Dinamo

El principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos fue descubierto entre 1831 y 1832 por Michael Faraday . Este principio, posteriormente conocido como la ley de Faraday , establece que se genera una fuerza electromotriz en un conductor eléctrico que rodea un flujo magnético variable .

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 de herradura . Este generaba una pequeña tensión continua . No se trataba de una dinamo en el sentido actual, ya que no utilizaba un conmutador .

Este diseño era ineficiente debido a la autocancelación de la corriente en las regiones del disco que no estaban bajo la influencia del campo magnético. Si bien se inducía corriente directamente debajo del imán, esta circulaba en sentido contrario en las regiones fuera de la influencia del campo magnético. Esta contracorriente limitaba la potencia de salida a los cables de captación e inducía un calentamiento innecesario del disco de cobre. Los generadores homopolares posteriores solucionaron este problema mediante el uso de una matriz de imanes dispuestos alrededor del perímetro del disco para mantener un campo magnético constante en una sola dirección de flujo de corriente.

Otra desventaja era que el voltaje de salida era muy bajo, debido a que la corriente solo circulaba por el flujo magnético. Faraday y otros descubrieron que se podían producir voltajes más altos y útiles enrollando varias vueltas de alambre en una bobina. Los devanados de alambre permiten producir fácilmente cualquier voltaje deseado modificando el número de vueltas, por lo que se han convertido en una característica de todos los diseños de generadores posteriores, lo que hizo necesaria la invención del conmutador para producir corriente continua.

La primera dinamo conmutada fue construida en 1832 por Hippolyte Pixii , un fabricante de instrumentos francés. Utilizaba un imán permanente que giraba mediante una manivela. El imán giratorio estaba colocado de manera que sus polos norte y sur pasaran junto a una pieza de hierro envuelta en alambre aislado.

Pixii descubrió que el imán giratorio producía un pulso de corriente en el cable cada vez que un polo pasaba por la bobina. Sin embargo, los polos norte y sur del imán inducían corrientes en direcciones opuestas. Para convertir la corriente alterna en corriente continua, Pixii inventó un conmutador , un cilindro metálico partido en el eje, con dos contactos metálicos elásticos que lo presionaban.

Este diseño inicial presentaba un problema: la corriente eléctrica que producía consistía en una serie de picos o pulsos de corriente sin interrupción alguna, lo que resultaba en una baja potencia media. Al igual que con los motores eléctricos de la época, los diseñadores no comprendieron del todo los graves efectos perjudiciales de los grandes entrehierros en el circuito magnético.

Antonio Pacinotti , profesor de física italiano, resolvió este problema alrededor de 1860 al reemplazar la bobina axial bipolar giratoria por una toroidal multipolar , que creó enrollando un anillo de hierro con un devanado continuo, conectado al conmutador en muchos puntos equidistantes alrededor del anillo; el conmutador estaba dividido en muchos segmentos. Esto significaba que una parte de la bobina pasaba continuamente por los imanes, suavizando la corriente. ^{[ 3 ]}

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

En 1827, independientemente de Faraday, el inventor húngaro Ányos Jedlik comenzó a experimentar con dispositivos rotatorios electromagnéticos a los que denominó autorrotores electromagnéticos . En el prototipo del arrancador eléctrico unipolar, tanto las partes fijas como las giratorias eran electromagnéticas.

Hacia 1856, seis años antes que Siemens y Wheatstone , Jedlik formuló el concepto de la dinamo, pero no lo patentó porque creía no ser el primero en materializar la idea. En lugar de imanes permanentes, su dinamo utilizaba dos electroimanes colocados uno frente al otro para inducir un campo magnético alrededor del rotor. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Este fue también el descubrimiento del principio de autoexcitación de la dinamo , ^{[ 10 ]} que reemplazó los diseños con imanes permanentes.

La dinamo fue el primer generador eléctrico capaz de suministrar energía para la industria. La dinamo moderna, apta para su uso en aplicaciones industriales, fue inventada por Henry Wilde , cuyo trabajo fue presentado a la Royal Society por Michael Faraday el 26 de marzo de 1866. ^{[ 11 ]} 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, presentando sus trabajos en la Royal Society . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La "máquina dinamoeléctrica" ​​empleaba bobinas de campo electromagnético autoalimentadas en lugar de imanes permanentes para crear el campo del estator. 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, mientras que en el diseño de Wheatstone estaban en paralelo. ^{[ 12 ] [ 13 ]} El uso de electroimanes en lugar de imanes permanentes aumentó considerablemente la potencia de salida de una dinamo y permitió la generación de alta potencia por primera vez. Este invento condujo directamente a los primeros usos industriales importantes de la electricidad. Por ejemplo, en la década de 1870, Siemens utilizó dinamos electromagnéticas para alimentar hornos de arco eléctrico para la producción de metales y otros materiales.

La máquina dinamo desarrollada constaba de una estructura fija que proporcionaba el campo magnético y un conjunto de bobinas giratorias que rotaban dentro de dicho campo. En máquinas de mayor tamaño, el campo magnético constante lo proporcionan uno o más electroimanes, generalmente denominados bobinas de campo.

Zénobe Gramme reinventó el diseño de Pacinotti en 1871 al diseñar las primeras centrales eléctricas comerciales que operaron en París . Una ventaja del diseño de Gramme fue una mejor trayectoria para el flujo magnético , al llenar el espacio ocupado por el campo magnético con pesados ​​núcleos de hierro y minimizar los espacios de aire entre las partes fijas y giratorias. La dinamo de Gramme fue una de las primeras máquinas en generar cantidades comerciales de energía para la industria. ^{[ 14 ]} Se realizaron mejoras adicionales en el anillo de Gramme, pero el concepto básico de un bucle sin fin giratorio de alambre sigue siendo la base de todas las dinamos modernas. ^{[ 15 ]}

Charles F. Brush ensambló su primera dinamo en el verano de 1876 , alimentándola con una cinta de correr tirada por caballos . El diseño de Brush modificó la dinamo de Gramme , dándole a la armadura anular forma de disco en lugar de cilindro. Los electroimanes de campo también se colocaron a los lados del disco de la armadura, en lugar de alrededor de la circunferencia. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Tras descubrirse que las dinamos y los motores permitían una fácil conversión entre energía mecánica y eléctrica, se combinaron en dispositivos denominados convertidores rotativos , máquinas rotativas cuyo propósito no era proporcionar energía mecánica a las cargas, sino convertir un tipo de corriente eléctrica en otro, por ejemplo, de corriente continua a corriente alterna . Eran dispositivos de un solo rotor y múltiples campos con dos o más conjuntos de contactos giratorios (ya fueran conmutadores o anillos colectores, según se requiriera), uno para suministrar energía a un conjunto de devanados de armadura para hacer girar el dispositivo, y uno o más conectados a otros devanados para producir la corriente de salida.

El convertidor rotatorio puede transformar internamente cualquier tipo de energía eléctrica en cualquier otro. Esto incluye la conversión entre corriente continua (CC) y corriente alterna (CA), energía trifásica y monofásica  , CA de 25 Hz y  CA de 60 Hz, o múltiples voltajes de salida simultáneamente. El rotor, de gran tamaño y masa, actúa como un volante de inercia , ayudando a suavizar las fluctuaciones o caídas repentinas de la potencia aplicada.

La tecnología de los convertidores rotativos fue reemplazada a principios del siglo XX por rectificadores de vapor de mercurio , que eran más pequeños, no producían vibraciones ni ruido y requerían menos mantenimiento. Actualmente, las mismas funciones de conversión las realizan dispositivos semiconductores de potencia de estado sólido . Los convertidores rotativos se siguieron utilizando en el metro IRT del West Side de Manhattan hasta finales de la década de 1960, y posiblemente algunos años más. Se alimentaban con corriente alterna de 25 Hz y proporcionaban corriente continua de 600 voltios para los trenes. 

Las máquinas de corriente continua, como las dinamos y los motores de CC conmutados, tienen mayores costos de mantenimiento y limitaciones de potencia que las máquinas de corriente alterna (CA) debido al uso del conmutador . Estas desventajas son:

• La fricción por deslizamiento entre las escobillas y el conmutador consume energía, lo que puede ser significativo en una dinamo de baja potencia.
• Debido a la fricción, las escobillas y los segmentos de cobre del conmutador se desgastan, generando polvo. Las máquinas con conmutador de gran tamaño requieren el reemplazo periódico de las escobillas y el reacondicionamiento ocasional del conmutador. Las máquinas con conmutador no pueden utilizarse en aplicaciones con baja emisión de partículas o en entornos sellados, ni en equipos que deban funcionar durante largos periodos sin mantenimiento.
• La resistencia del contacto deslizante entre la escobilla y el conmutador provoca una caída de tensión denominada «caída de escobilla». Esta caída puede ser de varios voltios, por lo que puede causar grandes pérdidas de potencia en máquinas de baja tensión y alta corriente (véase el enorme conmutador de la dinamo de galvanoplastia de 7 voltios en la imagen adjunta). Los motores de corriente alterna, que no utilizan conmutadores, son mucho más eficientes.
• Existe un límite para la densidad de corriente y el voltaje máximos que se pueden conmutar con un conmutador. Las máquinas de corriente continua de gran potencia, por ejemplo, con potencias de megavatios, no se pueden construir con conmutadores. Los motores y generadores más grandes son todos máquinas de corriente alterna.
• La acción de conmutación del conmutador provoca chispas en los contactos, lo que supone un riesgo de incendio en atmósferas explosivas y genera interferencias electromagnéticas .

Aunque las dinamos de corriente continua fueron la primera fuente de energía eléctrica para la industria, debían ubicarse cerca de las fábricas que las utilizaban. La electricidad solo podía distribuirse económicamente a distancia mediante corriente alterna (CA), utilizando transformadores . Con la conversión de los sistemas eléctricos a corriente alterna en la década de 1890, durante el siglo XX las dinamos fueron reemplazadas por alternadores y actualmente están prácticamente obsoletas.

El conmutador es necesario para producir corriente continua . Cuando una espira de alambre gira en un campo magnético, el flujo magnético que la atraviesa —y, por lo tanto, el potencial inducido en ella— se invierte con cada media vuelta, generando una corriente alterna . Sin embargo, en los inicios de la experimentación eléctrica, la corriente alterna generalmente no tenía una aplicación conocida. Los pocos usos de la electricidad, como la galvanoplastia , utilizaban corriente continua proporcionada por baterías líquidas, que resultaban engorrosas . Las dinamos se inventaron como sustituto de las baterías. El conmutador es esencialmente un interruptor rotatorio . Consta de un conjunto de contactos montados en el eje de la máquina, combinados con contactos fijos de bloque de grafito, llamados "escobillas", ya que los primeros contactos fijos de este tipo eran escobillas metálicas. El conmutador invierte la conexión de los devanados al circuito externo cuando el potencial se invierte; así, en lugar de corriente alterna, se produce una corriente continua pulsante.

Las primeras dinamos utilizaban imanes permanentes para crear el campo magnético. Estas se denominaban "máquinas magnetoeléctricas" o magnetos . ^{[ 2 ]} Sin embargo, los investigadores descubrieron que se podían producir campos magnéticos más fuertes —y, por lo tanto, más potencia— utilizando electroimanes (bobinas de campo) en el estator. ^{[ 21 ]} Estas se denominaron "máquinas dinamoeléctricas" o dinamos. ^{[ 2 ]} Las bobinas de campo del estator se excitaban originalmente por separado mediante una dinamo o magneto independiente y más pequeña. Un avance importante de Wilde y Siemens fue el descubrimiento (hacia 1866) de que una dinamo también podía autoexcitarse utilizando la corriente generada por la propia dinamo. Esto permitió el crecimiento de un campo mucho más potente y, por consiguiente, una potencia de salida mucho mayor .

Las dinamos de corriente continua autoexcitadas suelen tener una combinación de devanados de campo en serie y en paralelo (en derivación), que reciben energía directamente del rotor a través del conmutador de forma regenerativa. Su arranque y funcionamiento son similares a los de los generadores eléctricos portátiles de corriente alterna modernos, que no se utilizan junto con otros generadores en la red eléctrica.

Las dinamos, generalmente accionadas por máquinas de vapor , se utilizaban ampliamente en centrales eléctricas para generar electricidad con fines industriales y domésticos. Desde entonces, han sido reemplazadas por alternadores .

Los grandes dinamos industriales con bobinados en serie y en paralelo (derivación) pueden ser difíciles de usar juntos en una central eléctrica, a menos que el cableado del rotor o del campo, o los sistemas de accionamiento mecánico, estén acoplados en ciertas combinaciones especiales. ^{[ 22 ]}

Las dinamos se utilizaban en vehículos de motor para generar electricidad para la carga de baterías. Un tipo antiguo era la dinamo de tercera escobilla . Posteriormente, fueron reemplazadas por alternadores , que son versiones automáticas de la dinamo.

Los generadores dinamométricos aún tienen cierta utilidad en aplicaciones de baja potencia, especialmente donde se requiere corriente continua de bajo voltaje, ya que un alternador con rectificador semiconductor puede resultar ineficiente en estas aplicaciones.

Las dinamos de manivela se utilizan en radios de relojería , linternas manuales y otros equipos que funcionan con energía humana para recargar baterías .

El generador que se usa para la iluminación de las bicicletas puede llamarse "dinamo", pero casi siempre son dispositivos de corriente alterna y, por lo tanto, estrictamente hablando, se llamarían "alternadores".