Contexto




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.

Pregunta detonadora o de reflexión:

  • ¿Sabías que el alternador es el responsable de que los limpia-parabrisas funcionen?

Explicación

13.1 Características de circuito abierto de un generador de CD

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

gr01m1_1
gr01m1_1
gr01m1_1
gr01m1_1
gr01m1_1

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.

13.2 Control de voltaje en terminales

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.

¿Cuál es la importancia de un buen sistema de control?

Es imperativo que la máquina de CD que selecciones sea suficiente para la aplicación donde se pretende implementar. Como cualquier fuente, debe de ser apropiada para abastecer los requerimientos de la carga. Si se hace una mala selección del generador, bajo ciertas condiciones de carga éste se va a ver sometido a esfuerzos excesivos, y el voltaje en las terminales no va a ser suficiente para seguir abasteciendo el sistema y se vendrá abajo.

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.

13.3 Configuraciones de generadores de CD (shunt y serie)

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 inglés, la palabra shunt quiere decir en paralelo. Y justamente así es como el circuito de campo de esta máquina se alimenta en relación al circuito de armadura. Ambos se alimentan de la misma fuente.

Observa la siguiente figura 3:

Figura 3. Circuito generador shunt

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

Presta atención y verás que los componentes de la máquina son los mismos que tenías en la configuración de excitación separada, salvo que ahora todos están incluidos en un mismo circuito. La rama que aparece en paralelo (shunt) es la rama que representa el circuito de campo. Nota cómo sólo hay una fuente de CD, que alimenta a ambos circuitos.

Podrás notar que la relación que existe entre la corriente de campo y el voltaje inducido del generador no es tan evidente como en la máquina de excitación separada. Sin embargo, los mismos principios aplican. Hay que tener presentes algunas circunstancias:

  • Debido a la interacción entre corriente de armadura y corriente de campo, la regulación de voltaje no es la misma que en una máquina excitada separadamente. Es decir, es más difícil mantener un nivel de tensión constante a medida que la carga cambia. Esta es una de las desventajas de este tipo de conexión. Sin embargo, al no tener una alimentación separada para el campo, la máquina puede ser más compacta y económica.
  • Para poder arrancar, esta máquina debe tener algún flujo residual en el circuito de campo, lo cual generalmente sucede. Si la máquina no tiene flujo residual, no podrá arrancar. Para remediar esto, se puede aplicar temporalmente una fuente de CD al circuito de campo, estableciendo así un flujo residual. Posterior a esto, la máquina podrá arrancar sin ningún problema.

Para realizar el control de voltaje en las terminales de esta máquina, lo más común es ajustar el valor de la resistencia de campo RF. De este modo se puede incrementar la corriente de campo de forma independiente del voltaje en terminales VT y mantener una mayor estabilidad en el voltaje de las terminales.

Como su nombre lo indica, esta máquina tiene una conexión común de su circuito de campo y su circuito de armadura, excepto que esta vez la conexión está hecha en serie. Observa la figura 4 donde podrás observar que el circuito de armadura (EA, RA) está conectado en serie con el circuito de campo (RS, LS). La misma corriente que circula por la armadura, circula por el circuito de campo. En los anteriores modelos has visto que el circuito de campo lleva un voltaje y una corriente mucho menores que en el circuito de armadura. En este tipo de conexión es evidente que esto no es cierto. Sin embargo, para mantener las variables a un nivel similar, se hacen cambios en la construcción del circuito de campo tales como menos vueltas y un calibre de cable más grueso.

Figura 4. Circuito generador serie

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

Debido a la conexión serie, la única forma de obtener un flujo en el circuito de campo es circular corriente por la armadura, no hay otra forma de aplicarle voltaje (como era el caso de la conexión separada, o la conexión shunt), de modo que se presenta el inconveniente de que el voltaje inducido depende de la corriente de armadura. Al haber una gran corriente (y por tanto, un gran voltaje inducido), la caída de voltaje IA x RA ocasionará una caída de tensión cada vez mayor y por tanto el voltaje en terminales VT se cae, efecto contrario al deseado.

Esta conexión se utiliza en muy pocas aplicaciones debido a su mala regulación de voltaje.

Cierre


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:

Asegúrate de comprender

  • Las distintas conexiones que se pueden hacer con generadores de CD.
  • Las conexiones más utilizadas son: generador excitado separadamente y generador shunt. El primero otorga un amplio rango de control y versatilidad en la máquina, pero requiere de una fuente separada y controlable. El segundo brinda la posibilidad de utilizar una sola fuente para ambos circuitos.
  • Los conceptos de voltaje inducido, voltaje en terminales, circuito de armadura y circuito de campo.

Referencias