Generadores corriente alterna

maquinas electricas

1. Universidad Politécnica Salesiana – Maquinas Eléctricas II

.

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GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA

Pablo Zumba
[email protected]

Ing. Omar Álvarez
[email protected]

Abstract.

Mathematics in signal processing in continuous time has involved the transformation and Fourier series, but as the name
suggests are applicable for continuous time, ie for signals over a given time always signal value, but not having signal
values at certain times should be given a different treatment to signals, this treatment is called discrete-time Fourier,
because the signals are defined only at discrete instants of time.


RESUMEN: Este trabajo presenta las características
constructivas de los generadores de corriente alterna
síncronos, así como de sus partes constitutivas, como parte
de un mejor entendimiento de este tipo de maquinas
también se lograra establecer las respectivas semejanzas y
diferencias entre los generadores de corriente continua y
de corriente alterna respectivamente, haciendo referencia
en sus características principales.


1 INTRODUCCIÓN.

El generador síncrono 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 [1]. Para crear tensión inducida
en el estator, debemos crear un campo magnético en el
rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el
rotor con una batería, este campo magnético inducirá una
tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos
una corriente alterna fluyendo a través de él.

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 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.

En la actualidad las maquinas de corriente alterna tienen
una gran participación en la vida diaria de la humanidad, en
especial los generadores en el área industrial, debido a su
amplio campo de aplicación y beneficios.

DESARROLLO.

2 SISTEMAS CONSTRUCTIVOS.
2.1 Generador Polos Salientes en el
Estator.
La particularidad de este tipo de generador es que tiene
el inducido en el rotor, esta configuración es propia de
máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta
1000 rpm.
Por tal razón para poder sacar la tensión producida,
necesitamos de un sistema de colector de anillos. El
número de anillos a utilizar va a depender directamente
del número de fases con la que nos encontremos
trabajando.

Ilustración 1Polos salientes en el estator.
2.2 Polos Salientes en el rotor.

El estator está constituido principalmente de un conjunto
de láminas de acero de silicio que se les llama
"paquete", que tienen la habilidad de permitir que pase a
través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte
metálica del estator y los devanados proveen los polos
magnéticos.
Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido
en el estator, por tal razón no necesitamos un
mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión
generada ya que esta va a encontrarse en la parte
externa de la máquina, necesitaríamos únicamente un
par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de
campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de
campo es considerablemente más pequeño que la
tensión generada, por tal razón este par de anillos van

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hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas
no tendrían un tamaño mayor.
Este tipo de generadores se los utiliza para grandes
potencias debido a la versatibilidad que nos brinda.

Ilustración 2Polos en el rotor.
2.3 Generador sin escobillas.

Este tipo de generadores son de mediana potencia, para
la excitación podríamos tener un banco de baterías que
sería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador,
es decir un generador síncrono con polos salientes en el
estator, luego de esta etapa, sale a una placa
electrónica en donde por medio de d ispositivos
electrónicos, se envía al circuito de excitación del
generador principal.

Para realizar reparaciones en este tipo de generadores,
es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y
centrarse en el controlador.
Los generadores síncronos auto excitados ya no
requieren de escobillas y los de excitación separada
requieren de escobillas y en lugar del conmutador
utilizan anillos rosantes.

Existen modelos para los generadores síncronos sin
escobillas, los cuales pueden ser, de anillos para
introducir corriente de excitación, de anillos para extraer
tensiones generadas.

Ilustración 3Generador sin escobillas.
3 DESCRIPCIÓN DE PARTES
CONSTRUCTIVAS.

Un generador y sus partes que lo conforman, son: anillos
rozantes, eje, polos magnéticos, carcasa, cojinetes, y
diferentes accesorios mecánicos y eléctricos añadidos al
conjunto principal conformado por el rotor y el estator.

Anillos deslizantes.

La función que tienen los anillos rozantes, son para
poder conectar externamente al circuito eléctrico
integrado en el rotor, resistencias externas. La función
de dichas resistencias, es modificar la resistencia
retórica

Polos Magnéticos.
Hay solo dos tipos de polos magnéticos (denominados
polo norte magnético, "N", y polo sur magnético, "S"), y
que nunca pueden aislarse. Un imán puede ser "Multi
polar" (más de un N, o más de un S), pero no puede
tener solo N sin S, ni solo S sin N. Si el imán es una
barra con los polos en los extremos (barra
"magnetizada" longitudinalmente), al partirla por la mitad
para intentar separar el polo N del S, se obtienen dos
imanes de menor tamaño, cada uno con sus polos N y S
en los extremos.
Cojinetes.
Un cojinete en ingeniería es la pieza o conjunto de ellas
sobre las que se soporta y gira el árbol transmisor de
momento giratorio de una máquina. Cojinete de
deslizamiento radial, por partes: el cilindro claro es
donde iría el árbol, la tapa negra desmontable para la
lubricación (fricción mixta).De acuerdo con el tipo de
contacto que exista entre las piezas (deslizamiento o
rodadura), el cojinete puede ser un cojinete
de deslizamiento o uno de rodamiento respectivamente.

Cojinete de rodamiento.

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Un rodamiento o cojinete de rodadura es un tipo de
cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la
fricción entre un árbol y las piezas conectadas a éste por
medio de rodadura ,que le sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento.
Cojinete de deslizamiento.
En un cojinete de deslizamiento dos casquillos tienen un
movimiento en contacto directo, realizándose un
deslizamiento por fricción, con el fin de que esta sea la
menor posible. La reducción del rozamiento se realiza
según la selección de materiales y lubricantes. Los
lubricantes tienen la función de crear una película
deslizante que separe los dos materiales o evite el
contacto directo. Al tocarse las dos partes, que es uno
de los casos de uso más solicitados de los cojinetes de
deslizamiento, el desgaste en las superficies de contacto
limita la vida útil. La generación de la película lubricante
que separa por una lubricación completa requiere un
esfuerzo adicional para elevar la presión y que se usa
sólo en máquinas de gran tamaño para grandes
cojinetes de deslizamiento. La resistencia al
deslizamiento provoca la conversión departe de la
energía cinética en calor, que desemboca en las partes
que sostienen los casquillos del cojinete.
Escobillas.

Este es el caso de los motores ó generadores eléctricos,
donde se debe establecer una conexión de la parte fija
de la máquina con las bobinas del rotor. Para realizar
esta conexión, se fijan dos anillos en el eje de giro,
generalmente de cobre, aislados eléctricamente del eje y
conectados a los terminales de la bobina rotatoria.
Enfrente de los anillos se disponen unos bloques de
carbón que, mediante unos resortes, hacen presión
sobre ellos estableciendo el contacto eléctrico necesario.
Estos bloques de carbón se denominan escobillas y los
anillos rotatorios reciben el nombre de colector. En
determinado tipo de máquinas electromagnéticas, como
los motores o generadores de corriente continua, los
anillos del colector están divididos en dos o más partes
aisladas unas de otras y conectadas a una o más
bobinas.

Figura4. Foto de escobillas Industriales [2].

Rotor.
El rotor es el componente que gira (rota) en una
máquina eléctrica, sea ésta un motor o un generador
eléctrico. Junto con su contraparte fija, el estator, El rotor
está formado por un eje que soporta un juego de
bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético que gira
dentro de un campo magnético creado bien por un imán
o por el paso por otro juego de bobinas, arrolladas sobre
unas piezas polares, que permanecen estáticas y que
constituyen lo que se denomina estator de un corriente
continua o alterna, dependiendo del tipo de máquina
de que se trate. En máquinas de corriente alterna de
mediana y gran potencia, es común la fabricación de
rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las
pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables,
como las corrientes de Foucault y las producidas por el
fenómeno llamado histéresis.


Figura 5. Rotor
Estator.
El estator es la parte fija de una máquina rotativa y uno
de los dos elementos fundamentales para la transmisión
de potencia(siendo el otro su contraparte móvil, el
rotor). El término aplica principalmente a la construcción
de máquinas eléctricas y dependiendo de la
configuración de la máquina, el estator puede ser:

El alojamiento del circuito magnético del campo en las
máquinas de corriente continua. En este caso, el estator
interactúa con la armadura móvil para producir torque en
el eje de la máquina. Su construcción puede ser de imán
permanente o de electroimán, en cuyo caso la bobina
que lo energizase denomina devanado de campo
.
El alojamiento del circuito de armadura en las máquinas
de corriente alterna. En este caso, el estator interactúa
con el campo rotante para producir el torque y su
construcción consiste en una estructura hueca con
simétrica cilíndrica, hecha de láminas de acero
magnético apiladas, para así reducir las pérdidas
debidas a la histéresis y las corrientes de Foucault.

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Figura 6. Bobinados de rotor y estator.

Bobinado.
Recibe el nombre de bobinado el conjunto formado por
las bobinas, comprendiendo en esta expresión tanto los
lados activos que están colocados en el interior de
las ranuras y las cabezas que sirven para unir los lados
activos, como los hilos de conexión que unen las
bobinas entre sí como los que unen estas bobinas con el
colector o con la placa de bornes. Bobinado en anillo y
en tambor: La fuerza electromotriz generada en el
bobinado inducido depende sólo del número de hilos
activos, o sea, los exteriores paralelos al eje de rotación.
Puede hacerse una primera clasificación de los
bobinados según la manera de unir entre sí los hilos
activos:

 Bobinado en anillo.-
Es aquel en el cual las espiras son arrolladas sobre el
anillo que constituye la armadura del inducido. Las
bobinas solo poseen un lado activo, que es el que se
encuentra en el lado exterior y es paralelo al eje de
rotación.


Figura 7. Bobinado en anillo.


 Bobinado en tambor.-

Es aquel en el que los dos lados activos de cada bobina
están colocados en la superficie exterior de la armadura.
De esta forma, cada espira dispone de dos conductores
activos.

Figura 8. Bobinado de tambor.

Ranura de armadura

Ocupada por un solo lado activo. Bobinado de una capa.

Ocupada por dos lados activos. Bobinado de dos capas.

Cuando el bobinado es de dos capas, la capa que está
en el fondo de la ranura se llama capa inferior, baja o
interior y laque se encuentra junto al entrehierro es
llamada capa superior, alta o exterior. Los bobinados de
máquinas de corriente continua se construyen
modernamente en dos capas, mientras que los de
corriente alterna son ejecutados tanto en una como en
dos capas.
Arrollamientos distribuidos.
Así como los arrollamientos concentrados son simples
bobinas, fáciles de concebir, los arrollamientos
distribuidos son mucho más complejos ya que deben

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cumplir no solamente condiciones eléctricas y
magnéticas, sino también constructivas: las bobinas
deben ser sencillas de realizar, de colocar y minimizar el
uso de materiales. Los arrollamientos rotóricos de las
máquinas eléctricas se conectan a través de escobillas
que puede apoyar sobre anillos rozantes, que son aros
conductores, continuos, conectados a los extremos del
arrollamiento.

Figura 9. Anillos rosantes en un rotor.

O sobre un colector, que está formado por segmentos
conductores, denominados delgas, aisladas entre sí y
conectadas a cada bobina. Esto da lugar a dos tipos de
arrollamientos distribuidos, los
primeros denominados a anillos, o de fases son
eléctricamente abiertos y pueden estar tanto en el
estator como en el rotor; mientras que los segundos,
denominados a colector, son eléctricamente cerrados y
se utilizan solamente en el rotor.

Figura 10. Colector en un inducido.

Tipos de ranura.
Como ya se dijo las bobinas de los arrollamientos
distribuidos, y sus aislaciones, se alojan en ranuras o
canaletas ubicadas en la superficie, o muy cerca de ella,
del estator o del rotor o en ambas. Las partes
magnéticas entre las ranuras se denominan dientes. Las
ranuras pueden ser abiertas, semi cerradas o cerradas.

Figura 11. Tipos de Ranura.

Las ranuras abiertas, que poseen sus lados paralelos,
se emplean en máquinas de potencia media o grande,
por ejemplo más de 50 kW y en los inducidos a colector,
salvo los muy pequeños, de pocos cientos de watt.
Cuando las ranuras son abiertas, con sus lados
paralelos, y están ubicadas sobre una estructura
cilíndrica, los dientes resultan necesariamente
trapezoidales, es decir no tienen la misma sección en
toda su altura, lo que debe ser tenido en cuenta al
considerar la inducción magnética y la saturación de los
mismos. La razón por la cual se emplean las ranuras
abiertas, con sus lados paralelos, es que las bobinas
utilizadas en esas máquinas son prácticamente rígidas y
no se podrían colocar si la abertura de la ranura fuera
más estrecha. Las ranuras semi abiertas se emplean en
máquinas de menor potencia, que utilizan bobinas
formadas por conductores sueltos, los que se colocan
individualmente o en pequeños grupos, muchas veces
en forma manual y luego se terminan de conformar y de
acomodar las cabezas de bobina, en la propia máquina.

A fin de poder acomodar mejor los conductores en el
fondo y en el tope de las ranuras, lo que mejora el factor
de llenado de las mismas, conviene que ambos sean
redondeados, como se muestra en la figura. Tanto en las
ranuras abiertas como en las semi cerradas, se debe
evitar que los lados de las bobinas se salgan de las
mismas, especialmente si están sometidas a la fuerza
centrífuga del rotor, lo que provocaría un accidente
catastrófico. El cerrado de las ranuras se hace por medio
de una cuña de cierre construida con un material de la
resistencia adecuada y que, en la mayoría de los casos,
es no magnético. En los dientes de las ranuras abiertas
se hacen unas entalladuras a fin de sostener esas cuñas
de cierre. Las ranuras cerradas, que no necesariamente
deben tener una sección circular como se muestra en la
figura, se emplean principalmente en los rotores de las
máquinas asincrónicas. Dentro de esas ranuras se
colocan barras conductoras, normalmente sin aislación,
que constituyen el arrollamiento rotórico de
esas máquinas. Es común que las máquinas posean
distintos tipos de ranuras en el estator y en el rotor,
adecuándolas a los arrollamientos empleados.

4 SEMENJAS Y DIFERENCIAS
ENTRE GENERADOR DE CA Y
GENERADOR DE CD.

Semejanzas
Ambos producen energía eléctrica en base al
movimiento (energía mecánica)
Ambos generan corriente, ya sea continua o
alterna a través del mismo principio: El
principio de la inducción de Faraday
Para ambos tipos de generadores, son
aplicables todas las leyes de principio
electromagnéticos.
Ambos usan la inducción generada entre un
bobinado y un imán (permanente o
electromagnético).

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Los voltajes de salida de ambos tipos de
generador son sensibles a los cambios de carga
La fem (fuerza electromotriz) alterna de ambos,
es rectificada mediante unas escobillas
colectoras que la rectifican de manera mecánica
(conmutando).
Ambos generadores constan de un campo
magnético, que es el electroimán con sus
bobinas
La armadura es la estructura que sostiene los
conductores que cortan el campo magnético
En ambos generadores también la que
transporta la corriente inducida en un generador
es su armadura (estator)
Sus armaduras son por lo general un núcleo de
hierro dulce laminado, alrededor del cual se
enrollan en bobinas los cables conductores.
Para mejorar su funcionamiento, se añaden
interpolos más pequeños para compensar las
distorsiones que causa el efecto magnético de la
armadura en el flujo eléctrico del campo.
Sus parámetros para el diseño de construcción
son iguales
Mantienen una diferencia de potencial eléctrico
entre dos de sus puntos (llamados polos,
terminales o bornes)
Se rigen a fundamentos de la electrotécnia, ya
definidas
Ambos siguen usados en la industria, a pesar de
que el dinamo ya es casi obsoleto debido al
costo, tiene su grado de utilización para ciertas
aplicaciones
Sus características constructivas son iguales,
constan de un estator, rotor, polos, etc.
Las aplicaciones para ambos tipos de
generadores, podría ser las mismas, su uso
radica en costos, en ciertas aplicaciones se
puede tener más eficiencia de funcionamiento,
pero a un mayor costo
Sus usos más comunes para ambos tipos es
generar electricidad en aquellos lugares donde
no hay suministro eléctrico, generalmente son
zonas apartadas con pocas infraestructuras y
muy poco habitadas.
Otra utilidad de los generadores electricos sería
en locales de pública concurrencia, hospitales,
fábricas, etc., que a falta de energía eléctrica de
red, necesiten de otra fuente de energía alterna
para abastecerse.
Ambos constituyen una gran ayuda para
emergencias, ya que pueden ser utilizadas para
cuando exista falla en la red de corriente, se
puede usar como fuente única, de uso portáti)
incluso la potencia del mismo (grande,
pequeña) condiciona en la práctica la elección
del sistema de protección contra contactos
eléctricos indirectos y de las medidas
complementarias.

Diferencias
En un generador de c.a., el voltaje inducido se
transmite directamente a la carga, a través de
anillos rozantes.
En cambio en un generador de c.c. el
conmutador convierte la c.a. inducida en c.c.
antes de que ésta sea aplicada a la carga.
En la mayor parte de los generadores de c-c el
campo es estacionario y la armadura gira,
En cambio en los generadores de ca, ocurre
todo lo contrario.
Los generadores de c.a. puedan tener salidas
mucho mayores de las que son posibles con
generadores de c.c.
Para su fuente de voltaje de excitación, los
generadores de c.c. pueden constar ya sea de
una fuente de excitación externa y separada o
bien obtener el voltaje necesario directamente
de su propia salida.
En cambio los generadores de c.a. deben estar
provistos de una fuente separada.
El generador de c.a. puede ser monofásica,
trifásica o de mas fases,
En un generador de c.c., puede entregar un solo
tipo de entrega de corriente.
La regulación de voltaje en los generadores de
c.c. son inherentemente más estables que los de
c.a.
El voltaje de salida de un generador de c.a. es
sensible a cambios en el factor de potencia de
la carga.
Es posible un buen grado de autorregulación en
un generador de c.c. usando un devanado de
armadura combinado.
En los generadores de c.a., no es factible usar
un devanado de armadura combinado, ya que
éstos deben ser excitados separadamente.
Los generadores de corriente continua
funcionan normalmente a voltajes bastante
bajos para evitar las chispas que se producen
entre las escobillas y el conmutador a voltajes
altos.
En los generadores de c.c., el sistema de
escobillas se desgasta haciendo un tiempo de
vida menor y generando mayores pérdidas de
energía en comparación con los generadores de
c.a.
Los generadores de c.c. cuenta con una parte
que se llama conmutador donde van los
carbones que recolectan la energía eléctrica
(corriente directa).

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Un alternador no cuenta con este conmutador,
la energía se recoge de las terminales llamadas
fases.

Los generadores de c.a. suelen estar formadas
por un gran número de bobinas agrupadas en
hendiduras longitudinales dentro del núcleo de
la armadura y conectadas a los segmentos
adecuados de un conmutador múltiple, esto no
pasa en los generadores de c.c.
El mantenimiento de los generadores de c.c. es
mucha más elevado en comparación con los
generadores de c.a.
El generador de c.c. es reversible, puede ser
utilizado como motor tanto como generador.
El generador de c.c. es reversible, puede ser
utilizado como motor tanto como generador.


5 CONCLUSIONES.

En la vida práctica podemos encontrar a los generadores
en todas partes, cada vez hay más demanda para su uso
y se encuentran en más tipos de aplicaciones.
Es importante conocer su funcionamiento a profundidad,
así como conocer cada diferencia y tipo que exista para
que como estudiantes previos a ser ingenieros, estemos
en la capacidad de dar soluciones a cualquier tipo de
problema que se nos presente.

Los generadores de corriente, tienen una amplia gama
de usos, si bien las dinamos ya no se los encuentran en
muchos usos, como estudiantes debemos conocer
cualquier tipo de generador.

El mundo funciona con energía, eléctrica principalmente
y la manera de la obtención de la misma es mediante
estos generadores, así podemos decir que es la base
fundamental para cualquier aplicación y/o
funcionamiento de “lo que sea”.

6 REFERENCIAS

[1] M. Cortez, (2006), “Maquinas sincronas y motores CA”, 3era
Edicion, Mexico.

[2]http://agamenon.tsc.uah.es/Asignaturas/itiei/mqe/apuntes/TM
E4.pdf

[3]http://www.monografias.com/trabajos85/diseno-generadores-
sincronos/diseno-generadores-sincronos.shtml