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INTRODUCCIÓN La energía eléctrica se ha vuelto parte fundamental en la vida cotidiana por lo que todo aquello la involucra tiene que ser estudiado de manera minuciosa, haciendo así que esta se aproveche de la manera óptima y que así mismo exista la suficiente energía para surtir a las ciudades del mundo. Es aquí en donde los generadores toman mayor importancia, ya que estos transforman algún tipo de energía ya existente en energía eléctrica, en este caso se estudiarán los generadores de corriente directa, que transforman la energía mecánica en energía eléctrica que puede ser utilizada en cualquier aparato electrónico diseñado para soportar este tipo de corriente. Es común preguntarse ¿qué tipos de aparatos eléctricos utilizan la energía eléctrica?, ya que se sabe que las compañías eléctricas proporcionan energía eléctrica en corriente alterna, sin embargo muchos aparatos comunes como las computadoras, los radios, entre otros utilizan corriente directa, entonce s esto lleva a que dentro de los aparatos descritos se instalen transformadores de corriente alterna a continua. En el siguiente estudio se realizarán pruebas que ayuden a determinar el funcionamiento y capacidad del generador eléctrico de corriente contin ua propuesto en clase.
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DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN Los generadores de corriente continua son máquinas que producen energía eléctrica por transformación de la energía mecánica, es decir, 6 6 6 6 6 6 6 Los generadores de corriente continua son maquinas que producen tensión su funcionamiento se reduce siempre al principio de la bobina giratorio dentro de un campo magnético. Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. á bás de fue del gee d de ee u èaciendo girar una espira en un campo magnético se produce una f.e.m. inducida en sus conductores. La tensión obtenida en el exterior a través de un anillo colector y una escobilla en cada extremo de la espira tiene carácter sinodal. Conectando los extremos de la espira a unos semi -anillos conductores aislados entre sí, conseguiremos que cada escobilla esté siempre en contacto con la parte de inducido que presenta una determinada polaridad .
Si una armadura gira entre dos polos de campo fijos, la corriente en la armadura se mueve en una dirección durante la mitad de cada revolución, y en la otra dirección durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en una dirección, o continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban
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entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contra del conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su dirección dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de una dirección en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. 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. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 V. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo. c Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que 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. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadur a en el flujo eléctrico del campo.
c Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de
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generadores tienen la vent aja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas eléctricas variables. El de excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje variable. Un magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético permanente. c Leyes que e ls que se bs el gee d Ley de Faraday y ley de Lenz
Supongamos que la espira gira con velocidad angular constante w . Al cabo de un cierto tiempo t el ángulo que forma el campo magnético y la perpendicular al plano de la espira es w t. El flujo del campo magnético B a través de una espira de área S es F =B·S=B·S·cos(w t) La fem en la espira es
La fem Ve varía sinusoidalmente con el tiempo, como se muestra en la figura. La fem alcanza su valor máximo en valor absoluto cuando w t=p/2 ó 3p/2, cuando el flujo F es mínimo (el campo magnético está en el plano de la espira), y es nula cuando w t=0 ó p, cuando el flujo es máximo (el campo magnético es perpendicular al plano de la espira). Sentido de la corriente inducida Aplicando la ley de Lenz podemos determinar el sentido de la corriente inducida. El sentido viene determinado por el movimiento de portadores de cargas positivos representados por puntos rojos.
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Fuerza sobre los portadores de carga El sentido de la corriente inducida lo podemos determinar a partir de la fuerza sobre un portador de carga positivo imaginariamente situado en el lado a de la espira. Como ya hemos estudiado la fuerza fm que ejerce un campo magnético B sobre un portador de carga positivo que se mueve con velocidad v es el producto vectorial
En la figura, se ha dibujado el vector velocidad cuyo módulo es v=w·b/2. y el vector campo B en la posición que ocupa un portador d e carga positivo representado por un punto de color rojo.
Como v y B forman el ángulo w t, el módulo de la fuerza es fm=qw (b/2)B·sen(w t). El campo En =fm /q que impulsa las cargas (fuerza por unidad de carga positiva) es En= w (b/2)B·sen(w t) La fem Ve es
Como puede verse en la figura, En es paralelo a los lados de longitud a de la espira, pero es perpendicular a los lados de longitud b y por tanto, el producto escalar En·dl en estos dos lados es nulo.
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El sentido de la corriente inducida es el mismo que el sentido de fm o de En (fuerza sobre la unidad de carga positiva). Ts de gee d es M En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar más allá de lo que permite la saturación. M
El generador con excitación shunt suministra energía eléctrica a una tensión aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del generador con excitación independiente. Cuando el circuito exterior está abierto, la máquina tiene excitación máxima porque toda la corriente producida se destina a la alimentación del circuito de excitación; por lo tanto, la tensión en bornes es máxima. Cuando el circuito exterior está cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el circuito del inducido y la excitación es mínima, la tensión disminuye rápidamente y la carga se anula. Por lo tanto, un cortocircuito en la línea no compromete la máquina, que se des-excita automáticamente, dejando de producir corriente. Esto es una ventaja sobr e el generador de excitación independiente en donde un cortocircuito en línea puede producir graves averías en la máquina al no existir éste efecto de des -excitación automática. Gee d ex ud El generador con excitación compound tiene la propiedad de que puede trabajar a una tensión prácticamente constante, es decir, casi independiente de la carga conectada a la red, debido a que por la acción del arrollamiento shunt la corriente de excitación tiende a disminuir al aumentar la carga, mientras que la acción del arrollamiento serie es contraria, o sea, que la corriente de excitación tiende a aumentar cuando aumente la carga. Eligiendo convenientemente ambos arrollamientos puede conseguirse que se equilibren sus efectos siendo la acción conjunta una tensión constante cualquiera que sea la carga. Incluso, se puede obtener dimensionando convenientemente el arrollamiento serie, que la tensión en bornes aumente si aumenta la carga, conexión que se denomina
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hipercompound y que permite compensar la pérdida de tensión en la red, de forma que la tensión permanezca constante en los puntos de consumo. Ales de ls Gee d es El papel más importante que desempeña el generador de corriente continua es alimentar de electricidad al motor de corriente continua. En esencia produce corriente libre de rizo y un voltaje fijo de manera muy precisa a cualquier valor deseado desde cero hasta la máxima nominal; ésta es en realidad corriente eléctrica de corriente continua que permite la mejor conmutac ión posible en el motor, porque carece de la forma de las ondas bruscas de energía de corriente continua de los rectificadores. El generador tiene una respuesta excelente y es particularmente apropiado para el control preciso de salida por reguladores de retroalimentación de control además de estar bien adaptado para producir corriente de excitación de respuesta y controlada en forma precisa tanto ara máquinas de corriente alterna como para máquinas de corriente continua. El campo de aplicación m m m m , es general, siempre que se disponga de una línea independiente de corriente continua. Sin embargo, debe hacerse la advertencia de que estas máquinas ³nunca deben trabajar en cortocircuito´, pues existe el peligro de quemarla s; esto procede, según puede comprenderse fácilmente de la independencia entre el circuito inducido y el circuito de excitación. Básicamente, m m m tienen, dos aplicaciones típicas: una, como amplificador-multiplicador; y la otra, como tacómetro. m ya no se emplean en las centrales. Se emplearon hace ya algún tiempo para la alimentación de grandes circuitos de lámparas de arco, pero estas lámparas han sido sustituidas por otros tipos más modernos, como por ejemplo, las lámparas de xenón. m tienen aplicación en aquellas actividades en las que se precise una intensidad prácticamente constante, como puede ser en equipos de soldaduras y en determinados sistemas de alumbrados. m m tienen aplicación en las centrales para tracción eléctrica que precisan de una tensión constante y en todos aquellos casos en que se haya de contar con variaciones bruscas de carga, como sucede en los talleres con grúas de gran potencia, laminadores, etcétera; suponiendo que no se disponga de sistemas compensadores, y que se desee la mayor constancia posible para la tensión en las barras colectoras. m m son utilizados en el sistema de generación de energía eléctrica de cc en aviones polimotores, en los que existe un generador para cada motor y se realiza un acoplamiento en paralelo de los mismos para atender a toda la energía eléctrica necesaria.
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RESULTADOS DE LA áRÁCTICA Esta aplicación simula el funcionamiento de un generador de corriente elemental, mostrando simplificadamente sus partes más importantes para mayor claridad. En lugar de un armazón con un núcleo de hierro y muchos bobinados, hay una única espira conductora cuadrada girando alrededor de un eje, el cual no se dibuja. El botón selector de la esquina superior derecha permite seleccionar un generador AC (sin conmutador) o un generador DC (con conmutador). Se puede invertir la dirección de rotación utilizando el botón correspondiente. El control deslizante permite variar la velocidad de rotación. Mediante el botón "Pausa/Reanudar", se puede detener y continuar la simulación. La detención no significa una parada real del movimiento puesto que, en este caso, el voltaje inducido sería cero. Dos flechas en negro marcan el sentido instantáneo del movimiento. Las líneas de campo magnético aparecen en azul, dirigiéndose desde el polo norte (pintado en rojo) hacia el polo sur (pintado en verde). Las flechas en rojo representan el sentido convencional de la corriente inducida. GENERADOR DE CORRIENTE DIRECTA EN UN +V áx
c Equ y e l: Osls Gee d y Mul e
cccccccccccccccccccccccccccccccccccccc×ABLA
#1
!&c c , -c
'&c' c ,. -c
( c)*+c , -c
( c+++c , -c
+/0c
112+232c
4+5c
+ c
+ /5c
2 +6 c
+0c
/+0c
Para realizar el cálculo de la frecuencia se utilizó la siguiente fórmula : c
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CONLUSIONES Los generadores eléctricos han sido y serán parte importante en el desarrollo tecnológico de la humanidad, con el cual se podrán seguir utilizando aparatos electrónicos que facilitan la vida de la persona, tal es el caso de computadoras, maquinas eléctricas, y muchos otros utensilios que son requeridos día a día. Debido a la gran diversidad de aparatos existen diferentes tipos de corrientes con lo cual pueden ser directas o también ll amas corriente continua y el tipo de corriente alterna, en esta práctica se realizó el estudio de corriente directa que, aunque sea la menos común en México, responde a diferentes leyes electromagnéticas, al decir que es la menos común se refiere a que el sistema mexicano de electricidad es por medio de corriente alterna, sin embargo muchos aparatos como ya se mencionó cuentan con transformadores que convierten la corriente alterna en corriente continua con la cual funcionan una variedad de electrodoméstico s y aparatos. Los resultados obtenidos en esta práctica son muy parecidos a los que se esperaban, ya que la corriente al circular en algún sentido con respecto a las manecillas del reloj tendrá un voltaje máximo establecido acompañado de un signo positivo o negativo según sea el giro, además existirá un cambio en el periodo según el funcionamiento del mismo. Al momento de la realización de la practica los conceptos utilizados a lo largo del semestre fueron de gran ayuda, ya que gracias a diferentes leyes establecidas en el curso se logró llegar a un razonamiento lógico de cómo se utilizan diferentes aparatos que ayudan a la medición y observación de fenómenos electromagnéticos, tal es el caso de los proto -boards que permiten realizar circuitos eléctricos y medir diferentes variables, así como también el voltímetro que fue de gran ayuda para la comprobación de diferentes teoremas, el osciloscopio que en si es fácil de usar y realiza mediciones muy exactas; el generador de funciones, entre otros. Se puede decir que gracias al tiempo dedicado, a las explicaciones del profesor, los experimentos propios de prueba y error, entre otros se logró implantar en la experiencia y conocimiento de los alumnos un sentido crítico, analítico y lógico de los aspectos que involuc ran a la electricidad y magnetismo. I LIOGRAFÍA å http://html.rincondelvago.com/generadores -y-motores-de-corrientecontinua.html å http://www.mitecnologico.com/iem/Main/GeneradoresDeCorrienteDirecta å
å http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/generador/gene rador.htm
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