Autor:
Ing. Víctor Cires
Gavidia
Octubre, 2003
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C
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Me dirán que me he estado saliendo por la tangente,
que les prometí explicarles cómo trabajan los motores,
cómo se produce la energía eléctrica, cómo funciona el
radio, los hornos de microondas, etc.
Nada más lejos de la verdad!,
necesitamos
hablar
de
lo
primero
para
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poder explicar lo segundo, como dicen comunmente, la teoría y la
práctica.
Muchos nos dicen, que la práctica es lo real y verdadero; el
caso es que la práctica no se puede llevar a cabo con buenos
resultados si antes no hay una teoría adecuada y si la práctica
no coincide con la teoría es que la teoría estaba equivocada, la
verdad es que: los inventores han aplicado los conocimientos que
los científicos les han proporcionado
No les quiero quitar méritos, al contrario, son las gentes
prácticas las que han sabido utilizar dichos conocimientos para
producir todas las maravillas modernas.
En 1831, Miguel Faraday, construyó el primer generador
eléctrico, haciendo girar un disco de cobre entre los polos de
un imán de herradura, colectando la corriente producida entre el
eje de rotación del disco y la periferia.
Fue éste el primer generador.
Posteriormente H.Pixii
desarrolló la primera máquina práctica y
el primer conmutador
Fueron muchos y muy rápidos los adelantos subsecuentes,
Werner
Siemens en Alemania inventó el devanado de tambor y fundó la
compañía que lleva su nombre y que tanto éxito ha logrado en el
mercado mundial.
Asimismo en Estados Unidos, Tomás A. Edison construyó el primer
generador con núcleo laminado, que subió la eficiencia a 90%, él
también fundó una compañía, que en el campo eléctrico llegó a
ser la mayor del mundo, la General Electric.
No entraré en mucho detalle (ni poco) en la explicación de como
trabajan los generadores modernos, quizás los mas numerosos,
aunque no los mas grandes, sean los que se utilizan en los
automóviles para mantener cargada la batería, aunque ya en la
mayoría de los automóviles modernos hayan sido substituidos por
el "alternador", que no es sino un generador que produce un
voltaje alterno, el cual se "rectifica", para mantener a la
batería cargada.
El generador de "corriente directa", está constituido
básicamente por dos partes:
El "estator", que produce el campo magnético necesario gracias a
la corriente que circula por sus bobinas (bobinas del campo) que
producen este flujo magnético que va a ser cortado por los
conductores alojados en el "rotor", al que se hace girar
aplicándole energía externa proveniente de cualquier elemento
motriz: motor de combustión interna, como es el caso de los
automóviles, o las aspas de un molino de viento o de agua, etc.
En realidad, el único "generador de corriente directa", es el
generador homopolar, que ha sido construido solamente en forma
experimental y cuyo uso no se ha comercializado.
Los otros generadores de "corriente directa", mal así llamados,
son en realidad generadores de corriente alterna que se
"rectifica" mecánicamente por medio del conmutador.
Sin entrar en mucho detalle, lo que sucede es que los
conductores del rotor cortan flujo magnético en direcciones
opuestas al pasar bajo polos alternados: norte-sur, lo que
induce voltajes y corrientes que se alternan, pero que se envían
al exterior del generador en un solo sentido, gracias a un
rectificador mecánico (colector), que recoge dichas corrientes
alternadas del rotor enviándolas al exterior .
Sé que esto no es fácil de explicar sin entrar en detalles en
los que no quiero meterme para no aburrir al paciente lector.
Los que se sientan con ánimo de entrar en un poco de detalle,
pueden leer los párrafos siguientes, los que no, pueden
saltárselos tranquilamente.
Veamos a grandes rasgos cómo trabaja un generador moderno, por
ejemplo el que carga la batería en algunos automóviles.
Digo en algunos, porque la mayoría utilizan "alternador", que
también veremos cómo trabaja.
El generador consta de dos partes básicas: El estator, o parte
fija en el que están colocados los polos, que producen el campo
magnético y el rotor o armadura, en el que están colocados los
alambres que van a cortar las líneas de fuerza del campo
magnético de los polos.
El campo magnético es producido en el estator por dos bobinas
(máquina de dos polos), conectadas en serie, es decir, una a
continuación de la otra, por las que circula una corriente
proveniente de la batería.
El circuito magnético está formado por el estator en el que se
encuentran las bobinas que constituyen los polos magnéticos y un
tambor de láminas de fierro en el centro que puede girar, al que
se llama rotor o armadura.
Cuando se hace circular corriente por las bobinas de los polos,
se produce un campo magnético, cuyas líneas de fuerza salen del
polo norte, cruzan a través del aire "el entrehierro" para pasar
a través del tambor o rotor, vuelven a cruzar el entrehierro
para entrar por el polo sur y de éste, se bifurcan por dos
trayectorias en el estator, para llegar nuevamente al polo
norte, cerrando así el circuito magnético.
La intensidad de este circuito magnético, depende de la magnitud
de la corriente que hagamos circular por las bobinas, del número
de vueltas de dichas bobinas y de la "reluctancia" o resistencia
magnética que el "circuito" opone a la formación de las líneas
de fuerza del campo magnético. |
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Esta reluctancia, o resistencia a la formación de líneas de
fuerza magnéticas, es mayor en el aire que en el fierro, por lo
que se debe procurar que el "entrehierro" sea lo menor posible.
Esta reluctancia, será tanto menor cuanto mayor sea la sección o
área en la que se distribuyan las líneas de fuerza del campo
magnético; por lo tanto el diseño del circuito magnético debe
considerar todos estos parámetros.
En el rotor se colocan los conductores en los que se va a
generar el voltaje inducido, al hacerlos girar.
Estos conductores se colocan en ranuras efectuadas en la
laminación del tambor que constituye la armadura.
Mas adelante veremos por qué el rotor está hecho por láminas de
fierro aisladas entre sí, en lugar de una pieza de fierro
sólida.
Al hacer girar el rotor, los conductores colocados en las
ranuras de su periferia, cortan las líneas de fuerza del campo
magnético y se induce en ellos un voltaje o fuerza
electromotriz, que depende, según nos explicó Faraday, de la
longitud del conductor que corta las líneas de fuerza, de la
velocidad de corte, o sea la velocidad de rotación del rotor y
de la intensidad del campo magnético.
Una bobina del rotor, está "devanada" (enrollada), entre una
ranura colocada bajo el polo norte y otra bajo el polo sur.
Vamos a imaginar por un momento, que en el rotor sólo hubiera
esta sola bobina.
Esta bobina de varias espiras (vueltas) de alambre, queda así
enrollada en un plano paralelo a las líneas de fuerza del campo
magnético.
Llamemos "a" a los alambres de la bobina que están bajo el polo
norte y "b" a los que están bajo el polo sur.
Coloquemos nuestro generador, de forma que el polo norte quede
en la parte superior y el sur en la parte inferior y hagamos
girar el rotor en sentido opuesto a las manecillas del reloj.
Las líneas de fuerza del campo magnético serán verticales y con
dirección de arriba hacia abajo.
Al hacer girar el rotor, se inducirá un voltaje en los
conductores "a" de nuestra bobina de forma que la parte del
frente es positiva con respecto a la parte posterior; es decir,
los electrones libres del conductor de nuestra bobina, al
moverse, forman un campo magnético que refuerza al campo
magnético de los polos en la parte izquierda y lo debilita en la
parte derecha, haciendo que los electrones se muevan hacia la
parte posterior, ¿recuerdan? van al revés que la corriente).
Igual, pero en sentido inverso, sucede con los conductores "b",
colocados bajo el polo sur.
Al dar media vuelta a nuestro rotor, las condiciones se
invierten, los conductores "a", quedan ahora bajo el polo sur y
los "b" bajo el norte.
Si conectamos las puntas de nuestra bobina a dos casquillos de
cobre semicirculares, aislados, en tal forma que, cuando los
conductores de la bobina "a" estén bajo el centro del polo
norte, la terminal inicial de nuestra bobina, esté conectada al
centro del casquillo superior y la final al centro del casquillo
inferior y si sobre estos casquillos colocamos escobillas o
carbones, que hagan contacto con ellos, pero que los dejen
girar, colocados en una línea (casi) perpendicular al eje de los
polos y que pase por el centro (eje neutro), (el eje neutro
queda desplazado por la "reacción de armadura" en el sentido de
rotación) sucede que: una escobilla estará conectada a los
conductores "a", todo el tiempo en que esta gire bajo el polo
norte y cuando los conductores "a" pasen al polo sur, esta
escobilla, estará ahora conectada a los conductores "b", que son
ahora los que giran bajo el polo norte.
El resultado de esto es que entre nuestras escobillas se
producirá un voltaje continuamente del mismo signo.
Claro que nuestro voltaje será máximo cuando los conductores
estén exactamente girando bajo el centro de los polos y mínimo
cuando giren a 90 grados.
Si hacemos varias ranuras en el rotor y colocamos varias bobinas
conectadas entre sí a varios segmentos (delgas), sobre los que
hagan contacto nuestros carbones, tendremos entre ellos el
voltaje máximo continuamente.
Así tenemos ya, todos los elementos de nuestro generador: el
campo, formado por los polos, la armadura o rotor, formada por
nuestras bobinas y núcleo laminado y nuestro "conmutador",
formado por las delgas y carbones.
¿Por qué nos conviene hacer nuestro rotor laminado?
Si fuera de una sola pieza de fierro, por ser éste, también un
conductor (tiene electrones libres), se inducirían corrientes en
este fierro (corrientes parásitas, descubiertas por
Thomson),
corrientes que no podemos aprovechar y que sólo servirían para
calentarlo produciendo pérdidas innecesarias (pérdidas de
Foucault), que nos podemos ahorrar, haciendo nuestro generador
más eficiente si hacemos el rotor laminado con láminas aisladas
que impedirán el paso de estas corrientes parásitas.
De cualquier manera, nunca podremos hacer a nuestro generador
100 % eficiente, pues tenemos otras muy diversas pérdidas:
Pérdidas de fricción en las chumaceras, rodamientos o baleros,
así como también con el aire.
Pérdidas de histéresis magnéticas en el rotor, debidas al cambio
de sentido del flujo magnético en el mismo.
Pérdidas por resistencia, tanto en las bobinas de los polos como
en las bobinas del rotor.
Pérdidas por caída de voltaje entre las delgas y los carbones
(pérdidas de conmutación).
De hecho, la conmutación es un fenómeno muy interesante que ha
sido motivo de muchos estudios.
Además, al sacar corriente de nuestro generador, esta corriente
circula por las bobinas del rotor, lo que produce un campo
magnético que distorsiona el campo magnético de los polos
(reacción de armadura), lo que dificulta la conmutación y
produce pérdidas por reactancia del rotor.
Como verán la lista es interminable y susceptible de muchas
mejoras. |
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