Un generador de corriente eléctrica es un dispositivo diseñado para convertir tipos de energía no eléctrica (química, mecánica, térmica) en energía eléctrica. Además, su diseño se basa en el uso del principio de inducción de electroimán.
El principio de funcionamiento y el dispositivo del alternador más simple.
La inducción electromagnética es un fenómeno que fue descubierto en 1831 por el físico inglés Michael Faraday (1791-1867), quien descubrió que cuando un flujo magnético variable en el tiempo pasa por un circuito conductor cerrado, se genera una corriente eléctrica en este último. Este es el principio que subyace a cualquier generador.
En la práctica, el principio de inducción electromagnética se implementa de la siguiente manera: una corriente eléctrica surge en un marco cerrado (rotor) cuando es atravesada por un campo magnético giratorio formado, según el propósito y el diseño del generador, por imanes permanentes o especiales. devanados de excitación. Cuando el marco gira, el valor del flujo magnético cambia. Cuanto más rápido gira, mayor es la tensión de salida.
En 1827, el físico húngaro Anjos Istvan Jedlik (1800-1895) descubrió este efecto y lo utilizó para crear un modelo original de un generador de corriente eléctrica. Sin embargo, creyendo que era bien conocido, el científico no patentó su descubrimiento y anunció la creación de la primera dínamo solo en 1850.
Para drenar la corriente eléctrica, el marco está equipado con un colector de corriente, que lo convierte en un circuito cerrado y asegura el contacto constante del marco giratorio con los elementos estacionarios del generador. Las escobillas cargadas por resorte se presionan contra los anillos colectores y, por lo tanto, la corriente eléctrica se suministra a los terminales de salida del generador.
Girando, las mitades del marco pasan sucesivamente cerca de los polos del imán. En este caso, se produce un cambio cíclico en la dirección del movimiento de la corriente emergente: en cada polo, la corriente se mueve en una dirección.
Dependiendo del diseño del colector, el generador puede producir corriente continua y alterna.
- En los generadores de CC, para cada mitad del devanado en el conjunto del colector, hay medios anillos aislados entre sí. Debido al hecho de que estos medios anillos cambian constantemente con las escobillas, la corriente no cambia de dirección, simplemente pulsa.
- En los alternadores, los extremos del bastidor están atados a anillos deslizantes y toda la estructura gira alrededor de su eje. Cuando el marco gira, las escobillas, cada una de las cuales está estrechamente adyacente a su propio anillo, proporcionan un conductor de bajada confiable. En este caso, no hay ningún cambio cíclico en la posición de las escobillas.
La parte giratoria del generador se llama rotor y la parte estacionaria se llama estator.
El principio de funcionamiento de los generadores de energía de CA y CC es idéntico. Se diferencian entre sí en el diseño de los anillos colectores ubicados en el rotor giratorio y la configuración de los devanados.
En los alternadores, a menudo se usa una solución técnica original, basada en el hecho de que los EMF ocurren en un conductor no solo cuando gira en un campo magnético, sino también cuando el campo magnético en sí gira con respecto a un conductor estacionario.
Este efecto es ampliamente utilizado por desarrolladores que colocan imanes eléctricos o permanentes en un rotor giratorio. En este caso, el voltaje se elimina del devanado instalado estacionario, lo que permite deshacerse de diseños complejos de unidades recolectoras de corriente.
Generadores de corriente alterna
- desempeño constructivo;
- método de excitación;
- número de fases.
Según el método de excitación, el consumidor puede encontrar unidades:
- con excitación independiente: el devanado de excitación se alimenta con corriente continua de una fuente de alimentación independiente;
- con autoexcitación: se suministra una corriente rectificada desde el propio generador al devanado de excitación;
- con excitación de imanes permanentes, no hay devanado de excitación;
- con excitación de un excitador: un generador de CC de baja potencia, "sentado" en el mismo eje con el generador en servicio.
Por número de fases, los generadores eléctricos son:
- fase única;
- bifásico
- tres fases.
En la práctica, los alternadores trifásicos son los más comunes. Esto se debe a una serie de ventajas propias de este tipo de áridos:
- obtener un efecto económico en el desarrollo de sistemas para la transmisión de electricidad a largas distancias, reduciendo el consumo de material de los dispositivos transformadores y los cables de alimentación; Esto se ve facilitado por la presencia de un campo magnético circular;
- mayor vida útil, lo que garantiza el equilibrio del sistema;
- uso simultáneo de voltaje de línea y fase.
Estructuralmente, un generador eléctrico trifásico tiene tres devanados independientes ubicados en el estator en un círculo con una desviación de 120 ° entre sí. En este caso, cada devanado es un generador monofásico, que es capaz de suministrar una tensión alterna al consumidor R. Dicho devanado único se denomina "fase". Los devanados de fase pueden estar interconectados por "delta" o "estrella".
Hay otros esquemas para conectar los devanados, por ejemplo, el sistema Tesla de seis hilos o la conexión Slavyanka (una combinación de seis devanados en forma de una "estrella" y un "triángulo"), pero no se utilizaron ampliamente.
El papel del marco en los dispositivos que generan corriente alterna lo desempeña un electroimán que, mientras gira, desplaza la EMF alterna inducida en los devanados en un tercio de ciclo entre sí.
Entre los muchos alternadores, hay dos tipos principales de su diseño: síncrono y asíncrono. Recientemente, dada la gran cantidad de dispositivos electrónicos complejos controlados por microprocesadores, ha aparecido un nuevo tipo de generador eléctrico: el inversor.
Generadores de energía síncronos
Un alternador síncrono se compone estructuralmente de dos partes: un rotor móvil y un estator fijo.
Cuando gira el rotor, que es un electroimán con un núcleo y un devanado de excitación, conectado a una fuente de alimentación externa mediante un mecanismo de escobillas, se induce un EMF en el devanado del estator, que se alimenta a los terminales de salida del generador. Este diseño elimina la necesidad de contactos deslizantes, lo que simplifica enormemente el diseño de la unidad. Inicialmente, el flujo magnético se excita desde un excitador de terceros conectado a un eje común y conectado al sistema mediante un acoplamiento.
En los generadores eléctricos síncronos de baja potencia, el devanado de excitación se alimenta mediante corriente rectificada. En este caso, el circuito eléctrico se forma debido a la activación de los transformadores incluidos en el circuito de carga. Allí también se incluye un rectificador de semiconductores. El circuito eléctrico principal incluye:
- devanado de excitación;
- ajuste del reóstato.
La característica principal de un generador síncrono es que la frecuencia de la corriente eléctrica generada es proporcional a la velocidad del rotor.
Generadores de energía asíncronos
El diseño de los generadores asíncronos es simple, pero al mismo tiempo tiene las peores características técnicas en comparación con las unidades síncronas: el error en la frecuencia puede alcanzar el 4% y en términos de voltaje, hasta el 10%. Además, los generadores asíncronos son fundamentales para la corriente de arranque. Por lo tanto, se recomienda operarlos junto con estabilizadores y, en algunos casos, por ejemplo, para un arranque suave de un motor eléctrico, puede ser necesario un convertidor de frecuencia.
Generadores inversores
Un generador eléctrico inversor es un generador asíncrono convencional, en cuya salida se instala un estabilizador adicional de parámetros de salida.
Funciona de la siguiente manera: la tensión generada por el generador asíncrono ingresa al inversor, donde primero se rectifica, y luego se forman pulsos de una determinada frecuencia y ciclo de trabajo a partir de la tensión constante obtenida. A la salida del dispositivo, estos pulsos se convierten en un voltaje sinusoidal con características técnicas casi ideales.
Accionamiento del alternador
En un entorno doméstico, el rotor del generador funciona con motores de combustión interna (ICE) que funcionan con combustibles como gasolina o diésel. Al mismo tiempo, la vida útil de los generadores de gasolina equipados con motores de combustión interna de dos tiempos es de aproximadamente 500 horas por año (no más de 4 horas por día); ICE de cuatro tiempos alcanza las 5000 horas al año.
Es recomendable utilizar generadores de gasolina para cortes breves de energía y / o para salir al campo.
Los generadores diésel son más potentes y duraderos que los generadores de gasolina. Entre ellos hay modelos con refrigeración por aire y líquido. Se recomienda el uso de unidades refrigeradas por aire en lugares donde la electricidad a menudo se corta durante mucho tiempo.
El uso de tales dispositivos domésticos es extremadamente simple: debe llenar el tanque de combustible, girar la llave para arrancar el motor y conectar la carga. Su panel de control está provisto de todas las etiquetas y símbolos necesarios e intuitivos.
Los generadores de energía diesel refrigerados por líquido son dispositivos de una categoría completamente diferente. Son capaces de funcionar durante días y noches y se utilizan principalmente en empresas como fuentes de energía de respaldo.
Los generadores industriales, diseñados para generar corriente alterna y suministrarla a los consumidores a largas distancias mediante líneas eléctricas de alta tensión (PTL), funcionan mediante la activación de turbinas hidráulicas o de vapor. En tales unidades, el mecanismo del rotor está conectado directamente a la rueda de la turbina.
Los generadores de energía de turbina se caracterizan por su alta potencia (hasta 100,000 kW) y son capaces de generar corriente alterna con voltaje de hasta 16 kV. En este caso, la longitud y el diámetro de su rotor pueden alcanzar los 6,5 y 15 metros, respectivamente, y la velocidad de rotación de este último está en el rango de 1500 ... 3000 rpm. Dichas unidades se instalan en habitaciones separadas sobre bases de concreto especialmente preparadas.
Opciones y capacidades de generadores domésticos
Para facilitar su uso, los fabricantes equipan sus productos con una serie de opciones útiles, entre las que se encuentran:
- dispositivo para el arranque automático de la unidad en caso de corte de energía;
- la presencia de un RCD incorporado que desconecta el dispositivo de la red en caso de ruptura del aislamiento y la aparición de una fuga de corriente;
- control de los parámetros y su visualización en la pantalla;
- protección de sobrecarga.
Cuando se conecta una carga a un generador eléctrico, cuyo valor será menor que el nominal, la unidad comenzará a "comer" parte del combustible líquido en vano, sin utilizar plenamente sus capacidades.
No será superfluo tener una carcasa especial supresora de ruido, un tanque de combustible agrandado, una carcasa que proteja la unidad de los efectos de las bajas temperaturas, etc.
Características de instalación
El potencial propietario de un alternador antes de comprarlo debe encargarse de preparar un lugar para su instalación. Independientemente de dónde se instalará dicha unidad, en interiores o exteriores, necesitará una plataforma plana y sólida. La instalación de un generador eléctrico en un terreno irregular aumentará la vibración, lo que acelerará el desgaste de las piezas y puede provocar la falla de un dispositivo costoso.
Al instalar el generador en interiores, es importante proporcionar ventilación por extracción. Además, durante el funcionamiento de la unidad, se recomienda dejar la puerta de la habitación abierta, lo que a su vez requerirá la instalación de una rejilla en la puerta que bloquee el acceso a la zona de peligro a los forasteros, y lo más importante a los niños.
Conecte el generador a la red eléctrica de acuerdo con los requisitos establecidos en las instrucciones de funcionamiento. En este caso, el cable eléctrico debe conectarse después de la máquina introductoria y el medidor eléctrico.
