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Este documento ofrece información sobre los generadores eléctricos, sus funcionamientos en corriente alterna y continua, y sus tipos como generadores de campo magnético estático y rotativo, generadores trifásicos y generadores eléctricos electroquímicos, hidráulicos y fotovoltaicos. Se incluyen experimentos y aplicaciones en la industria y el transporte de electricidad.
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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Tema : Generadores de energía eléctrica: corriente alterna y corriente continua Asignatura : Principios Eléctricos Y Aplicaciones Digitales Grupo: A Nombre : Javier Alejandro Pérez Pasoz Profesor: Manuel Antonio Rodríguez Fecha : 6/03/
Los Motores y generadores eléctricos, son un grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor. Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente en el conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampere. Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor. El campo magnético de un imán permanente es lo suficientemente fuerte como para hacer funcionar una sola dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los cables conductores. GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA El funcionamiento del generador de corriente alterna, se basa en el principio general de inducción de voltaje en un conductor en movimiento cuando atraviesa un campo magnético. Este generador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo
La fem V varía sinusoidalmente con el tiempo, como se muestra en la figura. La fem alcanza su valor máximo en valor absoluto cuando t= /2 o 3 /2, cuando el flujo es mínimo (el campo magnético está en el plano de la espira), y es nula cuando t=0 o , cuando el flujo es máximo (el campo magnético es perpendicular al plano de la espira). Sentido de la corriente inducida Aplicando la ley de Lenz podemos determinar el sentido de la corriente inducida. El sentido viene determinado por el movimiento de portadores de cargas positivos representados por puntos rojos. Ley de Faraday En 1831, los experimentos llevados a cabo simultáneamente por Michael Faraday en Inglaterra y Josep Henry en los Estados Unidos concluyeron que una corriente eléctrica puede ser inducida en un circuito si el campo magnético al que está expuesto varía. Como consecuencia de estos experimentos, Michael Faraday enunció su Ley de Faraday: La magnitud de la fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente proporcional a la velocidad con la que el flujo magnético que atraviesa la superficie del circuito varía.
Donde ϕ es el flujo, B es la inducción magnética, S es la superficie del conductor y α es el ángulo que forman el conductor y la dirección del campo. Conocidas las leyes físicas que dictan el comportamiento de la fuera electromotriz inducida, estudiemos el caso de una espira rectangular que gira en un campo magnético constante: Si suponemos w constante, el ángulo que forma el diferencial de superficie de la espira con el campo es wt, y el flujo magnético a través de la espira será F=B*S=BScos(wt). Como la fuerza electromotriz inducida en una espira es: en nuestro caso quedaría V=wBSsen(wt)
Por tanto, la fem varía de forma sinusoidal con el tiempo. Para determinar el sentido de la corriente hay que aplicar la ley de Lenz y estudiar la fuerza que se produce sobre un portador de carga positivo. Como ya hemos estudiado la fuerza fm que ejerce un campo magnético B sobre un portador de carga positivo que se mueve con velocidad v es el producto vectorial. En la figura, se ha dibujado el vector velocidad cuyo módulo es v=w·b/2. y el vector campo B en la posición que ocupa un portador de carga positivo representado por un punto de color rojo. Como v y B forman el ángulo w t, el módulo de la fuerza es fm=qw (b/2)B·sen(w t). El campo En =fm/q que impulsa las cargas (fuerza por unidad de carga positiva) es En= w (b/2)B·sen(w t)
Generadores de campo magnético rotativo : Estos presentan la ventaja de que como la parte en la que se produce el voltaje es estática, se puede entregar la corriente directamente del armazón a la carga. En este caso, el estátor consiste en un núcleo de hierro laminado con los arrollamientos sujetos a él. Por otro lado, podemos clasificar los generadores según el tipo de corriente alterna que generan. Generadores monofásicos: Producen una única corriente que alterna continuamente, conocida como corriente monofásica. Es la configuración más básica, y los generadores que hemos visto en las figuras anteriores corresponden a este modelo. Aunque la corriente que nos llega a casa es monofásica, eso no quiere decir que sea generada así, ya que como más adelante veremos para altos voltajes se adopta el sistema trifásico. Como hemos visto, el esquema sería el siguiente:
Generadores bifásicos: Como se puede apreciar, el esquema es muy similar, aunque en esta configuración obtenemos dos diferencias de potencial respecto de la misma masa iguales, pero con un desfase de 90º. La ventaja es evidente, ya que con un mismo rotor podemos lograr el trabajo de dos, pero la configuración del estátor se complica bastante ya que necesitamos el doble de pastillas de arrollamientos en él. Suelen tener 3 cables de salida ya que podemos cortocircuitar la masa de B con la de A, y obtenemos la configuración estándar de generador bifásico de tres terminales. Generadores trifásicos: Siguiendo la lógica con la que hemos estudiado el generador bifásico, podemos sacar un tercer voltaje del generador con la siguiente configuración:
funcionan a pesar de la variación meteorológica, es decir, aunque sea de noche, llueva o esté nublado. Aunque el efecto fotovoltaico era conocido desde el siglo XIX en las etapas iniciales de la tecnología fotovoltaica, este tipo de energía se empleó para proveer de electricidad a los satélites. Fue en la década de los 50 en plena carrera espacial cuando los paneles fotovoltaicos aceleraron su desarrollo hasta convertirse, en la actualidad, en una alternativa al empleo de combustibles fósiles. Como beneficios de estos generadores eléctricos cabe señalar que la energía eléctrica generada mediante paneles solares fotovoltaicos es inagotable y no contamina, por lo que contribuye al desarrollo sostenible, además de favorecer el desarrollo del empleo local. Asimismo, puede aprovecharse de dos formas diferentes: puede venderse a la red eléctrica o puede ser consumida en lugares aislados donde no existe una red eléctrica convencional. Por ello, es un sistema particularmente adecuado para zonas rurales o aisladas donde el tendido eléctrico no llega o es dificultosa o costosa su instalación o para zonas geográficas cuya climatología permite muchas horas de sol al año. Hoy en día constituyen una tecnología de generación eléctrica renovable con grandes posibilidades, el coste de instalación y mantenimiento de los paneles solares, cuya vida útil media es mayor a los 30 años, ha disminuido ostensiblemente en los últimos años 8del orden del 60%), a medida que se desarrolla la tecnología fotovoltaica. Una de las principales virtudes de la tecnología fotovoltaica es su aspecto modular, pudiéndose construir desde enormes plantas fotovoltaicas en suelo hasta pequeños paneles para tejados.
eléctrica, un generador de corriente se convierte en imprescindible para poder trabajar.
Debido a sus características, esta es una de las energías limpias más usadas en el mundo (junto con la energía solar). ENERGÍA NUCLEAR La energía nuclear es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Los átomos son las partículas más pequeñas en que se puede dividir un elemento químico manteniendo sus propiedades. En el núcleo de cada átomo hay dos tipos de partículas, neutrones y protones. Las fuerzas que mantienen unidas las partículas del núcleo entre sí – venciendo incluso las de repulsión electrostática entre los protones- son de naturaleza desconocida y de corto alcance, solo aparecen en el interior de los núcleos y se denominan fuerzas nucleares. La energía acumulada por estas se llama energía de enlace. Al determinar la masa del núcleo, se observa que es inferior a la suma de la masa de sus componentes. La diferencia entre ambas masas se llama defecto másico (∆m) y la energía de enlace se calcula mediante la ecuación de Einstein: E = ∆m · c2 [siendo c la velocidad de la luz] Por tanto, una parte de la masa del núcleo se transforma en energía de enlace para mantener unidas las partículas del núcleo. Esta energía es la que se libera – en forma de una gran cantidad de energía calorífica y radiación- cuando tiene lugar una reacción nuclear, y a la que se denomina energía nuclear. Existen dos tipos principales de reacciones nucleares: la fusión nuclear y la fisión nuclear.
movimiento del agua origina energía cinética con potencial de convertirse en electricidad. Este poder del agua ha sido usado desde hace miles de años por las antiguas civilizaciones. Por ejemplo, los griegos y los romanos fueron prolíficos constructores que aprovecharon la energía hidráulica para moler y hacer otros trabajos pesados. TECNOLOGÍAS QUE USAN ENERGÍA HIDRÁULICA Hay en existencia un gran número de tecnologías que necesitan de la energía del agua. Una de las más arcaicas es la rueda hidráulica, que se utiliza para construir molinos. El trompe es otro artefacto, aunque es menos conocido. Se trata de un compresor de gas de accionamiento hidráulico, que produce aire comprimido de la caída del agua. La turbina hidráulica es el aparato de más uso cuando de generar electricidad se trata. Es un motor que rota para obtener la energía del agua en movimiento. Funciona de la siguiente manera: cuando el agua fluye, se dirige hacia las aspas giratorias, hecho que crea fuerza sobre aquellas y así, la energía se transfiere desde el agua hacia la turbina. Una tecnología más avanzada es la planta hidroeléctrica, que es toda una instalación enfocada al aprovechamiento de la energía hidráulica para producir energía eléctrica. La planta fuerza el agua mantenida en una presa a través de la turbina hidráulica que está conectada a un generador, entonces el agua sale de la turbina y es dirigida hacia una corriente debajo de la presa. TIPOLOGÍA DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA Dado que el fin principal de la energía hidráulica es generar electricidad, puede clasificarse de acuerdo con los métodos de generación:
