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Alternadores de corriente continua y sus controles

Dos de las limitaciones de los generadores de corriente continua para las instalaciones en aeronaves son el número limitado de pares de polos que pueden ser utilizados, y el hecho de que la corriente de carga se produce en el miembro de rotación y tiene que ser sacada del generador a través de las escobillas.

Figura 1. Los alternadores de corriente continua son usados en casi todas las aeronaves modernas que requieran una potencia eléctrica baja o media.

Los alternadores de corriente continua resuelven estos dos problemas, ya que producen una corriente trifásica y la convierten en corriente continua con rectificadores de estado sólido incluidos. Su salida a bajo régimen les permite mantener la batería cargada incluso cuando la aeronave se requiere que opere en el suelo con el motor al ralentí - lo que a menudo tienen que hacer cuando se espera la autorización para el despegue.

1. Alternadores de corriente continua

Los alternadores de corriente continua hacen exactamente lo mismo que los generadores de corriente continua. Estos producen corriente alterna y la convierten en corriente continua antes de que salga del dispositivo.

La diferencia es que en un , la corriente de campo se toma en el rotor a través de escobillas que se deslizan sobre anillos de deslizamiento lisos. La corriente alterna de carga se produce en los devanados fijos del estator, y después de que se rectifica por seis diodos de estado sólido la misma es extraída del alternador a través de conexiones sólidas.

 

a. El rotor

El rotor de un alternador consta de una bobina de alambre arrollado en un carrete de hierro entre dos segmentos de hierro pesado que dispone de dedos entrelazados alrededor de su periferia. Algunos rotores tienen cuatro dedos y otras tienen hasta siete. Cada dedo forma un polo del campo magnético giratorio.

Los dos extremos de la bobina pasan a través de uno de los segmentos, y cada extremo de la bobina está conectado a un anillo deslizante aislado. Los anillos colectores, segmentos, y el carrete de la bobina están todos presionados sobre un eje rotor de acero endurecido que es o bien dentado o tiene una ranura de chaveta mecanizadas en el mismo. Este eje puede ser controlado por un accesorio de embrague pad de motor o equipado con una polea y correa impulsada desde una unidad de motor. El extremo del anillo colector del eje está soportado en la carcasa con un cojinete de aguja y el extremo de accionamiento con un de bolas.

Dos escobillas de carbono se mueven sobre los anillos deslizantes suaves, para llevar corriente al campo y llevarla de vuelta al regulador.

Figura. Rotor del alternador de corriente continua

b. El estator

Las bobinas del estator en las que se produce la corriente de carga se enrollan en ranuras alrededor de la periferia interior de la carcasa del estator, que está hecho de láminas delgadas de hierro dulce. Hay tres conjuntos de bobinas en el estator y estos conjuntos se unen en una conexión en Y con un extremo de cada conjunto de devanados que salen del estator y conectados al rectificador.

Figura. Estator de un alternador de corriente continua

Con el estator en una configuración trifásica, hay un pico de corriente producida en cada conjunto de devanados cada 120 grados de rotación del rotor. La corriente alterna producida en el estator se parece mucho a lo que vemos en la figura  (A), y después de que es rectificada por el rectificador de tres fases de onda completa, la salida de corriente continua es muy parecida a lo que se ve la figura  ( B).

El gran número de polos de campo y el número igualmente grande de bobinas en el estator hacen que el alternador entregue su corriente nominal a un régimen bajo de revoluciones de alternador.

c. El rectificador

El trifásico de onda completa se compone de seis diodos de silicio de alta resistencia, tres de ellos se encuentran presionados en el extremo de la carcasa de anillos deslizantes, y los otros tres se ubican en un de calor que está aislado eléctricamente de la carcasa.

Figura . Salida de un alternador de corriente continua

En la figura, vemos la forma en que este rectificador convierte la salida de corriente alterna trifásica del estator, en corriente continua. Dado que se trata de dispositivos de estado sólido cuyos símbolos usar puntas de flecha, es más fácil seguir la acción si pensamos en términos de corriente convencional que sigue la dirección de las puntas de flechas. Este flujo imaginario es de positivo a negativo.

Circulación de corriene cuando la fase A es positiva con respecto a la fase C

(A)

Circulación de corriene cuando la fase B es positiva con respecto a la fase A

(B)

Circulación de corriene cuando la fase C es positiva con respecto a la fase B

(C)

Figura . Rectificador de tres fases de onda completa usado en un alternador de corriente continua.

En el instante en que el terminal de salida de bobinado A es positivo con respecto al extremo de salida del devanado C, la corriente fluye a través del diodo 1 en el disipador de calor, a través de la carga y retorna a través del diodo 2 que está ubicado en el extremo de la carcasa del alternador.  Desde este diodo, la corriente fluye de vuelta a través del devanado C. A medida que el rotor sigue girando, el devanado B se convierte en positivo con respecto al devanado A y la corriente fluye a través del diodo 3, la carga y de nuevo a través del diodo 4 y bobinado A. A continuación, C se vuelve positivo con respecto a B y la corriente fluye a través del diodo 5 y  de vuelta a través del diodo 6. De esta manera, la corriente fluye a través de la carga en la misma dirección todo el tiempo. El terminal conectado al disipador de calor es el terminal positivo del alternador y el extremo de carcasa en el que los ánodos de los diodos de 2,4, y 6 están presionados se convierte en el terminal negativo del alternador.

A partir de lo visto, entonces, ¿cuál es la diferencia clave entre un generador y un alternador? Bueno, en un generador se  crea electricidad moviendo un inducido de alambre dentro de un campo magnético fijo. Se puede modificar la cantidad de electricidad que se genera mediante la alteración tanto de la velocidad a la que el inducido gira como mediante la alteración de la fuerza del campo magnético, que es el propósito de los devanados de alambre en el imán del estator.

Ahora, en un alternador, un campo magnético gira en una serie de devanados llamado estator. En efecto, lo contrario de lo que ocurre internamente en un generador. El resultado neto es el mismo, sólo que un alternador utiliza un método mucho más eficiente. A pesar de que un alternador de aeronave es un poco más complejo que un generador, hay muchas ventajas en la utilización de un alternador. En primer lugar, la construcción de un alternador permite que los devanados sean conectados directamente a sus puntos de salida, evitando así que tengan anillos deslizantes ineficientes y demás . También, debido a la forma en que se construyen los alternadores (con 3 devanados separados) el mismo permite la salida eléctrica mucho más suave (imagínese conducir un automóvil V8 en comparación con automóvil de motor básico de 4 cilindros). Un alternador también puede ser llevado a velocidad mucho más rápido y pueden desarrollar suficiente potencia incluso a bajas RPM al relentí.

2. Controles del Alternador

La tensión producida por un alternador está controlada exactamente de la misma manera en que se controla en un generador, mediante la variación de la corriente de campo. Cuando el voltaje aumenta por encima del valor deseado, la corriente de campo se reduce y cuando la tensión cae demasiado bajo, la corriente de campo se incrementa.

Esta acción puede llevarse a cabo en los alternadores de bajo rendimiento con controles de tipo de vibrador que interrumpen la corriente de campo mediante la apertura de los contactos.

Un medio mucho más eficiente de control de tensión se ha ideado que utiliza un transistor para controlar el flujo de corriente de campo.

El transistorizado utiliza tanto los puntos de vibración como los transistores para el control de voltaje. Los puntos vibrantes funcionan exactamente de la misma manera que lo hacen en un regulador de voltaje normal de tipo vibrador, pero en lugar de la corriente de campo que fluye a través de los contactos, sólo la corriente de base del transistor circula a través de los mismos. Esta es tan pequeña en comparación con la corriente de campo que fluye a través de la porción de emisor-colector del transistor que no hay formación de arcos en los contactos. Un esquema simplificado de este circuito se muestra en la figura  .

Figura. Regulador de voltaje transistorizado. La corriente de campo del aternador cirucla desde el emisor al colector del transistor sólo cuando los contactos del regulador de voltaje están cerrados, permitiendo que la corriente de base circule desde el emisor a través de la base hacia tierra.

El regulador de voltaje transistorizado es un paso en la dirección correcta, pero los dispositivos semiconductores se pueden utilizar para sustituir todas las piezas móviles y un regulador de voltaje completamente de estado sólido pueden ser construidos. Estas unidades son muy eficientes y confiables. Y, en general no tienen componentes reparables. Si la unidad es defectuosa será quitada y reemplazada con una nueva.

Los requisitos de control de alternadores son diferentes de los de un generador por varias razones. Un alternador utiliza diodos de estado sólido para su rectificador y ya que la corriente no puede fluir desde la batería dentro del alternador, no hay necesidad de un disyuntor de corriente invertida. El campo de un alternador es excitado desde el bus del sistema, cuyo voltaje es limitado, tanto por la batería como por el regulador de tensión, por lo que no hay posibilidad de que el alternador produzca suficiente corriente  como para que se queme a sí mismo, como un generador con su propio campo excitado lo puede hacer. Debido a esto, no hay necesidad de un limitador de corriente. Debe haber un control con un alternador, sin embargo, esto no se necesita con un generador, y que es un tipo de medio de interrumpir el flujo de corriente de campo cuando el alternador no está produciendo potencia. Esto no es necesario en un generador debido a que su campo es excitado por su propia salida de corriente, un alternador utiliza un conmutador de campo o un relé de campo.

Los circuitos de alternadores de aviones más modernos emplean alguna forma de protección contra sobretensiones para sacar el alternador del bus en caso de mal funcionamiento de tal manera que su tensión de salida se eleve hasta un nivel peligroso.

3. Alternador de corriente continua, servicio y mantenimiento

Si cae un alternador deja de mantener la batería cargada, primero debe determinar que todos los circuitos de alternador y batería en el sistema eléctrico estén conectados correctamente y que no hay fusibles abiertos o interruptores automáticos. Debe haber tensión de la batería en el terminal B del alternador y en el terminal Batt o (+) del regulador de tensión.

Es extremadamente importante en una instalación de alternador que la batería sea conectada con la polaridad adecuada, y que en cualquier momento que una fuente de alimentación externa sea conectada a la aeronave, ésta tenga la polaridad correcta. La conexión de una batería o APU con los polos invertidos puede quemar los diodos rectificadores.

Los diodos de estado sólido en un alternador son bastante resistentes y tienen una larga vida útil cuando se utilizan adecuadamente, pero pueden ser dañados por una tensión excesiva o por la circulación de una corriente invertida. Por esta razón, un alternador nunca debe ser operado sin estar conectado a una carga eléctrica, ya que el voltaje puede elevarse lo suficiente como para destruir los diodos.

Los alternadores reciben su corriente de campo del bus del avión y no dependen del magnetismo residual para ponerlos en marcha. Puesto que no hay necesidad de un magnetismo remanente, los alternadores NUNCA deben tener su campo polarizado (acción identificada com field flashed en manuales en Inglés)

Para ayudar en la solución sistemática de problemas, algunos fabricantes han puesto en el mercado equipos de prueba que puede ser conectado al sistema eléctrico de la aeronave entre el regulador de voltaje y el sistema de la aeronave para indicar mediante el uso de luces indicadoras si el problema está en el regulador de voltaje, el circuito de detección de sobretensión, o en el campo del alternador o circuito de salida. Mediante el uso de este tipo de equipos de prueba, mucho tiempo se pueden ahorrar y se pueden evitar la sustitución innecesaria de buenos componentes. Si la solución sistemática de problemas indica que el alternador está fallando, puede ser desmontado y reparado.

Básicamente, existen dos problemas que impiden que un alternador de producción de energía eléctrica. Lo más probable es un diodo cortocircuitado o abierto en el circuito de rectificación y hay una posibilidad de que un circuito abierto en el bobinado de campo.

Cuando el óhmetro polariza en forma inversa al diodo, su resistencia va a ser elevada

(A)

Cuando el óhmetro polariza al diodo en forma directa, su resistencia va a ser muy baja

(B)

Figura. Método de verificación de un diodo de rectificación de altenador

Para comprobar si hay un cortocircuito, medir la resistencia entre el terminal B del alternador y masa. Ajuste el multímetro en la escala R x I y mida la resistencia. Luego invierta los cables del óhmetro y mida la resistencia de nuevo. Con una medición, las baterías del óhmetro dan polarización positiva sobre los diodos y usted debe obtener una lectura de resistencia relativamente baja.  Al invertir los cables, las baterías polarizan en forma inversa los diodos y usted debe obtener un valor infinito  (no hay circulación de corriente) o una lectura muy alta. Si no obtiene una lectura infinita o muy alta, uno o más de los diodos están en cortocircuito.

No se puede detectar un diodo abierto con este tipo de prueba con ohmímetro, debido a que los diodos están conectados en paralelo y el ohmímetro no puede detectar un diodo que está abierto cuando está en paralelo con otros diodos que están en buenas condiciones. Pero, si el alternador no produce suficiente tensión de salida y todo lo demás parece en buen estado, debe desconectar los diodos del circuito y probarlos de forma individual con un óhmetro. Un diodo bueno indicará una resistencia infinita o muy alta en una dirección y una resistencia relativamente baja cuando los cables del óhmetro se invierten. Un diodo abierto dar una lectura de resistencia alta con ambas posiciones de los cables del óhmetro, y el diodo tendrá que ser reemplazado.

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