REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA EXPERIMENTAL LIBERTADOR

INSTITUTO PEDAGÓGICO DE BARQUISIMETO

LUIS BELTRÁN PRIETO FIGUEROA

MAQUINAS GENERADORES Y

ALTERNADORES

(Guía Didáctica)

ESNIEL LUCENA

Agosto, 2014

INTRODUCCION

Las maquinas eléctricas, son el resultado de una aplicación de los

principios de electromagnetismo y en particular de la ley de inducción de Faraday.

Estas maquinas eléctricas se caracterizan por tener circuitos eléctricos y

magnéticos entrelazados. Durante todo el proceso histórico de su desarrollo

desempeñaron un papel rector, que determinaba el movimiento de toda la

ingeniería eléctrica, gracias a su aplicación en los campos de la generación,

transporte, distribución y utilización de la energía eléctrica. Las maquinas

eléctricas realizan una conversión de energía de una forma a otra.

La presente guía didáctica, representa una herramienta de aprendizaje en

la asignatura maquinas asincrónicas y de corriente continua, en la cual se trata

específicamente el tema de generadores y alternadores y con la aspiración que

con el contenido teórico y práctico de la presente guía sirva de apoyo para los

estudiantes cursantes de la materia.

La guía, está estructurada de la siguiente manera: un contenido teórico,

ejercicios resueltos y propuestos, una práctica de laboratorio con el pre-

laboratorio, el procedimiento para realizar la práctica, post-laboratorio, normas de

higiene y seguridad que deben seguirse en el laboratorio y el glosario de términos.

EL GENERADOR ELÉCTRICO

Es una máquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

Fundamentalmente consta de un inductor, a base de electroimanes o imanes

permanentes, que produce un campo magnético, y un inducido, formado por un

núcleo de hierro, sobre cuya superficie se dispone en arrollamiento, unos

conductores. Al comunicar al inducido un movimiento de rotación, los

conductores cortan líneas de flujo magnético y se induce en ellos una fem alterna.

Si se quiere obtener corriente continua se debe acudir a un conmutador apropiado.

Principio de funcionamiento de un generador eléctrico

El principio de funcionamiento de los generadores es parecido pero

contrario al motor eléctrico. La conversión de energía mecánica en electricidad es

la base de los generadores de las grandes centrales hidroeléctricas.

Cuando se desplaza un material conductor por un campo magnético en la

misma dirección que sus líneas de fuerzas, o en la opuesta, no se detecta

fenómeno alguno, pero cuando este conductor se desplaza cortando las citadas

líneas de fuerzas, se detecta en sus extremos la presencia de una fuerza

electromotriz inducida. Este principio de funcionamiento está basado en la ley de

inducción electromagnética de Faraday.

Ley de Faraday de la inducción

electromagnética

La Ley de Faraday. Esta ley nos dice que

el voltaje inducido en un circuito es directamente

proporcional al cambio del flujo magnético en un

conductor o espira. Esto quiere decir que si

tenemos un campo eléctrico, generando un flujo magnético, necesitamos una

espira por donde circule una corriente para conseguir que se genere la f.e.m.

Este descubrimiento, realizado en el año 1830 por Michael Faraday,

permitió un año después la creación del disco de Faraday. El disco de Faraday

consiste en un imán en forma de U, con un disco de cobre de doce pulgadas de

diámetro y 1/5 de pulgas de espesor en medio colocado sobre un eje, que está

girando, dentro de un potente electroimán. Al colocar una banda conductora

rozando el exterior del disco y otra banda sobre el eje, comprobó con un

galvanómetro que se producía electricidad mediante imanes permanentes.

Estructura de un generador básico

Los componentes de un generador desde el punto de vista mecánico son:

Estator, que es una armadura

metálica en reposo recubierta

por alambres de cobre que

forman un circuito.

Rotor, que es un eje que rota

dentro del estator impulsado

por una turbina. Este rotor en

su parte más externa tiene un electroimán alimentado por una corriente

eléctrica pequeña. Al girar el rotor a grandes velocidades gracias a una

energía mecánica externa proveniente de una turbina, se producen

corrientes en los hilos de cobre del estator.

Regla de la mano izquierda para generadores.

Aplicando la regla de la mano izquierda al

generador basico de una espira, en la ilustracion se

puede observar que se tienen dos fem en la espira, al

girar. Estas se inducen en lados opuestos de la espira y

tienen amplitudes iguales. Sus direcciones son tales que

estan en serie con respeto a las terminales abiertas de la espiral.

Clasificación de los generadores

Dinamos: producen corriente eléctrica continua ( c.c), es decir corriente

que no cambia de sentido.

Alternadores: Producen corriente eléctrica alterna (c.a). que cambia de

sentido cada cierto tiempo.

Producción de una onda

sinusoidal

Para estudiar los circuitos de

corriente alterna es necesario

previamente entender como es la señal de alterna y sus magnitudes

características. Al girar una bobina dentro de un campo magnético, en ella se

genera Fem senoidal (alternador). Esta Fem desarrolla una oscilación por cada

vuelta de giro, lo que supone que cada una de estas oscilaciones senoidales tiene

una duración angular de 360º (2П radianes), porque representa una

vuelta del giro del alternador.

Generador básico de corriente alterna: El alternador

Los generadores de corriente alterna o

alternadores son máquinas que transforman

energía mecánica, que reciben por el rotor, en

energía eléctrica en forma de corriente alterna. El

generador de corriente alterna más simple consta

de un campo magnético y una espira rotatoria

simple y los extremos de la espira están

conectados a las escobillas. La mayoría de alternadores son máquinas de corriente

alterna síncrona, que son las que giran a la velocidad de sincronismo, que está

relacionada con el nombre de polos que tiene la máquina y la frecuencia de la

fuerza electromotriz. Esta relación hace que el motor gire a la misma velocidad

que le impone el estator a través del campo magnético. Esta relación viene dada

por la expresión:

Anillos rozantes.

Son unos anillos metálicos

instalados en los extremos de la bobina

rotatoria y la función es comunicar el voltaje

inducido a las escobillas. Cada anillo se ajusta a

un extremo de la bobina y ambos anillos giran al girar la bobina. Los carbones son

estacionarios y mantienen contacto con los anillos rozantes al girar estos.

Generadores de c-a con armadura estacionaria

La mayor parte de los

generadores de c-a 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.

Generadores de c-a monofásicos

En este tipo de generador 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 c-

a son monofásicos, ya que puede obtenerse una mayor eficiencia conectando las

bobinas de armadura mediante otro sistema.

Generadores de c-a 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 desfasados 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.

Conexiones delta e Y

Existen dos maneras en que pueden

conectarse los devanados de armadura. 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.

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 "3 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 3, o 1.73 veces la potencia real

en cualquiera de las líneas. 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.

Comparación de generadores de c-c y de c-a

. En un generador de c-a, el voltaje inducido se transmite directamente a la carga,

a través de anillos rozantes en tanto que en un generador de c-c el conmutador

convierte la c-a inducida en c-c antes de que ésta sea aplicada a la carga.

Una diferencia física importante entre los generadores de c-c y los de c-a estriba

en que el campo de la mayor parte de los generadores de c-c es estacionario y la

armadura gira, en tanto que lo opuesto ocurre generalmente en los generadores de

c-a. Esto tiene el efecto de hacer que los generadores de c-a puedan tener salidas

mucho mayores de las que son posibles con generadores de c-c. Los generadores

de c-c pueden constar ya sea de una fuente de excitación externa y separada o bien

obtener el voltaje necesario directamente de su propia salida. Por su parte, los

generadores de c-a deben estar provistos de una fuente separada.

Generador de corriente continua (o dinamos)

Una dinamo es un generador eléctrico destinado a la transformación de

energía mecánica en electricidad mediante el fenómeno de la inducción

electromagnética, generando una corriente continua eléctrica.

La corriente generada es producida cuando el campo magnético creado por

un imán o un electroimán fijo, inductor, atraviesa una bobina, inducida, colocada

en su centro. La corriente inducida en esta bobina giratoria, en principio alterna,

es transformada en continua mediante la acción de un conmutador giratorio,

solidario con el inducido, denominado colector, constituido por unos electrodos

denominados delgas. De aquí es conducida al exterior mediante otros contactos

fijos llamados escobillas que conectan por frotamiento con las delgas del colector.

En la grafica se muestra cómo funciona el generador, usando una espira

que gira en el campo magnético de un imán permanente.

. Aplicando la ley de Faraday, y con la ayuda de la ley

de Lenz, se puede entender que en los extremos

de la espira se induce una f.e.m.

cuya amplitud y signo cambia según

gira la espira. Lo que queda claro es

que el alambre que queda a la

derecha será siempre el lado positivo.

Pérdidas y eficiencia de las máquinas eléctricas rotativas

Como cualquier máquina, la potencia de salida que ofrecen las máquinas

eléctricas rotativas es menor que la potencia de alimentación que se les

suministra, potencia suministrada. La diferencia entre la potencia de salida y la

suministrada son las pérdidas:

La potencia de salida de un generador eléctrico es la potencia eléctrica que

entrega, la potencia útil. La potencia suministrada o total es la potencia mecánica

de entrada: la potencia mecánica que absorbe la máquina para poder generar

electricidad.

Dentro de una máquina eléctrica rotativa, las pérdidas más significativas son:

Pérdidas mecánicas: Causadas por el rozamiento entre las piezas móviles y

por la ventilación o refrigeración interior de los devanados.

Pérdidas eléctricas o pérdidas en el cobre: Se producen en el circuito

eléctrico y en sus conexiones y son debidas al efecto joule.

Pérdidas magnéticas o pérdidas en el hierro: Dependen de las variaciones

que se producen en los campos magnéticos y de la frecuencia.

Así mismo, el cociente entre la potencia de salida (también llamada potencia útil)

y la potencia suministrada (también llamada potencia total o absorbida) es la

eficiencia. Esta eficiencia se expresa en tanto por ciento (%):

Por lo tanto, la eficiencia de una máquina eléctrica determina la cantidad de

trabajo útil que puede producir, a partir de la energía total que consume.

Ventajas del alternador respecto a la dinamo

El alternador tiene varias ventajas que hacen que sea un tipo de máquina

más utilizada.

Las ventajas del alternador respecto a la dinamo son las siguientes:

En el alternador eléctrico se puede obtener mayor gama de velocidad de

giro. La velocidad de giro puede ir desde 500 a 7.000 rpm. La dinamo a

altas rpm sufre el colector y las escobillas elevado desgaste y subida de

temperaturas.

El conjunto rotor y estator en el alternador es muy compacto.

Los alternadores poseen un solo elemento como regulador de tensión.

Los alternadores eléctricos son más ligeros: pueden llegar a ser entre un 40

y un 45% menos pesados que las dinamos, y de un 25 a un 35% más

pequeños.

El alternador trabaja en ambos sentidos de giro sin necesidad de

modificación.

La vida útil del alternador es superior a la de la dinamo. Esto es debido a

que el alternador eléctrico es más robusto y compacto, por la ausencia del

colector en el inducido, y soporta mejor las altas temperaturas.

Mantenimiento de los generadores y alternadores

Este plan de mantenimiento consiste en la aplicación de las técnicas

siguientes:

A) Vibraciones y pulsaciones: Durante el funcionamiento de una central

eléctrica el grupo turbina - generador está sometido a la acción de diferentes

fuerzas perturbadoras; el identificar y evaluar las vibraciones y pulsaciones

presentes en la unidad, separando aquellas que son propias del funcionamiento de

la misma, de aquellas otras que tienen su origen en el funcionamiento anómalo de

alguno de sus elementos se realiza mediante el estudio y el análisis de dichas

vibraciones y pulsaciones. El proceso de seguimiento y diagnóstico se realiza en

las fases siguientes:

Documentación: Se incluye el espectro base como punto de partida para

determinar la aparición de problemas en el grupo, así como los planos y una

hoja con los datos más significativos de la unidad.

Conocimiento de la máquina: Las características constructivas y de

funcionamiento determinan el tipo de posibles defectos y la vibración

resultante de los mismos, lo cual hace necesario el conocimiento profundo

de la máquina, de sus condiciones de funcionamiento.

Criterios de valoración: Una vez que un defecto ha sido localizado e

identificado, se determina su grado de importancia; para la valoración se

considera tanto el nivel como las características del mismo.

B) Aislamiento del alternador: El diagnóstico de un alternador supone la

obtención de datos sobre el estado de envejecimiento del aislamiento del estator,

de su contaminación y de la estabilidad del aislamiento. Su control periódico

permite valorar la evolución de su estado con el número de horas de servicio,

permitiendo prever una avería intempestiva que siempre genera indisponibilidad e

importantes daños añadidos.

C) Análisis de aceites: El análisis del aceite lubricante o del aceite de regulación

complementa el diagnóstico mecánico del estado de la unidad, los análisis que se

realizan sobre la muestra del aceite incluyen las determinaciones de viscosidad

cinemática, oxidación, acidez, contenido en agua, aditivos y contenido en metales

de desgaste y de contaminación.

Ejercicios resueltos

Ejercicios propuestos

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA EXPERIMENTAL LIBERTADOR

INSTITUTO PEDAGÓGICO DE BARQUISIMETO

LUIS BELTRÁN PRIETO FIGUEROA

PRATICA DE LABORATORIO

Maquinas sincrónicas y de corriente continua

Especialidad: Electricidad Industrial Código: RUEI015.

Lapso Académico: I-2014 Sección: 7EI01/Grupo 1

Semestre: 7mo

Práctica No. 1: Elementos constructivos de las máquinas eléctricas de

corriente directa

Objetivos:

1. Describir las partes componentes que forman el estator de las maquinas

eléctricas de corriente directa.

2. Describir las partes componentes que forman el rotor de las maquinas eléctricas

de corriente directa.

3. Identificar los terminales de una maquina eléctrica de corriente directa.

4. Describir los datos de chapa y la información que brindan los mismos en una

maquina eléctrica de corriente directa.

Contenido del trabajo:

1. Se mostraran y describirán los diferentes elementos constructivos de las

maquinas eléctricas de corriente directa.

2. Se identificaran los terminales de una maquina eléctrica de corriente directa.

3. Se mostraran datos de chapa de maquinas eléctricas de corriente directa.

Pre-Laboratorio.

Fundamentos teóricos:

Partes de las máquinas de corriente directa:

La máquina de corriente directa consta de dos partes principales:

1. La parte estacionaria o estator, destinada fundamentalmente, para crear el flujo

magnético.

2. La parte rotatoria, llamada también rotor o inducido, en la que transcurre el

proceso de transformación de la energía mecánica en eléctrica.

Culata o carcasa: Soporta los polos principales, los auxiliares y los soportes de las

escobillas y con la ayuda de la cual la maquina se sujeta a los cimientos.

Devanado de armadura: Este es el corazón de la maquina. En el se origina

la potencia eléctrica del generador o el momento del motor.

Colector o conmutador: Es un mecanismo donde se transforma la corriente

alterna en corriente continua

Soporte de escobilla: Para recoger la señal del colector o suministrarle la señal

eléctrica, se emplean las escobillas o carbones que van sujetos al soporte.

Identificación de los terminales de una máquina eléctrica de corriente

directa:

La identificación de los terminales de una maquina eléctrica es necesaria, pues

hay momentos en que los mismos no aparecen identificados y necesitamos la

conexión y uso del equipo.

Existen varios métodos para la identificación de los terminales, a través de un

ohmímetro, voltímetro y amperímetro, o a través de un puente. Todos estos

midiendo valor de resistencia en Ohm.

Se tomara una maquina compound para la identificación de los terminales y un

ohmímetro como instrumento de medida.

Para poder identificar el devanado de armadura respecto al de excitación serie se

mide continuidad de los terminales respecto a la escobilla y el que deflecte la

aguja indicando continuidad, es el devanado de armadura o también los dos

puntos de bajo ohmiaje que al levantar las escobillas dejen de tener continuidad

con los del devanado de armadura.

Otro método de identificación es visualmente, cuando tenemos la maquina

desarmada siendo el devanado shunt aquel que presente muchas vueltas de

alambre fino, y si es de pocas vueltas de alambre grueso corresponderá entonces

al devanado serie.

Datos de chapa:

Los datos de chapa en las maquinas eléctricas son de gran importancia ya que los

mismos facilitan el conocimiento de varios parámetros nominales de la misma.

En el caso de las maquinas de corriente directa esta nos informa de:

Pn- Potencia nominal en Kw. si es generador y mecánica si es motor.

Ia - Corriente de armadura.

Va- Voltaje de la maquina.

Rpm-Velocidad de la maquina.

El peso en Kg.

El tipo de maquina si es compound, serie o shunt.

La eficiencia en porciento.

IP- Grado de protección, donde: (I) nos indica que la maquina está protegida

contra el agua y la (P) contra el polvo.

Materiales y herramientas

Ohmímetro, voltímetro y amperímetro

Destornilladores de pala y estría.

Alicate universal.

Llaves Allen diferentes medidas.

Juego de llaves de boca diferentes medidas.

Martillo de goma.

Brocha.

Maquina compound.

Procedimiento.

Según lo explicado en los fundamentos teóricos, se observaran y describirán las

partes del estator y el rotor de una maquina de corriente directa preparada para

ello, se identificaran sus terminales y se leerán sus datos de chapa.

Informe:

1. Se explicaran los elementos constructivos de las maquinas eléctricas de

corriente directa.

2. Se expondrá como se identifican los terminales de una maquina eléctrica de

corriente directa.

3. Se explicara el significado de los datos de la maquina eléctrica de corriente

directa, observada durante la práctica.

Pos-Laboratorio:

1. Mencionar las partes en que se dividen las maquinas de corriente directa.

2. ¿Cuál es la función principal del estator?

3. ¿Qué elementos forman el estator?

4. ¿Señalar las partes componentes del rotor o inducido?

5. ¿Con qué objetivo se utilizan los polos auxiliares?

6. ¿Qué función realiza el conmutador?

7. ¿Como usted determinaría con un ohmímetro los terminales de una maquina de

excitación independiente?

8. ¿Qué importancia tienen los datos de chapa de una maquina de corriente

directa?

9. Mencione los datos más comunes que aparecen en la chapa de las maquinas de

corriente directa.

Normas de Higiene y Seguridad para actividades practicas en el laboratorio.

-Respetar la hora de entrada al laboratorio.

-Es necesario respetar el orden de los pasos asignados en los montajes para evitar

accidentes o desperfectos.

-Mantener el respeto hacia el docente y compañeros de clase.

-Mantener el teléfono celular en silencio en el momento de realizar la actividad

practica.

-Uso obligatorio de la bata de laboratorio.

-Utilizar las herramientas adecuadamente y con su respectivo mango aislante.

-Darle el uso adecuado a cada una de las herramientas.

-Una vez utilizada la herramienta, colocarla en su sitio de resguardo.

-No se debe energizar sin verificar previamente cada una de las conexiones. Esta

verificación debe realizarla el docente.

-Desconecte el interruptor principal antes de comenzar cualquier montaje de

circuitos.

-Evitar usar prendas y primordialmente las metálicas.

-Al finalizar la practica dejar el laboratorio y todas las herramientas en orden.

GLOSARIO

Alternador: Producen corriente eléctrica alterna (c.a). Que cambia de

sentido cada cierto tiempo.

Conmutación: La conmutación es la operación de transformación de una

señal alterna a una señal continua y también se conoce como rectificación

de señal.

Devanado: es un arrollamiento de conductores circulares o planos

alrededor de un núcleo de hierro con el fin de producir un campo

magnético al hacer pasar por este devanado una corriente eléctrica

Dinamo: Es un generador eléctrico destinado a la transformación de

energía mecánica en electricidad mediante el fenómeno de la inducción

electromagnética, generando una corriente continua eléctrica.

Estator: La parte estacionaria, destinada fundamentalmente, para crear el

flujo magnético.

Generador: Es una máquina que transforma la energía mecánica en

energía eléctrica.

Rotor: La parte rotatoria, llamada también inducido, en la que transcurre

el proceso de transformación de la energía mecánica en eléctrica

.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Edminiester, J. (1981) Circuitos eléctrico. Teoría y problemas. Libros Mc.

Graw-Hill de México.

Mileaf, H. (1974) Electricidad Uno. Serie Uno Siete. Editorial Limusa-

México.

Mileaf, H. (1974) Electricidad Tres. Serie Uno Siete. Editorial Limusa-

México.

Mileaf, H. (1974) Electricidad Seis. Serie Uno Siete. Editorial Limusa-

México.

Mora, J. (2003) Maquinas eléctricas. Quinta edición. Mc. Graw-Hill, España.

W. van der Merwe, C. (1969) Física General. Teoría y problemas. Libros Mc.

Graw-Hill de México.