El alternador

Induccion magnetica: La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.

Cualquier dispositivo (batería, pila…) que mantiene la diferencia de la potencia entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.

La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).

Este hecho se observa fácilmente en el siguiente experimento si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.

La ley que explica esta interacción entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magnético es la Ley de Faraday:

En donde Φ_m es el flugo del campo magnetico. Por tanto, para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida debe variar el flujo del campo magnético a través de la superficie delimitada por el conductor. De la definición de flujo:

se deduce que hay tres formas de variar el flujo del campo magnético: variar el módulo del campo, la superficie que lo atraviesa o el ángulo que forman ambos.

En la siguiente animación se muestra un ejemplo: la superficie delimitada por la espira rectangular va aumentando o disminuyendo al desplazarse la varilla; se produce entonces una variación del flujo magnético con lo que se genera una corriente. El  sentido de la corriente generada es tal que tiende a compensar la variación de flujo que la ha originado.

Cuando el lado móvil de la espira deja de moverse no hay variación del flujo del campo magnético, por lo que desaparece la corriente.

El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz:

El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce.

La ley de Lenz significa que la corriente inducida en un circuito tendrá un sentido tal que el campo magnético generado por dicha corriente compense la variación del flujo que la ha causado.

En la animación anterior, el sentido de la corriente debe ser el que aparece en la figura: al desplazarse la barra a la derecha aumenta el flujo hacia dentro, mientras que el campo magnético generado por la corriente inducida es opuesto al existente por lo que hace aumentar el flujo hacia afuera de la página. Si la varilla se desplaza hacia la izquierda se produce el caso opuesto.

También se puede mostrar la fuerza que el campo B ejerce sobre la varilla cuándo por ella circula la corriente. Resulta siempre opuesta a la velocidad de desplazamiento, ya que en caso contrario se aceleraría la varilla y no se compensaría la variación de flujo.

El fenómeno de la inducción magnética constituye el principio básico de los generadores eléctricos. En la sección Sabías que... se analiza su funcionamiento

Corriente alterna (C.A.) 

La c. a. consiste en un movimiento oscilatorio de los electrones. Estos no se desplazan a lo largo del hilo conductor y simplemente oscilan respecto a un punto. El campo electro-magnético que crean los e- con sus oscilaciones se desplaza por el hilo a la velocidad de la luz (c= 3·10 8 m/s) y a esa velocidad se desplaza la señal eléctrica. Es como si los efectos eléctricos se transmitieran por "corre bola" al otro lado casi instantáneamente.

La intensidad de una corriente alterna se debe al mayor o menor número de electrones que oscilan en cada sección del conductor. Su medida la da la carga en culombios que atraviesan la sección del conductor en un segundo, y su unidad es 

el amperio. La corriente alterna se puede trasladar a grandes distancias, minimizando el efecto de la resistencia de los cables, bajando la intensidad a la que se traslada. Al mismo tiempo que se baja la intensidad se sube el potencial, por eso se transporta en líneas de alta tensión.

Para subir y bajar el voltaje se usan 

transformadores. Los transformadores no se pueden usar con corriente continua.

A cada vivienda llegan dos cables:

la Fase y el Neutro. Si medimos el voltaje entre la fase y el neutro hay aproximadamente unos 220 V y entre el neutro y una toma de tierra, como una tubería, debería dar cero pero, como es muy difícil equilibrar exactamente las conexiones desde el transformador, puede haber un voltaje de varios voltios

Corriente directa (C.D)La corriente directa (CD) siempre fluye en la misma dirección en un sircuito electrico. Los electrones fluyen continuamente en el circuito del terminal negativo de la batería al terminal positivo. Incluso cuando ninguna corriente está atravesando el conductor, los electrones en el alambre se están moviendo a velocidades de hasta 600 millas (1 000 kilómetros) por segundo, pero en direcciones al azar porque el alambre tiene una temperatura finita. Puesto que un electrón se está moviendo hacia atrás en el conductor al mismo tiempo que otro se está moviendo hacia adelante, ninguna carga neta se transporta a lo largo del circuito

Diodo Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido,¹​ bloqueando el paso si la corriente circula en sentido contrario, no solo sirve para la circulación de corriente eléctrica sino que este la controla y resiste. Esto hace que el diodo tenga dos posibles posiciones: una a favor de la corriente (polarización directa) y otra en contra de la corriente (polarización inversa).

  circulo rectificador 

Un rectificador es el dispositivo electrónico que permite convertir la corriente alterna en corriente continua​ Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vació o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio (actualmente en desuso).

Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases.

Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando solo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados.

El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga.

Electro-magnetismoa noción de electromagnetismo se utiliza para nombrar a la interacción que se establece entre campos magnéticos y campos eléctricos. El concepto también se emplea para denominar a la especialización de la física centrada en el estudio de estas cuestiones.

El electromagnetismo se encarga de la descripción de los fenómenos que se desarrollan a partir de la intervención de cargas eléctricas, tanto en movimiento como en reposo, que dan lugar a campos magnéticos y eléctricos y que producen efectos sobre gases, líquidos y sólidos.

Al electromagnetismo se lo califica como una interacción fundamentalque involucra a partículas subatómicas y que se genera a partir de la carga eléctrica de éstas. Hasta 1820, los fenómenos magnéticos y los fenómenos eléctricos eran tomados como independientes. En dicho año, sin embargo, el científico danés Hans Christian Ørsted (u Oersted) descubrió de manera casual el vínculo entre ellos y así surgió el electromagnetismo.

Puede decirse que el electromagnetismo se encarga de estudiar la relación entre los fenómenos magnéticos y los fenómenos eléctricos. Oersted advirtió que las fuerzas que se originan por las cargas eléctricas que se encuentran en movimiento posibilitan la aparición de las fuerzas magnéticas.

Las cargas eléctricas en movimiento generan, a su alrededor, un campo eléctrico y también un campo magnético. Este campo magnético, a su vez, ejerce una fuerza sobre todas las cargas eléctricas que se hallan en su ámbito de acción: la fuerza electromagnética. El valor de los campos magnéticos, por otro lado, está vinculado a la distancia del punto respecto al conductor, a la forma de éste y a la intensidad de la corriente eléctrica.

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 estátor, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia en motores y máquinas eléctricas en general.

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 estátor de una 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.

Si deseas ver un rotor de motor eléctrico en funcionamiento: Rotor Motor Eléctrico - Electric Rotor Motor

Estator 

El estátor es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia (en el caso de motores eléctricos) o corriente eléctrica (en el caso de los generadores eléctricos), 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 estátor puede ser:

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

El generador trifásico 

es, por norma, utilizado en equipos de grandes dimensiones. Por el contrario, la utilización de generadores monofásicos es más común en equipos domésticos.

Una de las principales características que distinguen los trifásicos de los monofásicos, es el hecho de que los sistemas trifásicos carecen de menores cantidades de aluminio o de cobre para generar exactamente la misma potencia que un generador monofásico.

La alimentación de los generadores trifásicos se efectúa en tres fases, asegurando de esta forma las condiciones necesarias para un mejor suministro de energía. En la parte superior de un generador trifásico encontramos tres hilos de energía, que se suministran a través de cuatro hilos, que son:

• tres hilos, denominadas R S T y un neutro.

En los sectores que necesitan un suministro de energía continuo y sin fallos, con equipos de alto porte y con motores de potencia elevada, los generadores trifásicos son un imperativo. Es decir, para dar respuesta a esta necesidad, los aparatos que recurren al uso de tensión trifásica serán el sistema capaz de asegurar y de soportar un correcto suministros y funcionamiento. Otro factor que es importante considerar es que, si desea que el sistema de energía dé respuesta a largas distancias, su elección tendrá que recaer sobre un generador trifásico. Así, tendrá una solución eficaz y con gran eficiencia energética.

¿Cuáles son las principales ventajas del generador trifásico?

• En términos de dimensiones, para suministrar equipos con potencias iguales, son menores y son también más ligeros
• Son más eficaces en el suministro, siendo el tipo de sistema más utilizado en el suministro de energía en todo el mundo
• Como el esfuerzo de estos generadores es contante y sufren menos vibraciones, la potencia instantánea total es también constante. Es decir, ésta no sufre variaciones en el tiempo
• Los devanados de los generadores trifásicos se utilizan de forma más eficiente
• Como son alimentados por tres fases, los motores trifásicos, no recurren a otro tipo de dispositivos
• En un generador trifásico la potencia total nunca es cero

En general, los generadores trifásicos deben ser siempre la elección cuando tenemos que garantizar la continuidad en el suministro de energía y cuando no pueden existir fallos en el suministro. Cuando se trata de equipos con altas potencias, es también el generador trifásico que conseguirá dar respuesta a un desempeño eficiente.

Regulación del voltaje

a regulación de un transformador se define como al diferencia entre los voltajes secundarios en vacío y a plena carga, medidos en terminales, expresada esta diferencia como un porcentaje del voltaje a plena carga. Para el cálculo del voltaje en vacío se debe tomar en consideración el factor de potencia de la carga.

La carga de los transformadores de potencia varián constantemente, ocurriendo la mayor variación en los periodos de mayor actividad industrial y comercial, esto provoca que el voltaje en los secundarios de los transformadores varien de acuerdo con la carga y el  factor de potencia, dependiendo si esta  en atraso, en adelanto o si es la unidad. Ya que todos los equipos eléctricos, electrónicos, motores, lámparas son muy sensibles a los cambios de tensión que pudiesen causarles daños es muy importante tener una buena regulación de voltaje, por lo que es muy importante conocer las características de los elementos constructivos de transformadores y líneas de transmisión, además de su comportamiento ante carga capacitiva, inductivas o resistiva.

El Coeficiente de Regulación de Voltaje o la Regulación de Voltaje (RV) es una cantidad que compara el voltaje de salida sin carga (en Vacío) con el voltaje de salida a plena carga y se define por la ecuación.

VS:    Voltaje de Salida de una línea de transmisión o

Voltaje Secundario de un transformador

A nivel de suministro de tensión se desea tener una regulación de voltaje tan pequeña como sea posible.

Para un transformador ideal, RV = 0%, lo cual nos indica que sus devanados no presentan una resistencia y no requiere de potencia reactiva para su funcionamiento. Sin embargo, los transformadores reales tienen cierta resistencia en los devanados y requieren de una potencia reactiva para producir su campo magnéticos, es decir, posee dentro de el impedancias en serie, tal y como se observa en la figura 1, entonces su voltaje de salida varia de acuerdo con la carga aun cuando el voltaje de entrada y la frecuencia permanezcan constante.

La variación de la tensión en el secundario depende esencialmente de dos variables, de la corriente absorbida por la carga y de su factor de potencia.

Para obtener la regulación de tensión en un transformador se requiere entender las caídas de tensión que se producen en su interior. Consideremos el circuito equivalente del transformador simplificado: los efectos de la rama de excitación en la regulación de tensión del transformador puede ignorarse, por tanto solamente las impedancias en serie deben tomarse en cuenta. La regulación de tensión de un transformador depende tanto de la magnitud de estas impedancias como del ángulo fase de la corriente que circula por el transformador. La forma más fácil de determinar el efecto de la impedancia y de los ángulos de fase de la intensidad circulante en la regulación de voltaje del transformador es analizar el diagrama fasorial, un esquema de las tensiones e intensidades fasoriales del transformador. En la figura 1, se observa el circuito equivalente del transformador simplificado donde se ignoran los efectos de la rama de excitación y se considera solo las impedancias en serie.

FIGURA 1. MODELO APROXIMADO DEL TRANSFORMADOR, REFERIDO AL SECUNDARIO

Un diagrama fasorial es la representación visual de una ecuación, estos se pueden usar para observar los ángulos de fases normales en la regulación de un transformador. La figura 2, muestra un diagrama fasorial de un transformador que opera con un factor de potencia en retraso se observa que Vp/a > Vs para carga en retraso, es decir, una impedancia predominantemente inductiva, por lo que la regulación de voltaje deberá ser mayor que cero.

 

FIGURA 2. DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA EN ATRASO

En la figura 3, se muestra un diagrama fasorial con factor de potencia igual a la unidad y el voltaje en el secundario es menor comparado con el voltaje primario referido, por lo que la regulación de voltaje es mayor que cero, pero menor de lo que era para una corriente en atraso.

 

FIGURA 3. DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA UNIDAD

Si la corriente secundaria esta en adelanto, el voltaje secundario puede en realidad ser mayor que el voltaje primario referido, en este caso, la impedancia es predominantemente capacitiva y el transformador tendrá una regulación negativa.

 

FIGURA 4. DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA EN ADELANTO

Para transformadores de potencia superiores a 5KVA, los valores de las correspondientes de caídas de tensión son

Para carga puramente inductiva Vs = 0,96 Vp/a

Para carga puramente óhmica Vs = 0,98 Vp/a

Para carga puramente capacitiva Vs = 1,02 Vp/a

Para factor de potencia capacitivo la tensión en carga puede ser mayor que la tensión en vacío. Este fenómeno se conoce como efecto Ferranti y puede producirse en todos los casos que las líneas eléctricas tienen conectadas cargas capacitivas.

Las cargas inductivas son desexcitantes puesto que provocan caídas de tensión, mientras que las cargas capacitivas son excitantes, ya que provocan un aumento de tensión.

Funcionamiento del alternador

Funcionamiento del alternador

El alternador de un coche es uno de los elementos principales del circuito eléctrico. Su finalidad es transformar la energía mecánica en energía eléctrica para cargar la batería y proporcionar el suministro eléctrico necesario al coche cuando está en funcionamiento.

Para saber cómo funciona un alternador, primero debemos conocer qué partes lo forman y que misión tienen.

Partes de un alternador

Las partes básicas de un alternador estándar incluyen a un rotor, estátor, puente rectificador y escobillas, además de la presencia del regulador. A continuación detallamos cada una:

• Polea. Es el elemento que recibe, a través de una correa, la fuerza mecánica que genera el motor del coche. Esta polea está unida al eje del alternador y tiene como finalidad mover el rotor que han en su interior. En los alternadores de nueva generación, existe un pequeño ventilador que los ayuda a refrigerarse y éste es movido a su vez por esta polea.
• Rotor o inductor. Está formado por un electroimán que produce un campo magnético fruto de la corriente que recibe desde el regulador a través de los anillos rozantes situados en el eje. Cuando este campo magnético está activo, las bobinas del estátor (parte fija del alternador) reaccionan produciendo la corriente eléctrica necesaria.
• Regulador. Su misión es doble. Por una parte está controlar que la tensión máxima de salida del alternadorno sufra variaciones ni picos. Por otro lado está regular el amperaje que recibe la batería cuando demanda carga.
• Estátor. Es el elemento inducido y fijo del alternador. En él se sitúa el bobinado trifásico que permite la reacción y por tanto la corriente eléctrica. Su forma puede ser en triángulo o estrella.
• Puente rectificador de diodos. Este sistema es el encargado de transformar la corriente alterna que se crea en el alternador a corriente continua (que es la que necesita la batería y emplean los diferentes sistemas del coche).

Cómo funciona el alternador

Una vez conocemos los principales elementos que forman un alternador, pasaremos a describir su funcionamiento de forma muy sencilla.

Al introducir la llave en el contacto y girarlo la bobina rotor del alternador recibe corriente de la batería. Una vez arrancamos el motor la bobina rotor comienza a girar y pasa de recibir energía a generarla. De esta sencilla forma pasa a autoabastecerse y proporcionar la energía necesaria para satisfacer la demanda de los sistemas que facilitan la conducción y vida a bordo del coche como el climatizador, la dirección asistida o el sistema de audio.

Si el alternador funciona correctamente la luz que hay en el cuadro de instrumentos se apagará. Si tras poner el coche en marcha no se apaga la luz, podría ser indicativo de que el alternador no proporciona corriente a los sistemas auxiliares. De ser así, habrá que comprobar que los 12 voltios de la batería llegan a la entrada del regulador y que los diodos del puente rectificador no están en mal estado. Además, también podría darse que las escobillas de los anillos rozantes estén en mal estado y por tanto no llegaría la corriente necesaria al rotor.