El aprovechamiento de los fenómenos eléctricos y magnéticos para producir energía y movimiento ha constituido una de las grandes preocupaciones de la ciencia y la ingeniería desde el siglo XIX. En la actualidad, el uso de generadores y motores con tales fines se ha hecho habitual en la mayoría de los ingenios utilizados a escala científica, industrial y doméstica.
Los generadores de corriente alterna (alternadores) constituyen el medio industrial más común de producción de energía eléctrica. Estos dispositivos se basan en el aprovechamiento de los fenómenos de la inducción electromagnética.Se lo define como todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos (polos).para producir corriente eléctrica es necesario transformar cualquier otro tipo de energía, ya sea hidráulica, eólica, térmica, etc.
El generador más simple consta de una espira rectangular (inducido) que gira en un campo magnético uniforme (fig1.). Este campo puede ser generado por un imán permanente o por un electroimán (inductor). En las grandes máquinas el inductor siempre está constituido por electroimanes, cuya corriente de excitación proviene de un generador de corriente continua auxiliar.
Fig. 1
El movimiento de rotación de la espira puede ser producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroeléctrica, o por un chorro de vapor en una central térmica. En el primer caso, una parte de la energía potencial agua embalsada se transforma en energía eléctrica; en el segundo caso, una parte de la energía química se transforma en energía eléctrica al quemar carbón u otro combustible fósil.
En la figura 1 tenemos representada 4 posiciones de la espira (1-2-3-4), las líneas punteadas que van de un polo a otro de los imanes representan las líneas de fuerza. Los extremos de la espira se conectan a unos anillos metálicos (delgas), que se encuentran aislados entre si. Cada delga esta en contacto con una escobilla, estas tienen por objeto llevar a un circuito exterior la f.e.m. inducida por la espira.
En el gráfico 1 vemos que la espira se encuentra en un plano vertical, en esta posición, la f.e.m. inducida en la espira será 0 porque en ese instante las líneas de fuerza no cortan la espira, sino que corren paralela a la misma. Si giramos la espira 90º en la dirección indicada, se ira induciendo en la misma una f.e.m. que crece, desde 0 hasta un valor máximo, debido a que las líneas de fuerza que la cortan irán en aumento y si los extremos de las escobillas están conectadas a una carga, circulará por la espira una corriente, cuyo sentido será de A hacia B en uno de sus laterales y de C a D en el otro.
Si continuamos con el movimiento y giramos la espira otros 90º tal como se muestra en el gráfico 3, la f.e.m. inducida irá decreciendo, desde su valor máximo positivo hasta 0, ya que cortará cada vez menos líneas de fuerza, consecuentemente la corriente que circula por la misma también disminuirá.
Volviendo a girar la espira otros 90º, como se muestra en el gráfico 4, la f.e.m. crecerá nuevamente desde 0 a un valor máximo pero en este caso negativo, o sea que la corriente que circula por la espira cambiará de sentido, es decir circulará desde C a D en uno de sus laterales y desde B a A en el otro. Esto ocurre porque en los primeros 180º el lado A-B era influenciado por el polo norte y el lado C-D por el sur y ahora es lo opuesto.
Si giramos la espira otros 90º, llegaremos a los 360º, donde la f.e.m. inducida caerá a 0 nuevamente, completando un ciclo.
Resumiendo, en los primeros 180º de giro la f.e.m. tendrá un sentido y en los otros 180º, el sentido será opuesto al anterior. Los valores máximos se sitúan en 90º y 207º, mientras que los nulos aparecen en 180º y 360º.
La f.e.m. inducida será tanto mayor cuando mayor sea la velocidad de giro de la espira o mas intenso sea el campo magnético producido por los imanes o también cuando mayor sea el área del conductor sumergida en el campo magnético (ley de Faraday). Tengamos la siguiente expresión matemática:
e: H.L .V.10-8.senα
Donde:
e: es la tensión inducida y su unidad es el Voltio.
H: es la intensidad del campo magnético en Gauss.
L: es la longitud útil del conductor, es decir la longitud que se encuentra bajo la acción del campo magnético en cm.
V: es la velocidad con la que se desplaza el conductor en cm/s.
10-8: es un valor constante para obtener el resultado en Voltios.
sen : es el ángulo con que el conductor corta las líneas de fuerza.
Si deseamos representar gráficamente los valores de la f.e.m. inducida para cada una de las posiciones de la espira, trazaremos dos líneas perpendiculares, donde la horizontal se denomina abscisa y la vertical ordenada, como se muestra en la figura 2.
Fig. 2
En la figura 3 se muestran las partes constitutivas de un alternador.
Fig. 3
Figura 4
En la figura encontramos las siguientes expresiones:
App = valor pico a pico, es decir, la diferencia entre valores extremos que alcanza la magnitud a lo largo de todo un periodo.
Amax = valor máximo que alcanza la magnitud con signo determinado. Coincide con la mitad del valor pico a pico, si se trata de una senoide periódica regular.
Ai = valor instantáneo que va tomando la magnitud a lo largo del tiempo. Este valor es ampliamente usado para el estudio de regímenes transitorios.
A = valor eficaz de la señal, es el equivalente al valor de la magnitud que en continua causaría los mismos efectos térmicos y energéticos en un sistema eléctrico.
Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con más facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo máquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del número de polos por el número de revoluciones por segundo de la armadura.
Hasta ahora vimos como se genera un CA monofásica, pero si la armadura se compone de dos bobinas, montadas a 90º una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirán dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifásica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifásica. Se puede obtener un número mayor de fases incrementando el número de bobinas en la armadura, pero en la práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifásica, con el alternador trifásico, que es la máquina dinamoeléctrica que se emplea normalmente para generar potencia eléctrica.
A continuación se representa de forma vectorial y sinusoidal el sistema de fuerza electromotriz que generaría el alternador trifásico elemental que acabamos de definir:
El estator (parte fija) es el inducido y está formado por tres paquetes de bobinas, cuyos principios se indican con las letras U, V y W, y sus finales, por X, Y y Z respectivamente. Los tres bobinados de un alternador trifásico pueden conectarse de dos modos distintos: conexión en estrella y conexión en triángulo; de forma que, a la salida de la máquina, sólo existen tres o, a lo sumo, cuatro terminales.
La conexión del alternador en estrella (Y) consiste en unir los finales U V y W de las tres bobinas formando un punto común (denominado punto neutro) y dejando libres los tres principios X, Y y Z. Del punto común suele sacarse un hilo conductor (denominado hilo neutro); que en ocasiones puede suprimirse y por el que en todo momento circula una corriente igual a la suma vectorial de las corrientes de fase.
A continuación se muestran las tensiones de fase y de línea, y también las relaciones existentes entre ellas:
La conexión del alternador en triángulo (D) consiste en unir el principio de una fase con el final de la siguiente, repitiendo la operación cíclicamente hasta obtener un sistema cerrado.
En este caso la tensión de fase es igual a la tensión de línea. Así, podemos verificar que:
y, consecuentemente:
Recuérdense dos definiciones válidas para todos los sistemas polifásicos:
* Se denomina corriente de fase aquella que recorre una fase de un sistema polifásico.
* Se define corriente de línea aquella que, saliendo de los bornes principales de un alternador, entra en los bornes de una carga.
