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Technical Documents - Documentos Técnicos: Generadores de corriente continua. Generadores de corriente alterna monofásicos y trifásicos.

El campo magnético necesario para que funcione un generador de corriente alterna es producido por un devanado de campo, igual que en el caso de los generadores de corriente continua . Téngase presente que el devanado de campo es un electroimán y, por lo tanto, necesita corriente para producir su campo magnético. En un generador de corriente continua , la corriente para el devanado de campo puede obtenerse conectando el devanado a una fuente externa de voltaje y, en este caso, el generador es un generador excitado separadamente. O bien, la corriente de excitación del devanado de campo puede producirse conectando el devanado a la salida del generador. Como se recordará, esto constituye un generador autoexcitado. Sin embargo, en ambos casos, e independientemente de que el generador de corriente continua esté excitado separadamente o autoexcitado, el voltaje aplicado al devanado de campo es de corriente continua . Esto es necesario ya que se requiere una corriente de excitación de corriente continua para que el generador funcione debidamente. Como resultado, no se puede usar autoexcitación para los generadores de corriente alterna , ya que su salida es de corriente alterna . Entonces deben usarse fuentes de voltaje de corriente continua separadas para alimentar la corriente a los devanados de campo. En muchos generadores de corriente alterna , la fuente de voltaje de corriente continua para el devanado de campo es un pequeño generador de corriente continua que está dentro de la misma cubierta del generador de corriente alterna .

Figura : Forma de onda de voltaje de ca

Generadores de corriente alterna con armadura estacionaria

Cuando un generador de corriente alterna produce una cantidad de potencia relativamente pequeña, los anillos rozantes operan satisfactoriamente. Por otra parte, cuando se manejan potencias elevadas, resulta cada vez más difícil el aislar suficientemente sus anillos rozantes y por lo tanto, éstos se convierten en un motivo frecuente de problemas. Debido a esto, la mayor parte de los generadores de corriente alterna tienen una armadura estacionaria y un campo rotatorio. En estos generadores, las bobinas de armadura están montadas permanentemente con arreglo a la circunferencia interna de la cubierta del generador, en tanto que las bobinas de campo y sus piezas polares están montadas sobre un eje y giran dentro de la armadura estacionaria. Esta disposición de armadura estacionaria y campo rotatorio parece extraña a primera vista; pero si se tienen presentes los fundamentos de la inducción mutua, se comprenderá que en las bobinas de armadura se induce un voltaje independientemente de que corten las líneas de flujo de un campo magnético estacionario o bien que las corten las líneas de flujo de un campo magnético móvil. Lo que se requiere es que haya un movimiento relativo entre el campo magnético y las bobinas de armadura.

En el campo de una armadura estacionaria, la salida del generador puede conectarse directamente a un circuito externo sin necesidad de anillos rozantes ni escobillas, lo cual elimina los problemas de aislamiento que existirían si fuese necesario producir corrientes y voltajes elevados a la carga, por medio de anillos rozantes. Naturalmente, como el devanado de campo gira, deben usarse anillos rozantes para conectar el devanado a su fuente externa de excitación de corriente continua . Sin embargo, los voltajes y corrientes que se manejan son pequeños, comparados con los de armadura y no hay dificultad en suministrar el aislamiento suficiente.

Otra ventaja en usar una armadura estacionaria es que hace posible velocidades de rotación mucho más altas y por lo tanto, voltajes más altos de los que se pueden obtener con armaduras rotatorias; esto se debe nuevamente a la dificultad que hay en aislarla. A velocidades de rotación muy elevadas, la elevada fuerza centrífuga que resulta hace difícil aislar adecuadamente el devanado de armadura. Este problema no existe cuando el devanado de campo gira a altas velocidades. En resumen, en tanto que prácticamente todos los generadores de corriente continua constan de una armadura rotatoria y un campo estacionario, la mayor parte de los generadores de corriente alterna tienen una armadura estacionaria y un campo rotatorio. En el caso de una armadura estacionaria, se pueden producir voltajes mucho mayores que los que son posibles con generadores de armadura rotatoria. La parte de un generador que gira se llama rotor en tanto que la parte estacionaria recibe el nombre de estator.

Nótese que si un generador de corriente alterna de armadura estacionaria está provista de un imán fijo para el campo en el rotor, en lugar de un electroimán, no se necesitarán anillos rozantes. Sin embargo, este generador tiene una salida muy baja, por lo que sus aplicaciones son limitadas. generadores de corriente alterna monofásicos Cuando se trató de generadores de corriente alterna , la armadura ha sido representada por una sola espira. El voltaje inducido en esta espira sería muy pequeño; así pues, lo mismo que ocurre en los generadores de corriente continua , la armadura consta en realidad de numerosas bobinas, cada una con más de una espira. Las bobinas están devanadas de manera que cada uno de los voltajes en las espiras de cualquier bobina se suman para producir el voltaje total de la bobina. Las bobinas se pueden conectar de varias maneras, según el método específico que se use para darle las características deseadas al generador. Si todas las bobinas de armadura se conectan en serie aditiva, el generador tiene una salida única. La salida es sinusoidal y en cualquier instante es igual en amplitud a la suma de voltajes inducidos en cada una de las bobinas. Un generador con armadura devanada en esta forma es un generador de una fase o monofásico. Todas las bobinas conectadas en serie constituyen el devanado de armadura. En la práctica, muy pocos generadores de corriente alterna son monofásicos, ya que puede obtenerse una mayor eficiencia conectando las bobinas de armadura mediante otro sistema.

Medidas angulares

Como los ciclos del voltaje corresponden a una rotación de la espira describiendo un círculo, las partes del círculo se expresan como ángulos. El círculo completo es 360°. Medio ciclo, o una alternación, es 180°.

Figura : Dos ciclos de voltaje alterno generado por la espira giratoria

Un cuarto de vuelta es 90°. Los ángulos se expresan también en radianes (rad). Un radián es igual a 57.3°. Un círculo completo tiene 2 rad; por consiguiente,

En un generador de dos polos, la rotación de la bobina de la armadura en 360 grados geométricos (1 revolución) siempre generará un ciclo (360°) de voltaje de corriente alterna (ca). Pero en un generador de 4 polos, la rotación de la armadura en 180 grados geométricos únicamente generará 1 ciclo de ca o bien 180 grados eléctricos. En consecuencia, la escala de los grados a lo largo del eje horizontal del voltaje o de la corriente de ca se refiere a los grados eléctricos y no a grados geométricos.

Ejemplo 1- :

¿Cuántos radianes hay en 30°?

Úsese la ecuación para convertir grados en radianes.

Ejemplo 2-:

¿Cuántos grados hay en π/3 radianes?

Úsese la ecuación para convertir radianes en grados.

La mayoría de las calculadoras tienen un selector para seleccionar los ángulos en grados o en radianes (DEG o RAD); así que normalmente no hay necesidad de convertir los ángulos. Sin embargo, es útil saber cómo se hacen las conversiones angulares.

Onda senoidal

La forma de onda del voltaje vistos en la figura anterior se llama onda senoidal. El valor instantáneo del voltaje en cualquier punto de la onda senoidal se expresa por la ecuación

v = V_M sen θ

en donde,

v = valor instantáneo del voltaje enV

V_M = valor máximo del voltaje en V

θ = ángulo de rotación en grados (θ es la letra griega theta minúscula)

Ejemplo 3-: Un voltaje de onda senoidal fluctúa entre cero y un máximo de 10 V. ¿Cuál es el valor del voltaje en el instante en el que el ciclo está en 30°, 45° , 60°, 90° , 180° y 270°?

Sustitúyase V_M por 10 en la ecuación

v = V_M sen θ

V = 10 sen θ

Solución

A 30º;    V = 10 sen 30º = 10(0.5) = 5 V

A 45º;    V = 10 sen 45º = 10(0.707) = 7.07 V

A 60º;    V = 10 sen 60º = 10(0.866) = 8.66 V

A 90º;    V = 10 sen 90º = 10(1) = 10 V

A 180º;    V = 10 sen 180º = 10(0) = 0 V

A 270º;    V = 10 sen 270º = 10(-1) = -10 V

Cuando se conecta una onda senoidal de voltaje alterno a una resistencia de carga, la corriente que fluye por el _ circuito es también una onda senoidal como se observa en la figura siguiente :

Figura : Ciclo de corriente alterna

Ejemplo 4- :

Una onda senoidal de voltaje de corriente alterna, se aplica a una resistencia de carga de 10Ω, muéstrese la onda senoidal de corriente alterna resultante.

El valor instantáneo de la corriente es i = v/ R . En un circuito puramente resistivo, la forma de onda de la corriente sigue la polaridad de la forma de onda del voltaje. El valor máximo de la corriente es

En forma de ecuación, i = Im sen θ. (Véase figura siguiente)

Figura : Fuente de voltaje de ca aplicada a un circuito sencillo con resistencia

Generadores de corriente alterna trifásicos

Básicamente, los principios del generador trifásico son los mismos que los de un generador bifásico, excepto que se tienen tres devanados espaciados igualmente y tres voltajes de salida defasados 120 grados entre sí. A continuación, se ilustra un generador simple trifásico de espira rotatoria, incluyendo las formas de onda. Físicamente, las espiras adyacentes están separadas por un ángulo equivalente a 60 grados de rotación. Sin embargo, los extremos de la espira están conectados a los anillos rozantes de manera que la tensión 1 está adelantada 120 grados con respecto a la tensión 2; y la tensión 2, a su vez, está adelantada 120 grados con respecto a la tensión 3.

También se muestra un diagrama simplificado de un generador trifásico de armadura estacionaria. En este diagrama, las bobinas de cada devanado se combinan y están representadas por una sola. Además, no aparece el campo rotatorio. La ilustración muestra que el generador trifásico tiene tres devanados de armadura separados, desfasados 120 grados. conexiones delta e Y Hay seis puntas que salen de los devanados de armadura de un generador trifásico y el voltaje de salida está conectado a la carga externa por medio de estas seis puntas. En la práctica, esto no sucede así. En lugar de ello, se conectan los devanados entre sí y sólo salen tres puntas que se conectan a la carga. Existen dos maneras en que pueden conectarse los devanados de armadura. El que se emplee uno u otro es cosa que determina las características de la salida del generador. En una de las conexiones, los tres devanados están conectados en serie y forman un circuito cerrado. La carga está conectada a los tres puntos donde se unen dos devanados. A esto se le llama conexión delta, ya que su representación esquemática es parecida a la letra griega delta (A), En la otra conexión, una de las puntas de cada uno de los devanados se junta con una de los otros dos, lo que deja tres puntas libres que salen para la conexión a la carga. A éste se le llama conexión Y, ya que esquemáticamente representa la letra Y. Nótese que, en ambos casos, los devanados están espaciados 120 grados, de manera que cada devanado producirá un voltaje desfasado 120 grados con respecto a los voltajes de los demás devanados.

Características eléctricas de las conexiones delta e Y

Como todos los devanados de una conexión delta están conectados en serie y forman un circuito cerrado, podría parecer que hay una elevada corriente continuamente en los devanados, aun en ausencia de carga conectada. En realidad, debido a la diferencia de fase que hay entre los tres voltajes generados, pasa una corriente despreciable o nula en los devanados en condiciones de vacío ( sin carga).

Las tres puntas que salen de la conexión delta se usan para conectar la salida del generador a la carga. El voltaje existente entre dos cualesquiera de las puntas, llamada voltaje de la línea, es igual al voltaje generado en un devanado, que recibe el nombre de voltaje de fase. Así pues, como se puede apreciar en la figura, tanto los tres voltajes de fase como los tres voltajes de línea son iguales, y todos tienen el mismo valor. Sin embargo, la corriente en cualquier línea es o sea, aproximadamente 1.73 veces la corriente en cualquier fase del devanado. Por lo tanto, nótese que una conexión delta suministra un aumento de corriente pero no hay aumento en el voltaje.

La potencia total real que produce un generador trifásico conectado en delta es igual a , o 1.73 veces la potencia real en cualquiera de las líneas. Sin embargo, téngase presente que la potencia real depende del factor de potencia (cos Θ) del circuito. Por lo tanto, la potencia real total es igual a 1.73 veces el voltaje de la línea multiplicado por la corriente de línea, multiplicada a su vez, por el factor de potencia. O sea:

P_real = 1,73 E_línea I_línea cos Θ

Las características de voltaje y corriente de una conexión Y son opuestas a las que presenta una conexión delta. El voltaje que hay entre dos líneas cualesquiera de una conexión Y es 1.73 veces el voltaje de una fase, en tanto que las corrientes en la línea son iguales a las corrientes en el devanado de cualquier fase. Esto presenta un contraste con la conexión delta en la cual, según se recordará, el voltaje en la línea es igual al voltaje de fase y la corriente en la línea es igual a 1.73 veces la corriente en la fase. Así pues, en tanto que una conexión delta hace posible aumentar la corriente sin aumentar el voltaje, la conexión Y aumenta el voltaje pero no la corriente de regulación del generador Cuando cambia la carga en un generador de corriente alterna , el voltaje de salida también tiende a cambiar, como ocurre en un generador de corriente continua . La principal razón de ello es el cambio de la caída de voltaje en el devanado de armadura, ocasionado por el cambio en la corriente de carga. Sin embargo, en tanto que en un generador de corriente continua la caída de voltaje en el devanado de armadura es simplemente una caída IR, en un generador de corriente alterna existe una caída IR y una caída IX, producida por la corriente alterna que fluye a través de la inductancia del devanado. La caída IR depende sólo de la cantidad del cambio de carga; pero la caída IX_L depende también del factor de potencia del circuito. Así pues, el voltaje de salida de generadores de corriente alterna varía con los cambios en la corriente de carga lo mismo que con todo cambio en el factor pie potencia. Como resultado, un generador de corriente alterna que tiene una regulación satisfactoria para un valor de factor de potencia puede tener una mala regulación con otro valor del factor de potencia.

Debido a su regulación inherentemente mala los generadores de corriente alterna generalmente están provistos de algún medio auxiliar de regulación. Los reguladores auxiliares usados, independientemente de que sean operados manualmente o de que funcionen de manera automática cumplen su función básicamente de la misma manera; "sienten" el voltaje de salida del generador y, cuando éste cambia, ocasionan un cambio correspondiente en la corriente de cambio de la fuente excitadora que suministra la corriente de campo al generador. Así pues, si el voltaje de salida del generador se reduce, el regulador produce un aumento en la corriente de campo de la fuente excitadora. Por tanto, el voltaje de salida de la fuente excitadora, aumenta, haciendo que también aumente la corriente en el devanado de campo del generador. Como resultado, el campo magnético del generador aumenta en intensidad y eleva el voltaje del generador a su amplitud original. Una secuencia de eventos similar pero opuesta ocurre cuando el regulador siente una disminución en el voltaje de salida del generador.

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