Generador de Corriente Alterna: Introducción
Los generadores sincrónicos de corriente alterna (CA) son el tipo predominante de generador utilizado para la producción de energía eléctrica en el ámbito de la ingeniería eléctrica. Más del 95% de toda la energía eléctrica consumida hoy en día se genera a partir de generadores eléctricos de corriente alterna trifásica (3~). El principio de funcionamiento de todos los generadores de CA se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday.
Motor Diesel Conectado a un Generador de CA
Ley de Faraday
Dos leyes físicas determinan cómo funciona casi toda la industria de la ingeniería eléctrica.
- Ley de Faraday – un campo magnético variable inducirá un voltaje en cualquier conductor dentro de ese campo.
- Ley de Ampere – la corriente eléctrica que fluye en un conductor genera un campo magnético alrededor de ese conductor.
Ley de Ampere - Campos Magnéticos Creados Alrededor de Conductores Debido al Flujo de Corriente
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Flujo Convencional y Real de Corriente (Flujo de Huecos)
Cuando la corriente (medida en Amperios) fluye a través de un conductor, se genera un campo magnético alrededor de ese conductor. La dirección del campo magnético depende de la dirección del flujo de corriente.
Regla de la Mano Derecha
La regla de la mano derecha muestra la dirección del campo magnético basado en el flujo convencional de corriente (positivo a negativo). Se llama así porque si una mano agarra un conductor, el pulgar indicará la dirección del flujo de corriente mientras que los dedos envueltos alrededor del conductor indicarán la dirección del campo magnético.
Regla de la Mano Derecha
Regla de la Mano Izquierda
La regla de la mano izquierda muestra la dirección del campo magnético basado en el flujo real de corriente (negativo a positivo). La mayoría de las industrias de ingeniería eléctrica utilizan el flujo convencional de corriente mientras que las industrias electrónicas prefieren el flujo real de corriente (también conocido como ‘flujo de huecos’). Para la mayoría de las aplicaciones, la dirección del flujo de corriente no es crucial, por lo que el error histórico al asumir que la corriente fluye de positivo a negativo, nunca se corrigió.
Importante – La mayoría de las publicaciones utilizan la REGLA DE LA MANO DERECHA. Asume flujo convencional de corriente a menos que se indique lo contrario.
Regla de la Mano Izquierda
Regla de la Mano Izquierda de Fleming
Es útil estar al tanto de otra regla de la mano izquierda que se utiliza mucho más que la regla de la mano izquierda mencionada anteriormente; esta regla de la mano izquierda se llama ‘regla de la mano izquierda de Fleming’.
La regla de la mano izquierda de Fleming se utiliza para determinar la fuerza impartida sobre un conductor activo (cargado eléctricamente) cuando se coloca dentro de un campo magnético. La regla de la mano izquierda de Fleming se utiliza a menudo para determinar la dirección de rotación de los motores eléctricos.
Regla de la Mano Izquierda de Fleming
Ley de Faraday
La ley de Faraday se discutirá ahora con más detalle porque está directamente relacionada con cómo se genera la electricidad (la ley de Ampere se discutirá más adelante).
La ley de Faraday establece que si un conductor se mueve a través de un campo magnético, se inducirá un voltaje (diferencia de potencial eléctrico) en ese conductor. Del mismo modo, se inducirá un voltaje en un conductor estacionario si se encuentra dentro de un campo magnético cambiante. No se inducirá voltaje si el campo magnético es estático (no cambia).
Imán con Líneas de Campo Magnético
Nota que la ley de Faraday también se conoce como ‘ley de inducción electromagnética de Faraday’. Los términos ‘inducción magnética’ e ‘inducción electromagnética’ tienen el mismo significado y se utilizan indistintamente.
Campos Magnéticos
Los campos magnéticos se representan dibujando una serie de líneas que se extienden de un extremo a otro de un imán.
- Campos magnéticos más fuertes se representan por líneas de campo magnético estrechamente empaquetadas.
- Campos magnéticos más débiles están más espaciados entre sí.
La fuerza del campo de un imán es proporcional a la distancia desde el imán, es decir, la fuerza del campo es más fuerte cerca del imán y se debilita a medida que aumenta la distancia desde el imán.
Conductores
Un conductor es cualquier sustancia que permite el flujo de corriente (permite el flujo de electrones). Algunos conductores tienen mejores propiedades de conductividad (capacidad para conducir corriente) que otros. En ingeniería eléctrica, el cobre y el aluminio son conductores populares porque tienen alta conductividad.
Cableado de Cobre (Hilos de Conductor de Cobre)
Cómo Funcionan los Generadores de CA
La ley de Faraday establece que se induce un voltaje en cualquier conductor que se coloque dentro de un campo magnético cambiante; este proceso de inducción se conoce como ‘inducción electromagnética’. Para generar voltaje de corriente alterna (CA), debemos por lo tanto:
- Mover constantemente un conductor a través de un campo magnético estacionario.
- Mover constantemente un campo magnético a través de un conductor estacionario.
Las instalaciones de generación de energía a gran escala producen electricidad utilizando la opción de ‘mover constantemente un campo magnético a través de un conductor estacionario’. Las centrales eléctricas no son construcciones simples, pero los principios fundamentales de cómo se genera la electricidad en más del 95% de las centrales eléctricas, se muestran a continuación.
Conductor Moviéndose a Través de un Campo Magnético Estacionario
Nota que la imagen anterior muestra un conductor giratorio, pero las centrales eléctricas tienen conductores estacionarios y imanes giratorios (inverso de la configuración mostrada en la imagen).
Para generar energía, se necesita un imán y un medio para mover ese imán continuamente para que el campo magnético cambie constantemente. Es posible mover el imán de ida y vuelta linealmente (en línea recta), pero esto sería un poco impráctico e ineficiente. La forma más económica de mantener las líneas de campo magnético en movimiento constante es girando el imán. Esto se puede lograr fácilmente acoplando el imán a una máquina cuya salida es movimiento rotatorio. Por ejemplo, al acoplar un eje de salida a las siguientes máquinas, y luego acoplar un imán al eje de salida, podemos transferir el movimiento rotatorio de la máquina (potencia mecánica) al imán:
- Motor diesel.
- Turbina de vapor.
- Turbina de combustión.
- Turbina hidroeléctrica (Kaplan, Francis, Pelton).
- Turbina eólica.
En el mundo real, las máquinas anteriores se denominan ‘motores primarios’ porque transfieren la potencia mecánica necesaria por un generador para producir energía eléctrica. Es importante darse cuenta de que los ‘generadores’ no ‘generan’ energía eléctrica. Solo es posible transferir energía de una forma a otra.
La energía no puede ser destruida ni creada/generada (Primera Ley de la Termodinámica)
Los motores primarios transfieren energía mecánica a los generadores a través de un eje y/o caja de cambios. Los generadores convierten la energía mecánica en energía eléctrica.
Ejemplo Básico de Generación de Energía
El siguiente video es un extracto de nuestro Curso de Video en Línea de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Explicada.
Para simular un motor primario, podemos acoplar físicamente un imán al eje de salida de una rueda de agua (turbina hidro). El agua pasa sobre la rueda de agua, lo que hace que gire y, en consecuencia, el imán gira. Si el suministro de agua es continuo, la rueda de agua gira continuamente, al igual que el imán. Ahora que se ha encontrado un medio para cambiar continuamente el campo magnético, se debe colocar un conductor dentro del campo magnético cambiante para que se pueda inducir un voltaje.
Configuración Básica de Generación de Energía de CA
Colocar un solo conductor dentro del campo magnético no induciría mucho voltaje en ese conductor, pero si el conductor se enrolla en forma de bobina, es posible inducir mucho más voltaje. Para hacer que la inducción de voltaje sea aún más eficiente, el conductor se puede instalar lo más cerca posible del imán. Además, agregar más vueltas a la bobina inducirá más voltaje, mientras que quitar vueltas de la bobina inducirá menos voltaje.
Cuando el imán está girando y un conductor se ha colocado dentro del campo magnético, se inducirá voltaje en el conductor. Si el conductor está conectado a un circuito eléctrico cerrado, fluirá corriente alterna. ¡La electricidad ahora se puede entregar/despachar a los consumidores para su uso!
Ejemplo Básico de Generación de Energía de CA
Rotor del Generador
Los generadores industriales dependen de componentes más complicados que simples imanes y bobinas, pero los principios de funcionamiento de la generación de energía siguen siendo los mismos. El imán giratorio de un generador se denomina ‘rotor’ mientras que la bobina se denomina ‘estator’. Es posible que el estator actúe como el imán y el rotor como la bobina, pero esta configuración no se discutirá en este momento.
Un rotor normalmente consiste en una serie de imanes montados sobre un núcleo laminado de placas de acero delgadas; las placas de acero laminadas delgadas se denominan ‘laminaciones’. Las laminaciones influyen en la forma del campo magnético porque el acero contiene hierro, que es magnético (capaz de actuar como un imán o ser atraído por un imán). Además, las laminaciones concentran el campo magnético para que tantas líneas magnéticas como sea posible intersecten con el conductor. Concentrar el campo magnético mejora la eficiencia de un generador porque el voltaje inducido en un conductor aumenta a medida que aumenta el número de líneas de campo magnético que intersectan el conductor.
Para aplicaciones del mundo real, el ejemplo básico de ‘imán girando cerca de una bobina’ descrito anteriormente no nos permitiría satisfacer las demandas de energía eléctrica de nuestra civilización. Los imanes permanentes no son prácticos para trabajar (difíciles de transportar, presentan riesgos de seguridad, etc.) y son costosos. Se requiere una forma alternativa de imán, este requisito se cumple con los electroimanes.
Consejo: Un imán permanente es aquel cuyos polos Norte y Sur están fijos y no cambian. Los imanes permanentes también se conocen como ‘ferromagnetos’.
Imanes Permanentes
¿Qué es la ley de Ampere?
Antes de discutir los electroimanes, es necesario entender la ley de Ampere.
La ley de Ampere establece que la corriente eléctrica que fluye en un conductor genera un campo magnético alrededor de ese conductor. La fuerza del campo magnético creado es proporcional a la cantidad de flujo de corriente. La corriente continua fluye en una dirección y el tamaño del campo magnético resultante y su polaridad son constantes. La corriente alterna fluye en dos direcciones y los resultados son:
- El tamaño del campo magnético aumenta y disminuye.
- La fuerza del campo magnético aumenta y disminuye.
- La polaridad del campo magnético se invierte (de Norte a Sur y luego de Sur a Norte).
Los resultados anteriores ocurren en sincro con el cambio de dirección de la corriente eléctrica. Se utiliza una onda sinusoidal para indicar la fuerza del campo magnético a lo largo del tiempo y su polaridad (Norte es positivo, Sur es negativo).
Onda Sinusoidal Cambiando a lo Largo del Tiempo
¿Qué es la polaridad?
Los imanes permanentes tienen un polo Norte y un polo Sur. Si los polos Sur y Norte del imán invierten sus posiciones (de modo que el Norte se convierte en Sur y el Sur se convierte en Norte), se dice que la polaridad está ‘invertida’.
Electroimanes
Como se mencionó anteriormente, la ley de Ampere establece que ‘la corriente eléctrica que fluye en un conductor genera un campo magnético alrededor de ese conductor’.
Si la corriente continua (CC) fluye en un conductor, el campo magnético será constante.
Si la corriente alterna (CA) fluye en un conductor, el campo magnético variará (se expandirá y contraerá).
La fuerza de un campo magnético que rodea un conductor es proporcional a la cantidad de corriente que fluye a través del conductor.
Es posible crear un campo magnético enfocado envolviendo un conductor en forma de bobina. Si la corriente fluye a través de la bobina, se creará efectivamente un polo Norte y Sur en cada extremo de la bobina.
Campo Magnético Debido al Flujo de Corriente a Través de una Bobina
Se crea un electroimán cuando la corriente fluye a través de una bobina y se forma un polo magnético Norte y Sur resultante. Nota que la posición de Norte y Sur se puede invertir invirtiendo la dirección del flujo de corriente. La corriente continua crearía un polo Norte y Sur fijo porque el flujo de corriente es en una dirección solamente. La corriente alterna crearía polos Norte y Sur variables porque el flujo de corriente es en dos direcciones (de ida y vuelta).
Si se instalan bobinas en un rotor de generador, es posible aplicar una corriente eléctrica a estas bobinas para crear un electroimán. Instalar múltiples bobinas en el rotor permite crear múltiples polos magnéticos Norte y Sur. Crear un campo magnético de generador usando electroimanes tiene varias ventajas significativas en comparación con el uso de imanes permanentes:
- Controlar la corriente alimentada a los electroimanes hace posible controlar la fuerza del campo magnético, por lo tanto, es posible controlar cuánto voltaje se induce en los devanados del estator (bobinas conductoras).
- Variar el número de bobinas utilizadas por un electroimán determina la fuerza potencial del campo magnético que un electroimán puede crear; esta es una característica importante y útil durante el proceso de diseño.
- Los materiales de las bobinas son generalmente mucho más fáciles de obtener, mantener y/o reemplazar que los grandes imanes permanentes.
- Los electroimanes son más baratos en comparación con los grandes imanes permanentes.
- Los electroimanes son más fáciles de manejar que los grandes imanes permanentes.
¿Qué son los ‘polos del rotor del generador’?
Los rotores de generadores a veces se refieren como que tienen ‘2 polos’, o, ‘4 polos’, etc. Los ‘polos’ se refieren al polo Norte o Sur de un imán. Un rotor de 2 polos tiene un polo Sur y un polo Norte. Un rotor de 4 polos tiene dos polos Norte y dos polos Sur, etc.
Estator del Generador Eléctrico
Las bobinas conductoras que rodean un rotor se llaman colectivamente ‘estator’. Rodear el rotor con una bobina, o una serie de bobinas, asegura que las líneas de campo magnético producidas por el rotor intersecten con una gran área de las bobinas, lo que produce más voltaje inducido.
Un estator con una sola bobina induciría voltaje monofásico (1~). Instalar más bobinas produce fases adicionales. Una ‘fase’ es el potencial de voltaje medido a través de un solo conductor. Inducir voltaje en 3 bobinas separadas al mismo tiempo no sería práctico porque el sistema eléctrico ciclaría fuertemente entre voltaje positivo y negativo, y no sería posible instalar las bobinas exactamente en el mismo espacio físico. Instalar tres bobinas 120 grados aparte permite inducir voltaje en tres bobinas separadas de una manera más equilibrada. Las centrales eléctricas producen voltaje de CA trifásico.
Voltaje de CA Trifásico
Energía Eléctrica (P=VI)
La energía eléctrica se representa por la ecuación:
P = V I
Potencia = Voltaje x Corriente
Se puede deducir de la ecuación anterior que la potencia siempre será 0 si el valor del voltaje es 0, o si el valor de la corriente es 0. Un circuito abierto no tiene flujo de corriente, pero si el circuito está cerrado, la corriente fluirá (si hay corriente presente). Aunque es posible tener voltaje sin corriente, no es posible tener corriente sin voltaje. Para producir energía eléctrica, por lo tanto, debemos tener tanto voltaje como un circuito cerrado para el flujo de corriente.
Cómo Generan Electricidad las Centrales Eléctricas
Independientemente del tipo de central eléctrica (planta de energía) que se considere, más del 95% de ellas utilizan el principio fundamental de ‘mover constantemente un campo magnético a través de un conductor estacionario’ para generar energía eléctrica. Por ejemplo:
- Central eléctrica de carbón (y cualquier central eléctrica de combustibles fósiles) – quema combustible para liberar su energía química como calor, que luego se utiliza para convertir agua en vapor. El vapor se alimenta a una turbina de vapor, lo que hace que la turbina gire. La potencia mecánica resultante de la turbina se transfiere a un generador a través de un eje (y generalmente una caja de cambios).
- Turbina eólica – el viento pasa sobre las palas del rotor de una turbina eólica, lo que hace que las palas giren. El movimiento rotatorio (energía cinética) de las palas se alimenta a un generador.
- Central nuclear – genera calor (energía térmica) para elevar la temperatura del agua; el agua se alimenta a un intercambiador de calor. El agua en el lado de la carcasa del intercambiador de calor de carcasa y tubos se convierte en vapor a medida que se calienta; este vapor se alimenta a una turbina de vapor que está conectada a un generador.
- Central hidroeléctrica (presa, almacenamiento por bombeo, corriente de marea, barrera de marea, corriente de río) – el agua se alimenta a un rodete de turbina, lo que hace que el rodete gire. El rodete está conectado a un eje a un generador.
Rodete de Turbina Hidroeléctrica y Generador
- Horno solar – las ondas electromagnéticas del sol se enfocan en un punto específico (horno solar) para generar una gran cantidad de calor en ese punto. Un fluido térmico (a menudo sal fundida) absorbe el calor y lo transfiere al agua a través de un intercambiador de calor. El agua cambia de fase a vapor y el vapor se alimenta a una turbina de vapor, que está conectada a un generador.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_generation
https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/how-electricity-is-generated.php