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 electromagnética.
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 británico Michael Faraday (1791-1867), quien descubrió que cuando un flujo magnético variable en el tiempo pasa a través de un circuito conductor cerrado, surge una corriente eléctrica en este último. Es este principio el que subyace a cualquier generador.
En la práctica, el principio de la inducción electromagnética se implementa de la siguiente manera: una corriente eléctrica surge en un marco cerrado (rotor) cuando se cruza con un campo magnético giratorio, formado según el propósito y el diseño del generador por imanes permanentes o devanados de excitación especiales. Cuando el marco gira, la magnitud del flujo magnético cambia. Cuanto más rápido gira, mayor es el voltaje de salida.
En 1827, el físico húngaro Agnos Istvan Jedlik (1800-1895) descubrió y usó este efecto para crear el modelo original de un generador de corriente eléctrica. Sin embargo, considerándolo famoso, el científico no patentó su descubrimiento y anunció la creación de la primera dinamo solo en 1850.
Para eliminar la corriente eléctrica, el marco está equipado con un colector de corriente, que lo convierte en un circuito cerrado y proporciona un contacto constante del marco giratorio con elementos estacionarios del generador. Las escobillas con 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 secuencialmente 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 generar tanto corriente continua como alterna.
- En los generadores de CC, por cada mitad del devanado en el nodo colector, hay anillos aislados entre sí. Debido al hecho de que estos medios anillos cambian constantemente los cepillos, la corriente no cambia su dirección, sino que simplemente pulsa.
- En los alternadores, los extremos del marco están atados a anillos colectores y toda esta estructura gira alrededor de su eje. Al girar el marco, los cepillos, cada uno de los cuales está muy cerca de su anillo, proporcionan un conductor descendente confiable. En este caso, no se produce un cambio cíclico en la posición de los cepillos.
La parte giratoria del generador se llama rotor, y la parte estacionaria se llama estator.
El principio de funcionamiento de los generadores de corriente alterna y continua es idéntico. Se diferencian entre sí en el diseño de anillos colectores ubicados en un rotor giratorio y en la configuración de los devanados.
En los generadores de corriente alterna, a menudo se usa una solución técnica original, basada en el hecho de que el EMF aparece en el conductor no solo cuando gira en un campo magnético, sino también en el caso en que el campo magnético gira en relación con un conductor estacionario.
Este efecto es ampliamente utilizado por los desarrolladores que colocan imanes eléctricos o permanentes en un rotor giratorio. En este caso, el voltaje se elimina del devanado montado estacionario, lo que permite deshacerse de los diseños complejos de los conjuntos de colector.
Generadores de corriente alterna
Se produce una gran cantidad de los generadores de CA más diversos. Se pueden clasificar por los siguientes parámetros:
- diseño constructivo;
- método de excitación;
- Número de fases.
Por el método de excitación para el consumidor, se pueden encontrar agregados:
- con excitación independiente: el devanado de excitación se alimenta con corriente continua desde una fuente de energía independiente;
- con autoexcitación: se suministra una corriente rectificada del generador al devanado de excitación;
- con excitación de imanes permanentes: sin devanado de excitación;
- con la excitación del patógeno: un generador de CC de baja potencia, "sentado" en el mismo eje con el generador servido.
Por el número de fases, los generadores eléctricos son:
- fase única;
- bifásico
- tres fases.
En la práctica, los alternadores trifásicos se encuentran con mayor frecuencia. Esto se debe a una serie de ventajas características de este tipo de agregados:
- obtener un efecto económico en el desarrollo de sistemas de transmisión de energía a larga distancia, reduciendo el consumo de material de los dispositivos transformadores y cables de alimentación; Esto contribuye a la presencia de un campo magnético circular;
- mayor recurso operativo, lo que garantiza el equilibrio del sistema;
- Uso simultáneo de tensión lineal y de fase.
Estructuralmente, un generador eléctrico trifásico tiene tres devanados independientes ubicados en el estator alrededor de la circunferencia con un desplazamiento de 120 ° entre sí. Además, cada devanado es un generador monofásico, que es capaz de suministrar voltaje alterno al consumidor R. Dicho devanado único se denomina "fase". Los devanados de fase pueden estar interconectados por un "triángulo" o "estrella".
Existen otros esquemas para conectar los devanados, por ejemplo, el sistema Tesla de seis cables 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 es desempeñado por un electroimán que, al girar, desplaza las variables EMF inducidas en los devanados en un tercio de un 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 síncrona
Un alternador síncrono consta de dos partes: un rotor móvil y un estator fijo.
Cuando el rotor gira, que es un electroimán con un núcleo y un devanado de excitación, conectado a una fuente de energía externa mediante un mecanismo de cepillo, 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 montado en un eje común y conectado al sistema mediante un acoplamiento.
En generadores síncronos de baja potencia, el devanado de campo es alimentado por una corriente rectificada. En este caso, el circuito eléctrico se forma debido a la activación de los transformadores incluidos en el circuito de carga. También se incluye un rectificador semiconductor. El circuito eléctrico principal incluye:
- campo airoso;
- reóstato de ajuste.
La característica principal del generador síncrono es que la frecuencia de la corriente eléctrica generada es proporcional a la velocidad del rotor.
Generadores de energía asincrónica
Un alternador asíncrono difiere de uno sincrónico en ausencia de una conexión rígida entre las velocidades del rotor y la fem inducida. La diferencia entre estos parámetros se llama "deslizamiento". Hay un espacio de aire entre el rotor y el estator del generador asíncrono. Al mismo tiempo, el par de frenado que se produce cuando se conecta la carga y evita la rotación del rotor afecta la frecuencia del EMF generado. Por lo tanto, la electricidad en los generadores asíncronos se genera a una mayor velocidad del rotor.
El diseño de generadores asíncronos es simple, pero tiene las peores características técnicas en comparación con las unidades síncronas: el error en la frecuencia puede alcanzar el 4% y en el voltaje hasta el 10%. Además, los generadores asíncronos son críticos para la corriente de entrada. Por lo tanto, se recomienda operarlos junto con estabilizadores, y en algunos casos, por ejemplo, para un arranque suave del motor eléctrico, puede ser necesario un convertidor de frecuencia.
Generadores Inversores
Un generador inversor es un generador asíncrono convencional, a cuya salida se instala un estabilizador adicional de parámetros de salida.
Funciona de la siguiente manera: el voltaje generado por un generador asíncrono va al inversor, donde primero se rectifica, y luego se forman pulsos de una frecuencia y ciclo de trabajo dados a partir del voltaje de CC resultante. A la salida del dispositivo, estos pulsos se convierten en un voltaje sinusoidal con características técnicas casi perfectas.
Accionamiento del alternador
En condiciones domésticas, el rotor del generador es accionado por motores de combustión interna (ICE) que funcionan con combustibles como gasolina o diesel. Al mismo tiempo, la vida operativa de los generadores de gasolina equipados con ICE push-pull es de aproximadamente 500 horas por año (no más de 4 horas por día); ICE de cuatro tiempos alcanza las 5000 horas por año.
Es aconsejable utilizar generadores eléctricos de gasolina para cortes de energía cortos y / o para salir al campo.
Los generadores que funcionan con combustible diesel se caracterizan por una alta potencia y una gasolina mucho más duradera. Entre ellos hay modelos con refrigeración por aire y líquido. Las unidades refrigeradas por aire se recomiendan para su uso en lugares donde la electricidad a menudo se apaga durante mucho tiempo.
El uso de tales electrodomésticos es extremadamente simple: debe llenar el combustible en el tanque, girar la llave para encender el motor y conectar la carga. Su panel de control está equipado con todas las inscripciones y símbolos necesarios e intuitivos.
Los generadores diesel refrigerados por líquido son dispositivos en una categoría completamente diferente. Pueden trabajar durante días 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 utilizando líneas de alta tensión (líneas de transmisión) 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 turbina se caracterizan por su alta potencia (hasta 100,000 kW) y son capaces de generar corriente alterna con voltaje de hasta 16 kV. La longitud y el diámetro de su rotor pueden alcanzar 6.5 y 15 metros, respectivamente, y la velocidad de rotación de este último está en el rango de 1500 ... 3000 rpm.Instale tales unidades en habitaciones separadas en sustratos de concreto especialmente preparados.
Opciones y capacidades de los generadores eléctricos domésticos.
Para facilitar su uso, los fabricantes equipan sus productos con una serie de opciones útiles, entre las que se encuentran:
- dispositivo para arranque automático de la unidad durante un corte de energía;
- la presencia de un RCD incorporado, que desconecta el dispositivo de la red eléctrica durante la ruptura del aislamiento y la aparición de una corriente de fuga;
- controlar parámetros y mostrarlos 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 "consumir" parte del combustible líquido por nada, sin utilizar plenamente sus capacidades.
No será superfluo tener en el conjunto de entrega una carcasa silenciadora especial, un tanque de combustible aumentado, una carcasa que proteja la unidad de la exposición a bajas temperaturas, etc.
Características de instalación
Un propietario potencial de un alternador debe encargarse de la preparación del sitio de instalación antes de comprar. Independientemente de dónde se instalará dicha unidad, en interiores o exteriores, requerirá una plataforma plana y sólida. La instalación de un generador eléctrico en un sitio irregular conducirá a un aumento de la vibración, lo que acelerará el desgaste de las piezas y puede causar la falla de un dispositivo costoso.
Al instalar el generador en una habitación, es importante prever la presencia de 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 de personas externas y, lo más importante, niños, a la zona peligrosa.
El generador eléctrico está conectado 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.
