Motor-generador

Un motor-generador (un grupo electrógeno ) es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en otra forma. Los grupos electrógenos se utilizan para convertir la frecuencia , el voltaje o la fase de la energía. También se pueden utilizar para aislar cargas eléctricas de la línea de suministro de energía eléctrica. Los grandes motores-generadores se utilizaban ampliamente para convertir cantidades industriales de energía, mientras que los motores-generadores más pequeños (como el que se muestra en la imagen) se utilizaban para convertir la energía de la batería en voltajes de CC más altos.

Si bien un conjunto motor-generador puede constar de distintas máquinas motoras y generadoras acopladas entre sí, un dinamotor de una sola unidad (para dinamo -motor) tiene las bobinas del motor y las bobinas del generador enrolladas alrededor de un solo rotor; por lo tanto, tanto el motor como el generador comparten las mismas bobinas de campo externas o imanes. ^[1] Por lo general, las bobinas del motor se accionan desde un conmutador en un extremo del eje, mientras que las bobinas del generador proporcionan salida a otro conmutador en el otro extremo del eje. Todo el conjunto de rotor y eje es más pequeño, más ligero y más barato que un par de máquinas, y no requiere ejes de transmisión expuestos.

Los aparatos de consumo de baja potencia fabricados antes de 1933, como los receptores de radio para vehículos con válvulas de vacío , no utilizaban motores-generadores costosos, ruidosos y voluminosos, sino que utilizaban un circuito inversor compuesto por un vibrador (un relé autoexcitado) y un transformador para producir los voltajes más altos que necesitaban las válvulas de vacío a partir de la batería de 6 o 12 V del vehículo. ^[2]

En el contexto de la generación de energía eléctrica y de los grandes sistemas eléctricos fijos, un motor-generador consiste en un motor eléctrico acoplado mecánicamente a un generador eléctrico (o alternador ). El motor funciona con la corriente eléctrica de entrada mientras que el generador crea la corriente eléctrica de salida, y la energía fluye entre las dos máquinas en forma de par mecánico ; esto proporciona aislamiento eléctrico y cierta amortiguación de la energía entre los dos sistemas eléctricos.

Un uso es eliminar picos y variaciones en la "energía sucia" ( acondicionamiento de energía ) o proporcionar coincidencia de fases entre diferentes sistemas eléctricos.

Otro uso es amortiguar cargas extremas en el sistema eléctrico. Por ejemplo, los dispositivos de fusión tokamak imponen cargas pico muy grandes, pero cargas promedio relativamente bajas, en la red eléctrica. El tokamak DIII-D en General Atomics , el Princeton Large Torus (PLT) en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton y el sincrotrón Nimrod en el Laboratorio Rutherford Appleton utilizaron cada uno grandes volantes de inercia en múltiples plataformas de motor-generador para nivelar la carga impuesta al sistema eléctrico: el lado del motor aceleraba lentamente un gran volante de inercia para almacenar energía , que se consumía rápidamente durante un experimento de fusión mientras el lado del generador actuaba como freno en el volante de inercia. De manera similar, el Sistema Electromagnético de Lanzamiento de Aeronaves (EMALS) del portaaviones de la Armada de los EE. UU. de próxima generación utilizará una plataforma de motor-generador de volante de inercia para suministrar energía instantáneamente para lanzamientos de aeronaves con una capacidad de generador mayor que la instalada en el barco. Además de las aplicaciones especializadas mencionadas anteriormente, se han comercializado sistemas de volante-generador para su uso en centros de datos como complemento o alternativa a sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) más convencionales basados ​​en baterías o generadores. ^[3]

Los motores-generadores se pueden utilizar para diversas conversiones, entre ellas:

• Corriente alterna (CA) a corriente continua (CC)
• CC a CA ^[4]
• Corriente continua a un voltaje a corriente continua a otro voltaje. (También llamado dinamotor, abreviatura de dinamo-motor)
• Creación o equilibrio de un sistema de CC de tres cables.
• CA en una frecuencia a CA en otra frecuencia relacionada armónicamente
• CA de voltaje fijo a CA de voltaje variable
• CA monofásica a CA trifásica

Antes de que la regulación de voltaje de CA de estado sólido estuviera disponible o fuera rentable, se utilizaban grupos electrógenos para proporcionar un voltaje de CA variable. El voltaje de CC que llegaba a la armadura del generador se variaba de forma manual o electrónica para controlar el voltaje de salida. Cuando se utiliza de esta manera, el grupo MG es equivalente a un transformador variable aislado.

Un alternador Alexanderson es un alternador de alta frecuencia accionado por motor que proporciona energía de radiofrecuencia . En los primeros tiempos de la comunicación por radio, la onda portadora de alta frecuencia tenía que producirse mecánicamente utilizando un alternador con muchos polos accionados a altas velocidades. Los alternadores Alexanderson producían RF de hasta 600 kHz, con unidades grandes capaces de generar una potencia de salida de 500 kW. Si bien los convertidores electromecánicos se usaban regularmente para transmisiones de onda larga en las primeras tres décadas del siglo XX, se requerían técnicas electrónicas para frecuencias más altas. El alternador Alexanderson fue reemplazado en gran medida por el oscilador de tubo de vacío en la década de 1920.

Incluso se han utilizado motores-generadores en los casos en que las corrientes de entrada y de salida son básicamente las mismas. En este caso, la inercia mecánica del grupo M-G se utiliza para filtrar los transitorios en la potencia de entrada. La corriente eléctrica de salida puede ser muy limpia (sin ruido) y podrá soportar breves apagones y transitorios de conmutación en la entrada del grupo M-G. Esto puede permitir, por ejemplo, la transición perfecta de la red eléctrica a la corriente alterna proporcionada por un grupo electrógeno diésel .

El grupo motogenerador puede contener un volante de inercia grande para mejorar su autonomía; sin embargo, se debe tener en cuenta en esta aplicación que el motogenerador requerirá una gran cantidad de corriente en el recierre, si antes de que se alcance el par de desconexión ^{[ aclaración necesaria ]} , se produce un apagado. Sin embargo, la corriente de entrada durante el recierre dependerá de muchos factores. A modo de ejemplo, un motogenerador de 250 kVA que funciona a 300 amperios de corriente de carga completa requerirá 1550 amperios de corriente de entrada durante un recierre después de 5 segundos. En este ejemplo se utilizó un volante de inercia montado de forma fija dimensionado para dar como resultado una velocidad de respuesta de 1 ⁄ 2  Hz por segundo . El motogenerador era una máquina de dos cojinetes de tipo vertical con cojinetes en baño de aceite.

Los motores y generadores pueden estar acoplados mediante un eje no conductor en instalaciones que necesitan controlar de cerca la radiación electromagnética, ^[5] o donde se requiere un alto aislamiento de sobretensiones transitorias.

Los grupos electrógenos han sido reemplazados por dispositivos semiconductores para algunos propósitos. En el pasado, un uso popular de los grupos electrógenos era en ascensores . Dado que se requería un control preciso de la velocidad de la máquina de elevación, la impracticabilidad de variar la frecuencia de un motor de CA de alta potencia significaba que el uso de un grupo electrógeno con un motor de elevación de CC era una solución casi estándar en la industria. La electrónica moderna de variadores de frecuencia de CA con motores compatibles ha reemplazado cada vez más a las instalaciones de ascensores tradicionales accionadas por grupos electrógenos, ya que los variadores de CA electrónicos suelen ser un 50 % o más eficientes que la maquinaria accionada por CC de grupos electrógenos. ^[6]

Otro uso de los conjuntos MG fue en la región sur de British Rail . Se utilizaron para convertir el voltaje de suministro de línea de 600 V CC - 850 V CC del tercer riel en 70 V CC para alimentar los controles del material rodante EMU en uso. Desde entonces, estos han sido reemplazados por convertidores de estado sólido en el material rodante nuevo. ^[7] Las locomotoras MG también se han utilizado comúnmente para la transmisión de locomotoras diésel ferroviarias de larga distancia en todo el mundo, debido a problemas de confiabilidad y desgaste con transmisiones mecánicas y de fluidos, pero esto generalmente se está reemplazando con motores más pequeños con transmisión convencional o MG en cada vagón. Las locomotoras eléctricas de larga distancia con suministro de energía aérea de alto voltaje usaban transmisión MG, pero esto generalmente se está reemplazando con un accionamiento de motor distribuido en cada vagón con control y conversión de potencia electrónica. ^[8]

De manera similar, se utilizaron equipos MG en el tranvía PCC para producir una salida de 36 VCC a partir de la fuente de alimentación de tracción de 600 VCC. La salida de bajo voltaje carga las baterías del tranvía y suministra corriente para el equipo de control y auxiliar (incluidos los faros, los timbres, los motores de las puertas y los frenos electromagnéticos de las vías).

Los grupos electrógenos se utilizaban a menudo para proporcionar energía CC de alta corriente para las lámparas de arco de carbón en los grandes proyectores de películas en la década de 1950 y 1960, antes de que la luz de arco de electrodo de carbón fuera reemplazada por los modernos sistemas de proyección de lámparas de arco de xenón (a partir de 1963 en los EE. UU.).

En entornos industriales donde se necesita cancelación de armónicos, conversión de frecuencia o aislamiento de línea, los grupos electrógenos siguen siendo una solución popular. ^{[ cita requerida ]} Una característica útil de los motores-generadores es que pueden manejar grandes sobrecargas de corto plazo mejor que los dispositivos semiconductores de la misma capacidad de carga promedio. Considere que los componentes limitados por corriente térmica de un gran inversor semiconductor son interruptores de estado sólido que pesan unos pocos gramos con una constante de tiempo térmica hasta sus disipadores de calor de probablemente más de 100 ms, mientras que los componentes limitados por corriente térmica de un MG son bobinados de cobre que a veces pesan cientos de kilogramos que están intrínsecamente unidos a su propia gran masa térmica. También tienen una resistencia inherentemente excelente a la descarga electrostática (ESD).

En principio, cualquier generador eléctrico puede servir también como motor eléctrico, o viceversa. En los vehículos híbridos y otros sistemas de energía ligeros, un "motor-generador" es una máquina eléctrica individual que puede utilizarse como motor eléctrico o como generador , convirtiendo entre energía eléctrica y energía mecánica .

A partir de la temporada 2014, los coches de carreras de Fórmula 1 tendrán dos de lo que se describe como "unidades motor-generador" (MGU) ^[9] Esto hace que los coches sean más eficientes en el consumo de combustible al recolectar energía del turbocompresor y al frenar . Sin embargo, estos no son generadores de motor como se describe aquí, sino que son más como dinamotores , unidades individuales que pueden actuar como generador o motor. Se pueden usar para proporcionar 160 BHP adicionales a las ruedas para ayudar a la aceleración y adelantamiento, o se pueden usar para hacer girar el turbo para aumentar la presión de refuerzo más rápido, reduciendo así el retraso del turbo .

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Generadores de motores .