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Generador de corriente alterna monofásico. alternador de inducción

Un generador de corriente alterna o un generador de corriente continua es un dispositivo para generar electricidad mediante la conversión de energía mecánica.

¿Cómo es un alternador?

¿Cómo funciona un alternador? La corriente se genera en un conductor bajo la influencia de un campo magnético. Es conveniente generar corriente girando un marco rectangular eléctricamente conductor en un campo estacionario o un imán permanente en su interior.

Cuando gira alrededor del eje del campo magnético que crea dentro del marco con una velocidad angular ω, los lados verticales del bucle estarán activos, ya que están intersecados por líneas magnéticas. No hay ningún efecto en los lados horizontales que coinciden en dirección con el campo magnético. Por tanto, no se induce corriente en ellos.

¿Cómo es un generador con rotor magnético?

El EMF en el marco será:

mi = 2 B máx. lv pecado ωt,

B máx.– inducción máxima, T;

yo– altura del marco, m;

v– velocidad de cuadro, m/s;

t – tiempo, s.

Por tanto, se induce una fem alterna en el conductor debido a la acción de un campo magnético cambiante.

Para una gran cantidad de vueltas w, expresando la fórmula en términos de caudal máximo fm, obtenemos la siguiente expresión:

mi = wf m pecado ω t.

El principio de funcionamiento de otro tipo de alternador se basa en la rotación de un marco portador de corriente entre dos imanes permanentes con polos opuestos. El ejemplo más simple se muestra en la siguiente figura. La tensión que aparece en él se elimina mediante anillos colectores.

Generador de corriente de imán permanente

El uso del dispositivo no es muy común debido a la carga sobre los contactos móviles con una gran corriente que pasa a través del rotor. El diseño de la primera opción dada también los contiene, pero a través de ellos se suministra mucha menos corriente continua a través de las espiras de un electroimán giratorio, y la energía principal se elimina del devanado del estator estacionario.

Generador síncrono

Una característica especial del dispositivo es la igualdad entre la frecuencia F inducido en el estator por EMF y velocidad del rotor ω :

ω = 60∙F/ pag rpm,

Dónde pag– número de pares de polos en el devanado del estator.

Un generador síncrono crea una FEM en el devanado del estator, cuyo valor instantáneo se determina a partir de la expresión:

mi = 2π B max lwDn pecadoω t,

Dónde yo Y D– longitud y diámetro interno del núcleo del estator.

Un generador síncrono produce un voltaje con una característica sinusoidal. Cuando los consumidores están conectados a sus terminales C 1, C 2, C 3, una corriente monofásica o trifásica fluye a través del circuito, el diagrama se muestra a continuación.

Circuito generador síncrono trifásico.

La acción de una carga eléctrica cambiante también cambia la carga mecánica. Al mismo tiempo, la velocidad de rotación aumenta o disminuye, lo que resulta en un cambio de voltaje y frecuencia. Para evitar que ocurra tal cambio, las características eléctricas se mantienen automáticamente en un nivel determinado mediante retroalimentación de voltaje y corriente en el devanado del rotor. Si el rotor del generador está hecho de un imán permanente, tiene capacidades limitadas para estabilizar los parámetros eléctricos.

El rotor se ve obligado a girar. Se suministra una corriente de inducción a su devanado. En el estator, el campo magnético del rotor, que gira a la misma velocidad, induce 3 fem alternas con un cambio de fase.

El flujo magnético principal del generador se crea por la acción de la corriente continua que pasa a través del devanado del rotor. El poder puede provenir de otra fuente. También es común el método de autoexcitación, cuando una pequeña parte de la corriente alterna se toma del devanado del estator y pasa a través del devanado del rotor después de una rectificación preliminar. El proceso se basa en el magnetismo residual, que es suficiente para arrancar el generador.

Los principales dispositivos que generan casi toda la electricidad del mundo son los hidrogeneradores o turbogeneradores síncronos.

Generador asíncrono

El dispositivo de un generador de corriente alterna de tipo asíncrono se distingue por la diferencia en la frecuencia de rotación EMF. ω y rotor ω r. Se expresa mediante un coeficiente llamado deslizamiento:

s = (ω - ω r)/ ω.

En modo de funcionamiento, el campo magnético ralentiza la rotación del inducido y su frecuencia es menor.

Un motor asíncrono puede funcionar en modo generador si ω r >ω, cuando la corriente cambia de dirección y la energía se devuelve a la red. Aquí el par electromagnético se convierte en frenado. El uso de esta propiedad es común al bajar cargas o en vehículos eléctricos.

Se elige un generador asíncrono cuando los requisitos de parámetros eléctricos no son muy altos. En presencia de sobrecargas de arranque, sería preferible un generador síncrono.

El diseño de un generador de automóvil no se diferencia de uno convencional que produce corriente eléctrica. Produce corriente alterna, que luego se rectifica.

¿Cómo es el generador de un automóvil?

El diseño consta de un rotor electromagnético que gira sobre dos cojinetes accionados a través de una polea. Tiene un solo devanado, con corriente continua suministrada a través de 2 anillos de cobre y escobillas de grafito.

El relé-regulador electrónico mantiene una tensión estable de 12V, independientemente de la velocidad de rotación.

Circuito generador de coche

La corriente de la batería se suministra al devanado del rotor a través de un regulador de voltaje. El par de rotación se le transmite a través de una polea y se induce una FEM en las vueltas del devanado del estator. La corriente trifásica generada se rectifica mediante diodos. El voltaje de salida constante se mantiene mediante un regulador que controla la corriente de excitación.

A medida que el motor acelera, la corriente de campo disminuye, lo que ayuda a mantener un voltaje de salida constante.

Generador clásico

El diseño contiene un motor que funciona con combustible líquido y que hace girar un generador. La velocidad del rotor debe ser estable, de lo contrario la calidad de la generación de electricidad disminuye. Cuando el generador se desgasta, la velocidad de rotación disminuye, lo que es una desventaja importante del dispositivo.

Si la carga del generador está por debajo de la nominal, funcionará parcialmente en ralentí y consumirá un exceso de combustible.

Por eso, a la hora de adquirirlo es importante hacer un cálculo preciso de la potencia necesaria para que se cargue correctamente. Se prohíbe una carga inferior al 25% ya que esto afecta a su durabilidad. Los pasaportes indican todos los modos de funcionamiento posibles que deben observarse.

Muchos tipos de modelos clásicos tienen precios razonables, alta confiabilidad y un amplio rango de potencia. Es importante cargarlo correctamente y realizar la inspección técnica a tiempo. La siguiente figura muestra modelos de generadores de gasolina y diésel.

Generador clásico: a) – generador de gasolina, b) – generador diésel

Generador diésel

El generador alimenta el motor, que funciona con combustible diésel. El motor de combustión interna consta de una parte mecánica, un panel de control, un sistema de suministro de combustible, refrigeración y lubricación. La potencia del generador depende de la potencia del motor de combustión interna. Si se requiere en pequeñas cantidades, por ejemplo, para electrodomésticos, es recomendable utilizar un generador de gasolina. Los generadores diésel se utilizan donde se necesita más energía.

Los ICE se utilizan principalmente con válvulas en cabeza. Son más compactos, más fiables, fáciles de reparar y emiten menos residuos tóxicos.

Prefieren elegir un generador con cuerpo de metal, ya que el plástico es menos duradero. Los dispositivos sin escobillas son más duraderos y el voltaje generado es más estable.

La capacidad del depósito de combustible garantiza un funcionamiento con un solo llenado durante no más de 7 horas. En instalaciones estacionarias se utiliza un depósito externo de gran volumen.

Generador de gasolina

La fuente más común de energía mecánica es el motor de carburador de cuatro tiempos. Se utilizan principalmente modelos de 1 a 6 kW. Existen dispositivos de hasta 10 kW que pueden abastecer una casa de campo a un cierto nivel. Los precios de los generadores de gasolina son razonables y el recurso es bastante suficiente, aunque menor que el de los diésel.

El generador se selecciona en función de las cargas.

Para corrientes de arranque elevadas y uso frecuente de soldadura eléctrica, es mejor utilizar un generador síncrono. Si toma un generador asíncrono más potente, podrá hacer frente a las corrientes de arranque. Sin embargo, aquí es importante que esté cargado, de lo contrario se desperdiciará gasolina.

Generador inversor

Las máquinas se utilizan donde se requiere electricidad de alta calidad. Pueden funcionar de forma continua o intermitente. Los objetos de consumo de energía aquí son instituciones donde no se permiten sobretensiones.

La base del generador inversor es una unidad electrónica que consta de un rectificador, un microprocesador y un convertidor.

Diagrama de bloques de un generador inversor.

La generación de electricidad comienza de la misma forma que en el modelo clásico. En primer lugar se genera corriente alterna, que luego se rectifica y se suministra al inversor, donde se vuelve a convertir en corriente alterna, con los parámetros necesarios.

Los tipos de generadores inversores se diferencian por la naturaleza del voltaje de salida:

rectangular: el más barato, capaz de alimentar solo herramientas eléctricas;
pulso trapezoidal: adecuado para muchos dispositivos, con excepción de equipos sensibles (categoría de precio medio);
voltaje sinusoidal – características estables, adecuado para todos los aparatos eléctricos (precio más alto).

Ventajas de los generadores inversores:

pequeñas dimensiones y peso;
bajo consumo de combustible al regular la producción de la cantidad de electricidad que los consumidores requieren actualmente;
Posibilidad de funcionamiento a corto plazo con sobrecarga.

Las desventajas son los altos precios, la sensibilidad a los cambios de temperatura en la parte electrónica y la baja potencia. Además, la reparación de la unidad electrónica es cara.

El modelo de inversor se selecciona en los siguientes casos:

el dispositivo se compra sólo en los casos en que un generador convencional no es adecuado porque su precio es elevado;

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Generador de corriente Es una máquina eléctrica que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Pueden generar tanto corriente continua como alterna.

Hasta la segunda mitad del siglo XX Se utilizaban generadores de CC en los vehículos. Luego se generalizaron los diodos semiconductores, que permitieron rectificar la corriente alterna o convertirla en directa. Por lo tanto, también en este ámbito los generadores de CC han sustituido a los generadores de CA trifásicos, más fiables y compactos.

En He examinado en detalle las cuestiones del funcionamiento de un motor eléctrico; ahora se describirán los principios generales de funcionamiento y el diseño de un generador de corriente. No me detendré en detalles sobre las máquinas de CC, porque hoy en día no se utilizan en la vida cotidiana, en los garajes ni en los vehículos. Sólo se utilizan mucho en el transporte eléctrico urbano: trolebuses y tranvías.

Principio de funcionamiento del generador de corriente.

El generador funciona según la ley. Inducción electromagnética Faraday: la fuerza electromotriz (EMF) se induce en un bucle rectangular (estructura de alambre) que gira en un campo magnético giratorio uniforme.

Los campos electromagnéticos también ocurren en un marco rectangular estacionario si se hace girar un imán en él.

El generador más simple Es un marco rectangular colocado entre 2 imanes con polos diferentes. Para eliminar el voltaje del marco giratorio, se utilizan anillos colectores. En la práctica Se utilizan electroimanes, que son bobinas inductoras o devanados de alambre de cobre revestidos con barniz aislante eléctrico. Cuando la corriente eléctrica pasa a través de los devanados, estos comienzan a tener propiedades electromagnéticas. Para excitarlos, se necesita una fuente de corriente adicional; en los automóviles, es una batería recargable. En las centrales eléctricas domésticas, la excitación durante el arranque se produce como resultado de la autoexcitación o de un generador de CC adicional de baja potencia, que es accionado por el eje del generador.

Según el principio de funcionamiento Los generadores pueden ser síncronos o asíncronos.

Generadores asíncronos Son estructuralmente simples y económicos de fabricar, más resistentes a corrientes de cortocircuito y sobrecargas. Un generador eléctrico asíncrono es ideal para alimentar cargas activas: lámparas incandescentes, calentadores eléctricos, electrónica, quemadores eléctricos, etc. Pero incluso una sobrecarga a corto plazo es inaceptable para ellos, por lo tanto, al conectar motores eléctricos, máquinas de soldar no electrónicas, herramientas eléctricas. y otras cargas inductivas, la reserva de energía debe ser al menos tres veces, y preferiblemente cuatro veces.
Generador síncrono Perfecto para consumidores inductivos con altas corrientes de irrupción. Son capaces de soportar una sobrecarga de corriente cinco veces mayor en un segundo.

Dispositivo generador de corriente alterna

Como ejemplo de dispositivo, tomemos un generador de automóvil trifásico.

Generador de coche Consta de un cuerpo y dos tapas con orificios para ventilación. El rotor gira sobre 2 cojinetes y es accionado por una polea. En esencia, el rotor es un electroimán que consta de un devanado. Se le suministra corriente mediante dos anillos de cobre y cepillos de grafito, que están conectados a un controlador de relé electrónico. Es responsable de garantizar que el voltaje suministrado por el generador esté siempre dentro de los límites permitidos de 12 Voltios con desviaciones permitidas y no dependa de la velocidad de rotación de la polea. El regulador de relé puede estar integrado en la carcasa del generador o ubicado fuera de ella.

El estator consiste de tres devanados de cobre interconectados en un triángulo. En sus puntos de conexión está conectado un puente rectificador de 6 diodos semiconductores que convierten la tensión de CA a CC.

Generador electrico de gasolina Consta de un motor y un generador de corriente que lo acciona directamente, que puede ser síncrono o asíncrono.

El motor está equipado con los siguientes sistemas: arranque, inyección de combustible, refrigeración, lubricación, estabilización de velocidad. Las vibraciones y el ruido son absorbidos por un silenciador, amortiguadores de vibraciones y amortiguadores.

Generador eléctrico– uno de los elementos constitutivos de una central eléctrica autónoma, entre muchos otros. De hecho, es el elemento más importante, sin el cual la generación de energía eléctrica es imposible. Un generador eléctrico convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. El principio de su funcionamiento se basa en el llamado fenómeno de autoinducción, cuando en un conductor (bobina) que se mueve a lo largo de las líneas del campo magnético surge una fuerza electromotriz (EMF), que puede (para una mejor comprensión del problema) llamarse tensión eléctrica (aunque no es lo mismo).

Los componentes de un generador eléctrico son un sistema magnético (se utilizan principalmente electroimanes) y un sistema de conductores (bobinas). El primero crea un campo magnético y el segundo, al girar en él, lo convierte en eléctrico. Además, el generador también cuenta con un sistema de eliminación de voltaje (conmutador y escobillas, conectando las bobinas de una determinada manera). En realidad, conecta el generador con los consumidores eléctricos.

Puedes obtener electricidad tú mismo realizando el experimento más sencillo. Para hacer esto, debe tomar dos imanes de diferentes polaridades o girar dos imanes con diferentes polos entre sí y colocar un conductor de metal en forma de marco entre ellos. Conecte una bombilla pequeña (de bajo consumo) a sus extremos. Si comienzas a girar el marco en una dirección u otra, la bombilla comenzará a brillar, es decir, aparecerá un voltaje eléctrico en los extremos del marco y una corriente eléctrica fluirá a través de su espiral. En un generador eléctrico ocurre lo mismo, la única diferencia es que el generador eléctrico tiene un sistema más complejo de electroimanes y una bobina de conductores mucho más compleja, normalmente de cobre.

Los generadores eléctricos se diferencian tanto por el tipo de accionamiento como por el tipo de tensión de salida. Por tipo de accionamiento que lo pone en movimiento:

Turbogenerador: impulsado por una turbina de vapor o un motor de turbina de gas. Se utiliza principalmente en grandes centrales eléctricas (industriales).
Hidrogenerador – impulsado por una turbina hidráulica. También se utiliza en grandes centrales eléctricas que funcionan mediante el movimiento de agua de río y mar.
Generador eólico: impulsado por energía eólica. Se utiliza tanto en pequeñas centrales eólicas (privadas) como en grandes industriales.
El generador diésel y el generador de gasolina son accionados por un motor diésel y uno de gasolina, respectivamente.

Por tipo de corriente eléctrica de salida:

Generadores de CC: la salida es corriente continua.
Generadores de corriente alterna. Los hay monofásicos y trifásicos, con salida CA monofásica y trifásica respectivamente.

Los diferentes tipos de generadores tienen sus propias características de diseño y componentes prácticamente incompatibles. Están unidos únicamente por el principio general de crear un campo electromagnético mediante la rotación mutua de un sistema de bobinas con respecto a otro o con imanes permanentes. Debido a estas características, sólo los especialistas calificados pueden reparar los generadores o sus componentes individuales.

El desarrollo de la industria automotriz estuvo acompañado de crecientes requisitos de confiabilidad y aumento de la vida útil de los vehículos, la comodidad de su operación, la reducción de los costos operativos de mantenimiento y reparación, así como el cumplimiento de los requisitos cada vez mayores de seguridad vial.
En este sentido, existe la necesidad de aumentar significativamente la potencia y la vida útil de los generadores de automóviles como principales fuentes de corriente eléctrica, mejorar sus características de rendimiento y reducir los costos operativos. Era necesario reducir las dimensiones generales y el peso de los generadores, así como de muchas otras unidades y dispositivos, lo que permitió diseñar de manera flexible el diseño y el diseño externo de los automóviles, así como ahorrar en metales costosos.

Satisfacer los requisitos enumerados mejorando el diseño y la tecnología de producción de los generadores de CC, teniendo en cuenta la baja confiabilidad y la corta vida útil de la unidad del conmutador de escobillas, así como las dimensiones generales y el peso de los generadores de CC, se ha vuelto inviable. Por lo tanto, se eligió una nueva dirección en el desarrollo de generadores para automóviles: la creación de generadores de corriente alterna.

El nombre "generador de corriente alterna" es algo arbitrario y se refiere principalmente a las características de diseño del generador, ya que están equipados con rectificadores semiconductores incorporados y suministran a los consumidores corriente continua (rectificada).
En los generadores de CC, dicho rectificador es una unidad colectora de escobillas que rectifica la corriente alterna recibida en los devanados del inducido.
El desarrollo de la tecnología de semiconductores hizo posible utilizar en generadores de corriente alterna un rectificador más avanzado y confiable basado en diodos semiconductores, que no contenía piezas mecánicas ni componentes sujetos a desgaste y fallas.

Ventajas y desventajas de los alternadores.

Las principales ventajas de los generadores de corriente alterna en comparación con los generadores de corriente continua incluyen las siguientes propiedades:

con la misma potencia, su masa es 1,8...2,5 veces menor y se consume aproximadamente tres veces menos metal no ferroso valioso: el cobre;
con las mismas dimensiones, los generadores de corriente alterna producen más energía;
la corriente comienza a generarse a una velocidad del rotor más baja;
el circuito y diseño del dispositivo de control es más sencillo debido a la ausencia de un elemento limitador de corriente y un relé de corriente inversa;
el diseño del colector de corriente es más sencillo y fiable, especialmente en generadores de corriente alterna sin contacto;
Costos operativos más bajos debido a la alta confiabilidad operativa y una mayor vida útil.

Desde un punto de vista práctico, las ventajas de un generador de corriente alterna se manifiestan en el hecho de que la corriente que genera se extrae de los devanados estacionarios montados en la carcasa del estator. El devanado de campo, fabricado en un rotor giratorio, es significativamente más ligero que los devanados del estator estacionario, por lo que el rotor puede girar a mayor velocidad sin temor a un desequilibrio de las masas giratorias. Y en este caso es más fácil suministrar la corriente de excitación, ya que es pequeña. Como resultado, las escobillas y los anillos colectores duran más.

Además, un generador de corriente continua, a diferencia de un generador de corriente alterna, comienza a producir corriente a una frecuencia de rotación del inducido relativamente alta. Por esta razón, para su pleno funcionamiento, por ejemplo, al ralentí, se requiere una relación de transmisión importante, que en el futuro (a la frecuencia de funcionamiento del cigüeñal) puede provocar un desequilibrio (debido a la importante masa del motor). armadura), desgaste de cojinetes y elementos de accionamiento del generador.

Una cierta ventaja de los generadores de corriente alterna también se manifiesta en el hecho de que si es necesario obtener alto voltaje (por ejemplo, para alimentar a consumidores de alto voltaje), basta con utilizar un pequeño transformador. De esta forma no será posible aumentar la tensión CC. A pesar de que en las redes de a bordo de automóviles la necesidad de alto voltaje es extremadamente rara, no se puede descartar esta posibilidad.

Las principales desventajas de un generador de corriente alterna son la necesidad de rectificar la corriente que genera, así como cierta disipación de potencia en las partes metálicas que rodean el rotor y el estator debido a la aparición de corrientes parásitas y reactivas en un campo electromagnético alterno. Sin embargo, las ventajas de los generadores de corriente alterna compensan con creces las desventajas señaladas.

Los primeros alternadores de automóviles fueron diseñados para funcionar con rectificadores de selenio y reguladores de voltaje de vibración separados. Los rectificadores de selenio eran grandes y debían colocarse separados del generador, en lugares donde se proporcionara una buena refrigeración. Para conectar dicho rectificador al generador, se requirió cableado adicional.
Además, los rectificadores de selenio no eran lo suficientemente resistentes al calor y permitían una temperatura máxima de funcionamiento no superior a +80 ˚C.
Por estos motivos, posteriormente se abandonaron los rectificadores de selenio y se empezaron a utilizar diodos de silicio, de menor tamaño y buena resistencia al calor, lo que permitía colocarlos directamente en el generador.

Los reguladores de voltaje vibratorios fueron reemplazados primero por unos de transistores de contacto y luego por unos sin contacto basados en elementos discretos y reguladores integrales sin contacto.
Las dimensiones generales de los reguladores integrales permiten integrarlos en un generador que, junto con la unidad integrada de regulador y rectificador, se denomina grupo electrógeno.

Diseño básico de un alternador.

En arroz. 1 Se presenta un diagrama simplificado de un generador de corriente alterna, que consta de dos partes principales: un estator con un devanado estacionario en el que se induce corriente alterna y un rotor que crea un campo magnético.

Los polos del rotor pasan alternativamente por bobinas del estator fijas ubicadas en ranuras en el interior de la carcasa del generador. En este caso, cambia la dirección del flujo magnético y, en consecuencia, la dirección de la EMF inducida en la bobina.

Normalmente, el número de polos magnéticos del rotor y el número de bobinas de la carcasa permiten obtener una corriente trifásica. En los generadores trifásicos, los devanados tienen un punto común donde se conectan sus extremos, por eso este diagrama de conexión se llama “estrella”, y el punto común del devanado es el punto cero.

Los segundos extremos de los devanados están conectados a un rectificador de onda completa. El campo magnético del rotor puede crearse mediante un imán permanente o un electroimán. En este último caso, se suministra un voltaje constante al devanado de excitación del electroimán.

El uso de electroimanes en el rotor complica el diseño del generador, ya que es necesario suministrar voltaje a la parte giratoria: el rotor, pero en este caso es posible regular el voltaje cambiando la velocidad del rotor. Además, las propiedades magnéticas de los imanes permanentes dependen en gran medida de su temperatura.

En la página siguiente se ofrecen más detalles sobre el diseño y funcionamiento de un alternador de automóvil.

Generadores sin contacto con excitación electromagnética.

Para los generadores de automóviles, la confiabilidad y la vida útil están determinadas por tres factores:

calidad del aislamiento eléctrico;
calidad de las unidades de rodamientos;
confiabilidad de los dispositivos recolectores de corriente (contacto de escobilla).

Los dos primeros factores dependen del nivel de desarrollo de las industrias relacionadas. El tercer factor se puede eliminar mediante el uso de generadores sin contacto, que tienen mayor confiabilidad y vida útil que los generadores de contacto que utilizan colectores de corriente con contactos de escobillas. Esto estimuló la creación de generadores de corriente alterna sin contacto para automóviles con excitación electromagnética: generadores de inductores y generadores con polos acortados.

Los generadores sin contacto con excitación electromagnética incluyen generadores inductores y generadores con picos acortados. El generador funciona de la siguiente manera. El devanado de campo, a través del cual fluye la corriente continua, crea un flujo en el sistema magnético que, cuando el rotor gira, cambia de magnitud sin cambiar de signo. Este flujo se cierra pasando a través de los entrehierros entre el eje y los elementos del rotor, cuyos dientes tienen forma de asterisco, el entrehierro entre el rotor y el estator, el circuito magnético del estator y la tapa del generador. .

El cambio en el flujo magnético en la armadura cuando el rotor gira se produce debido a un cambio en la resistencia magnética del entrehierro entre el estator y los dientes del rotor.
flujo magnético F para los generadores de inductores es pulsante. El flujo magnético en el entrehierro varía periódicamente de F máx., cuando los ejes de los dientes del rotor y del estator coinciden, hasta Ф min cuando los ejes de los dientes del rotor y del estator se desplazan en un ángulo 180˚ grados eléctricos. Por tanto, el flujo magnético tiene una componente media constante y variable con una amplitud

Ф por = 0,5 (Ф max - Ф min)

La punta y el canal del rotor del generador (inductor) forman un par de polos, por lo tanto, la frecuencia de la corriente del inducido en el inductor del generador se puede determinar mediante la fórmula:

f = zn/60,

donde z es el número de dientes del rotor.

En generadores con polos acortados, el no contacto se logra fijando estacionariamente el devanado de campo mediante un clip no magnético. Los polos en forma de pico tienen menos de la mitad de la longitud de la parte activa del rotor. A medida que el rotor gira, el flujo de excitación magnética cruza las espiras del devanado del estator, induciendo una FEM en ellas.

Los generadores con polos acortados son de diseño simple y tecnológicamente avanzados. Los rotores de tales generadores tienen baja disipación.
Las desventajas incluyen una masa ligeramente mayor que la de los generadores de contacto para la misma potencia. También cabe señalar que es difícil sujetar el devanado inductor y garantizar la rigidez y resistencia mecánica de su fijación.

El uso de los diseños existentes de generadores inductores en automóviles se ha visto obstaculizado durante mucho tiempo por las siguientes dificultades:

indicadores específicos bajos;
mayor nivel de ondulación del voltaje rectificado;
aumento del nivel de ruido.

Una mejora adicional del diseño y la eliminación de las desventajas anteriores hicieron posible el uso de generadores de corriente alterna inductores en los automóviles.

Por primera vez en los vehículos UAZ se utilizaron generadores sin escobillas con polos acortados 45.3701 y 49.3701.

Un breve vídeo le permitirá comprender claramente los principios básicos de funcionamiento y estructura de un alternador de automóvil.

Hola conocedores del mundo de la electricidad y la electrónica. Si visita nuestro sitio web con frecuencia, probablemente recordará que recientemente publicamos un material bastante voluminoso sobre cómo funciona y funciona un generador de CC. Hemos descrito en detalle su estructura, desde los prototipos de laboratorio más sencillos hasta las modernas unidades de trabajo. Asegúrate de leerlo si aún no lo has hecho.

Hoy desarrollaremos este tema y descubriremos cuál es el principio de funcionamiento de un generador de corriente alterna. Hablemos de sus áreas de aplicación, variedades y mucho más.

Comencemos con lo más básico: la corriente alterna se diferencia de la corriente continua en que cambia su dirección de movimiento con cierta frecuencia. También cambia el valor, del que hablaremos con más detalle más adelante.

Después de un cierto período de tiempo, que llamaremos "T", se repiten los valores de los parámetros actuales, que se pueden representar en el gráfico como una sinusoide, una línea ondulada que pasa con la misma amplitud a través de la línea central.

Principios básicos

Entonces, la finalidad y diseño de los generadores de corriente alterna, anteriormente llamados alternador, es convertir la energía cinética, es decir, mecánica, en energía eléctrica. La gran mayoría de los generadores modernos utilizan un campo magnético giratorio.

Dichos dispositivos funcionan por inducción electromagnética, cuando una bobina de material conductor (generalmente alambre de cobre) gira en un campo magnético, surge en ella una fuerza electromotriz (EMF).
La corriente comienza a formarse en el momento en que los conductores comienzan a cruzar las líneas magnéticas del campo de fuerza.

Además, el valor máximo de la FEM en un conductor se alcanza cuando pasa por los polos principales del campo magnético. En los momentos en que se deslizan a lo largo de las líneas de fuerza, no se produce inducción y la fem cae a cero. Eche un vistazo a cualquiera de los diagramas presentados: el primer estado se observará cuando el marco esté en posición vertical y el segundo, cuando esté en posición horizontal.

Para comprender mejor los procesos en curso, es necesario recordar la regla de la mano derecha, estudiada por todos en la escuela, pero que pocos recuerdan. Su esencia radica en el hecho de que si coloca su mano derecha de manera que las líneas del campo magnético entren en ella desde la palma, el pulgar movido hacia un lado indicará la dirección del movimiento del conductor y los dedos restantes indicarán la dirección de el CEM que surge en él.
Mire el diagrama de arriba, posición "a". En este momento, la fem en el marco es cero. Las flechas muestran la dirección de su movimiento: la parte del cuadro A se mueve hacia el polo norte del imán y B, hacia el sur, alcanzando el cual la EMF será máxima. Aplicando la regla de la mano derecha descrita anteriormente, vemos que la corriente comienza a fluir en la parte "B" hacia nosotros y en la parte "A", lejos de nosotros.
El marco gira más y la corriente en el circuito comienza a disminuir hasta que el marco vuelve a tomar una posición horizontal (c).
Una mayor rotación conduce al hecho de que la corriente comienza a fluir en la dirección opuesta, ya que las partes del marco han cambiado de lugar en comparación con la posición inicial.

Después de media revolución, todo volverá a su estado original y el ciclo se repetirá nuevamente. Como resultado, encontramos que durante la revolución completa del marco, la corriente aumentó dos veces hasta un máximo y cayó a cero, y una vez cambió su dirección en relación con el movimiento inicial.

C.A.

Generalmente se acepta que la duración del período de circulación es de 1 segundo y el número de períodos "T" es la frecuencia de la corriente eléctrica. En las redes eléctricas estándar de Rusia y Europa, en un segundo la corriente cambia de dirección 50 veces, 50 períodos por segundo.

En electrónica, uno de esos períodos está designado por una unidad especial que lleva el nombre del físico alemán G. Hertz. Es decir, en el ejemplo dado de las redes rusas, la frecuencia actual es de 50 hercios.

En general, la corriente alterna ha encontrado una aplicación muy amplia en la electrónica debido a que: la magnitud de su voltaje es muy fácil de cambiar utilizando transformadores que no tienen partes móviles; siempre se puede convertir a corriente continua; el diseño de tales generadores es mucho más confiable y simple que el de generar corriente continua.

Estructura de un generador de corriente alterna.

En principio, está claro cómo funciona un generador de corriente alterna, pero al compararlo con su homólogo para generar corriente constante, no es posible notar la diferencia de inmediato.

Principales piezas de trabajo y sus conexiones.

Si lees el material anterior, probablemente recuerdes que el marco en el circuito más simple estaba conectado a un colector dividido en placas de contacto aisladas, que, a su vez, estaba conectado a unas escobillas que se deslizaban sobre él, a través de las cuales se conectaba el circuito externo.

Debido al hecho de que las placas colectoras cambian constantemente de escobillas, no hay cambio en la dirección de la corriente: simplemente pulsa y se mueve en una dirección, es decir, el colector es un rectificador.

Para la corriente alterna, dicho dispositivo no es necesario, por lo que se reemplaza por anillos colectores a los que se unen los extremos del marco. Toda la estructura gira en conjunto alrededor de un eje central. Los cepillos están adyacentes a los anillos, que también se deslizan a lo largo de ellos, asegurando un contacto constante.
Como en el caso de la corriente continua, la FEM que surge en diferentes partes del marco se sumará, formando el valor resultante de este parámetro. En este caso, una corriente eléctrica fluirá en el circuito externo conectado a través de las escobillas (si se le conecta una resistencia de carga RH).
En el ejemplo anterior, "T" equivale a una vuelta completa del marco. De aquí podemos sacar una conclusión lógica de que la frecuencia de la corriente generada por el generador depende directamente de la velocidad de rotación de la armadura (bastidor), o en otras palabras, del rotor, por segundo. Sin embargo, esto sólo se aplica a un generador tan simple.

Si aumenta el número de pares de polos, entonces en el generador el número de cambios de corriente total por revolución del inducido aumentará proporcionalmente y su frecuencia se medirá de manera diferente, de acuerdo con la fórmula: f = np, donde f es la frecuencia, n es el número de revoluciones por segundo, p – número de pares de polos magnéticos del dispositivo.

Como escribimos anteriormente, el flujo de corriente alterna está representado gráficamente por una sinusoide, por lo que dicha corriente también se llama sinusoidal. Podemos identificar inmediatamente las condiciones principales que determinan la constancia de las características de dicha corriente: esta es la uniformidad del campo magnético (su valor constante) y la velocidad constante de rotación de la armadura en la que se induce.
Para que el dispositivo sea lo suficientemente potente, utiliza imanes eléctricos. El devanado del rotor, en el que se induce la fuerza electromagnética, en las unidades operativas tampoco es un marco, como mostramos en los diagramas anteriores. Se utiliza una gran cantidad de conductores, que están conectados entre sí según un patrón determinado.

¡Interesante saberlo! La formación de campos electromagnéticos se produce no solo cuando el conductor se desplaza con respecto al campo magnético, sino también viceversa, cuando el campo mismo se mueve con respecto al conductor, lo cual es utilizado activamente por los diseñadores de motores y generadores eléctricos.

Esta propiedad permite colocar el devanado en el que se induce la FEM, no solo en la parte central giratoria del dispositivo, sino también en la parte estacionaria. En este caso se pone en movimiento el imán, es decir, los polos.

Con esta estructura, el devanado externo del generador, es decir, el circuito de alimentación, no requiere piezas móviles (anillos y escobillas): la conexión es rígida, a menudo atornillada.
Sí, pero es razonable objetar que será necesario instalar estos mismos elementos en el devanado de excitación. Esto es cierto, sin embargo, la corriente que fluye aquí será mucho menor que la potencia final del generador, lo que simplifica enormemente la organización del suministro de corriente. Los elementos serán pequeños en tamaño y peso y muy fiables, lo que hace que este diseño sea el más popular, especialmente para unidades potentes, por ejemplo, unidades de tracción instaladas en locomotoras diésel.
Si hablamos de generadores de baja potencia, donde la captación de corriente no presenta ninguna dificultad, se suele utilizar el circuito "clásico", con un devanado de inducido giratorio y un imán estacionario (inductor).

¡Consejo! Por cierto, la parte estacionaria de un alternador se llama estator, ya que es estática, y la parte giratoria se llama rotor.

Tipos de alternadores

Los generadores se pueden clasificar y distinguir según varios criterios. Vamos a nombrarlos.

Generadores trifásicos

Pueden diferir en el número de fases y ser monofásicos, bifásicos y trifásicos. En la práctica, la última opción es la más extendida.

Como se puede ver en la imagen de arriba, la parte de potencia de la unidad tiene tres devanados independientes ubicados en el estator en un círculo, separados entre sí 120 grados.
El rotor en este caso es un electroimán que, al girar, induce una fuerza electromagnética alterna en los devanados, que se desplazan entre sí en el tiempo en un tercio del período "T", es decir, el ciclo. De hecho, cada devanado es un generador monofásico independiente que suministra corriente alterna a su circuito externo R. Es decir, tenemos tres valores de corriente I(1,2,3) y el mismo número de circuitos. Cada uno de estos devanados, junto con el circuito externo, se denomina fase.

Para reducir la cantidad de cables que conducen al generador, tres cables de retorno que conducen a él desde los consumidores de energía se reemplazan por uno común, a través del cual pasarán las corrientes de cada fase. Este cable común se llama neutro.
La conexión de todos los devanados de dicho generador, cuando sus extremos están conectados entre sí, se llama estrella. Los tres cables separados que conectan el comienzo de los devanados con los consumidores de electricidad se llaman lineales: la transmisión se realiza a través de ellos.
Si la carga de todas las fases es la misma, entonces la necesidad de un cable neutro desaparecerá por completo, ya que la corriente total en él será cero. ¿Cómo sucede esto, preguntas? Todo es extremadamente simple: para comprender el principio, basta con sumar los valores algebraicos de cada corriente sinusoidal, desfasada en 120 grados. El diagrama anterior le ayudará a comprender este principio si imagina que las curvas son el cambio de corriente en las tres fases del generador.
Si la carga en las fases es desigual, entonces el cable neutro comenzará a pasar corriente. Por eso es común el esquema de conexión en estrella de 4 hilos, ya que permite guardar los aparatos eléctricos que se encuentran actualmente conectados a la red.

El voltaje entre los cables de línea se llama voltaje de línea, mientras que el voltaje en cada fase se llama voltaje de fase. Las corrientes que fluyen en las fases también son lineales.
El esquema de conexión en estrella no es el único. Existe otra opción para conectar tres devanados en serie, cuando el final de uno se conecta al comienzo del segundo, y así sucesivamente, hasta que se forme un anillo cerrado (ver diagrama "b" arriba). Los cables provenientes del generador están conectados en la unión de los devanados.
En este caso, los voltajes de fase y línea serán los mismos, y la corriente de línea será mayor que la del cable de fase, con la misma carga.
Esta conexión tampoco requiere un cable neutro, que es la principal ventaja de un generador trifásico. Tener menos cables lo hace más simple y de menor precio debido a que se utilizan menos metales no ferrosos.

Otra característica del circuito de conexión trifásico es la aparición de un campo magnético giratorio, que permite crear motores eléctricos asíncronos simples y confiables.

Pero eso no es todo. Al rectificar una corriente monofásica, la salida del rectificador produce un voltaje con ondulaciones desde cero hasta el valor máximo. Creemos que la razón es clara si comprende el principio básico de funcionamiento de dicho dispositivo. Cuando hay un cambio de fase en el tiempo, las ondulaciones se reducen considerablemente, no superando el 8%.

Diferencia por tipo

Los generadores también difieren en tipo, de los cuales hay 2:

alternador sincrónico– la característica principal de este tipo de unidad es la conexión rígida entre la frecuencia de la fuerza electromagnética variable inducida en el devanado y la velocidad sincrónica, es decir, la rotación del rotor.

Eche un vistazo al diagrama de arriba. En él vemos un estator con un devanado trifásico conectado en forma triangular, que no se diferencia mucho del de un motor asíncrono.
En el rotor del generador hay un electroimán con un devanado de excitación, alimentado por corriente continua, que se puede suministrar de cualquier forma conocida; esto se describirá con más detalle a continuación.
En lugar de un electroimán, se puede usar uno permanente, entonces la necesidad de partes deslizantes del circuito, en forma de escobillas y anillos colectores, desaparece por completo. Dicho generador no será lo suficientemente potente y no podrá estabilizarse adecuadamente; los voltajes de salida.
Al eje del rotor está conectado un accionamiento, cualquier motor que genere energía mecánica y se ponga en movimiento a una determinada velocidad sincrónica.
Dado que el campo magnético de los polos principales gira con el rotor, comienza la inducción de fem alternas en el devanado del estator, que pueden denominarse E1, E2 y E3. Estas variables tendrán el mismo valor, pero como se ha dicho más de una vez, estarán desplazadas 120 grados en fase. Juntos, estos valores forman un sistema CEM trifásico, que es simétrico.
Se conecta una carga a los puntos C1, C2 y C3, y las corrientes I1, I2 e I aparecen en las fases del devanado del estator. En este momento, cada fase del estator se convierte en un potente electroimán y crea un campo magnético giratorio.
La frecuencia de rotación del campo magnético del estator corresponderá a la frecuencia de rotación del rotor.

Generadores asíncronos– se diferencian del ejemplo descrito anteriormente en que las frecuencias de la fuerza electromagnética y la rotación del rotor no están estrictamente relacionadas entre sí. La diferencia entre estos parámetros se llama deslizamiento.

El campo electromagnético de dicho generador en modo de funcionamiento normal ejerce un par de frenado sobre la rotación del rotor bajo carga, por lo que la frecuencia de cambio del campo magnético será menor.
Estas unidades no requieren componentes complejos ni el uso de materiales costosos para su creación, por lo que son ampliamente utilizados como motores eléctricos para el transporte, debido a la facilidad de mantenimiento y la simplicidad del propio dispositivo. Estos generadores son resistentes a sobrecargas y cortocircuitos, sin embargo, no son aplicables a dispositivos que dependen altamente de la frecuencia.

Métodos de excitación del devanado.

La última diferencia entre los modelos que me gustaría mencionar está relacionada con el método de alimentación del devanado excitador.

Hay 4 tipos:

La energía se suministra al devanado a través de una fuente de terceros.
Generadores autoexcitados– la energía se toma del propio generador y se rectifica el voltaje. Sin embargo, al estar en estado inactivo, dicho generador no podrá generar suficiente voltaje para arrancar, para lo cual el circuito utiliza una batería que se utilizará durante el arranque.
Opción con devanado de excitación alimentado por otro generador de menor potencia instalado en el mismo eje. El segundo generador ya debería arrancar desde una fuente de terceros, por ejemplo, la misma batería.
Este último tipo no requiere suministro de energía al devanado de excitación, ya que no lo tiene, porque el dispositivo utiliza un imán permanente.

Aplicación de generadores de corriente alterna en la práctica.

Estos generadores se utilizan en casi todas las áreas de la actividad humana donde se requiere energía eléctrica. Además, el principio de extracción se diferencia únicamente en el método de accionamiento del eje del dispositivo. Así funcionan las centrales hidráulicas, térmicas e incluso nucleares.

Estas estaciones alimentan las redes públicas a través de cables, a los que se conecta el consumidor final, es decir, todos nosotros. Sin embargo, hay muchos objetos a los que es imposible suministrar energía eléctrica de esta manera, por ejemplo, el transporte, las obras de construcción alejadas de las líneas eléctricas, pueblos muy lejanos, turnos, plataformas de perforación, etc.

Esto solo significa una cosa: necesita su propio generador y motor para accionarlo. Veamos varios dispositivos pequeños y comunes en nuestras vidas.

Generadores de coche

En la foto: un generador eléctrico para un automóvil.

Alguien podría decir inmediatamente: “¿Cómo? ¡Este es un generador de CC! Sí, efectivamente, es así, pero lo que lo hace es sólo la presencia de un rectificador, que hace que esta corriente sea constante. El principio básico de funcionamiento no es diferente: el mismo rotor, el mismo electroimán, etc.

Este dispositivo funciona de tal manera que, independientemente de la velocidad de rotación del eje, produce un voltaje de 12 V, que es proporcionado por el regulador a través del cual se alimenta el devanado de campo. Se inicia el devanado de excitación, alimentado por una batería de automóvil, el rotor de la unidad es impulsado por el motor del automóvil a través de una polea, después de lo cual comienza a inducirse un EMF.

Se utilizan varios diodos para rectificar la corriente trifásica.

Generador de combustible líquido

El diseño de un generador de corriente alterna de gasolina, al igual que uno diésel, no se diferencia mucho del instalado en tu coche, con la excepción del matiz de que producirá corriente alterna, como era de esperar.

Una de las características que se puede destacar es que el rotor de la unidad debe girar siempre a la misma velocidad, ya que cuando hay cambios empeora la generación de electricidad. Este es un inconveniente importante de tales dispositivos: se produce un efecto similar cuando las piezas se desgastan.

¡Interesante saberlo! Si conecta una carga al generador que es inferior a la carga operativa, entonces no utilizará toda su potencia, desperdiciando parte del combustible líquido.

Existe una gran selección de unidades similares en el mercado, diseñadas para diferentes capacidades. Son muy populares debido a su movilidad. Al mismo tiempo, las instrucciones de uso son extremadamente simples: llene el combustible con sus propias manos, arranque el motor girando la llave y conecte...

Probablemente terminemos aquí. Hemos analizado la finalidad y estructura general de estos dispositivos de la forma más sencilla posible. Esperamos que el generador de corriente alterna y el principio de su funcionamiento se hayan acercado un poco más a usted y que con nuestra ayuda desee sumergirse en el fascinante mundo de la ingeniería eléctrica.

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