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Un alternador es un dispositivo electromecánico que convierte la energía mecánica en energía eléctrica en forma de corriente alterna.

La mayoría de los alternadores utilizan un campo magnético giratorio con un inducido fijo pero de vez en cuando, una armadura giratoria se utiliza con un campo magnético estacionario, o se utiliza un alternador lineal.

En principio, cualquier generador eléctrico de CA puede ser llamado un alternador, pero por lo general el término se refiere a máquinas rotativas pequeños accionados por motores de combustión interna de automóviles y otros. Un alternador que utiliza un imán permanente para su campo magnético se llama un magneto. Los alternadores de las centrales eléctricas impulsadas por turbinas de vapor se llaman turbo-alternadores.

Historia

Sistemas generadores de corriente alterna se conoce en formas simples de el descubrimiento de la inducción magnética de la corriente eléctrica. Las primeras máquinas fueron desarrolladas por los pioneros como Michael Faraday y Hippolyte Pixii.

Faraday desarrolló el "rectángulo giratorio", cuya operación fue heteropolar - cada conductor activo pasado sucesivamente a través de las regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas. La primera demostración pública de un "sistema de alternador" más sólida se llevó a cabo en 1886. Grande de dos fases generadores de corriente alterna fueron construidos por un electricista británico, JEH Gordon, en 1882 - Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrolló los primeros alternadores, produciendo frecuencias comprendidas entre 100 y 300 Hz. En 1891, Nikola Tesla patentó una práctica alternador de "alta frecuencia". Después de 1891, alternadores polifásicos se introdujeron para suministrar corrientes de varias fases diferentes. Más tarde alternadores fueron diseñados para variar las frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y alrededor de un cientos de hertzios, para su uso con iluminación de arco, lámparas incandescentes y motores eléctricos.

Principio de funcionamiento

Los alternadores generan electricidad usando el mismo principio que los generadores de corriente continua, es decir, cuando el campo magnético alrededor de un conductor de cambios, se induce una corriente en el conductor. Típicamente, un imán giratorio, llamado el rotor gira dentro de un sistema inmóvil de conductores enrollados en bobinas en un núcleo de hierro, llamado estator. Los cortes de campo a través de los conductores, generando una FEM inducida, como la entrada mecánica hace que el rotor gire.

El campo magnético giratorio induce una tensión de CA en los devanados del estator. A menudo, hay tres conjuntos de devanados del estator, compensados físicamente de modo que el campo magnético giratorio produce una corriente trifásica, desplazado por un tercio de un período con respecto a la otra.

El campo magnético del rotor puede ser producido por inducción, por medio de imanes permanentes, o por un rotor bobinado energizado con corriente continua a través de anillos colectores y escobillas. El campo magnético del rotor puede incluso ser proporcionada por el devanado de campo estacionario, con el movimiento de los polos en el rotor. Alternadores automotrices invariablemente utilizan un devanado del rotor, lo que permite el control de la tensión generada del alternador mediante la variación de la corriente en el devanado de campo del rotor. Máquinas de imanes permanentes evitar la pérdida debido a la corriente de magnetización en el rotor, pero están limitados en tamaño, debido al coste del material del imán. Puesto que el campo del imán permanente es constante, el voltaje del terminal varía directamente con la velocidad del generador. Generadores de corriente alterna sin escobillas son generalmente más grandes máquinas que los utilizados en aplicaciones de automoción.

Un dispositivo de control automático de voltaje controla el campo actual para mantener constante la tensión de salida. Si la tensión de salida de las bobinas de la armadura estacionarias cae debido a un aumento de la demanda, más se alimenta corriente en las bobinas de campo giratorio a través del regulador de tensión. Esto aumenta el campo magnético alrededor de las bobinas de campo que induce una mayor tensión en las bobinas de la armadura. Por lo tanto, la tensión de salida es llevado de nuevo a su valor original.

Los alternadores utilizados en centrales eléctricas también pueden controlar la corriente de campo para regular la potencia reactiva y para ayudar a estabilizar el sistema de energía contra los efectos de fallos momentáneos.

Velocidades síncronas

La frecuencia de salida de un alternador depende del número de polos y la velocidad de rotación. La velocidad correspondiente a una frecuencia particular, se llama la velocidad síncrona para esa frecuencia. Esta tabla muestra algunos ejemplos:

Clave

  • Velocidades de rotación vienen dados en revoluciones por minuto
  • Las frecuencias se dan en Hertz

Más en general, un ciclo de la corriente alterna se produce cada vez que un par de polos del campo pasa por encima de un punto en el devanado estacionarias. La relación entre la velocidad y la frecuencia es, ¿dónde está la frecuencia en Hz. es el número de polos y es la velocidad de rotación en revoluciones por minuto. Muy viejas descripciones de sistemas de corriente alterna a veces dan la frecuencia en términos de alternancias por minuto, contando cada medio ciclo como una alternancia, de modo que 12.000 alternancias por minuto corresponde a 100 Hz.

Alternadores automotrices

Los alternadores se utilizan en los automóviles modernos para cargar la batería y para alimentar el sistema eléctrico cuando el motor está en marcha. Hasta la década de 1960, los automóviles utilizan generadores dínamo de cd con conmutadores. Con la disponibilidad de asequibles rectificadores de diodo de silicio, se utilizaron en lugar alternadores. Fueron introducidos por primera vez por la Corporación Chrysler en el Valiant en 1960, varios años antes de Ford y GM. Los alternadores tienen varias ventajas sobre los generadores de corriente continua. Son más ligeros, más baratos y más resistente. Ellos usan anillos deslizantes que proporcionan vida útil del cepillo extendido mucho más de un conmutador. Los cepillos en un alternador llevan sólo la corriente de excitación, una pequeña fracción de la corriente transportada por las escobillas de un generador de corriente continua, que llevan toda la salida del generador. Se necesita un conjunto de rectificadores para convertir AC a DC. Para proporcionar la corriente directa con ondulación baja, se utiliza un devanado de tres fases y los polos piezas del rotor están conformados para producir una forma de onda similar a una onda cuadrada en lugar de una sinusoide. Alternadores de automóviles son generalmente accionados por correa a 2-3 veces la velocidad del cigüeñal. El alternador funciona a varios RPM ya que es impulsado por el motor. Esto no es un problema debido a que la corriente alterna es rectificada a corriente continua.

Típica vehículo de pasajeros y camiones ligeros utilizan alternadores Lundell o construcción de campo garra polos, donde el campo de polos norte y sur están energizados por un solo bobinado, con los polos que buscan como los dedos de dos manos entrelazadas entre sí. Los vehículos más grandes pueden tener alternadores de polos salientes similares a máquinas más grandes. Hay dos tipos separados de alternadores Delta: la puesta a punto y el Wye puesta a punto.

Alternadores automotrices requieren un regulador de voltaje que opera mediante la modulación de la pequeña corriente de campo para producir una tensión constante en los terminales de la batería. Los primeros diseños utilizan un dispositivo discreto montado en el vehículo en otro lugar. Diseños intermedios incorporan el regulador de tensión en la carcasa del alternador. Los diseños modernos acabar con el regulador de tensión por completo, regulación de voltaje es ahora una función de la unidad de control electrónico. La corriente de campo es mucho más pequeña que la corriente de salida del alternador, por ejemplo, un Un alternador 70 puede necesitar sólo 7 A de corriente de campo. La corriente de campo se suministra a los devanados del rotor de anillos colectores. Los anillos colectores actuales y relativamente lisa bajos garantizar una mayor fiabilidad y una vida más larga que la obtenida por un generador de corriente continua con su conmutador y ser superior corriente que pasa a través de sus cepillos.

Los devanados de campo se suministran de alimentación de la batería a través del interruptor de encendido y el regulador. Un circuito paralelo proporciona el indicador de advertencia de "carga" y se conecta a tierra a través del regulador .. Una vez que el motor está en marcha y el alternador está generando potencia, un diodo alimenta la corriente de campo del alternador de salida principal igualación de la tensión a través del indicador de advertencia de que se apaga. El cable de suministro de la corriente de campo se conoce como el alambre "excitador" a menudo. El inconveniente de esta disposición es que si la luz de advertencia se apaga o el alambre "excitador" se desconecta, sin corriente alcanza los devanados de campo y el alternador no va a generar energía. Algunos circuitos indicador de advertencia están equipados con una resistencia en paralelo con la lámpara que la corriente de excitación permiso para fluir si la luz de advertencia se quema. El conductor debe comprobar que el indicador de aviso se enciende cuando el motor está parado, de lo contrario, puede que no haya ninguna indicación de una falla de la cinta, que también puede accionar la bomba de agua de refrigeración. Algunos alternadores se auto-excitar cuando el motor alcanza una determinada velocidad.

Coches más viejos con un mínimo de iluminación pueden haber tenido un alternador capaz de producir sólo 30 A. coche típico de pasajeros y camiones ligeros alternadores están valorados en torno a 50-70 A, aunque calificaciones más altas son cada vez más común, especialmente ya que hay más carga en eléctrico del vehículo sistema de aire acondicionado, dirección asistida eléctrica y otros sistemas eléctricos. Muy grandes alternadores utilizados en autobuses, equipos pesados o vehículos de emergencia pueden producir 300 A. semi-camiones, que por lo general tienen alternadores de salida 140 A. Muy grandes alternadores pueden ser refrigerados por agua o aceite refrigerado.

En los últimos años, los reguladores del alternador están vinculados al sistema de la computadora del vehículo y diversos factores incluyendo la temperatura del aire obtenido desde el sensor de temperatura de admisión de aire, sensor de temperatura de la batería y la carga del motor se evalúan en el ajuste de la tensión suministrada por el alternador.

Eficiencia de los alternadores de automóviles está limitada por la pérdida de ventilador de refrigeración, la pérdida de cojinete, la pérdida de hierro, la pérdida de cobre, y la caída de tensión en los puentes de diodos. En la eficiencia de carga parcial es entre 50-62%, dependiendo del tamaño del alternador y varía con la velocidad del alternador. Esto es similar a muy pequeñas alternadores de alto rendimiento de imanes permanentes, tales como los utilizados para los sistemas de iluminación de la bicicleta, que consiguen una eficiencia en torno al 60%. Más grandes alternadores de imanes permanentes pueden lograr eficiencias más altas. Generadores de corriente alterna grandes utilizados en las centrales eléctricas funcionar a velocidades controladas cuidadosamente y no tienen limitaciones sobre el tamaño o el peso. Ellos tienen una eficiencia mucho más alta, tan alta como 98%.

Los automóviles híbridos reemplazar el alternador y motor de arranque separada con uno o más conjunto combinado de motor/generador que arranque el motor de combustión interna, proporcionar algunas o todas de la potencia mecánica a las ruedas, y la carga de una batería de almacenamiento de gran tamaño. Cuando más de un M/G está presente, como en el Hybrid Synergy Drive utilizado en el Toyota Prius y otros, uno puede operar como generador y alimentación del otro como un motor, que proporciona una ruta de electromecánica de parte de la potencia del motor para el flujo a las ruedas. Estos generadores de motor/tienen considerablemente más potentes dispositivos electrónicos para el control de que el alternador del automóvil se ha descrito anteriormente.

Diesel de locomotoras eléctricas alternadores

En diesel locomotoras eléctricas, y en eléctricas múltiples unidades diesel, un motor diesel se convierte en un alternador que a su vez proporciona energía eléctrica para los motores de tracción y, opcionalmente, el poder extremo de la cabeza, sin embargo, la opción de HEP requiere una velocidad constante del motor, 900 rpm durante una aplicación HEP 480 voltios 60 Hz, incluso cuando la locomotora no se está moviendo.

El alternador de tracción integral suele incorporar diodos rectificadores de silicio para proporcionar los motores de tracción de 1.200 voltios en corriente continua o el autobús inversor común.

Aunque los motores de tracción de corriente alterna están surgiendo para servicio muy pesado lastre, sobre todo en el oeste de América del Norte, y su oferta de Powder River cuenca del carbón a otras áreas de los EE.UU., el sistema de motor de tracción de corriente continua simple sigue siendo el más popular, con solo Union Pacific tiene más de 1500 SD70Ms modelos actuales con motores de tracción de corriente continua. Ambos modelos comparten un alternador de tracción de corriente alterna con la rectificación integral, ya que el bus común es 1200 voltios de corriente continua, de la que los motores de tracción de corriente continua pueden ser alimentados directamente, o motores de tracción de CA puede ser alimentado a través de inversores.

Alternadores marinos

Alternadores marinos utilizados en yates son similares a los alternadores de automóviles, con las adaptaciones necesarias en el entorno de agua salada. Alternadores marinas están diseñados para ser a prueba de explosión de forma que el cepillo chispas y no se encenderá mezclas de gases explosivos en un entorno de sala de máquinas. Ellos pueden ser de 12 o 24 voltios, dependiendo del tipo de sistema instalado. Diesel marino más grande puede tener dos o más alternadores para hacer frente a la gran demanda eléctrica de un yate moderno. En los circuitos del alternador individuales, el poder se divide entre la batería del motor de arranque y la batería interna o de la casa mediante el uso de un diodo de separación de carga o un interruptor mecánico. Debido a que el alternador sólo produce energía cuando se ejecuta, paneles de control del motor están normalmente alimentados directamente desde el alternador por medio de un terminal auxiliar. Otras conexiones son típicos para los circuitos de control de carga.

Alternadores sin escobillas

Un alternador sin escobillas se compone de dos alternadores construidos de extremo a extremo en un eje. Pequeños alternadores sin cepillo puede tener una unidad, pero las dos partes son fácilmente identificables en las versiones grandes. La mayor de las dos secciones es el alternador principal y la más pequeña es el excitador. El excitador tiene bobinas de campo fijo y un inducido giratorio. El alternador principal utiliza la configuración opuesta con un campo de giro y la armadura estacionaria. Un puente rectificador, llamado el conjunto rectificador giratorio, está montado en una placa situada en el rotor. Ni los cepillos ni anillos colectores se utilizan, lo que reduce el número de piezas de desgaste. El alternador principal tiene un campo de giro como se describe anteriormente y un inducido fijo.

La variación de la cantidad de corriente a través de las bobinas de campo del excitador estacionarias varía la salida 3-fase del excitador. Esta salida es rectificada por un conjunto rectificador giratorio, montado en el rotor, y el CC resultante suministra el campo giratorio del alternador principal y por lo tanto la salida del alternador. El resultado de todo esto es que una pequeña corriente de excitación DC controla indirectamente la salida del alternador principal.

Alternadores Radio

Alternadores de alta frecuencia del tipo de reluctancia variable se aplicaron en el mercado de transmisión de radio en las bandas de radio de baja frecuencia. Estos fueron utilizados para la transmisión de código Morse y, experimentalmente, para la transmisión de la voz y la música.