CAPITULO II GENERADORES ELECTRICOS.

2.1 DEFINICIÓN.Los generadores eléctricos son máquinas que transforman en energía eléctrica otras formas de energía. Lo consigue gracias a interacción de dos elementos principales que lo componen, la parte móvil llamada rotor y la parte estática llamada estator. En la siguiente figura 2.1 es mostrado un generador eléctrico.

Figura 2.1 Generador eléctrico.

Las características eléctricas principales que son caracterizadas en un generador eléctrico son: el voltaje generado en terminales y la corriente que se puede entregar, si la corriente entregada es continúa se le denomina generador de corriente continua y si es alterna se le llama generador de corriente alterna.

Al primer principio del generador se le llama acción del generador o también es conocido como de inducción. El voltaje es inducido en un conductor que se encuentra dentro de un campo magnético, esto sucede cuando el flujo magnético se corta por el conductor. Este principio toma energía mecánica para producir el movimiento, este produce la electricidad que se genera.

El segundo principio es llamado la acción del rotor, éste es solo simplemente las fuerzas mecánicas entre imanes. Cuando dos imanes (o electroimanes) se aproximan el uno al otro, uno es atraído o repelido respecto al otro. Algunos motores suelen usar un imán permanente y un electroimán, otros solo usan dos electroimanes; de cualquier manera la energía eléctrica crea al menos uno de los campos magnéticos, entonces la fuerza entre los dos campos magnéticos producen el movimiento.

El generador puede ser de corriente continua (dínamo) o de corriente alterna (alternador). Estos últimos son los únicos que se utilizan actualmente. Los generadores eléctricos se diferencian según el tipo de corriente que producen. Así, nos encontramos con dos grandes grupos de máquinas eléctricas rotativas: los alternadores y las dinamos.

Los alternadores generan electricidad en corriente alterna. El elemento inductor es el rotor y el inducido el estator. Un ejemplo son los generadores de las centrales eléctricas como se ve en la figura 2.2, las cuales transforman la energía mecánica en eléctrica alterna.

Figura 2.2 Generador de corriente alterna usado en una central eléctrica.

El generador de corriente continua también llamado dinamo, es una maquina eléctrica rotativa a la cual se le suministra energía mecánica y la transforma en energía eléctrica en corriente continua. Suelen ser muy inusuales debido a que la producción y transporte de energía eléctrica es en forma de corriente alterna. Las dínamos generan electricidad en corriente continua.

El elemento inductor es el estator y el inducido el rotor. Un ejemplo lo encontraríamos en la siguiente imagen 2.3 en el cual se ve una dinamo conectado a la luz que tiene una bicicleta, la cual funciona a través del pedaleo.

Figura 2.3 Dinamo empleado para encender la luz de una bicicleta a través del pedaleo.

El principio de funcionamiento del alternador y de la dinamo se basa en que el alternador mantiene la corriente alterna mientras que la dinamo convierte la corriente alterna en corriente continua. En la imagen 2.4 se muestran como son las señales de salida alterna y continua.

Figura 2.4 Señales de salida de un alternador, en corriente alterna y un dínamo en corriente directa.

2.2 DIFERENCIA ENTRE GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA Y CORRIENTE DIRECTA.

Los generadores de corriente alterna y corrientes directas elementales mostrados en la figura 2.5 y 2.6 están construidos básicamente de la misma manera. En cada uno de los dos casos, una bobina gira entre los polos de un imán y se induce un voltaje de corriente alterna en ella. Las maquinas solo suelen ser direnciadas en la forma de que las bobinas estén conectadas al circuito externo, en tanto que los generadores de corriente alterna llevan anillos colectores el cual se observa en la figura 2.7b, y los de corriente directa requieren un conmutador como se ve en la figura 2.7a. En ocasiones suelen construirse maquinas pequeñas con anillos colectores y un conmutador como se ilustra en la figura 2.7c. Tales maquinas pueden funcionar al mismo tiempo como generadores de corriente alterna y corriente directa.

Figura 2.5 Diagrama de un generador de corriente alterna equipado con un conmutador.

Figura 2.6 Generador de corriente directa.

Figura 2.7 Las tres armaduras (a), (b) y (c) tienen devanados iguales. Según como estén conectados ya sea anillos colectores o a un conmutador, así se puede obtener un voltaje de

corriente alterna o corriente directa.

2.3 DEVANADOS Y CAMPOS EN EL GENERADOR.

En la siguiente figura 2.8 se muestran cuatro tipos de generadores. Para generar electricidad se debe empezar por un campo magnético principal, entonces este campo se debe cortar por un conductor, el campo principal se puede producir por un imán permanente que puede ser parte del estator como se muestra en la figura A, o bien puede ser de rotor como se muestra en la figura B. El campo principal puede ser un campo electromagnético en lugar de un imán permanente, la bobina con la que es producida se le llama el devanado del campo, o simplemente campo.

El campo se puede devanar en el estator como se muestra en la figura C, o sobre el rotor como se muestra en la figura D. Los conductores en que se induce la electricidad, forman el devanado de armadura. En los generadores de corriente directa, el devanado de armadura está sobre el rotor o parte giratoria, sin embargo, en los generadores de corriente alterna para ciertas aplicaciones, el devanado de armadura está en la parte estacionaria (estator)

Figura 2.8 Tipos de generadores.

2.4 FUNCIONAMIENTO DE LOS GENERADORES.

Comenzando con el análisis del principio de operación de un generador hacemos mención a la ilustración 2.9 donde podemos visualizar la construcción de un generador sencillo y practico con sus componentes básicos formado por imanes permanentes cóncavos que maximizan la potencia del campo magnético; los cuales representan los polos norte y sur respectivamente y entre ellas el conductor del devanado del rotor fijado en sus terminales con anillos rozantes que son de material metálico donde se obtiene la energía producida.

Figura 2.9 Principio de operación de un generador.

2.5 REGLA DE LA MANO DERECHA PARA GENERADORES

Para poder determinar la polaridad de un generador eléctrico se es conocido el nombre de una regla llamada la regla de la mano derecha, el cual consiste primero en conocer dos direcciones, a estas le llamaremos:

1.- La dirección (Norte o Sur) del campo magnético.

2.- La dirección en la cual el conductor se mueve y cómo corta al campo.

Se es posible con el uso de la regla de la mano derecha para generadores, determinar las direcciones. El dedo pulgar apunta hacia arriba, el dedo índice hacia la izquierda y el dedo medio hacia el cuerpo.

Como se puede apreciar en la figura 2.10 se muestra que el dedo índice indica la dirección del flujo magnético, el dedo pulgar apunta hacia la dirección en que se mueve el conductor y el dedo medio indica la dirección del flujo de corriente.

Figura 2.10 Regla de la mano derecha para generadores.

2.6 LOS GENERADORES ELÉCTRICOS EN APLICACIONES INDUSTRIALES Y DE EMERGENCIA.

Para las plantas de emergencia se es usual dependiendo de su tamaño, los generadores de corriente alterna (C.A), se es posible construir generadores monofásicos y trifásicos, puestos en funcionamiento por motores de gasolina (hasta 100 kW) motores diésel (hasta 2000kW) o turbina de gas (para potencias mayores de 500 kW); dependiendo de su potencia o tamaño pueden generar con los siguientes niveles de voltaje:

1.- 600 volts o menos

Monofásicos

120 volts, tres conductores

120/240 volts, tres fases

240 volts, tres conductores

Trifásicos

240 volts, tres conductores

120/ 208 volts, cuatro conductores

120/240 volts, cuatro conductores

480 volts, tres fases

600 volts, tres fases

2.- Mayores de 600 volts

Tres fases

2 400 volts

4 160 volts

12 470 volts

13 800 volts

En el siguiente esquema de la figura 2.11 se muestran las conexiones y voltajes más usados en los generadores de las plantas de emergencia en generadores trifásicos.

Figura 2.11 Conexiones y voltajes más usuales en generadores de plantas de emergencia.

Conexión delta: En La conexión delta figura 2.12 el extremo del devanado 1 se conecta l punto inicial del devanado 2, el extremo del devanado 2 al inicial del 3 y el extremo del 3 al inicial del 1.

Así los tres devanados forman un circuito cerrado. Las puntas se extraen de las tres juntas de los devanados para conectarse a la carga.

Figura 2.12 Conexión delta

Conexión estrella: En la conexión estrella figura 2.13, los extremos iniciales de cada devanado se conectan juntos y los finales se conectan a la carga.

Figura 2.13 Conexión estrella.

2.7 LOS COMPONENTES DE UN GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA.

Los principales componentes de un generador de corriente alterna, son los que se indican a continuación:

1.- Estator.

2.- Rotor

3.- Sistema de enfriamiento.

4.- Excitatriz.

5.- Conmutador.

A continuación daremos una definición breve de los componentes del generador.

ESTATOR:

Parte fija exterior de la máquina. El estator está formado por una carcasa metálica que sirve de soporte. En su interior como observamos en la figura 2.14 encontramos el núcleo del inducido, con forma de corona y ranuras donde se alojan los conductores del enrollamiento inducido.

Figura 2.14 Estator de un generador eléctrico.

ROTOR:

Es la parte móvil que gira dentro del estator. El rotor contiene el sistema inductor y los anillos de rozamiento, mediante el cual es alimentado el sistema inductor. Véase en la siguiente figura 2.15 el cual muestra la parte móvil llamada rotor.

Figura 2.15 El rotor de un generador eléctrico.

Para producir el campo magnético sobre el rotor se utilizan polos que consisten de paquetes de laminaciones de fierro magnético esto para reducir las llamadas corrientes circulantes.

En la siguiente figura 2.16 se ilustran dos tipos de rotores; los rotores se fabrican del tipo de polos salientes (baja velocidad) o rotor cilíndrico (alta velocidad).

Rotor cilindrico Rotor de polos salientes

Figura 2.16 Rotor cilíndrico y rotor de polos salientes.

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO:

Los tipos de enfriamiento normalmente usados en los generadores de corriente alterna son:

Los de aire enfriado: Los generadores que suelen usar este tipo de método de enfriamiento, toman el aire del exterior a la temperatura ambiente como medio de enfriamiento, el aire es circulado a través del estator y rotor por medio de impulsores en ambos extremos del rotor.

Cambiador de calor aire- agua: Un generador con un intercambiador de calor aire-aire es diferente de uno del tipo con enfriamiento natural, debido a que el intercambiador de calor constantemente recircula el mismo aire a través del estator.

Cambiador de calor aire-agua: Es diferente del que usa cambiador de calor aire-aire, en que el calor que viene del rotor y el estator se circula a través de un enfriador que consiste de un cierto número de tubos de cobre con perforaciones de circulación alrededor del diámetro exterior de los tubos.

Como vimos existen varios métodos de enfriamiento en los generadores y estos pueden reflejarse en la figura 2.17.

Figura 2.17 Métodos de enfriamiento de generadores.

EXCITATRIZ: La excitatriz es la encargada de suministrar la tensión y corriente continua para así alimentar el generador de un alternador síncrono y convertir a éste en un electroimán con capacidad en general para regular la intensidad del campo magnético.

Podemos hacer mención de algunos tipos de excitatriz el cual son:

LA EXCITATRIZ DE CORRIENTE DIRECTA: Los pequeños grupos electrógenos o plantas de emergencia usan aún sistemas de excitación a base de pequeños generadores de corriente directa acoplados directamente al eje del generador, estos pequeños generadores de corriente directa en realidad generar corriente alterna y la rectifican por medio de un conmutador sobre el que se deslizan las escobillas.

Uno de los problemas que suelen presentar los sistemas de excitación a basa de generadores de corriente continua es que requieren de mayor mantenimiento que otros sistemas de excitación que se denominan “rotatorios sin escobillas” o estáticos.

En el siguiente esquema de la figura 2.18 se puede ver las partes en un generador de corriente directa empleada como excitatriz.

Figura 2.18 Armadura y partes seleccionadas en un generador de corriente directa usado como excitatriz.

EXCITATRIZ SIN ESCOBILLAS: Opera bajo el mismo principio que el anterior, sólo que ahora se eliminan las escobillas y el conmutador, de hecho la excitatriz de un generador de corriente alterna con los polos de campo estacionario, el voltaje generador de corriente alterna en los devanados rotatorios de rectifica por medios de diodos montados sobre la estructura rotatoria como se ve en la figura 2.19.

Figura 2.19 Excitatriz sin escobillas.

EXCITATRIZ ESTÁTICA: Este tipo de excitatriz elimina la excitatriz rotatoria, pero conserva los anillos rozantes y escobillas, la potencia para el campo se toma de la salida del generador. El sistema de control de voltaje controla la corriente excesiva de campo para regular el voltaje del generador. Los sistemas de excitación estáticos proporcionan una respuesta más rápida que los otros sistemas de excitación, para controlar el voltaje. Véase en la figura 2.20 el sistema de excitación estático.

Figura 2.20 Sistema de excitación estático.

CONMUTADOR: La conmutación es el proceso mediante el cual se convierten los voltajes y corrientes de corriente alterna del rotor de una máquina de corriente directa a voltajes y corrientes de corriente directa en sus terminales.

2.6 TIPOS DE GENERADORES ELÉCTRICOS: GENERADOR SÍNCRONO.

Los generadores síncronos son muy usados en producción de energía de alta potencia. La mayoría de las centrales de producción usan este convertidor de energía que permiten alcanzar grandes potencias y generar una tensión trifásica.

El término síncrono se da porque en este tipo de máquinas el desplazamiento del campo magnético giratorio coincide siempre con el desplazamiento del rotor. En estos generadores la velocidad de rotación del rotor que es generada el campo magnético y la frecuencia de la señal eléctrica inducida están relacionadas a través de la siguiente ecuación 2.1:

f = p∗n60

Ecuación 2.1 frecuencia de la señal eléctrica inducida.

Siendo p el número de pares de polos que genera el campo magnético, nel número de revoluciones por minuto que da el eje del rotor del generador y f la frecuencia de la señal eléctrica de salida (ciclo/s o Hercios).

Cuando se mantienen los conductores o espiras en reposo (la parte del estator de la máquina) haciendo que se haga el movimiento giratorio con respecto al conductor sea el campo magnético, haciendo así uso del giro de un rotor de varios polos que se han obtenido mediante espiras que pasa una corriente de excitación o ya sea por la acción de imanes permanentes, es producida una fuerza electromotriz, o f.e.m., inducida en los conductores que están en reposo, cuya amplitud depende la corriente de excitación así como de la frecuencia de la velocidad mecánica de giro del rotor.

La ventaja principal que presenta este modelo es que la corriente alterna se puede retirar de los bornes fijos y no de las escobillas que son sometidas continuamente a rozamiento. Así la corriente inducida es producida, en este caso, en los devanados con núcleo de hierro, que están colocados y distribuidos en la parte interior del estator, de manera que la tensión y la corriente inducidas son completamente sinusoidales.

En este tipo de generador se usa en aerogeneradores de velocidad variable, bien sea de pequeña potencia ya sea para carga de baterías a través de un rectificador electrónico o así mismo aerogeneradores de velocidad variable de media y gran potencia. En ambas configuraciones son generadores de pequeña velocidad de sincronismo mediante un alto número de polos.

2.7 TIPOS DE GENERADORES ELÉCTRICOS: GENERADOR ASÍNCRONO O DE INDUCCION.

En este tipo de máquinas no existe corriente conducida a uno de los arrollamientos. La corriente que es circulada por uno de los devanados se debe a la f.e.m. inducida por la acción del flujo de otro, por esta razón es llamado máquinas de inducción. El término asíncrona se da debido a que la velocidad de giro del rotor no es la velocidad de sincronismo impuesta por la frecuencia de la red.

La construcción y la robustez son las características más importantes de los motores asíncronos, sobre todo para los que hacen uso de los llamados rotores jaula de ardilla sobre los cuales se hablara en detalle más adelante.

A día de hoy, el uso de las máquinas asíncronas o de inducción en la generación de energía eléctrica es mayoritario. Con esta máquina, el campo magnético giratorio se crea a través del estator, cuyos devanados deberán estar conectados a una fuente exterior de tensión alterna. Debido a ésta configuración, con el bobinado actuando como una carga inductiva,

para generar el campo magnético, se consume corriente desfasada de la tensión y, por lo tanto, se consume energía reactiva.

En lo que se refiere a los aspectos constructivos de la máquina, hay que tener en cuenta dos tipos distintos de rotores: Jaula de Ardilla y Rotor Bobinado. En el rotor de Jaula de Ardilla figura 2.21, disponemos de una serie de conductores de cobre o aluminio (barras) puestos en cortocircuito gracias a dos anillos laterales. Dentro de ésta estructura se apilan láminas o chapas de hierro, provistas de ranuras para encajar fácilmente con el devanado.

Figura 2.21 Jaula de ardilla.

Para el Rotor Devanado o con Anillos figura 2.22, se dispone de un arrollamiento trifásico similar al situado en el estator, en el que las tres fases se conectan por un lado en estrella y por el otro se mandan a unos anillos aislados entre sí. Gracias a esta configuración podemos introducir resistencias externas por los anillos para limitar las corrientes de arranque, mejorar las características del par y controlar las velocidades.

Figura 2.22 Rotor Devanado.

2.8 GENERADOR MONOFÁSICO.

Para adentrarnos al estudio de un generador monofásico primero tenemos tener en claro de lo que se trata el significado de fase. Una fase tiene muchos significados según el entorno, por lo tanto al hablar de fase se tiene que adecuarse al texto, en este caso una fase es un conductor que se adecua a una línea. Por lo tanto un generador monofásico no es más que la constitución de un devanado y su voltaje o corriente solo muestran una fase.

Se habla de monofásico cuando se dispone únicamente de una tensión alterna. El circuito funciona con dos hilos y la corriente que circula es siempre la misma. La onda de corriente alterna básica viene del giro de una bobina dentro de un campo magnético.

Considerando un imán permanente que gira a una velocidad constante en el interior de un anillo de hierro estacionario como se puede observar en la siguiente figura 2.23. Este imán es impulsado por una fuente mecánica externa, como una turbina; el anillo (o estator) reduce la reluctancia del circuito magnético por lo tanto la densidad de flujo en el entrehierro es mayor a la que habría si el estator no estuviera.

Figura 2.23 Generador monofásico con una bobina de varias vueltas insertada en dos ranuras.

2.9 GENERADOR BIFÁSICO.

El término bifásico se da por dos tensiones desfasadas 90°, que ya se utilizan hoy en día. El alternador está formado por dos devanados colocados 90° uno respecto al otro. Obsérvese en la figura 2.24.

En un generador bifásico se encuentran dos arrollamientos e iguales independientes o interconectados en el estator, de forma tal que quedan desplazados en el espacio de 90° eléctricos.

Figura 2.24 corriente de dos bases “Bifásico”.

2.10 GENERADOR TRIFÁSICO.

Un generador trifásico es similar a un generador bifásico, excepto que el estator tiene tres devanados idénticos en lugar que dos. Los tres devanados a-1, b-2 y c-3 están colocados a 120° entre sí, como es ilustrado en la figura 2.25. Cuando el imán gira a velocidad constante, los voltajes inducidos en los tres devanados tienen los mismos valores pero presentan picos en instantes diferentes.

Figura 2.25 Generador trifásico.

2.11 ESPECIFICACIONES DEL GENERADOR.

La placa de identificación de un generador indica la potencia, el voltaje, la velocidad y otros detalles sobre la máquina. Estos parámetros, o características nominales, son los valores garantizados por el fabricante. Por ejemplo, en la placa de identificación de un generador de 100 kW aparece la siguiente información:

Potencia 100 kW Velocidad 1200 r/minVoltaje 250 V Tipo CompuestoCorrienteDe excitación 20 A Clase BElevaciónDe temperatura 50 °CEstas especificaciones nos indican que la máquina puede suministrar, de forma continua, una potencia de 100 kW a un voltaje de 250 V, sin exceder la elevación de temperatura de 50 °C. Por consiguiente, puede suministrar una corriente de carga de 100 000/250 = 400 A. Posee un devanado en serie y la corriente en el campo en derivación es de 20 A. En la práctica, el voltaje en las terminales se ajusta a un valor cercano a su capacidad de 250 V. Podemos obtener cualquier cantidad de potencia del generador, en tanto no sobrepase los 100 kW y la corriente sea menor a 400 A. La designación clase B se refiere al tipo de aislante utilizado en la máquina.

LIBROS DE DONDE OBTUVE LA INFORMACION.

El libro practico de los generadores, transformadores y motores eléctricos, Giberto enriquez harper.

Maquinas eléctricas y sistemas de potencia, sexta edición, Pearson.

Maquinas eléctricas, 5ta edición, Stephen J. Chapman.