Generador eléctrico

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 inducción de Faraday , establece que se genera una fuerza electromotriz en un conductor eléctrico que rodea un flujo magnético variable .

Faraday 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 en forma de herradura . Producía un pequeño voltaje de CC .

Este diseño resultaba 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 inverso en las regiones fuera de la influencia del campo magnético. Esta contracorriente limitaba la potencia de salida a los cables de captación y provocaba un calentamiento excesivo 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. Los experimentadores descubrieron que usar varias espiras de alambre en una bobina podía producir voltajes más altos y útiles. Dado que el voltaje de salida es proporcional al número de espiras, se podían diseñar fácilmente generadores para producir cualquier voltaje deseado variando dicho número. Los devanados de alambre se convirtieron en una característica básica de todos los diseños de generadores posteriores.

Independientemente de Faraday, Ányos Jedlik comenzó a experimentar en 1827 con dispositivos rotatorios electromagnéticos, a los que denominó autorrotores electromagnéticos . En el prototipo del arrancador eléctrico monopolar (finalizado entre 1852 y 1854), tanto las partes fijas como las giratorias eran electromagnéticas. Fue también el descubrimiento del principio de autoexcitación de la dinamo , ^{[ 3 ]} que reemplazó los diseños de imanes permanentes. Es posible que también haya formulado el concepto de la dinamo en 1861 (antes que Siemens y Wheatstone ), pero no lo patentó, ya que consideraba que no era el primero en darse cuenta. ^{[ 4 ]}

Una bobina de alambre que gira en un campo magnético produce una corriente que cambia de dirección con cada rotación de 180°, una corriente alterna (CA). Sin embargo, muchos de los primeros usos de la electricidad requerían corriente continua (CC). En los primeros generadores eléctricos prácticos, llamados dinamos , la CA se convertía en CC mediante un conmutador , un conjunto de contactos giratorios en el eje del inducido. El conmutador invertía la conexión del devanado del inducido al circuito cada 180° de rotación del eje, creando una corriente continua pulsante. Uno de los primeros dinamos fue construido por Hippolyte Pixii en 1832.

La dinamo fue el primer generador eléctrico capaz de suministrar energía para la industria. 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. ^{[ 5 ]} Fue utilizado por la empresa Elkingtons para la galvanoplastia comercial . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

La dinamo moderna, apta para su uso en aplicaciones industriales, fue inventada independientemente por Sir Charles Wheatstone , Werner von Siemens y Samuel Alfred Varley . Varley obtuvo la patente el 24 de diciembre de 1866, mientras que Siemens y Wheatstone anunciaron sus descubrimientos el 17 de enero de 1867 mediante ponencias en la Royal Society . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

La "máquina dinamoeléctrica" ​​empleaba bobinas de campo electromagnético autoalimentadas en lugar de imanes permanentes para crear el campo del estator. ^{[ 11 ]} 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. ^{[ 9 ] [ 10 ]} El uso de electroimanes en lugar de imanes permanentes aumentó enormemente 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.

Actualmente, las grandes dinamos de generación de energía son poco comunes debido al uso casi universal de la corriente alterna (CA) para la distribución eléctrica. Antes de la adopción de la CA, las dinamos de corriente continua (CC) de gran tamaño eran el único medio de generación y distribución de energía. La CA se ha impuesto gracias a su facilidad para transformarse a y desde voltajes muy altos, lo que permite minimizar las pérdidas en grandes distancias.

A través de una serie de descubrimientos, la dinamo fue sucedida por muchos inventos posteriores, especialmente el alternador de CA , capaz de generar corriente alterna . Se le conoce comúnmente como generador síncrono (GS). Las máquinas síncronas se conectan directamente a la red y necesitan estar correctamente sincronizadas durante el arranque. ^{[ 12 ]} Además, se excitan con un control especial para mejorar la estabilidad del sistema eléctrico. ^{[ 13 ]}

Los sistemas generadores de corriente alterna se conocían en formas simples desde el descubrimiento original de Michael Faraday sobre la inducción magnética de la corriente eléctrica . El propio Faraday construyó un alternador primitivo. Su máquina era un "rectángulo giratorio", cuyo funcionamiento era heteropolar : cada conductor activo pasaba sucesivamente por regiones donde el campo magnético tenía direcciones opuestas. ^{[ 14 ]}

En 1882, el electricista británico JEH Gordon construyó grandes generadores de corriente alterna bifásica. La primera demostración pública de un "sistema de alternador" la realizó William Stanley Jr. , empleado de Westinghouse Electric, en 1886. ^{[ 15 ]}

Sebastian Ziani de Ferranti fundó Ferranti, Thompson e Ince en 1882 para comercializar su alternador Ferranti-Thompson , inventado con la ayuda del renombrado físico Lord Kelvin . ^{[ 16 ]} Sus primeros alternadores producían frecuencias entre 100 y 300 Hz . Ferranti diseñó la central eléctrica de Deptford para la London Electric Supply Corporation en 1887, utilizando un sistema de corriente alterna. Al completarse en 1891, fue la primera central eléctrica verdaderamente moderna, que suministraba energía de CA de alto voltaje que luego se reducía para el consumo en cada calle. Este sistema básico sigue utilizándose hoy en día en todo el mundo.

Después de 1891, se introdujeron alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. ^{[ 17 ]} Posteriormente, se diseñaron alternadores para frecuencias de corriente alterna variables entre dieciséis y aproximadamente cien hercios, para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. ^{[ 18 ]}

A medida que aumentaban las necesidades de generación de energía a mayor escala, surgió una nueva limitación: los campos magnéticos disponibles de los imanes permanentes. Desviar una pequeña cantidad de la energía generada por el generador a una bobina de campo electromagnético montada en el rotor permitió que el generador produjera mucha más energía. Este concepto se denominó autoexcitación .

Las bobinas de campo están conectadas en serie o en paralelo con el devanado de la armadura. Cuando el generador comienza a girar, la pequeña cantidad de magnetismo remanente presente en el núcleo de hierro proporciona un campo magnético para ponerlo en marcha, generando una pequeña corriente en la armadura. Esta corriente fluye a través de las bobinas de campo, creando un campo magnético mayor que genera una corriente mayor en la armadura. Este proceso de arranque continúa hasta que el campo magnético en el núcleo se estabiliza debido a la saturación y el generador alcanza una potencia de salida constante.

Los generadores de centrales eléctricas de gran tamaño suelen utilizar un generador más pequeño para excitar las bobinas de campo del generador principal. En caso de un apagón generalizado y severo que provoque el funcionamiento aislado de las centrales, estas podrían necesitar realizar un arranque en negro para excitar los campos de sus generadores más grandes y así restablecer el suministro eléctrico a los clientes.

Una central eléctrica , también conocida como planta de energía o generador , es una instalación industrial que produce electricidad . La mayoría de las centrales eléctricas contienen uno o más generadores, o máquinas giratorias que convierten la energía mecánica en energía eléctrica trifásica . El movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor crea una corriente eléctrica . La fuente de energía utilizada para hacer girar el generador varía considerablemente. La mayoría de las centrales eléctricas del mundo queman combustibles fósiles como el carbón , el petróleo y el gas natural para generar electricidad. Entre las fuentes más limpias se encuentra la energía nuclear , y cada vez más se utilizan energías renovables como el sol , el viento , las olas y el agua corriente .

Un generador-motor es la combinación de un generador eléctrico y un motor ( motor primario ) montados juntos para formar un único equipo autónomo. Los motores utilizados suelen ser de pistón, pero también se pueden usar turbinas de gas, e incluso existen unidades híbridas diésel-gas, denominadas unidades de combustible dual. Hay muchas versiones diferentes de generadores-motor disponibles, desde pequeños grupos portátiles alimentados por gasolina hasta grandes instalaciones con turbinas. La principal ventaja de los generadores-motor es su capacidad para suministrar electricidad de forma independiente, lo que permite que las unidades sirvan como fuentes de energía de respaldo. ^{[ 22 ]}

Un generador también puede ser accionado por la fuerza muscular humana (por ejemplo, en equipos de estaciones de radio móviles).

Los generadores eléctricos accionados por energía humana están disponibles comercialmente y han sido el proyecto de algunos entusiastas del bricolaje . Generalmente operados mediante energía de pedaleo, un rodillo de entrenamiento de bicicleta modificado o una bomba de pie, estos generadores pueden usarse prácticamente para cargar baterías y, en algunos casos, están diseñados con un inversor integrado. Una persona promedio "sana" puede producir 75 vatios (0,1 caballos de fuerza) de forma constante durante un período completo de ocho horas, mientras que un "atleta de primera clase" puede producir aproximadamente 298 vatios (0,4 caballos de fuerza) durante un período similar, al final del cual se requerirá un período indeterminado de descanso y recuperación. A 298 vatios, la persona promedio "sana" se agota en 10 minutos. ^{[ 24 ]} La potencia eléctrica neta que se puede producir será menor debido a la ineficiencia del generador. Los receptores de radio portátiles con manivela están hechos para reducir los requisitos de compra de baterías; véase Radio de relojería . A mediados del siglo XX, las radios accionadas por pedales se utilizaban en todo el interior de Australia para impartir clases ( Escuela del Aire ), atender necesidades médicas y cubrir otras necesidades en estaciones y pueblos remotos.

Un tacogenerador es un dispositivo electromecánico que produce un voltaje de salida proporcional a la velocidad de su eje. Puede utilizarse como indicador de velocidad o en un sistema de control de velocidad con retroalimentación. Los tacogeneradores se utilizan frecuentemente para alimentar tacómetros y medir la velocidad de motores eléctricos, motores de combustión y los equipos que alimentan. Los generadores producen un voltaje aproximadamente proporcional a la velocidad del eje. Con una construcción y un diseño precisos, se pueden fabricar generadores para producir voltajes muy exactos para determinados rangos de velocidad del eje.