Generadores

Los generadores son dispositivos que convierten otras formas de energía en energía eléctrica. En 1832, el francés Bixi inventó el generador.

Un generador se compone de un rotor y un estator. El rotor se ubica en la cavidad central del estator. Cuenta con polos magnéticos que generan un campo magnético. A medida que el motor primario impulsa el rotor, se transfiere energía mecánica. Los polos magnéticos del rotor giran a alta velocidad junto con él, provocando que el campo magnético interactúe con el devanado del estator. Esta interacción hace que el campo magnético atraviese los conductores del devanado del estator, generando una fuerza electromotriz inducida y, por lo tanto, convirtiendo la energía mecánica en energía eléctrica. Los generadores se dividen en generadores de CC y generadores de CA, ampliamente utilizados en la producción industrial y agrícola, la defensa nacional, la ciencia y la tecnología, y la vida cotidiana.

Parámetros estructurales

Los generadores generalmente constan de un estator, un rotor, tapas de extremo y cojinetes.

El estator consta de un núcleo de estator, devanados de alambre, un marco y otras partes estructurales que fijan estas partes.

El rotor está formado por el devanado del núcleo del rotor (o polo magnético, estrangulador magnético), el anillo de protección, el anillo central, el anillo colector, el ventilador y el eje del rotor y otros componentes.

El estator y el rotor del generador están conectados y ensamblados por los cojinetes y las tapas de los extremos, de modo que el rotor puede girar en el estator y hacer el movimiento de cortar las líneas magnéticas de fuerza, generando así el potencial eléctrico inducido, que se conduce a través de los terminales y se conecta al circuito, y luego se genera la corriente eléctrica.

Características funcionales

El rendimiento de un generador síncrono se caracteriza principalmente por sus características de funcionamiento en vacío y con carga. Estas características son fundamentales para la selección de generadores.

Caracterización sin carga:Cuando un generador opera sin carga, la corriente de inducido es cero, lo que se conoce como operación en circuito abierto. En este momento, el devanado trifásico del estator del motor solo tiene la fuerza electromotriz en vacío E0 (simetría trifásica) inducida por la corriente de excitación If, y su magnitud aumenta con el incremento de If. Sin embargo, ambas no son proporcionales debido a que el núcleo del circuito magnético del motor está saturado. La curva que refleja la relación entre la fuerza electromotriz en vacío E0 y la corriente de excitación If se denomina característica en vacío del generador síncrono.

Reacción de la armadura:Cuando un generador se conecta a una carga simétrica, la corriente trifásica en el devanado del inducido genera otro campo magnético rotatorio, denominado campo de reacción del inducido. Su velocidad es igual a la del rotor y ambos giran sincrónicamente.

Tanto el campo reactivo del inducido como el campo de excitación del rotor de los generadores síncronos se pueden aproximar como distribuidos según una ley sinusoidal. Su desfase espacial depende del desfase temporal entre la fuerza electromotriz en vacío E0 y la corriente del inducido I. Además, el campo reactivo del inducido también está relacionado con las condiciones de carga. Cuando la carga del generador es inductiva, el campo reactivo del inducido tiene un efecto desmagnetizante, lo que provoca una disminución de la tensión del generador. Por el contrario, cuando la carga es capacitiva, el campo reactivo del inducido tiene un efecto magnetizante, lo que aumenta la tensión de salida del generador.

Características de operación de carga:Se refiere principalmente a las características externas y de ajuste. La característica externa describe la relación entre la tensión terminal del generador U y la corriente de carga I, dadas una velocidad nominal, una corriente de excitación y un factor de potencia de carga constantes. La característica de ajuste describe la relación entre la corriente de excitación If y la corriente de carga I, dadas una velocidad nominal, una tensión terminal y un factor de potencia de carga constantes.

La tasa de variación de tensión de los generadores síncronos es de aproximadamente un 20-40 %. Las cargas industriales y domésticas típicas requieren una tensión relativamente constante. Por lo tanto, la corriente de excitación debe ajustarse según aumenta la corriente de carga. Si bien la tendencia de cambio de la característica de regulación es opuesta a la de la característica externa, esta aumenta para cargas inductivas y puramente resistivas, mientras que generalmente disminuye para cargas capacitivas.

Principio de funcionamiento

Generador diésel

Un motor diésel acciona un generador que convierte la energía del combustible diésel en energía eléctrica. Dentro del cilindro del motor diésel, el aire limpio, filtrado por el filtro de aire, se mezcla a fondo con el combustible diésel atomizado a alta presión, inyectado por el inyector. A medida que el pistón asciende, comprimiendo la mezcla, su volumen disminuye y la temperatura aumenta rápidamente hasta alcanzar el punto de ignición del combustible diésel. Esto enciende el combustible diésel, provocando una combustión violenta de la mezcla. La rápida expansión de los gases empuja el pistón hacia abajo, un proceso conocido como «trabajo».

Generador de gasolina

Un motor de gasolina acciona un generador, convirtiendo la energía química de la gasolina en energía eléctrica. Dentro del cilindro de un motor de gasolina, una mezcla de combustible y aire experimenta una combustión rápida, lo que resulta en una rápida expansión de volumen que empuja el pistón hacia abajo, realizando trabajo.

En los generadores diésel y de gasolina, cada cilindro funciona secuencialmente en un orden específico. La biela transforma la fuerza ejercida sobre el pistón en fuerza rotacional, que impulsa el cigüeñal. Un generador de CA síncrono sin escobillas, montado coaxialmente con el cigüeñal del motor, permite que la rotación del motor impulse el rotor del generador. Basándose en el principio de inducción electromagnética, el generador produce una fuerza electromotriz inducida, generando corriente a través de un circuito cerrado de carga.