En los automóviles modernos hay una gran cantidad de dispositivos de confort del pasajero que funciona con base en motores de corriente directa, así como muchos de los sistemas de navegación y lectura de estados del automóvil. Toda la potencia eléctrica requerida para el adecuado funcionamiento del sistema eléctrico del automóvil proviene de uno de los componentes más importantes en cualquier auto: el alternador.

Este aparato es el corazón del automóvil, y así genera potencia para encender el motor del vehículo (con ayuda de las bujías y del circuito de ignición), también abastece de energía a todos los sistemas que encuentras en la cabina de casi cualquier automóvil, desde lo más trivial y cómodo (espejos eléctricos) hasta funciones vitales para la navegación segura del automóvil. El alternador tiene la misión de proporcionar corriente para alimentar los consumidores y acumularla en la batería. La corriente alterna generada por el alternador tiene sin embargo que rectificarse, ya que la instalación eléctrica del automóvil requiere corriente continua, especialmente para cargar la batería.

Los generadores de corriente directa (alternadores) son máquinas cuya principal función es generar corriente directa partiendo de trabajo mecánico, el cual es la función inversa de un motor, generar trabajo mecánico a partir de potencia eléctrica. El alternador del automóvil obtiene su potencia mecánica del motor de combustión interna; éste, al girar, hace que el mismo alternador gire y a su vez produzca energía eléctrica.

Vas a analizar el circuito equivalente de un generador de corriente directa, compuesto por su circuito de armadura (circuito de potencia) y su circuito de campo (circuito de control).

Figura 1. Circuito equivalente de un generador CD

Fuente: Chapman, S. (2012). Máquinas eléctricas (5ª ed.). México: McGraw-Hill.

Podrás observar que el circuito equivalente es idéntico al de un motor de CD, la única diferencia es que el sentido de la corriente de armadura fluye en la dirección contraria. El circuito de campo se alimenta de una fuente de corriente directa variable en las terminales F1 y F2, y produce un campo magnético dentro de la máquina, a través del estator.

El circuito de armadura, que es un conjunto de espiras de conductor girando dentro del campo magnético, presenta un voltaje inducido EA, se presenta una pequeña resistencia en sus conductores RA y el voltaje final en las terminales del generador A1 y A2.

Existen varias configuraciones de generador de corriente directa:

Haz clic en cada configuración de generador para conocer más detalle

Por ser la versión más popular, te centrarás por ahora en el generador excitado separadamente, además será el que te ofrecerá el modelo más claro para entender la relación entre las variables de la máquina y su producto final (voltaje en terminales).

Generador excitado separadamente

A este generador se le conoce así porque está compuesto por dos circuitos independientes. El primer es el circuito del campo (estator) y el otro es el circuito de armadura (rotor). Al incrementar el valor de la corriente de campo, incrementa el nivel de voltaje inducido en la armadura.

Figura 2. Curva de generador excitado separadamente

Fuente: Chapman, S. (2012). Máquinas eléctricas (5ª ed.). México: McGraw-Hill.

De modo que si el generador no tiene carga en sus terminales, el voltaje en las mismas Vt también incrementará (cabe destacar que el voltaje en terminales es igual al voltaje inducido en la armadura).

Ahora, ¿qué sucede cuando se coloca una carga en las terminales del generador?

Al cerrar el circuito de la armadura, y haber un voltaje presente, comenzará a circular una corriente IA (figura 1). De acuerdo a la ley de Ohm, que establece que la suma de todos los voltajes en una malla es igual a cero, se tiene que:

En condiciones de vacío, IA vale cero y el valor de voltaje en las terminales es igual al del voltaje inducido en la armadura. A medida que la corriente de armadura incrementa, la caída de tensiónincrementa, de modo que VT se hace menor que el voltaje inducido EA.

Ahora, para poder compensar este efecto y tener un control sobre el voltaje que va a entregar el generador, sin importar el nivel de carga, se proponen tres soluciones:

1. Cambiar el valor de la resistencia de armadura RA. Esto no es posible, ya que es un valor intrínseco del conductor.
2. Cambiar el valor de la corriente IA. Esto no es posible, ya que depende de la carga conectada y no el generador. Quieres suministrar una carga de forma constante.
3. Cambiar el valor de voltaje inducido EA. Este método si es posible y puede realizarse de varias formas según lo que has estudiado:
1. Aumentar la velocidad de rotación. Esto incrementa el valor del voltaje inducido.
2. Incrementar la corriente de campo. Incrementar la corriente de campo incrementa el voltaje inducido (figura 2).

Dado que la velocidad de la fuente mecánica puede ser difícil de cambiar, nuestro principal recurso para controlar el voltaje en las terminales de la máquina es variar la corriente de campo e incrementar el voltaje inducido.

Una de las principales bondades de las máquinas de corriente directa es que su control es muy sencillo, como te podrás haber dado cuenta. Lo único que se necesita para controlar la salida de voltaje de un generador de CD, suponiendo que la velocidad de entrada es constante, es un ligero ajuste en la corriente de campo. Es por esto que las máquinas de CD solían ser tan populares.

Otras dos configuraciones de generadores de CD muy populares, además de la configuración excitada separadamente, son las configuraciones shunt y serie. Éstas tienen la particularidad de que no necesitan un circuito de alimentación separada para producir el campo magnético, sino que armadura y campo se alimentan de la misma fuente. Analiza por separado cada una de estas configuraciones y observa qué bondades ofrecen con respecto a las demás configuraciones. A medida que avances en este tema y estudies las figuras de los circuitos equivalentes es muy importante recordar esto: la construcción de la máquina no cambia, sólo la forma en la que están hechas las conexiones. Esto es, el circuito de campo sigue montado sobre el estator, y el circuito de armadura sigue montado sobre el rotor, justo como lo has estudiado. Ten esto presente para evitar posibles confusiones.

Haz clic en cada botón para que revises su detalle.

En algunos casos encontrarás que el alternador de corriente directa ha sido reemplazado por un generador de corriente alterna, y se anexa un circuito rectificador para convertirlo a CD. Sin embargo, el estudio de los generadores de CD sigue vigente y es importante entender su funcionamiento.

Revisa a continuación el Checkpoint: