Los vehículos de hoy tienen más accesorios eléctricos y características de conveniencia que nunca. Estos dispositivos suponen una mayor carga para los sistemas eléctricos de los vehículos. Los vehículos más nuevos requieren sistemas de carga con capacidades de corriente más altas que las que necesitaban sus predecesores. Un efecto secundario negativo de un alternador que es capaz de suministrar mayores cargas de corriente es que requiere más energía mecánica del motor para impulsarlo cuando entrega estos mayores niveles de corriente, lo que puede reducir la economía de combustible. Dado que los fabricantes de automóviles intentan hacer que los vehículos sean lo más eficientes posible en cuanto al consumo de combustible y, al mismo tiempo, ofrecen una cantidad cada vez mayor de accesorios electrónicos dentro de ellos, los sistemas de carga actuales deben desarrollarse cuidadosamente para cumplir con los requisitos de rendimiento y economía.
Teoría del sistema de carga del automóvil
Los alternadores suministran la energía eléctrica necesaria para los vehículos modernos. Los alternadores producen electricidad por el movimiento relativo de un campo magnético a través de un devanado de conductores, lo que induce un potencial eléctrico o voltaje dentro de los conductores. En el alternador, el campo magnético es creado por el rotor, que gira dentro de los devanados estacionarios del estator para generar electricidad en el mismo.
El sistema de carga proporciona energía eléctrica para todos los componentes eléctricos del vehículo. Las partes principales del sistema de carga incluyen la batería, el alternador, el regulador de voltaje (que puede estar integrado en el alternador), una luz de advertencia de carga y el cableado que completa los circuitos.
La batería almacena una carga eléctrica en forma química, actúa como un dispositivo de amortiguación eléctrica para variaciones en el voltaje o picos de voltaje y proporciona la energía eléctrica para arrancar el motor. Una vez que el motor está en marcha, el alternador, que está conectado al motor y accionado por una correa de transmisión, convierte parte de la energía mecánica del motor en energía eléctrica para suministrar corriente eléctrica a todos los componentes eléctricos del vehículo. Además de proporcionar la corriente eléctrica necesaria para hacer funcionar los accesorios del vehículo, el alternador también carga la batería para reemplazar la energía utilizada para arrancar el motor.
Principios del alternador
El alternador convierte la energía mecánica en energía eléctrica aplicando el principio de inducción electromagnética. En una versión simplificada de un alternador, un imán de barra gira en un yugo de hierro, que concentra el campo magnético. Una bobina de alambre se enrolla alrededor del vástago del yugo. A medida que gira el imán, se induce voltaje en la bobina, lo que produce un flujo de corriente. Cuando el polo norte está hacia arriba y el polo sur hacia abajo, se induce voltaje en la bobina, lo que produce un flujo de corriente en una dirección. A medida que el imán gira y las posiciones de los polos se invierten, la polaridad del voltaje también se invierte y, como resultado, también se invierte la dirección del flujo de corriente. La corriente que cambia de dirección de esta manera se llama corriente alterna o CA. En este ejemplo, el cambio de dirección ocurre una vez por cada revolución completa del imán. Las computadoras y los dispositivos del vehículo no funcionan con corriente alterna, sino con corriente continua (CC). Para que la energía eléctrica creada por el alternador se utilice para cargar la batería y alimentar los sistemas de un vehículo, el voltaje de corriente alterna (CA) debe convertirse en voltaje de CC antes de salir del alternador. Esta operación se lleva a cabo por una serie de seis diodos llamados conjunto rectificador.
Figura: Inducción electromagnética
Corriente alternada
La cantidad de potencial de voltaje inducido por un generador de corriente alterna depende de cuatro factores. El primero es la intensidad del campo magnético. Al incrementarse la fuerza del campo magnético se incrementa la salida de voltaje El segundo factor es la velocidad a la que gira el imán. El tercer factor es la distancia relativa entre el imán y los conductores. El último factor es el número de vueltas de alambre en la bobina estacionaria. En un alternador de automóvil típico son comunes tres, o posiblemente cuatro bobinas separadas de alambre, o devanados de fase. Los devanados son dispuestos de manera que cuando se gira el imán, genera una salida trifásica (o de cuatro fases) . Las fases están igualmente espaciadas en el tiempo, y esto da como resultado un cambio de fase, en el caso de un generador de CA trifásico, cada 120 grados.
Figura : Forma de onda de corriente alterna de una sola fase
Figura : Forma de onda de corriente alterna de tres fases (trifásico)
Alternador
La salida del alternador está determinada por la cantidad de corriente que fluye a través de las bobinas de campo del rotor. Cuanto mayor sea el flujo de corriente a través de las bobinas del campo del rotor, más fuerte será el campo magnético generado. Cuanto más fuerte sea el campo magnético, más fuerte será la salida del alternador. El regulador de voltaje monitorea el voltaje de la batería y ajusta el flujo de corriente a través del rotor en proporción directa al voltaje de la batería. Cuando el motor está funcionando y el voltaje de salida es bajo, el regulador permite que fluya más corriente a través del devanado del campo del rotor. Este mayor flujo de corriente fortalece el campo magnético, lo que eleva el voltaje inducido en los devanados del estator, lo que hace que aumente la salida del alternador. Si no se logra un aumento, esto hará que exista un diferencial de voltaje a través de la luz de advertencia del sistema de carga, forzando así a que se encienda la luz de advertencia, alertando al conductor de un problema en el sistema de carga . A medida que el voltaje de salida aumenta hasta el voltaje máximo regulado, el regulador de voltaje reduce el flujo de corriente a través del rotor, lo que reduce la salida del alternador. La conmutación del regulador tiene lugar en milisegundos, por lo que el voltaje de la batería es bastante constante. Este proceso ocurre lo suficientemente rápido como para mantener un voltaje constante en el sistema incluso cuando las cargas se encienden o apagan.
Figura : Señal en el tablero de falla del sistema de carga
El regulador de voltaje en los vehículos modernos es un dispositivo electrónico de estado sólido que controla la corriente del campo del rotor con una señal modulada por ancho de pulso, para una regulación más suave y un control más rápido. Puede instalarse dentro del alternador o, para vehículos más antiguos, montarse en el guardabarros como un componente separado.
El circuito electrónico del regulador detecta el voltaje de la batería y enciende y apaga rápidamente el circuito del rotor para mantener una salida de voltaje constante hasta la corriente de salida máxima del alternador.
Regulación de voltaje controlada por computadora
Fig. Circuito moderno de alternador y regulador de circuito cerrado
Los desarrollos más recientes han visto la función del regulador del alternador integrada en el módulo de control del tren motriz (PCM) del vehículo. El principio de control es el mismo: el voltaje de salida se controla encendiendo y apagando el circuito de campo del rotor.
Sin embargo, el control del tren motriz realiza ajustes de voltaje en función de una mayor cantidad de entradas, como la temperatura ambiente y del motor, la temperatura de la batería, el arranque del motor, la carga del motor, la regeneración deseada durante la desaceleración y la carga eléctrica. En la mayoría de los casos, un alternador controlado por el control del tren motriz también usa un regulador interno. El control del tren motriz trabaja en conjunto con el regulador para controlar la salida del alternador. En algunos casos, el control del tren motriz comunica la tasa de carga deseada al regulador, y el regulador ajusta el flujo de corriente a través del rotor de manera adecuada. Luego, el regulador informa la carga del alternador y cualquier falla al control del tren motriz. Si se desarrolla alguna falla, el control del tren motriz almacenará uno o más códigos pertinentes y encenderá la luz indicadora de mal funcionamiento en el grupo de instrumentos de tablero.
Rectificación
La rectificación es el proceso de convertir el voltaje de CA que el alternador genera naturalmente en el voltaje de CC que requieren la batería y casi todos los sistemas del automóvil. Para cambiar el voltaje de CA a voltaje de CC, los alternadores automotrices usan un conjunto rectificador que consta de diodos en una configuración específica. Recuerde que un diodo permite que la corriente fluya en una dirección pero bloquea el flujo de corriente en la otra dirección. Un llamado rectificador de "puente" trifásico tiene un mínimo de seis diodos (tres positivos y tres negativos) para rectificar la salida de CA de los devanados del estator a la salida de CC del rectificador.
Un puente de diodos recibe su nombre de dos diodos en serie puenteados con un cable. Si un extremo del devanado del estator está conectado entre los diodos del puente, entonces la corriente fluye a través del diodo de tierra hacia el devanado y sale del devanado ya través del diodo positivo. En un alternador trifásico, un lado de cada devanado está conectado a uno de los puentes. Dado que el otro extremo de cada devanado está conectado al menos a otro devanado, se puede completar una ruta completa desde el diodo negativo a través de uno o más devanados del estator y el diodo positivo, según sea necesario.
Fig. Gráfico del principio del alternador
A medida que el rotor gira, cada vez que el campo magnético cambia de norte a sur y de sur a norte, la polaridad de cada devanado de fase se invierte y, como resultado, cambia la dirección de la corriente. No importa en qué dirección fluya la corriente en los devanados del estator, los diodos en el rectificador solo permiten que la corriente entre y salga del rectificador en una dirección (CC). Entonces, los diodos guían el flujo de corriente, independientemente de la dirección, a través de los devanados del estator y usan el flujo de corriente (incluso si es inverso) para expulsar los electrones del terminal positivo del rectificador. Por ejemplo, cuando el rotor gira, induce un voltaje en el devanado del estator, lo que genera un flujo de corriente en una dirección. En esta posición, y con esta polaridad, el camino de la corriente es el siguiente: salida del devanado A, diodo positivo A, borne B-positivo del alternador, borne positivo de la batería, masa de la batería (B-negativo), masa del alternador, diodo B negativo, salida del devanado B, punto neutro o estrella.
Fig. Corriente a través de una fase en una dirección directa
Fig. Corriente a través de una fase en una dirección inversa
Cuando el imán del rotor sigue girando, los devanados B y C quedan bajo la influencia del campo magnético. Entonces, la ruta de la corriente es la siguiente: devanado C, en el punto de inicio, devanado B, diodo B positivo, terminal del alternador B-positivo, terminal positivo de la batería, tierra de la batería, tierra del alternador, diodo negativo C, salida del devanado C. A medida que el rotor se mueve a través de sus diversas posiciones, las corrientes de fase individuales cambian en magnitud y polaridad, pero la corriente de salida a la batería y los circuitos eléctricos permanece en una sola dirección . Esto se debe a que los devanados de fase individuales están separados 120 grados (sistema trifásico).
Por lo tanto, dos cosas están sucediendo. En primer lugar, las tres fases se dividen de modo que a medida que cae el voltaje en una fase, el voltaje en la siguiente fase sigue aumentando. A medida que la segunda fase desciende, la tercera fase asciende. Y a medida que la tercera fase cae, la primera fase vuelve a subir.
Figura. Corriente alterna de tres fases rectificada
Fig. Rectificadores de alternador del automóvil
En segundo lugar, al redirigir la corriente para que fluya en la dirección positiva, los diodos invierten efectivamente toda la actividad del flujo de corriente, desde debajo del punto neutral del gráfico hacia el lado positivo, lo que suaviza aún más el flujo de energía.
