Generador eléctrico

En la generación de electricidad , un generador ^[1] es un dispositivo que convierte la energía basada en el movimiento ( energía potencial y cinética ) o la energía basada en combustible ( energía química ) en energía eléctrica para su uso en un circuito externo . Las fuentes de energía mecánica incluyen turbinas de vapor , turbinas de gas , turbinas de agua , motores de combustión interna , turbinas eólicas e incluso manivelas . El primer generador electromagnético, el disco de Faraday , fue inventado en 1831 por el científico británico Michael Faraday . Los generadores proporcionan casi toda la energía para las redes eléctricas .

Además de los diseños basados ​​en electricidad y movimiento, los generadores alimentados por energía fotovoltaica y pilas de combustible utilizan energía solar y combustibles basados ​​en hidrógeno, respectivamente, para generar energía eléctrica.

La conversión inversa de energía eléctrica en energía mecánica se realiza mediante un motor eléctrico , y los motores y los generadores son muy similares. Muchos motores pueden generar electricidad a partir de energía mecánica.

Los generadores electromagnéticos se dividen en dos grandes categorías: dinamos y alternadores.

• Los dinamos generan corriente continua pulsante mediante el uso de un conmutador .
• Los alternadores generan corriente alterna .

Mecánicamente, un generador consta de una parte giratoria y una parte estacionaria que juntas forman un circuito magnético :

• Rotor : La parte giratoria de una máquina eléctrica .
• Estator : La parte estacionaria de una máquina eléctrica, que rodea al rotor.

Una de estas partes genera un campo magnético, la otra tiene un devanado de alambre en el que el campo cambiante induce una corriente eléctrica:

• Bobinado de campo o imanes de campo (permanentes): componente de una máquina eléctrica que produce el campo magnético . El campo magnético de la dinamo o del alternador puede ser proporcionado por bobinas de alambre llamadas bobinas de campo o imanes permanentes . Los generadores excitados eléctricamente incluyen un sistema de excitación para producir el flujo de campo. Un generador que utiliza imanes permanentes (PM) a veces se denomina magneto o generador síncrono de imanes permanentes (PMSG).
• Armadura : componente de una máquina eléctrica que produce energía. En un generador, alternador o dinamo, los devanados de la armadura generan la corriente eléctrica que proporciona energía a un circuito externo.

La armadura puede estar en el rotor o en el estator, dependiendo del diseño, con la bobina de campo o el imán en la otra parte.

Antes de que se descubriera la conexión entre el magnetismo y la electricidad , se inventaron los generadores electrostáticos . Funcionaban según principios electrostáticos , utilizando cintas, placas y discos móviles cargados eléctricamente que transportaban la carga a un electrodo de alto potencial. La carga se generaba utilizando uno de dos mecanismos: inducción electrostática o efecto triboeléctrico . Estos generadores generaban un voltaje muy alto y una corriente baja . Debido a su ineficiencia y a la dificultad de aislar las máquinas que producían voltajes muy altos, los generadores electrostáticos tenían potencias nominales bajas y nunca se utilizaron para la generación de cantidades comercialmente significativas de energía eléctrica. Sus únicas aplicaciones prácticas fueron para alimentar los primeros tubos de rayos X y, más tarde, algunos aceleradores de partículas atómicas .

El principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos fue descubierto en los años 1831-1832 por Michael Faraday . El principio, posteriormente llamado ley de Faraday , es que se genera una fuerza electromotriz en un conductor eléctrico que rodea un flujo magnético variable .

Faraday también construyó el primer generador electromagnético, llamado disco de Faraday , un tipo de generador homopolar que utilizaba un disco de cobre que giraba entre los polos de un imán en forma de herradura y que producía un pequeño voltaje de corriente continua .

Este diseño era ineficiente debido a contraflujos de corriente que se autocancelaban en regiones del disco que no estaban bajo la influencia del campo magnético. Mientras que la corriente se inducía directamente debajo del imán, la corriente circulaba en sentido inverso en regiones que estaban fuera de la influencia del campo magnético. Este contraflujo limitaba la salida de potencia a los cables de captación e inducía un calentamiento residual del disco de cobre. Los generadores homopolares posteriores resolverían este problema utilizando una serie de imanes dispuestos alrededor del perímetro del disco para mantener un efecto de campo constante en una dirección del flujo de corriente.

Otra desventaja era que el voltaje de salida era muy bajo, debido a la única ruta de corriente a través del flujo magnético. Los experimentadores descubrieron que el uso de múltiples vueltas de alambre en una bobina podía producir voltajes más altos y útiles. Dado que el voltaje de salida es proporcional al número de vueltas, los generadores podían diseñarse fácilmente para producir cualquier voltaje deseado variando el número de vueltas. Los devanados de alambre se convirtieron en una característica básica de todos los diseños de generadores posteriores.

Independientemente de Faraday, Ányos Jedlik comenzó a experimentar en 1827 con los dispositivos rotatorios electromagnéticos que llamó autorrotores electromagnéticos . En el prototipo del arrancador eléctrico unipolar (terminado entre 1852 y 1854) tanto las partes estacionarias como las giratorias eran electromagnéticas. También fue el descubrimiento del principio de autoexcitación de la dinamo , ^[2] que reemplazó los diseños de imán permanente. También pudo haber formulado el concepto de dinamo en 1861 (antes de Siemens y Wheatstone ), pero no lo patentó porque pensó que no era el primero en darse cuenta de esto. ^[3]

Una bobina de alambre que gira en un campo magnético produce una corriente que cambia de dirección con cada rotación de 180°, una corriente alterna (CA). Sin embargo, muchos de los primeros usos de la electricidad requerían corriente continua (CC). En los primeros generadores eléctricos prácticos, llamados dinamos , la CA se convertía en CC con un conmutador , un conjunto de contactos de conmutación giratorios en el eje de la armadura. El conmutador invertía la conexión del devanado de la armadura al circuito cada rotación de 180° del eje, creando una corriente continua pulsante. Uno de los primeros dinamos fue construido por Hippolyte Pixii en 1832.

El dinamo fue el primer generador eléctrico capaz de suministrar energía a la industria. El generador eléctrico Woolrich de 1844, que ahora se encuentra en el Thinktank del Museo de Ciencias de Birmingham , es el primer generador eléctrico utilizado en un proceso industrial. ^[4] Fue utilizado por la empresa Elkingtons para la galvanoplastia comercial . ^{[5] [6] [7]}

La dinamo moderna, apta para su uso en aplicaciones industriales, fue inventada independientemente por Sir Charles Wheatstone , Werner von Siemens y Samuel Alfred Varley . Varley obtuvo una patente el 24 de diciembre de 1866, mientras que Siemens y Wheatstone anunciaron sus descubrimientos el 17 de enero de 1867 mediante la presentación de documentos en la Royal Society . ^{[8] [9]}

La "máquina dinamoeléctrica" ​​empleaba bobinas de campo electromagnético autoalimentadas en lugar de imanes permanentes para crear el campo del estator. ^[10] El diseño de Wheatstone era similar al de Siemens, con la diferencia de que en el diseño de Siemens los electroimanes del estator estaban en serie con el rotor, pero en el diseño de Wheatstone estaban en paralelo. ^{[8] [9]} El uso de electroimanes en lugar de imanes permanentes aumentó enormemente la potencia de salida de un dinamo y permitió la generación de alta potencia por primera vez. Esta invención condujo directamente a los primeros usos industriales importantes de la electricidad. Por ejemplo, en la década de 1870, Siemens utilizó dinamos electromagnéticos para alimentar hornos de arco eléctrico para la producción de metales y otros materiales.

La máquina dinamo que se desarrolló constaba de una estructura estacionaria, que proporciona el campo magnético, y un conjunto de bobinados giratorios que giraban dentro de ese campo. En máquinas más grandes, el campo magnético constante lo proporcionan uno o más electroimanes, que suelen llamarse bobinas de campo.

En la actualidad, rara vez se ven grandes dinamos generadores de energía debido al uso casi universal de la corriente alterna para la distribución de energía. Antes de la adopción de la corriente alterna, los dinamos de corriente continua de gran tamaño eran el único medio de generación y distribución de energía. La corriente alterna ha llegado a predominar debido a su capacidad de transformarse fácilmente a voltajes muy altos y viceversa, lo que permite bajas pérdidas en grandes distancias.

A través de una serie de descubrimientos, el dinamo fue reemplazado por muchos inventos posteriores, especialmente el alternador de CA , que era capaz de generar corriente alterna . Se lo conoce comúnmente como generadores síncronos (SG). Las máquinas síncronas están conectadas directamente a la red y necesitan estar correctamente sincronizadas durante el arranque. ^[11] Además, se excitan con un control especial para mejorar la estabilidad del sistema eléctrico. ^[12]

Los sistemas de generación de corriente alterna se conocieron en formas simples a partir del descubrimiento original de Michael Faraday de la inducción magnética de la corriente eléctrica . El propio Faraday construyó un alternador primitivo. Su máquina era un "rectángulo giratorio", cuyo funcionamiento era heteropolar : cada conductor activo pasaba sucesivamente por regiones donde el campo magnético tenía direcciones opuestas. ^[13]

Los grandes generadores de corriente alterna bifásica fueron construidos por un electricista británico, JEH Gordon , en 1882. La primera demostración pública de un "sistema de alternador" fue realizada por William Stanley Jr. , un empleado de Westinghouse Electric en 1886. ^[14]

Sebastian Ziani de Ferranti fundó Ferranti, Thompson and Ince en 1882 para comercializar su alternador Ferranti-Thompson , inventado con la ayuda del renombrado físico Lord Kelvin . ^[15] Sus primeros alternadores producían frecuencias entre 100 y 300 Hz . Ferranti diseñó la central eléctrica de Deptford para la London Electric Supply Corporation en 1887 utilizando un sistema de corriente alterna. Cuando se completó en 1891, fue la primera central eléctrica verdaderamente moderna, que suministraba energía CA de alto voltaje que luego se "reducía" para el uso del consumidor en cada calle. Este sistema básico sigue utilizándose hoy en día en todo el mundo.

Después de 1891, se introdujeron los alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. ^[16] Más tarde, se diseñaron alternadores para variar las frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hercios, para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. ^[17]

A medida que aumentaron los requisitos de generación de energía a mayor escala, surgió una nueva limitación: los campos magnéticos disponibles a partir de imanes permanentes. Al desviar una pequeña cantidad de la energía generada por el generador a una bobina de campo electromagnético , el generador pudo producir sustancialmente más energía. Este concepto se denominó autoexcitación .

Las bobinas de campo están conectadas en serie o en paralelo con el devanado de la armadura. Cuando el generador comienza a girar, la pequeña cantidad de magnetismo remanente presente en el núcleo de hierro proporciona un campo magnético para ponerlo en marcha, generando una pequeña corriente en la armadura. Esta fluye a través de las bobinas de campo, creando un campo magnético más grande que genera una corriente de armadura más grande. Este proceso de "arranque" continúa hasta que el campo magnético en el núcleo se nivela debido a la saturación y el generador alcanza una salida de potencia en estado estable.

Los generadores de las centrales eléctricas de gran tamaño suelen utilizar un generador más pequeño independiente para excitar las bobinas de campo del generador más grande. En caso de un corte de energía generalizado y grave en el que se haya producido un efecto de aislamiento en las centrales eléctricas, es posible que las centrales tengan que realizar un arranque en negro para excitar los campos de sus generadores más grandes y así restablecer el servicio eléctrico a los clientes.

Un dinamo utiliza conmutadores para producir corriente continua. Es autoexcitado , es decir, sus electroimanes de campo se alimentan con la propia salida de la máquina. Otros tipos de generadores de CC utilizan una fuente independiente de corriente continua para alimentar sus imanes de campo.

Un generador homopolar es un generador eléctrico de corriente continua que consta de un disco o cilindro conductor de electricidad que gira en un plano perpendicular a un campo magnético estático uniforme. Se crea una diferencia de potencial entre el centro del disco y el borde (o los extremos del cilindro), y la polaridad eléctrica depende de la dirección de rotación y de la orientación del campo.

También se le conoce como generador unipolar , generador acíclico , dinamo de disco o disco de Faraday . El voltaje es típicamente bajo, del orden de unos pocos voltios en el caso de pequeños modelos de demostración, pero los grandes generadores de investigación pueden producir cientos de voltios, y algunos sistemas tienen múltiples generadores en serie para producir un voltaje aún mayor. ^[18] Son inusuales en el sentido de que pueden producir una corriente eléctrica tremenda, algunas más de un millón de amperios , porque el generador homopolar puede hacerse para que tenga una resistencia interna muy baja.

Un generador magnetohidrodinámico extrae directamente energía eléctrica de gases calientes en movimiento a través de un campo magnético, sin el uso de maquinaria electromagnética rotatoria. Los generadores MHD se desarrollaron originalmente porque la salida de un generador MHD de plasma es una llama, capaz de calentar las calderas de una planta de energía de vapor . El primer diseño práctico fue el AVCO Mk. 25, desarrollado en 1965. El gobierno de los EE. UU. financió un desarrollo sustancial, que culminó en una planta de demostración de 25 MW en 1987. En la Unión Soviética desde 1972 hasta fines de la década de 1980, la planta MHD U 25 estuvo en operación de servicio público regular en el sistema eléctrico de Moscú con una clasificación de 25 MW, la clasificación de planta MHD más grande del mundo en ese momento. ^[19] Los generadores MHD operados como un ciclo superior son actualmente (2007) menos eficientes que las turbinas de gas de ciclo combinado .

Los motores de inducción de corriente alterna pueden utilizarse como generadores, convirtiendo la energía mecánica en corriente eléctrica. Los generadores de inducción funcionan haciendo girar mecánicamente su rotor más rápido que la velocidad simultánea, lo que produce un deslizamiento negativo. Un motor de corriente alterna no simultáneo normal normalmente se puede utilizar como generador, sin necesidad de realizar cambios en sus piezas. Los generadores de inducción son útiles en aplicaciones como minicentrales hidroeléctricas, turbinas eólicas o para reducir corrientes de gas de alta presión a una presión más baja, porque pueden recuperar energía con controles relativamente simples. No requieren otro circuito para empezar a funcionar porque el campo magnético giratorio lo proporciona la inducción del que tienen. Tampoco requieren un equipo regulador de velocidad, ya que funcionan inherentemente a la frecuencia de la red conectada.

Un generador de inducción debe ser alimentado con un voltaje adelantado; esto generalmente se hace mediante la conexión a una red eléctrica o alimentándose con capacitores correctores de fase.

En la forma más simple de generador eléctrico lineal, un imán deslizante se mueve hacia adelante y hacia atrás a través de un solenoide , un cable de cobre o una bobina. Se induce una corriente alterna en el cable, o en los bucles de cable, mediante la ley de inducción de Faraday cada vez que el imán se desliza a través de ellos. Este tipo de generador se utiliza en la linterna de Faraday . Los generadores de electricidad lineales más grandes se utilizan en esquemas de energía undimotriz .

Los generadores conectados a la red eléctrica suministran energía a una frecuencia constante. En el caso de los generadores de tipo síncrono o de inducción, la velocidad del motor de arranque que hace girar el eje del generador debe ser a una velocidad determinada (o a un rango estrecho de velocidad) para suministrar energía a la frecuencia requerida por la red eléctrica. Los dispositivos mecánicos de regulación de velocidad pueden desperdiciar una fracción significativa de la energía de entrada para mantener una frecuencia fija requerida.

Cuando no es práctico o no se desea regular estrictamente la velocidad del motor primario, se pueden utilizar máquinas eléctricas doblemente alimentadas como generadores. Con la ayuda de dispositivos electrónicos de potencia, estos pueden regular la frecuencia de salida a un valor deseado en un rango más amplio de velocidades del eje del generador. Alternativamente, se puede utilizar un generador estándar sin intentar regular la frecuencia, y la potencia resultante se puede convertir a la frecuencia de salida deseada con una combinación de rectificador y convertidor. Permitir un rango más amplio de velocidades del motor primario puede mejorar la producción total de energía de una instalación, a costa de generadores y controles más complejos. Por ejemplo, cuando se puede requerir que una turbina eólica que funcione a una frecuencia fija derrame energía a altas velocidades del viento, un sistema de velocidad variable puede permitir la recuperación de la energía contenida durante períodos de alta velocidad del viento.

Una central eléctrica , también conocida como planta eléctrica o central eléctrica y, a veces, estación generadora o planta generadora , es una instalación industrial que genera electricidad . La mayoría de las centrales eléctricas contienen uno o más generadores o máquinas de hilar que convierten la energía mecánica en energía eléctrica trifásica . El movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor crea una corriente eléctrica . La fuente de energía aprovechada para hacer girar el generador varía ampliamente. La mayoría de las centrales eléctricas del mundo queman combustibles fósiles como carbón , petróleo y gas natural para generar electricidad. Las fuentes más limpias incluyen la energía nuclear y, cada vez más, utilizan energías renovables como el sol , el viento , las olas y el agua corriente .

Los vehículos de motor necesitan energía eléctrica para alimentar sus instrumentos, mantener el motor en funcionamiento y recargar sus baterías. Hasta aproximadamente la década de 1960, los vehículos de motor solían utilizar generadores de corriente continua (dinamos) con reguladores electromecánicos. Siguiendo la tendencia histórica anterior y por muchas de las mismas razones, estos han sido reemplazados por alternadores con circuitos rectificadores incorporados .

Las bicicletas necesitan energía para hacer funcionar las luces de marcha y otros equipos. Hay dos tipos comunes de generadores que se utilizan en las bicicletas: dinamos de botella que activan el neumático de la bicicleta según sea necesario, y dinamos de buje que se conectan directamente a la transmisión de la bicicleta. El nombre es convencional, ya que son pequeños alternadores de imán permanente, no máquinas de CC autoexcitadas como los dinamos . Algunas bicicletas eléctricas son capaces de realizar un frenado regenerativo , donde el motor de accionamiento se utiliza como generador para recuperar algo de energía durante el frenado.

Los barcos de vela pueden utilizar un generador alimentado por agua o viento para cargar las baterías de forma continua. Una pequeña hélice , turbina eólica o turbina se conecta a un generador de baja potencia para suministrar corrientes a velocidades típicas del viento o de crucero.

Los vehículos recreativos necesitan una fuente de alimentación adicional para alimentar sus accesorios a bordo, incluidas las unidades de aire acondicionado y los refrigeradores. Se conecta un enchufe de alimentación del vehículo recreativo al generador eléctrico para obtener un suministro de energía estable. ^[20]

Los patinetes eléctricos con frenado regenerativo se han vuelto populares en todo el mundo. Los ingenieros utilizan sistemas de recuperación de energía cinética en los patinetes para reducir el consumo de energía y aumentar su autonomía hasta un 40-60% simplemente recuperando energía mediante el freno magnético, que genera energía eléctrica para su uso posterior. Los vehículos modernos alcanzan velocidades de hasta 25-30 km/h y pueden recorrer hasta 35-40 km.

Un motor-generador es la combinación de un generador eléctrico y un motor (motor primario) montados juntos para formar una sola pieza de equipo autónomo. Los motores utilizados suelen ser de pistón, pero también se pueden utilizar turbinas de gas, e incluso hay unidades híbridas diésel-gas, llamadas unidades de combustible dual. Hay muchas versiones diferentes de motores-generadores disponibles, que van desde grupos portátiles muy pequeños alimentados con gasolina hasta grandes instalaciones con turbinas. La principal ventaja de los motores-generadores es la capacidad de suministrar electricidad de forma independiente, lo que permite que las unidades sirvan como fuentes de energía de respaldo. ^[21]

Un generador también puede funcionar con la fuerza muscular humana (por ejemplo, en los equipos de una estación de radio de campo).

Los generadores eléctricos accionados por el hombre están disponibles comercialmente y han sido el proyecto de algunos entusiastas del bricolaje . Normalmente, estos generadores funcionan mediante la potencia de los pedales, un entrenador de bicicleta modificado o una bomba de pie; se pueden utilizar prácticamente para cargar baterías y, en algunos casos, están diseñados con un inversor integrado. Un "humano sano" medio puede producir 75 vatios (0,1 caballos de fuerza) de forma constante durante un período completo de ocho horas, mientras que un "atleta de primera clase" puede producir aproximadamente 298 vatios (0,4 caballos de fuerza) durante un período similar, al final del cual se requerirá un período indeterminado de descanso y recuperación. Con 298 vatios, el "humano sano" medio se agota en 10 minutos. ^[23] La potencia eléctrica neta que se puede producir será menor, debido a la eficiencia del generador. Los receptores de radio portátiles con manivela están diseñados para reducir los requisitos de compra de baterías, consulte radio de relojería . A mediados del siglo XX, se utilizaron radios a pedal en todo el interior de Australia para proporcionar educación ( Escuela del Aire ), atención médica y otras necesidades en estaciones y pueblos remotos.

Un tacogenerador es un dispositivo electromecánico que produce un voltaje de salida proporcional a la velocidad de su eje. Puede utilizarse como indicador de velocidad o en un sistema de control de velocidad por retroalimentación. Los tacogeneradores se utilizan con frecuencia para alimentar tacómetros que miden la velocidad de motores eléctricos, motores y equipos que alimentan. Los generadores generan un voltaje aproximadamente proporcional a la velocidad del eje. Con una construcción y un diseño precisos, se pueden construir generadores para producir voltajes muy precisos para ciertos rangos de velocidades del eje. ^{[ cita requerida ]}

En el diagrama adjunto se muestra un circuito equivalente de un generador y una carga. El generador está representado por un generador abstracto que consta de una fuente de tensión ideal y una impedancia interna. Los parámetros del generador se pueden determinar midiendo la resistencia del devanado (corregida a la temperatura de funcionamiento ) y midiendo la tensión en circuito abierto y con carga para una carga de corriente definida.${\displaystyle V_{\text{G}}}$${\displaystyle R_{\text{G}}}$

Este es el modelo más simple de un generador; es posible que se deban agregar más elementos para lograr una representación precisa. En particular, se puede agregar inductancia para tener en cuenta los devanados de la máquina y el flujo de fuga magnética ^[24] , pero una representación completa puede volverse mucho más compleja que esto. ^[25]

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