Generador de corriente alterna

Generador de corriente alterna
El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en
energía eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un
campo magnético uniforme.
El movimiento de rotación de las espiras es 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.
Cuando la espira gira, el flujo del campo magnético a través de la espira cambia con el
tiempo. Se produce una fem. Los extremos de la espira se conectan a dos anillos que giran
con la espira, tal como se ve en la figura. Las conexiones al circuito externo se hacen
mediante escobillas estacionarias en contacto con los anillos.

Si conectamos una bombilla al generador veremos
que por el filamento de la bombilla circula una
corriente que hace que se ponga incandescente, y
emite tanta más luz cuanto mayor sea la velocidad
con que gira la espira en el campo magnético.

Con este ejemplo, completamos las tres formas que hay de variar con el tiempo el flujo de
un campo magnético a través de una espira,
=B·S, como producto escalar de dos
vectores, el vector campo B y el vector superficie S.
Cuando el campo cambia con el tiempo.
Cuando el área de la espira cambia con el tiempo.
Cuando el ángulo entre el vector campo B y el vector superficie S cambia con el tiempo.
Situación que se discute en esta página.

Ley de Faraday y ley de Lenz

Supongamos que la espira gira con velocidad angular constante . Al cabo de un cierto
tiempo t el ángulo que forma el campo magnético y la perpendicular al plano de la espira es
t. El flujo del campo magnético B a través de una espira de área S es
=B·S=B·S·cos( t)
La fem en la espira es

La femV varía sinusoidalmente con el tiempo, como se muestra en la figura. La fem
alcanza su valor máximo en valor absoluto cuando t= /2 ó 3 /2, cuando el flujo
es
mínimo (el campo magnético está en el plano de la espira), y es nula cuando t=0 ó ,
cuando el flujo es máximo (el campo magnético es perpendicular al plano de la espira).

Sentido de la corriente inducida
Aplicando la ley de Lenz podemos determinar el sentido de la corriente inducida. El sentido
viene determinado por el movimiento de portadores de cargas positivos representados por
puntos rojos.

Fuerza sobre los portadores de carga
El sentido de la corriente inducida lo podemos determinar a partir de la fuerza sobre un
portador de carga positivo imaginariamente situado en el lado a de la espira.
Como ya hemos estudiado la fuerza fm que ejerce un campo magnético B sobre un portador
de carga positivo que se mueve con velocidad v es el producto vectorial

En la figura, se ha dibujado el vector velocidad cuyo módulo es v= ·b/2. y el vector campo
B en la posición que ocupa un portador de carga positivo representado por un punto de
color rojo.

Como v y B forman el ángulo t, el módulo de la fuerza es

fm=q (b/2)B·sen( t).
El campo En =fm/q que impulsa las cargas (fuerza por unidad de carga positiva) es
En= (b/2)B·sen( t)
La femV es

Como puede verse en la figura, En es paralelo a los lados de longitud a de la espira, pero es
perpendicular a los lados de longitud b y por tanto, el producto escalar En·dl en estos dos
lados es nulo.
El sentido de la corriente inducida es el mismo que el sentido de fm o de En (fuerza sobre la
unidad de carga positiva).
Hemos obtenido la fem y el sentido de la corriente inducida por dos procedimientos
distintos.
La ley de Faraday para obtener la fem y la ley de Lenz para determinar el sentido de la
corriente inducida. Y
La fuerza sobre los portadores de carga positivos situados en la espira.

CONCEPTO CORRIENTE ALTERNA
Las máquinas de corriente alternadas fueron utilizadas posteriormente a las de continua. La
técnica fue dirigida hacia la obtención de corriente continua, para lo que se enderezó la corriente
inducida en las espiras mediante el colector o conmutador. Con el progreso de la ciencia se
aportaron nuevas ideas de utilización de la corriente alternada, sus ventajas en la economía del
transporte y en el costo de generadores y motores.
El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía
eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo
magnético uniforme.
Un generador producirá una corriente eléctrica que cambia de dirección a medida que gira la
armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisión de potencia eléctrica,
por lo que la mayoría de los generadores eléctricos son de este tipo. En su forma más simple, un
generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en sólo dos aspectos:
los extremos de la bobina de su armadura están sacados a los anillos colectores sólidos sin
segmentos del árbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se
excitan mediante una fuente externa de corriente continua más que con el generador en sí. 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, son a menudo máquinas de dos polos. A veces, es preferible
generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras giratorias no son prácticas en este
tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las escobillas y los anillos
colectores, y a que pueden producirse fallas mecánicas que podrían causar cortocircuitos. Por
tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de
un número de imanes de campo.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento del generador de corriente alterna, se basa en el principio general de inducción
de voltaje en un conductor en movimiento cuando atraviesa un campo magnético. Este generador
consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magnético y el
inducido que es el conductor el cual es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo. Los
mismos funcionan colocando una espira dentro de un campo magnético y se la hace girar, sus dos
lados cortarán las líneas de fuerzas del campo, induciéndose una fem, esta verificada en los
extremos del conductor que forma la espira. La fem inducida es de carácter alternado. Cerrando el
circuito esta fem da origen a una corriente eléctrica, también alternada. Si conectamos una
lámpara al generador veremos que por el filamento de la bombilla circula una corriente que hace
que se ponga incandescente, y emite tanta más luz cuanto mayor sea la velocidad con que gira la
espira en el campo magnético.

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.

Como la fem es proporcional a las variaciones del flujo magnético y al número de espiras estos
alternadores suelen llevar una bobina con muchas espiras.
La ley de Faraday se utiliza para obtener la fem y la ley de Lenz para determinar el sentido de la
corriente inducida.
Ley de Faraday
La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en un circuito es directamente proporcional
a la rapidez con que cambia el flujo magnético que lo atraviesa

La inducción electromagnética fue descubierta en 1830. La inducción electromagnética es el
principio sobre el que se basa el funcionamiento del generador eléctrico, el transformador y
muchos otros dispositivos.

Es decir, la fem es inducida en un circuito cuando el flujo magnético a través de un circuito varía
en el tiempo.
Ley de Lenz
La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las corrientes inducidas serán de un
sentido tal, que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo.

Componentes de un Generador de Corriente Alterna
Los principales componentes de un generador de corriente alterna
son los que se muestran a continuación:
1.
2.
3.
4.
5.

Estator.
Rotor.
Sistema de enfriamiento.
Excitatriz.
Conmutador.

ESTATOR
Los elementos mas importantes del estator
corriente alterna, son las siguientes:

de

un

generador

de

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 linea
(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 linea 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 linea.

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 lineas 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.

Generador de corriente alterna

El Voltaje Inducido
Como cada espira de la bobina de la armadura se mueve de una parte
del campo a otra, eslabona un numero diferente de lineas de flujo,
en este cambio en los eslabonamientos de flujo que induce un
voltaje en el conductor, el voltaje mas grande se induce en el
instante que este cambio es el mayor, esto es, el instante en el
que el conductor corta el campo en angulo recto.
En la medida que el rotor gira a una velocidad constante, se
induce una onda senoidal de voltaje, el valor de este voltaje
depende de la velocidad del rotor, a mayor rapidez el voltaje es
mayor.

El valor del voltaje depende tambien de la intensidad del campo
magnetico, a mayor intensidad de campo, mayor voltaje inducido.

Para un generador trifasico, se deben tener tres bobinas de
armadura que estan desplazadas entre si 120º, a cada una de las
bobinas o grupos de bobinas se los denomina Fase,de manera que se
designan tres fases como: Fase A, Fase B y Fase C.

La magnitud del voltaje en cada fase se calcula como:
Emax = Bmlwr (volts)
Donde
Bm: densidad de flujo maximo producido por el campo del rotor,
expresado en tesla.
l: longitud de ambos lados de bobina en el campo magnetico m.
W: velocidad angular del rotor (= 2Π x frecuencia rad/seg)

r: radio de la armadura en m.
Las ondas de voltaje obtenidas para cada fase se dan por los
cambios en los eslabonamientos de flujo magnatico, cuando el campo
esta directamente opuesto a la bobina se da el maximo cambio en
los eslabonamientos de flujo y, el maximo voltaje inducido se da
en ese instante.

Regla de la Mano Derecha para Generadores
Para determinar la polaridad de un generador, se deben conocer
primero dos direcciones:
1. La direccion (norte a sur) del campo magnetico.
2. La direccion en al cual el conductor se esta moviendo y como
corta al campo.
Siempre se pueden determinar direcciones por medio del uso de la
regla de la mano derecha para generadores. El dedo pulgar apunta
hacia arriba, el indice hacia la izquierda y el dedo medio hacia
el
cuerpo.
El dedo indice indica la direccion del flujo magnetico, el dedo
pulgar apunta a la direccion en que se mueve el conductor y el
dedo medio indica la direccion del flujo de corriente.

La operacionbasica de un generador de corriente alterna consiste
en una espira de alambra que se encuentra libre para girar en un
campo magnetico, como se ha indicado antes, a la espira de alambre
se le llama armadura y al campo magnetico se le llama el campo, la
armadura se gira por un elemento que se denominaprimomotor, que
dependiendo de la fuente primaria de energia, aplicacion y uso,
puede estar accionado por agua, vapor turbinas de viento o motores
a gasolina o diesel.

La espira de la armadura se conecta a anillos rozantes, que a
traves de las escobillas se conectan por conductores al exterior,
en la medida que la armadura gira, se genera un voltaje que se
conecta al exterior para alimentar un circuito al cual se conectan
las cargas. Los generadores de corriente alterna se conocen
tambien comoalternadores.

De la figura anterior, cuando la armadura de un generador de
corriente alterna hace una rotacion completa a traves del campo
magnetico, sucede lo siguiente:
Cuando la armadura alcanza la posicion 2, la espira
(armadura) se mueve en forma
perpendicular al campo
magnetico, por lo tanto, corta el maximonumeros de lineas por
segundo.
Cuando gira la armadura y pasa la posicion 2, el voltaje cae
cuando ya no esta perpendicular al campo magnetico.
Al alcanzar la armadura la posicion 3, su movimiento es otra
vez paralelo al campo y el voltaje de salida vuelve a cero.
Cuando la armadura gira de la posicion 3 a la 4, el voltaje
vuelve a alcanzar el valor maximo.
Cuando la armadura completa su rotacion y pasa a al posicion
4, el voltaje cae a cero otra vez.
El voltaje generado se aplica a la carga externa alimentada a
traves de un transformador o tableros como se muestra en la

figura:

La Forma Como Trabajan los Generadores
Para estudiar la forma en como convierten los generadores la
energiamecanica en energiaelectrica, se puede usar la siguiente
figura, que representa un generador elemental, en donde el campo
magnetico principal viene de un par de imanes permanentes.
observese que la cara del polo norte se encuentre enfrente de la
cara del polo sur, la forma curvada de los polos produce el campo
mas intenso. La bobina de la armadura esta devanada sobre el
rotor, cada extremo de esta bobina esta fijo a su propia banda
metalica, estas bandas se llaman anillos rozantes y es donde
aparece el voltaje generado.

Para colectar el voltaje generado, se debe tener una trayectoria
electrica de los anillos rozantes a las terminales del generador,
esto se hace con pequeñas piezas metalicas o de carbon llamadas
Escobillas que se encuentran fuertemente fijas a los anillos
rozantes por medio de resortes, en la medida que la bobina gira,
los conductores cortan el campo magnetico, esto produce el voltaje
inducido en la bobina.

Forma de la f.e.m. Inducida
Cuando el electroimán está en la posición horizontal de la figura,
se produce el corte máximo de líneas de fuerza; cuando alcanza la
posición vertical, ninguna línea de. fuerza cortará al conductor;
en posiciones intermedias las líneas son cortadas oblícuamente,
por lo que el valor de la f.e.m. inducida disminuirá con respecto
al valor correspondiente a la posición horizontal y seguirá
disminuyendo hasta anularse en la posición vertical del inductor.
Al sobrepasar la posición vertical, la f.e.m. comienza a
producirse otra vez pero en sentido contrario, porque el sentido
del desplazamiento del campo con respecto al conductor se
invierte. En esta forma la fe.m. irá aumentando su valor hasta
llegar a la posición horizontal en que alcanza el valor máximo, y
desde donde empieza a disminuir de nuevo, llega a la posición
vertical invertida, se produce una nueva inversión del sentido de
la corriente y así sucesivamente.
Una fe.m. de tales características es precisamente la alternada,
por lo que la corriente inducida en la espira tendrá tal carácter.
Como la espira está fija, sus bornes terminales sirven para
recoger la corriente sin inconvenientes puesto que no hay
contactos rozantes.

Devanados y Campos en el Generador
En la siguiente figura se muestran cuatro tipos de generadores.
Para generar electricidad se debe empezar con un campo magnético
principal, entonces este campo se debe cortar por un conductor, el
campo principal se puede producir por un imán permanente que puede
ser parte del estator, tal cual lo muestra la figura A, o bien
puede ser el rotor como se muestra en la figura B. el campo
principal puede ser un campo electromagnético en lugar de un imán
permanente, la bobina que lo produce se llama EL DEVANADO DE
CAMPO, o simplemente el campo.
El campo se puede devanar sobre el estator, como se muestra en la
figura C, o sobre el rotor como lo muestra la figura D. Los

conductores en los que se induce la electricidad, forman el
devanado de la armadura. En los generadores de corriente directa,
el devanado de armadura esta sobre el rotor o parte giratoria; sin
embargo, en los generadores de corriente alterna para ciertas
aplicaciones,
el
devanado
de
armadura
esta
en
la
parte
estacionaria (estator).

Generador de Corriente Alternada
¿Que es un Generador?
Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una
diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos,
llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos
son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en
eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un
campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre
una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se
produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo,
se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.).
Se clasifican fundamentalmente en:
Primarios: Convierten en energia eléctrica la energía de otra
naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente.
Secundarios: Entregan una parte de la energía eléctrica que
han recibido previamente.

Principio de Funcionamiento

El funcionamiento del generador de corriente alterna, se basa
en el principio general de inducción de voltaje en un
conductor en movimiento cuando atraviesa un campo magnetico.
Este generador consta de dos partes fundamentales, el
inductor, que es el que crea el campo magnético y el inducido
que es el conductor el cual es atravesado por las líneas de
fuerza de dicho campo.

Figura 1.- Disposición de elementos en un generador simple
Así, en el generador mostrado en la Figura 1, 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 ferromagneticas (zapatas polares) 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 como en la
figura, 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 nuestro caso 2), y el voltaje generado dependerá de la fuerza
de los imanes (intensidad del campo), la cantidad de vueltas de
almbre de las bobinas y de la velocidad de rotación.
Para una mejor explicacion del funcionamiento les dejo este link
en el cual podran observar una aplicacion java que nos mostrara el
funcionamiento de un generador de corriente elemental.

Generador de corriente alterna

Más contenido relacionado

La actualidad más candente (20)

Destacado (12)

Similar a Generador de corriente alterna (20)

Último (20)

Generador de corriente alterna