GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA

INTRODUCCIÓN

 

En la actualidad la mayoría de los artefactos que tenemos en nuestros hogares y los que vemos en la calle utilizan energía eléctrica; ya sea un televisor, un reloj, un celular, un automóvil, etc. Aunque algunos de estos utilizan la energía de una pila o una batería para funcionar, por lo general éstas se recargan con corriente alterna rectificada. En el caso de un celular se recarga a través de una fuente compuesta por un transformador-reductor y un puente de diodos que se conectan a la línea de tensión domiciliaría, y en el caso de un automóvil, este recarga su batería a través de un generador de corriente alterna que en la salida de tensión tiene un puente de diodo que se encarga de transformar la corriente alterna en corriente continua.
Los generadores de corriente alterna ya sea un alternador de un automóvil, un grupo electrógeno, o los grandes generadores de las planta hidroeléctricas, transforman la energía mecánica en energía eléctrica.

Corriente Alterna

Se denomina así a la corriente eléctrica en la que su magnitud y dirección varían, en función del tiempo, respondiendo a un determinado ciclo. La forma de onda de la corrien te alterna utilizada en tendidos eléctricos domiciliarlos es la onda senoidal, puesto que es de fácil generación.

 

PRINCIPIO DE INDUCCIÓN

Entre los polos de un imán se genera un campo magnético produciendo unas líneas de fuerzas que parten desde el polo norte y se dirigen hacia el polo sur. Si se logra poner los polos enfrentados y mover un conductor cortando las líneas de fuerza, se producirá una diferencia de potencial entre los extremos de éste. Si dejamos fijo el conductor o lo movemos paralelamente a las líneas de fuerza la diferencia de potencial desaparece. Si se conectan dichos extremos a un circuito, se producirá una circulación de corriente eléctrica a través del mismo. La circulación de corriente cambia su sentido de acuerdo con la dirección de desplazamiento del conductor dentro del campo magnético.

 

Principio de generación de corriente alterna

El fenómeno de inducción electromagnética fue descubierto por Faraday en el año 1830, llegando a demostrar que “cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético cortando líneas de fuerza, se generará en él una fuerza electromotriz, que es directamente proporcional al flujo cortado, e inversamente proporcional al tiempo empleado en hacerlo.
Teniendo un imán permanente como inductor estático y un rotor con una espira como inducido tendremos un generador elemental.

Al recibir movimiento, la espira cortará las líneas de fuerza y se producirá una fuerza electromotriz.

 

Sentido de las líneas de fuerza

A medida que la espira gira va cortando, las líneas de fuerza, de un ángulo y posición distinta generando una variación en la tensión y produciendo el cambio en el sentido de circulación de la corriente.
En la figura A la espira se mueve paralela a las líneas de fuerza sin generar voltaje en sus extremos.

 

A medida que la espira avanza esta se va desplazando formando ángulos, generando paulatinamente una tensión en sus extremos; hasta que llega al posición que se ve en la figura B, en donde la espira se mueve perpendicular a las líneas de fuerza cortando a estas “más efectivamente” generando un pico de tensión.

A medida que el rotor sigue girando este vuelve a una posición nula en donde la espira se encuentra paralela a las líneas de fuerza, sin generar tensión.

Cuando la espira pasa la posición de la figura C; formando ángulos esta vuelve a generar tensión, pero en este caso con una polaridad inversa a la anterior, hasta llegar a la posición de la figura D donde se vuelve a producir el pico de tensión por estar la espira perpendicular a las líneas de fuerza.

Luego de esto la espira sigue su transcurso, llegando nuevamente a la posición A.

La representación grafica de la tensión obtenida es una si nusoidal.

En este último caso, el campo inductor (imán permanente) permanece fijo, si se realiza la operación inversa, es decir, movemos el campo inductor, y mantenemos estático al inducido, tendremos el mismo efecto en un giro de 360º. En este caso obtendremos como en el caso anterior, una sinusoide

Este último por lo generales el más utilizado, aunque con algunas variantes.

En el caso del estator, se le agregan dos bobinas más don de cada una se encarga de generar una onda sinusoidal desfasada 120º una de las otras.
Esto permite generar tensión trifásica.

En este caso también se debe tener en cuenta la conexión que van a tener entre sí. Estas pueden ser triángulo o estrella.

El estator está formado por tres bobinas (U, V, W) unidas formando un circuito, donde “Up” es la tensión de fase y “U” la tensión de línea o total.
En el caso del rotor se le agregan, en algunos casos, mayor cantidad de par de polos permitiendo generar mayor cantidad de ondas por vuelta, facilitando la generación de una frecuencia determinada con distintas revoluciones.
Por ejemplo: para la generación de 50 ciclos por segundo se puede utilizar varias RPM (revoluciones por minito) 50 Hz.

2 polos 1 par 3000 RPM
4 polos 2 par 1500 RPM
8 polos 4 par  750 RPM
16 polos 8 par  375 RPM

Además con respecto al inductor también se suele utilizan una inducción por excitación. Esto se logra cambiando el imán permanente por una obina arrollada a un núcleo de hierro con varias caras externas que hacen las veces de polos. Esto permite, entre otras cosas, controlar la tensión de salida. Que se hace por medio de una caja reguladora.

Revoluciones en los generadores

Las revoluciones a las que va a estar sometido un generador inciden en dos aspectos básicos, la tensión y la frecuencia que va a generar el mismo.

Faraday dijo que la tensión que engendra un generador es directamente proporcional al flujo cortado, e inversamente proporcional al tiempo empleado en hacerlo. Esto quiere decir que si el campo inductor aumenta, la tensión generada también aumentara, y si el tiempo en dar una vuelta el rotor (ya sea inductor o inducido) disminuye, el voltaje aumentara.
En el caso de un alternador de un automóvil, las revoluciones en que gira el rotor varían por girar a la par del motor del mismo. Para que la tensión de salida se mantenga en 14.2 V, que es la tensión ideal de carga, se utiliza la ley de Faraday. Cuando las revoluciones en el alternador aumentan generando mayor tensión de salida la caja reguladora, que controla el campo magnético generado por el rotor inductor, le aplica menos voltaje para que las líneas de fuerza se debiliten y la tensión de salida disminuya. En el caso contrario, en el cual las revoluciones disminuyan, la tensión de salida es aumentada por efecto de la caja reguladora, que en este caso aumenta la tensión en el inductor.
La frecuencia varía según las revoluciones y las cantidades de polos del inductor. Si las RPM y/o las cantidades de polos aumentan, la frecuencia aumenta.
En el caso de las revoluciones estás cambian el tiempo en que se genera la onda, si las RPM aumentan, el tiempo que tarda en generar la onda disminuye y la frecuencia aumenta. En el caso de la cantidad de polos esto hace cambiar la cantidad de ondas que se generan por vuelta, generando
una onda completa, por par de polos por vuelta.
Para calcular la frecuencia se debe dividir la cantidad de par de polos, por el tiempo en que tarda dar una vuelta el rotor. Para calcular esto último se debe dividir 60seg. por las RPM.

 

ANALOGÍA ENTRE UN SISTEMA HIDRAULICO Y UN SISTEMA ELÉCTRICO

Indicaré " H " para los parámetros del hidráulico, y una " E " para el parámetro equivalente en un sistema eléctrico.

H: Gasto ( m2/seg ) ; E : Amperaje ( Colomb/seg )

H: Pérdidas de presión en tubería ; E : Resistencia ( Ohms )

H: Diámetro de la tubería ; E : Calibre del cable

H: Interruptor eléctrico ; E: Válvula de control ( Cerrar/Abrir )

H: Potenciómetro o Reóstato ; E : Válvula dosificadora

H: Presión Inicial ; E : Voltaje

H: Fugas de fluido; E:Pérdidas por corto circuito u árco voltaico.


Analogía hidráulica con respecto a la tensión o voltaje. En la figura aparecen tres recipientes llenos de líquido, cuyos tubos de salida se encuentran todos al mismo nivel. Por la tubería del recipiente "B", el líquido saldrá con mayor presión que por la tubería del recipiente "A", por encontrarse el "B" a mayor altura. Lo mismo ocurre con el recipiente "C", que, aunque se encuentra al mismo nivel que el recipiente "A", cuando se ejerce presión con un émbolo sobre la superficie del líquido, éste saldrá también a mayor presión por el tubo.


De forma parecida a esta analogía hidráulica actúa la fuente de fuerza electromotriz (FEM) para mover las cargas eléctricas por un conductor. A mayor presión que ejerza la fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones, mayor será también el voltaje, tensión o diferencia de pontencial que estará presente en un determinado cicuito eléctrico.

 

Si comparamos el circuito eléctrico con un sistema hidráulico, el voltaje sería algo similar a la presión que se ejerce sobre el líquido en una tubería para su bombeo. Si la presión del sistema hidráulico aumenta, la fuerza de la corriente del líquido que fluye por la tubería también aumenta. De igual forma, cuando se incrementa el voltaje, la intensidad de la corriente de electrones que fluye por el circuito eléctrico también aumenta, siempre que el valor de la resistencia se mantenga constante.