I.
PORTADA UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial
Título: Carrera: Área Académica: Línea de Investigación: Ciclo Académico y Paralelo: Alumnos participantes:
Módulo y Docente:
II.
Generadores de corriente alterna. Ingeniería Industrial en Procesos de Automatización Industrial y Manufactura Industrial Octubre 2014 - Marzo 2015, Cuarto A Cartagena Sánchez Patricio Patricio David Chasiluisa Unda Luis Miguel López Espinoza Shirley Karina Espín Barahona Hugo Israel Máquina Eléctricas, Ing. Santiago Álvarez
INFORME DEL PROYECTO 1.1 Título Generadores de corriente alterna. 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo general.
Conocer el funcionamiento de los generadores del corriente alterna.
1.2.2 Objetivos especifico.
Investigar los principios principios en los que se basa basa el generador generador de corriente alterna.
Analizar las diferentes diferentes etapas en las cuales la energía energía magnética magnética es transformada en energía eléctrica.
Presentar un informe escrito en donde se encuentre detallada toda la información sobre los generadores de corriente alterna.
1.3 Resumen El presente informe nos dará a conocer una pequeña parte de la electrónica que es sobre el tema de corriente alterna, se presentara definiciones y aplicaciones que nos irán introduciendo al tema para poder analizar, entender y comprender el tema. La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en (culombios sobre segundo), como unidad que se denomina amperio. Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de Alternating Current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal puesto que se consigue una transmisión
más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, como la triangular o la cuadrada. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos).
1.4 Palabras clave: Generador, corriente, alterna, magnetismo, ley de Lenz. 1.5 Introducción [1]El generador está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador está basado en la ley de Faraday para crear una tención inducida en el estator, debemos crear un campo magnético en el mismo, este campo magnético inducirá un tención en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él. Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.). El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme. En la actualidad las máquinas 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.
1.6 Marco teórico CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DE LA CORRIENTE ALTERNA [2]Un circuito de corriente alterna consta de una combinación de elementos: resistencias, condensadores y bobinas y un generador que suministra la corriente alterna. Un alternador es un generador de corriente alterna que se basa en la inducción de una f. e. m al girar una espira (o bobina) en el seno de un campo magnético debida a la variación de flujo. Según va girando la espira varía el número de líneas de campo magnético que la atraviesan.
Una f. e. m alterna se produce mediante la rotación de una bobina con velocidad angular constante dentro de un campo magnético uniforme entre los polos de un imán.
Frecuencia La corriente alterna se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el tiempo. Ello es debido a que el generador que la produce invierte periódicamente sus dos polos eléctricos, convirtiendo el positivo en negativo y viceversa. Este hecho se repite periódicamente a razón de 50 veces cada segundo (frecuencia de la corriente en Europa 50 Hz o ciclos/seg) La frecuencia (f) es el número de ciclos, vueltas o revoluciones que realiza la espira en 1 segundo.
La unidad de frecuencia son los Hertzios (Hz) o ciclos/seg. Sin embargo, es muy común dar la frecuencia en revoluciones por minuto (r. p. m), para realizar el cambio de u nidades correspondiente basta con multiplicar por 2. π ( número de radianes de una vuelta completa) y dividir por 60 (número de segundos que hay en un minuto)
Periodo
Existe otra magnitud, inversa a ésta, que es el periodo (T) que es el tiempo que invierte la espira es dar una vuelta.
La unidad del periodo es el segundo.
Velocidad angular Como verás ambas magnitudes están relacionadas con la velocidad con que gir a la espira (ω) y se pueden determinar aplicando la relación:
Si analizamos los que ocurre al dar una vuelta la espira veremos que: En el semiciclo semiciclo positivo:
Cuando la espira permanece permanece paralela a las caras del imán imán el flujo es máximo y la f. e. m, y por tanto, la tensión e intensidad son nulas. Al dar el primer cuarto de vuelta vuelta el flujo es mínimo y la f. e. e. m, tensión e intensidad son máximas.
En el segundo cuarto de vuelta vuelven vuelven a descender hasta cero los valores de f. e. m, tensión tensión e intensidad intensidad.
En el semiciclo semiciclo negativo:
En el tercer cuarto de vuelta vuelta la f. e. m y por tanto la tensión cambia cambia de signo y la corriente cambia de sentido (las cargas que supongamos se movían hacia la derecha lo harían ahora hacia la izquierda). Se vuelve a alcanzar un valor máximo de tensión e intensidad, el mismo que en el primer cuarto de vuelta pero en sentido opuesto. Al completarse la vuelta con el último cuarto disminuyen de nuevo hasta hasta anularse los valores de f. e. m, tensión e intensidad para volver a comenzar un nuevo ciclo.
GENERADOR ELÉCTRICO CON CORRIENTE ALTERNA Definición:
[3]El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme. Un generador producirá una corriente eléctrica que cambia de dirección a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisión de potencia eléctrica, por lo que la mayoría de los generadores eléctricos son de este tipo.
Componentes:
[5]Los principales componentes de un generador de corriente alterna son: - Estator. - Rotor. - Sistema de enfriamiento. - Conmutador. ESTATOR
Los elementos más importantes del estator de un generador de corriente alterna, son las siguientes: - Componentes mecánicas. - Sistema de conexión en estrella. - Sistema de conexión en delta.
Componentes mecánicas. Las componentes componentes mecánicas mecánicas de de un generador son las siguientes: - La carcaza. - El núcleo. - Las bobinas. - La caja de terminales. Sistema de conexión conexión en estrella. Los devanados devanados del estator estator de un generador de C.A. están conectados generalmente en estrella, en la siguiente figura T1, T2, T3 representan las terminales de linea (al sistema) T4, T5, T6 son las terminales que unidas forman el neutro.
Sistema de conexión conexión delta. La conexión delta se hace hace conectando conectando las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de línea se conectan a 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene con relación a la conexión estrella, un voltaje menor, pero en cambio se incrementa la corriente de línea.
EL ROTOR
Para producir el campo magnético sobre el rotor se utilizan polos que consisten de paquetes de laminaciones de fierro magnético (para reducir las llamadas corrientes circulantes) con conductores de cobre arrollados alrededor del hierro, estos polos están excitados por una corriente directa. Los polos del rotor se arreglan por pares localizados o separados 180º. Desde el punto de vista constructivo, los rotores se construyen del tipo polos salientes (baja velocidad) o rotor cilíndrico (alta velocidad). En el rotor se encuentran alojadas las bobinas del devanado de campo que inducen el voltaje en el devanado de armadura, en donde se encuentran las bobinas que determinan si el generador es monofásico o trifási co. P r i n c i p i o d e f u n c i o n a m i en en t o :
[4]El funcionamiento del generador de corriente alterna, se basa en el principio general de inducción de voltaje en un conductor en movimiento cuando atraviesa un campo magnético. Este generador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magnético y el inducido que es el conductor el cual es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo. Los mismos funcionan
colocando una espira dentro de un campo magnético y se la hace girar, sus dos lados cortarán las líneas de fuerzas del campo, induciéndose una fem, esta verificada en los extremos del conductor que forma la espira. La fem inducida es de carácter alternado. Cerrando el circuito esta fem da origen a una corriente eléctrica, también alternada. Si conectamos una lámpara al generador veremos que por el filamento de la bombilla circula una corriente que hace que se ponga incandescente, y emite tanta t anta más luz cuanto mayor sea la velocidad con que gira la espira en el campo magnético.
El inductor está constituido por el rotor R, dotado de cuatro piezas magnéticas, las que para simplificar son imanes permanentes, cuya polaridad se indica, y el inducido o estator con bobinas de alambre arrolladas en las zapatas polares. Las cuatro bobinas a-b, c-d, e-f y g-h, arrolladas sobre piezas de una aleación ferromagnética, se magnetizan bajo la acción de los imanes del inductor. Dado que el inductor está girando, el campo magnético que actúa sobre las cuatro zapatas cambia de sentido cuando el rotor gira 90º (se cambia de polo N a polo S), y su intensidad pasa de un máximo, cuando están las piezas enfrentadas, a un mínimo cuando los polos N y S están equidistantes de las piezas de hierro. Son estas variaciones de sentido y de intensidad del campo magnético las que inducirán en las cuatro bobinas una diferencia de potencial (voltaje) que cambia de valor y de polaridad siguiendo el ritmo del campo. La frecuencia de la corriente alterna que aparece entre los terminales A-B se obtiene multiplicando el número de vueltas por segundo del inductor por el número de pares de polos del inducido (en este caso 2), y el voltaje generado dependerá de la fuerza de los imanes (intensidad del campo), la cantidad de vueltas de alambre de las bobinas y de la velocidad de rotación.
La corriente que se genera mediante los alternadores descriptos, aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90º una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirán dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifásica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifásica. Siendo lo mismo girar la espira o a los campos, será mejor girar aquella parte que conduzca menor corriente porque los contactos deslizantes deberán dejar paso a corrientes más pequeñas. Esto se hace con los alternadores y motores reversibles.
Como la fem es proporcional a las variaciones del flujo magnético y al número de espiras estos alternadores suelen llevar una bobina con muchas espiras. La ley de Faraday se utiliza para obtener la fem y la ley de Lenz para determinar el sentido de la corriente inducida. Tipos de generadores
Como es lógico, podemos producir la corriente alterna haciendo rotar los imanes o la espira. A la parte que gira le llamaremos rotor, y a la que permanece estática, estator. Esto nos permite clasificar clasifi car los generadores en dos tipos según su configuración física:
1) Generador de campo campo magnético estático Son similares en construcción a los generadores de continua, en este tipo de generadores de alterna la espira rota en un campo magnético constante. En los de corriente continua la fuerza electromotriz se convierte de alterna a continua por medio de un conmutador, en nuestro caso, la fem se entrega sin transformar.
2) Generador de campo campo magnético rotativo rotativo Estos presentan la ventaja de que como la parte en la que se produce el voltaje es estática, se puede entregar la corriente directamente del armazón a la carga. En este caso, el estator consiste en un núcleo de hierro laminado con los arrollamientos sujetos a él.
Por otro lado, podemos clasificar los generadores según el tipo de corriente alterna que generan.
1) Generadores monofásicos [6]Cuando se trató de generadores de c-a, la armadura ha sido representada por una sola espira. El voltaje inducido en esta espira sería muy pequeño; así pues, lo mismo que ocurre en los generadores de c-c, la armadura consta en realidad de numerosas bobinas, cada una con más de una espira. Las bobinas están devanadas de manera que cada uno de los voltajes en las espiras de cualquier bobina se suma para producir el voltaje total de la bobina. Las bobinas se pueden conectar de varias maneras, según el método específico que se use para darle las características deseadas al generador.
Si todas las bobinas de armadura se conectan en serie aditiva, el generador tiene una salida única. La salida es sinusoidal y en cualquier instante es igual en amplitud a la suma de voltajes inducidos en cada una de las bobinas. Un generador con armadura devanada en esta forma es un generador de una fase o monofásico. Todas las bobinas conectadas en serie constituyen el devanado de armadura. En la práctica, muy pocos generadores de c-a son monofásicos, ya que puede obtenerse una mayor eficiencia conectando las bobinas de armadura mediante otro sistema. Producen una única corriente que alterna continuamente, conocida como corriente monofásica. Es la configuración más básica,y los generadores que hemos visto en las figuras anteriores corresponden a este modelo. Aunque la corriente que nos llega a casa es monofásica, eso no quiere decir que sea generada así, ya que como más adelante veremos para altos voltajes se adopta el sistema trifásico.
2) Generadores bifásicos Como se puede apreciar, el esquema es muy similar, aunque en esta configuración obtenemos obtenemos dos diferencias de potencial potencial respecto de la misma masa igual, pero pero con un desfase de 90º.
La ventaja es evidente, ya que con un mismo rotor podemos lograr el trabajo de dos, pero la configuración del estator se complica bastante ya que necesitamos el doble de pastillas de arrollamientos en él. Suelen tener 3 cables de salida ya que podemos cortocircuitar la masa de B con la de A, y obtenemos la configuración estándar de generador bifásico de tres terminales.
3) Generadores trifásicos [6]Básicamente, los principios del generador trifásico son los mismos que los de un generador bifásico, excepto que se tienen tres devanados espaciados igualmente y tres voltajes de salida desfasados 120 grados entre sí. A continuación, se ilustra un generador simple trifásico de espira rotatoria, incluyendo las formas de onda. Físicamente, las espiras adyacentes están separadas por un ángulo equivalente a 60 grados de rotación. Sin embargo, los extremos de la espira están conectados a los anillos rozantes de manera que la tensión 1 está adelantada 120 grados con respecto a la tensión 2; y la tensión 2, a su vez, está adelantada 120 grados con respecto a la tensión 3. También se muestra un diagrama simplificado de un generador trifásico de armadura estacionaria. En este diagrama, las bobinas de cada devanado se combinan y están representadas por una sola. Además, no aparece el campo rotatorio. La ilustración muestra que el generador trifásico tiene tres devanados de armadura separados, desfasados 120 grados.
Además se los puede clasificar de la siguiente manera:
1) Generadores síncronos [7]El generador síncrono es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica (en forma de rotación) en energía eléctrica. Su principio de funcionamiento consiste en la excitación de flujo en el rotor. El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator. El rotor gira recibiendo un empuje externo desde (normalmente) una turbina. Este rotor tiene acoplada una fuente de "corriente continua" de excitación independiente variable que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al rotor, crea un campo magnético giratorio (por el teorema de Ferraris) que genera un sistema trifásico de fuerzas electromotrices en los devanados estatóricos. El motor síncrono es poco convencional y puede ser utilizado en grandes industrias para corrección de factor de potencia, en este caso, las velocidades del rotor y del estator tienden a igualarse, de ahí el nombre de Síncrono. Ventajas y desventajas: Control optimizado. No usa multiplicadora. Bajo deslizamiento. Reducción detención.
2) Generadores asíncronos [7]Un motor asíncrono es un motor convencional y se utiliza el término asíncrono, por que teóricamente la velocidad del rotor nunca puede alcanzar a la velocidad delestator (Desplazamiento). La mayoría de turbinas eólicas del mundo utilizan un generador asíncrono trifásico (de jaula bobinada), también llamado generador de inducción, para generar corriente alterna. Fuera de la industria eólica y de las pequeñas unidades hidroeléctricas, este tipo de generadores no está muy extendido; aunque de todas formas, el mundo tiene una gran experiencia en tratar con ellos:
Lo curioso de este tipo de generador es que fue inicialmente diseñado como motor eléctrico. De hecho, una tercera parte del consumo mundial de electricidad es utilizado para hacer funcionar motores de inducción que muevan maquinaría en fábricas, bombas, ventiladores, compresores, elevadores, y otras aplicaciones donde se necesita convertir energía eléctrica en energía mecánica. Otra de las razones para la elección de este tipo de generador es que es muy fiable, y comparativamente no suele resultar caro. Este generador
también tiene propiedades mecánicas que lo hace especialmente útil en turbinas eólicas (el deslizamiento del generador, y una cierta capacidad de sobrecarga). Un componente clave del generador asíncrono es el rotor de jaula. ROTOR DE JAULA Este es el rotor que hace que el generador asíncrono sea diferente del generador síncrono. El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente por anillos de aluminio finales, tal y como se ve en la figura 8. En el dibujo del principio de la página puede verse el rotor provisto de un núcleo de "hierro", utilizando un apilamiento de finas láminas de acero aisladas, con agujeros para las barras conductoras de aluminio. El rotor se sitúa en el centro del estator, que en este caso se trata de nuevo de un estator tetrapolar, conectado directamente a las tres fases de la red eléctrica. -
Diferencia Diferencia entre g enerador d e C.C C.C y C.A C.A
[6]Ahora que se han estudiado tanto los generadores de c-c como los de c-a, se pueden observar las semejanzas básicas que hay entre ellos, así como sus diferencias fundamentales. En un generador de c-a, el voltaje inducido se transmite directamente a la carga, a través de anillos rozantes en tanto que 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. Una diferencia física importante entre los generadores de c-c y los de c-a estriba en que el campo de la mayor parte de los generadores de c-c es estacionario y la armadura gira, en tanto que lo opuesto ocurre generalmente en los generadores de c-a. Esto tiene el efecto de hacer que los generadores de c-a puedan tener salidas mucho mayores de las que son posibles con generadores de c-c. Otra diferencia entre ambos tipos de generadores es la fuente de voltaje de excitación para el devanado de campo. 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.
Por su parte, los generadores de c-a deben estar provistos de una fuente separada. Por lo que respecto a la regulación de voltaje los generadores de c-c son inherentemente más estables que los de c-a, Una de las razones es que, aunque los voltajes de salida de ambos tipos de generador son sensibles a los cambios de carga, el voltaje de salida de un generador de c-a también es sensible a cambios en el factor de potencia de la carga. Además, es posible un buen grado de autorregulación en un generador de c-c usando un devanado de armadura combinado, lo cual no es factible en generadores de c-a, ya que éstos deben ser excitados separadamente. Aplicaciones
[8]Los generadores de corriente alterna son los más utilizados, se utilizan en los automóviles, es el alternador allí se genera una corriente alterna y en la salida se rectifica con 6 diodos para convertirla en corriente continua. También se puede producir con pequeñas plantas de emergencia del orden de 1Kw en las casas y con plantas de mediana potencia en clínica y hospitales para casos de emergencia. En plantas de mayor potencia para alumbrar pequeños pueblos campos y caseríos los cuales son movidos con motores diésel. Cuando de alta potencia se trata tenemos generadores en las plantas hidroeléctricas como Guri, Macagua, que son generadores movidos por agua, también tenemos las plantas termoeléctricas cuyas turbinas son movidas por vapor de agua.
1.7 Conclusiones
El generador de corriente alterna se basa según según los principios tanto de la ley de Faraday y la ley de Lenz. En la cual al pasar un imán por una bobina esta creara un campo eléctrico. El rotor o parte móvil móvil es el encargado de crear una tención inducida en el estator en el cual deberemos crear un campo magnético, la cual obtendremos corriente alterna circulando sobre él.
1.8 Bibliografía
Bibliografía [1] http://es.slideshare.net/pzumbap http://es.slideshare.net/pzumbap/generadores-corriente-alterna. /generadores-corriente-alterna. [2] http://profesores.sanvalero.net/~w0320/TEMA http://profesores.sanvalero.net/~w0320/TEMA%206%20CORRIENTE%20ALTERNA.pdf. %206%20CORRIENTE%20ALTERNA.pdf. [3] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ele http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/generador/generador.htm. cmagnet/induccion/generador/generador.htm. [4] http://wlunamsosa.blogspot.com/. [5] http://generadoresdeca.blogspot.com/2009/08/componentes-dehttp://generadoresdeca.blogspot.com/2009/08/componentes-de-un-generador-de.html. un-generador-de.html. [6] http://www.tecnoficio.com/docs/doc70.php. [7] http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/41/tema18/tema18-5.htm. [8] http://jossamuk.wikispaces.com/APLICACIONES+DE+GENERADORES.
