UNIVERSIDAD TECNOLOGICADE XICOTEPEC DE JUAREZ INGENIERIA EN MECATRÓNICA

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

“PRINCIPIOS DE GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA”

Principios de Funcionamiento. Construcción de Generadores de CA. Conexiones y Pruebas Industriales.

PRESENTA:

DANIEL IBARRA GARRIDO

INTRODUCCIÓN

El ser humano ha evolucionado constantemente a lo largo de la historia, y quizás estemos presenciando la etapa de evolución más rápida que se haya registrado. A finales del siglo XIX se comenzó a dar un uso más práctico a la electricidad, a partir de entonces el avance que se ha obtenido ha sido extraordinario y ha hecho que el hombre dependa en gran medida de su uso para la elaboración de todas sus tareas. Desde las grandes industrias, hasta un hogar común y corriente, han hecho uso de esta energía en todo momento. Alimentación de equipos de automatización encargados de la realización de tareas como ensambles, soldadura, pintura y también el funcionamiento de electrodomésticos populares como la televisión y el teléfono celular son ejemplos de cómo la energía eléctrica se presenta en nuestra forma de vida. Pero ¿Cómo es que la energía eléctrica es capaz de llegar a nuestros hogares y a esas industrias?, ¿Cómo puede el hombre generar este tipo de energía desconocida hasta antes del siglo XIX?, ¿Qué procesos implica llevar energía eléctrica a todas partes donde sea necesaria? El presente reporte de investigación está elaborado con la finalidad de resolver estas y muchas dudas más acerca del tema:

“PRINCIPIOS Y GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA”.

Figura 1.1 Toma de CA Domestica

El tema que se aborda en este reporte de investigación es demasiado extenso y con una gran cantidad de variantes a tratar, siendo todas igual de importantes y cuyo análisis se ha requerido tener breves conocimientos de electricidad básica, los cuales se analizaran durante todo el proyecto como tal. Así que para comenzar, se necesita definir ¿Qué es la Corriente Alterna?

La corriente alterna es aquella en la cual la magnitud y la dirección presentan una variación en función del tiempo, respondiendo a un ciclo definido. Es también aquella en la que durante un instante de tiempo uno de sus polos es negativo y el otro positivo, mientras que al instante siguiente sus polos de invierten, esto ocurre tantas veces como ciclos por segundo tenga dicha corriente.

PRINCIPOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA CORRIENTE ALTERNA

A continuación se explicaran los principios mediante los cuales se establece el funcionamiento de la corriente alterna:

Principio de Inducción:

Entre los polos de un imán, se genera un campo magnético donde una fuerza fluye desde el norte hasta el sur. Cuando se coloca un elemento de tipo conductor entre los polos cuando estos están posicionados frente a frente, ocurre una variación en las líneas de fuerza del campo magnético. Al existir movimiento ininterrumpido de este material conductor, la variación de las líneas de fuerza genera una diferencia de potencial en el mismo conductor. Cuando dejamos fijo el material conductor, podremos notar que la diferencia de potencial desaparece. Al conectar los extremos del material conductor a un circuito, se puede apreciar la existencia de una corriente que fluye a través de este, y por lo consiguiente un voltaje.

Figura 2 Gráfica de una señal de corriente Alterna.

La inducción electromagnética está presente al colocar un imán dentro de unas espiras de alambre de cobre a manera de espiral. Al hacer movimiento del imán dentro de estas espiras, se genera una fuerza llamada Fuerza Electromotriz que circula a través de la bobina de alambre de cobre y que es generada por inducción magnética.

Si a esta bobina A conectamos en sus extremos otra segunda bobina, se podrá comprobar que la corriente eléctrica generada por inducción magnética, generará a su vez un campo magnético inducido por la primera bobina. De igual forma si colocamos una tercera bobina, tan solo cerca de la segunda, sin que exista una conexión física, con el campo magnético que la segunda bobina desprende, se puede inducir a la tercera y obtener así una Fuerza electromotriz, tan solo diferente de la anterior, por haber sido inducida electromagnéticamente.

Ahora si por el contrario, colocamos una pila a los extremos de la bobina, y colocamos un interruptor a manera de cortar la alimentación de la pila a la bobina y acercamos otra conectada a un galvanómetro tendríamos un

Figura 3 Inducción Magnética en la Bobina A

Figura 4 Inducción Electromagnetica en la Bobina C.

campo magnético que se desprende de esta, pero que por ser constante, no generaría corriente eléctrica en lo absoluto.

Si por el contrario movemos la bobina, se establecerá la variación de las líneas de fuerza y se generara la Fuerza Electromotriz (FEM).

Para el tratamiento y generación de la corriente alterna resulta bastante tedioso permanecer agitando el imán dentro de las bobinas de manera manual, o conectando y desconectando la Fuente de voltaje, e incluso presionar el switch, por ello fue que se optó por utilizar la misma corriente alterna puesto que presenta las variaciones en su señal senoidal, haciendo que el campo electromagnético de la segunda bobina presente una variación en función del voltaje de la primer bobina, estudiando así el principio de funcionamiento de un Transformador de Corriente Alterna, en el cual las bobinas reciben el nombre de Bobina Primaria, que es la conectada directamente a una Fuente de voltaje, y la Bobina Secundaria, que es la que se encuentra bajo los efectos del campo electromagnético y por la cual fluirá el voltaje.

Principio de Generación de Corriente alterna: El fenómeno de la inducción electromagnética fue descubierto en 1830 por Michael Faraday, quien demostró que cuando un conductor entra en un campo magnético y corta las líneas de fuerza, se produce la fuerza electromotriz, directamente proporcional al flujo cortado e inversamente proporcional al tiempo empleado en hacerlo.

Demostró mediante un experimento realizado con un anillo metálico, la influencia que tenía un imán al atravesar el anillo y como esto generaba una diferencia de potencial, también estableció una fórmula matemática

Figura 5 Generación de FEM

que nos permite encontrar la FEM a partir de la variación de flujo magnético (mT) y el tiempo.

Sentido de las líneas de fuerza: analizaremos ahora el siguiente esquema

Figura 6 Pieza de Metal e Imán

Como puede observarse, el espiral es un elemento conductor que cumplirá la función de cortar las líneas de fuerza que tiene el imán, en un ángulo y posición distinta puesto que se encontrara en movimiento para generar la tensión y de esta manera también se origina un cambio en el sentido de la corriente generada, si

comenzamos en la posición que muestra la imagen, se estaría obteniendo un pico de voltaje positivo, siendo este el más alto. El siguiente movimiento establecido de la espira se muestra a continuación:

La espira se encuentra en una posición donde las líneas de fuerza no se interrumpen y por lo tanto no existe una fuerza electromotriz.

Existe otro momento donde la espira vuelve a posicionarse horizontalmente y ahora generara un voltaje pico pero en valor negativo. Es de esta manera en la que se forma el tipo de onda característica de la corriente alterna.

Para generar por ejemplo una señal trifásica, en el caso del estator, se le agregan dos bobinas más para que cada una de ellas se encargue de generar una onda sinusoidal pero con un desfase de 120° entre ellas.

CONSTRUCCION DE GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNASe basa en el principio de la inducción magnética, consta de dos partes:

Inductor: Encargado de crear el campo magnético.

Inducido: Material conductor atravesado por las líneas de fuerza.

Si colocamos una lámpara en los extremos de un generador, y hacemos pasar los mines a través de los conductores de manera que exista el corte de las líneas de fuerza, se podrá notar como se encienden los filamentos de la bobilla de la lámpara, y además a mayor velocidad la intensidad de luz ira en aumento.

Figura 7 Parte interna de un Generador de CA.

El inductor está constituido por el rotor R, dotado de cuatro piezas magnéticas, las que para simplificar son imanes permanentes, cuya polaridad se indica, y el inducido o estator con bobinas de alambre arrolladas en las zapatas polares.Las cuatro bobinas a-b, c-d, e-f y g-h, arrolladas sobre piezas de una aleación ferromagnética, se magnetizan bajo la acción de los imanes del inductor. Dado que el inductor está girando, el campo magnético que actúa sobre las cuatro zapatas cambia de sentido cuando el rotor gira 90º (se cambia de polo N a polo S), y su intensidad pasa de un máximo, cuando están las piezas enfrentadas, a un mínimo cuando los polos N y S están equidistantes de las piezas de hierro.Son estas variaciones de sentido y de intensidad del campo magnético las que inducirán en las cuatro bobinas una diferencia de potencial (voltaje) que cambia de valor y de polaridad siguiendo el ritmo del campo.La frecuencia de la corriente alterna que aparece entre los terminales A-B se obtiene multiplicando el número de vueltas por segundo del inductor por el número de pares de polos del inducido (en este caso 2), y el voltaje generado dependerá de la fuerza de los imanes (intensidad del campo), la cantidad de vueltas de alambre de las bobinas y de la velocidad de rotación.

La corriente que se genera mediante los alternadores descriptos, aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin embargo, si la armadura la componen 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.Siendo lo mismo girar la espira o a los campos, será mejor girar aquella parte que conduzca menor corriente porque los contactos deslizantes deberán dejar paso a corrientes más pequeñas. Esto se hace con los alternadores y motores reversibles.

COMPONENTES DE UN GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA

Los principales componentes de un generador de corriente alterna son los que se muestran a continuación:

1. Estator.2. Rotor.3. Sistema de enfriamiento.4. Excitatriz.5. Conmutador.

Estator

Los elementos más importantes del estator de un generador de corriente alterna, son las siguientes:

Componentes mecánicas. Sistema de conexión en estrella. Sistema de conexión en delta.

Componentes mecánicas. Las componentes mecánicas de un generador son las siguientes:

La carcaza. El núcleo. Las bobinas. La caja de terminales.

Sistema de conexión en estrella. Los devanados del estator de un generador de C.A. están conectados generalmente en estrella, en la siguiente figura T1, T2, T3 representan las terminales de línea (al sistema) T4, T5, T6 son las terminales que unidas forman el neutro.

Sistema de conexión delta. La conexión delta se hace conectando las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de línea se conectan a 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene con relación a la conexión estrella, un voltaje menor, pero en cambio se incrementa la corriente de línea.

El rotor

Para producir el campo magnético sobre el rotor se utilizan polos que consisten de paquetes de laminaciones de fierro magnético (para reducir las llamadas corrientes circulantes) con conductores de cobre arrollados alrededor del hierro, estos polos están excitados por una corriente directa. Los polos del rotor se arreglan por pares localizados o separados 180º. Desde el punto de vista constructivo, los rotores se construyen del tipo polos salientes (baja velocidad) o rotor cilíndrico (alta velocidad).

En el rotor se encuentran alojadas las bobinas del devanado de campo que

inducen el voltaje en el devanado de armadura, en donde se encuentran las bobinas que determinan si el generador es monofásico o trifásico.

Voltaje de salida

monofásico. un generador que tiene un voltaje de salida monofásico, se lo denomina generador monofásico. Este voltaje de salida se obtiene con un conjunto de bobinas de armadura en el estator, si se trata de un generador monofásico de dos polos; entonces, se dice que estos polos son Norte y Sur con conductores que son parte de los conductores de armadura continuos y que llenan las ranuras del estator.

Las ranuras están separadas mecánicamente y eléctricamente por 180º, de modo que cuando el flujo proveniente del polo norte intercepta el lado A(1) del conductor, el flujo que retoma al polo sur intercepta al lado A(2) del conducto, obteniéndose como resultado la generación de un pico de voltaje entre A(1) y A(2). Cuando los polos norte y sur están perpendiculares con respecto al plano de los conductores A(1) y A(2), no hay líneas de fuerzas que intercepten los conductores y, entonces la diferencia de voltaje entre A(1) y A(2) es cero. Cuando el rotor completa una revolución (360º) se dice que ha completado un ciclo.