza magnticas
y producir una fem. La mquina ms simple de los motores y
generadores es el alternador.Motores de corriente alternaEn algunos
casos, tales como barcos, donde la fuente principal de energa es de
corriente continua, o donde se desea un gran margen, pueden
emplearse motores de c-c. Sin embargo, la mayora de los motores
modernos trabajan con fuentes de corriente alterna. Existe una gran
variedad de motores de c-a, entre ellos tres tipos bsicos: el
universal, el sncrono y el de jaula de ardilla.Motores
universalesLos motores universales trabajan con voltajes de
corriente continua o corriente alterna. Tal motor, llamado
universal, se utiliza en sierra elctrica, taladro, utensilios de
cocina, ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones
donde se requiere gran velocidad con cargas dbiles o pequeas
fuerzas. Estos motores para corriente alterna y directa, incluyendo
los universales se distinguen por su conmutador devanado y las
escobillas. Los componentes de este motor son: Los campos
(estator), la masa (rotor), las escobillas (los excitadores) y las
tapas (las cubiertas laterales del motor). El circuito elctrico es
muy simple, tiene solamente una va para el paso de la corriente,
porque el circuito est conectado en serie. Su potencial es mayor
por tener mayor flexibilidad en vencer la inercia cuando est en
reposo, o sea, tiene un par de arranque excelente, pero tiene una
dificultad, y es que no est construido para uso continuo o
permanente.Otra dificultad de los motores universales son las
emisiones electromagnticas. Las chispas del colector
(chisporroteos) junto con su propio campo magntico generan
interferencias o ruido en el espacio radioelctrico. Esto se puede
reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 F a 0,01
F, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando
sta a masa. Estos motores tienen la ventaja de que alcanzan grandes
velocidades pero con poca fuerza. Existen tambin motores de
corriente alterna trifsica que funcionan a 380 V y a otras
tensiones.Motores sncronosImplicando, se puede utilizar un
alternador como motor en determinadas circunstancias. Si se excita
el campo con c-c y se alimenta por los anillos colectores a la
bobina del rotor con c-a, la mquina no arrancar. El campo alrededor
de la bobina del rotor es alterno en polaridad magntica pero
durante un semiperiodo del ciclo completo, intentar moverse en una
direccin y durante el siguiente semiperiodo en la direccin opuesta.
El resultado es que la mquina permanece parada. La mquina solamente
se calentar y posiblemente se quemar.Para generar el campo magntico
del rotor, se suministra una CC al devanado del campo; esto se
realiza frecuentemente por medio de una excitatriz, la cual consta
de un pequeo generador de CC impulsado por el motor, conectado
mecnicamente a l. Se mencion anteriormente que para obtener un par
constante en un motor elctrico, es necesario mantener los campos
magnticos del rotor y de los estatores constantes el uno con
relacin al otro. Esto significa que el campo que rota
electromagnticamente en el estator y el campo que rota mecnicamente
en el rotor se deben alinear todo el tiempo.La nica condicin para
que esto ocurra consiste en que ambos campos roten a la velocidad
sincrnica:
Es decir, son motores de velocidad constante.Para una mquina
sincrnica de polos no salientes (rotor cilndrico), el par se puede
escribir en trminos de la corriente alterna del estator, is(t), y
de la corriente continua del rotor, if:
Donde es el ngulo entre los campos del estator y del rotorEl
rotor de un alternador de dos polos debe hacer una vuelta completa
para producir un ciclo de c-a. Debe girar 60 veces por segundo (si
la frecuencia fuera de 60 Hz), o 3.600 revoluciones por minuto
(rpm), para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede girar a 3.600
rpm tal alternador por medio de algn aparato mecnico, como por
ejemplo, un motor de c-c, y luego se excita el inducido con una c-a
de 60 Hz, continuar girando como un motor sncrono.Su velocidad de
sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una c-a de 50 Hz, su
velocidad de sincronismo ser de 3.000 rpm. Mientras la carga no sea
demasiado pesada, un motor sncrono gira a su velocidad de
sincronismo y solo a esta velocidad. Si la carga llega a ser
demasiado grande, el motor va disminuyendo velocidad, pierde su
sincronismo y se para. Los motores sncronos de este tipo requieren
toda una excitacin de c-c para el campo (o rotor), as como una
excitacin de c-a para el estator.Se puede fabricar un motor sncrono
construyendo el rotor cilndrico normal de un motor tipo jaula de
ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor sncrono es el
reloj elctrico, que debe arrancarse a mano cuando se para. En
cuanto se mantiene la c-a en su frecuencia correcta, el reloj marca
el tiempo exacto. No es importante la precisin en la amplitud de la
tensin.Motores de jaula de ardillaLa mayor parte de los motores que
funcionan con c-a de una sola fase tienen el rotor de tipo jaula de
ardilla. Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho ms
compactos y tienen un ncleo de hierro laminado.Los conductores
longitudinales de la jaula de ardilla son de cobre y van soldados a
las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira con
el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los
extremos. Cuando este rotor est entre dos polos de campos
electromagnticos que han sido magnetizados por una corriente
alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla,
una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo
que contrarresta al que ha producido la corriente (ley de Lenz).
Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos
estacionarios, no hay razn para que se mueva en una direccin u otra
y as permanece parado. Es similar al motor sncrono el cual tampoco
se arranca solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar
de un campo alterno.Cuando el campo se produce para que tenga un
efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un
motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que estn
alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los
dos juegos de polos tener mximos de corriente y de campos magnticos
con muy poca diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos
de campo de fases distintas, se deberan alimentar por c-a bifsicas
y producir un campo magntico rotatorio, pero cuando se trabaja con
una sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un
condensador (o resistencia) en serie con los arrollamientos de
fases distintas.
GENERADORES ELECTRICOS
1. Generalidades de la conversin de energa elctrica en
mecnica.
En un aerogenerador se transforma energa cintica del viento en
energa mecnica mediante el giro del rotor elico. Esta energa
mecnica que aparece en el eje de ste rotor en forma de par y
vueltas por unidad de tiempo, se transforma en energa elctrica
mediante una mquina elctrica, que opera en modo generador de energa
elctrica, gracias al giro del eje del rotor del aerogenerador,
provocado por la accin del viento sobre las palas.
La maquina elctrica puede ser de distinto tipo dependiendo del
tipo de aerogenerador y su modo de operacin (operacin a velocidad
de rotacin del rotor cuasi-constante o a velocidad de rotacin
variable). La velocidad de rotacin tpica del rotor de un
aerogenerador se encuentra en el rango de 20 a 100 rpm para
aerogeneradores de gran potencia y de entre 100 y 400 rpm para
aerogeneradores de pequea potencia. Las mquinas elctricas
convencionales (con bajo nmero de polos) suelen tener velocidades
de sincronismo de entre 750 y 3000 rpm. La solucin de acoplamiento
pasa por utilizar una transmisin o caja multiplicadora que acople
la relacin par/vueltas del rotor de la turbina y del generador
elctrico o utilizar generadores elctricos especficos que tengan
velocidades de sincronismo bajas equivalentes al rango de
velocidades de rotacin del rotor (generadores con gran nmero de
polos). La generacin de energa elctrica se hace normalmente con
maquinas que generan corriente elctrica alterna (doble polaridad)
descartndose totalmente hoy en da las maquinas de corriente
continua.La seal de la red elctrica es de tensin y frecuencia
fijas. La tensin viene representada por la amplitud de una seal
sinusoidal y la frecuencia es el nmero de veces por segundo que la
seal pasa por cero. (Los valores de stos parmetros en nuestras
viviendas son 220 voltios y 50 ciclos por segundo o Hercios).
En la figura 2 a modo de comparacin, se muestran una seal
continua y otra alterna de una sola fase (monofsica). La mayora de
los generadores generan en sistemas polifsicos, mayormente
trifsicos (en redes de distribucin y transporte), aunque tambin hay
generadores hexafsicos o dodecafsicos (generadores acoplados a la
red elctrica a travs de convertidores de seal, normalmente
electrnicos). El principio de funcionamiento de los generadores
elctricos se basa en la accin que se establece entre la corriente
elctrica y el campo magntico. A modo de explicacin de ste fenmeno
se tiene que si por un hilo conductor se hace pasar una corriente
elctrica, en sus inmediaciones se crea un campo magntico. Este
campo magntico se representa por lneas concntricas respecto al eje
conductor, cuyo sentido, segn convenio, es el horario cuando se
mira en el mismo sentido del paso de la corriente. A la cantidad de
lneas de campo obtenidas, se le denomina flujo magntico y a ste por
unidad de superficie se le denomina induccin magntica. Si se desea
aumentar el flujo magntico, en principio se puede aumentar la
corriente que pasa por el conductor o aumentar la longitud del
conductor. Una manera de aumentar la longitud del conductor es
arrollarlo formando varias espiras (bobina). Cuando se hace pasar
una corriente por la bobina, sta se comporta como un imn
permanente. El punto de salida del campo magntico ser el polo norte
(N) y el de entrada, el polo sur (S).
El aire es un mal conductor magntico, pero existen materiales
denominados ferro magntico (hierro, acero, etc.) con muy buena
conductividad magntica. Si se introduce un material de ste tipo en
el interior de la bobina, se aumenta la magnitud del campo magntico
obtenido. El dispositivo obtenido se denomina electroimn y perder
sus propiedades magnticas (salvo un pequeo magnetismo remanente) al
anular la corriente que pasa por el conductor. En el caso de
producir el campo magntico con un imn permanente, se mantendran
estas propiedades an con la mquina parada. Como ya se ver adelante,
electroimanes o imanes permanentes sern los polos que sirven para
excitar los generadores de corriente continua y alterna.
Si mediante un electroimn se genera un campo magntico y se
atraviesan sus lneas de campo por un conductor en movimiento, la
variacin del flujo magntico que atraviesa ese conductor induce una
tensin en el mismo denominada fuerza electromotriz. Si se cierra el
circuito del conductor, la fuerza electromotriz inducida dar origen
a una corriente inducida, la cual al pasar por el conductor origina
un nuevo campo magntico que influencia al campo creado por el
electroimn. Si se vara la velocidad de movimiento del conductor,
variar el flujo magntico que le atraviesa y, por lo tanto, el valor
de la fuerza electromotriz inducida en l. Adems, si como ya se ha
hecho en el electroimn, aumentamos la longitud del conductor
haciendo espiras, el valor de la fuerza electromotriz, inducida en
el conductor aumentar. Moviendo el conductor en la misma direccin
que las lneas de campo, no se genera tensin en el conductor por no
variar el flujo magntico cortado. Por ello, bsicamente el mtodo
utilizado para transformar la energa mecnica en elctrica es mover
el conductor (espira) girndolo dentro del campo magntico. El flujo
cortado por el conductor vara al modificarse el ngulo que ste forma
con las lneas de campo. Este flujo magntico cortado ser nulo cuando
el conductor se encuentre a 0o 180o y mximo cuando se forme 90o
270o. La seal de la tensin inducida en el conductor ser igualmente
variable y su frecuencia depender de la velocidad con que se mueva
el conductor.2. TIPOS DE GENERADORES ELCTRICOS. Los generadores
elctricos se pueden clasificar bsicamente de acuerdo al tipo de
seal elctrica que producen: contina o alterna. Los aerogeneradores
con generador elctrico de corriente continua o dinamos estn
totalmente descartados para mquinas de alta potencia, ya que slo se
pueden conectar a la red elctrica mediante convertidores
electrnicos que conviertan la corriente continua a alterna.
nicamente, en aplicaciones aisladas de baja potencia, en las cuales
el sistema de acumulacin elctrica utilizado sea una batera se han
utilizado. El alto precio de la mquina y el alto coste de
mantenimiento (cambio de escobillas, etc) hacen tambin que su uso
sea marginal y hayan sido sustituidos por alternadores sncronos de
imanes permanentes que junto a un puente rectificador son muy tiles
para aplicaciones en corriente continua. Dentro de los generadores
de corriente alterna se puede establecer una clasificacin de
acuerdo a los generadores autoexcitados (sncronos) bien sea con
corriente elctrica continua inyectada en las bobinas del rotor o
excitados mediante imanes permanentes y excitados a partir de la
red elctrica conectada a las bobinas del estator de la mquina
(asncronos) 2.1. Generador de corriente alterna sncrono Si
mantenemos los conductores o espiras en reposo (estator) y hacemos
que sea el campo magntico el que experimente un movimiento
giratorio relativo respecto al conductor, mediante el giro de un
rotor con mltiples polos, obtenidos mediante espiras por las que
pasa una corriente continua de excitacin o por imanes permanentes,
se produce una fuerza electromotriz inducida en los conductores que
estn en reposo, cuya amplitud depender del nivel de corriente de
excitacin y su frecuencia de la velocidad mecnica de giro del
rotor.
La ventaja que se obtiene estriba en que la corriente alterna se
puede extraer de los bornes fijos y no de las escobillas sometidas
continuamente a rozamiento. La corriente inducida se produce en
este caso en los devanados con ncleo de hierro, que estn en reposo
y se encuentran distribuidos en la parte interior del estator, de
manera que la tensin y la corriente inducidas sean perfectamente
sinusoidales.Los electroimanes en unos casos o los imanes, tambin
llamados polos generadores del campo magntico se encuentran en la
parte giratoria -rotor- del generador elctrico. Los polos se
realizan sobresaliendo de la superficie de rotor para mquinas de ms
de cuatro polos o a ras de superficie para mquinas de 2 4 polos.
Estos polos, compuestos por electroimanes, dispondrn de corriente
continua de excitacin suministrada desde el exterior, mediante
anillos rozantes y escobillas o interna, mediante corriente
continua obtenida a partir de una dinamo o mediante un pequeo
alternador situado sobre el mismo eje del generador, rectificando
la corriente obtenida. Normalmente, los generadores sncronos son
trifsicos. Un generador sncrono trifsico dispone de tres devanados
iguales en el estator, dispuestos de forma que queden desplazados
entre s 120o. Durante una vuelta del rotor, los polos Norte y Sur
pasan frente a los tres devanados del estator. Por ello, se habla
de campo magntico giratorio. Durante ste proceso, en cada uno de
los devanados se genera una tensin alterna monofsica. Las tres
tensiones alternas monofsicas tienen el mismo ciclo en el tiempo,
pero desplazadas entre s en la tercera parte de una vuelta, por lo
que se dice que tienen la misma "fase de oscilacin". Por coincidir
siempre el desplazamiento del campo magntico giratorio con el
desplazamiento del rotor (rueda polar) es por lo que se denominan
generadores sncronos. En los generadores sncronos la velocidad de
rotacin del rotor que genera el campo magntico y la frecuencia de
la seal elctrica inducida estn relacionadas a travs de la
ecuacin:
f = p.n/60 Siendo: El nmero "p" el nmero de pares de polos que
generan el campo magntico, "n" el nmero de revoluciones por minuto
que da el eje del rotor del generador y "f" la frecuencia de la
seal elctrica de salida (ciclos/s o Hercios). En nuestro pas la
frecuencia de la tensin de red es 50 ciclos/segundo (Hz), por lo
tanto, si se desea conectar a la red un generador sncrono compuesto
por dos pares de polos en su rotor, la velocidad de sincronismo ser
1500 rpm, a sta velocidad girar siempre el rotor mientras el
generador est conectado a la red, ya que se supone que la red es de
potencia infinita frente a la potencia del generador conectado a
ella. Es evidente que si un aerogenerador de eje horizontal de
rotor rpido, por ejemplo un tripala de 40 metros de dimetro se
disea para girar, cuando est acoplado a la red a 30 rpm deber de
disponer de una caja multiplicadora de relacin de transformacin
1:50, que haga el acoplamiento entre el eje de la pala y el eje de
generador elctrico. Si el eje de la aeroturbina est solidariamente
unido con el eje del generador, las bajas vueltas de la aeroturbina
obligan a disear el rotor del generador con muchos polos. Este tipo
de generadores con gran numero de polos (hasta 90 o ms) se utilizan
en aerogeneradores de velocidad variable de gran potencia.
El generador sncrono presenta una caracterstica de
potenciafrecuencia recta al estar conectado a una red de potencia
infinita con frecuencia y tensin constantes, la velocidad de giro
de las palas se mantiene constante, ante variaciones de la
velocidad del viento. Los incrementos de velocidad del viento se
transmiten a la red mediante un incremento de la potencia activa
suministrada por el generador, pero a velocidad de giro constante.
Para altas velocidades de viento, por encima de la nominal el
generador sncrono puede soportar sobrecargas instantneas de hasta
el 150 y el 250%. Para la conexin de un generador sncrono
directamente a la red elctrica es necesario realizar un proceso de
sincronizacin bastante complejo que asegure que la tensin generada
y la tensin de la red son idnticas en frecuencia, amplitud y fase,
esto adems de las fluctuaciones de potencia de salida y las mayores
cargas mecnicas comparando con las mquinas asncronas, junto con su
alto precio y el incremento de los costes de mantenimiento hacen
que ste tipo de generador no se utilice en aerogeneradores de
velocidad constante con conexin directa a red. Este tipo de
generador se utiliza en aerogeneradores de velocidad variable, bien
sean de pequea potencia para carga de bateras a travs de un
rectificador - cargador electrnico o aerogeneradores de velocidad
variable de media y gran potencia. En ambos casos son generadores
de baja velocidad de sincronismo mediante un alto nmero de polos.En
el caso de sistemas autnomos, los generadores sncronos son muy
tiles debido a la posibilidad de controlar la energa reactiva.
Tanto la generacin como el consumo de energa reactiva es posible
mediante la variacin de la corriente de excitacin. Adems se pueden
cambiar los niveles de tensin y frecuencia.2.2. Generadores
sncronos multipolares. El inconveniente principal del uso de
generadores de bajo nmero de polos (2, 4, 6 etc.), es la necesidad
de implementar una caja multiplicadora, la cual incrementa el peso
razonablemente, genera ruido, demanda un mantenimiento regular e
incrementa las perdidas del aerogenerador. El incremento del coste
no es significativo, pero es un elemento que en algunos
aerogeneradores ha sido fuente de graves problemas. Por ello se
utilizan cada vez mas sobretodo en aerogeneradores de velocidad
variable, generadores sncronos con alto nmero de polos bien sean
electroimanes o imanes permanentes. 2.3. Generador sncrono
multipolar excitado elctricamente. Este tipo de generador evita el
uso de caja multiplicadora debido a que al disponer de un gran
nmero de polos, su velocidad de sincronismo es baja y perfectamente
compatible con la velocidad del rotor del aerogenerador.
Este tipo de generadores disponen de polos compuestos por
electroimanes, lo cual hace que sean muy pesados y voluminosos,
pero sean capaces de regular la tensin de salida mediante la
variacin de la corriente continua de excitacin. Para inyectar la
corriente de excitacin disponen normalmente de escobillas que son
uno de los puntos dbiles desde el punto de vista de mantenimiento.
Se utilizan en sistemas de velocidad variable ya que la frecuencia
de la seal de salida debe acoplarse mediante convertidores
electrnicos a la seal de red.2.4. Generadores sncronos multipolares
con imanes permanentes. En aerogeneradores de pequea potencia
(hasta 12 kW) se utilizan mayormente generadores sncronos de imanes
permanentes. Esto es debido principalmente a su robustez y su bajo
mantenimiento, evitan el uso de cajas multiplicadoras, aunque su
precio es algo mayor. Este tipo de generadores se est utilizando
cada vez ms en aerogeneradores de gran potencia debido a lo
reducido de su peso y volumen al utilizar imanes de alto
magnetismo. Existen mltiples tipos de materiales para sintetizar
los imanes siendo los ms importantes los siguientes:
Alnico: Estos imanes estn fabricados por fundicin o
sinterizacin. Poseen el mejor comportamiento a temperaturas
elevadas. Tienen una elevada remanencia, pero su coercitividad es
bastante baja.
Ferrita: Este tipo de imanes se obtienen sobre todo por
sinterizacin. Son los ms utilizados por su relacin calidad/precio.
Existen muchas calidades diferentes. Presentan buena resistencia a
la desimantacin. Neodimio-Hierro-Boro: Son los imanes con las
mejores caractersticas magnticas existentes en la actualidad. Su
comportamiento en funcin de la temperatura ha mejorado bastante. Se
pueden utilizar para aplicaciones de hasta 150C. Samario-Cobalto:
Estos imanes estn fabricados a partir de elementos de la familia de
las tierras raras. Sus caractersticas magnticas permiten reducir
sus medidas. Su producto de energa es considerablemente elevado
Tienen un comportamiento muy bueno a temperaturas elevadas.