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Prof.: Isaías Vargas PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE LA CORRIENTE ALTERNA Hemos estudiado ya el principio de la producción de la corriente alterna. Vamos a ver ahora cómo se conciben las potentes maquinas que producen esta preciosa corriente, que constituye un factor indispensable en la vida moderna, lo mismo en las grandes ciudades industriales que en las lejanas aldeas. Estas maquinas, llamadas ALTERNADORES, están basadas en el principio fundamental del fenómeno de la inducción, es decir, en el mismo principio que las dinamos. 

DESCRIPCIÓN DE UN ALTERNADOR

Un ALTERNADOR comprende, como una dinamo, un circuito inductor y un circuito inducido. a) EL CIRCUITO INDUCTOR esta constituido por un cierto número de electroimanes, cuyo bobinado se realiza de tal forma que los polos presentan alternativamente una polaridad norte y una sur, y cuyo número total es siempre par. Hay pues el mismo número de polos norte que de polos sur. Como estas máquinas no producen corriente continua, es imposible sacar, como en las dinamos, una parte de la corriente inducida para excitar las bobinas del inductor. Es preciso, por consiguiente, montar al extremo del árbol una pequeña dinamo que produce la corriente continua necesaria para el inductor. Esta dinamo se llama excitatriz. d) EL CIRCUITO INDUCIDO esta constituido por bobinas alojadas en ranuras, idénticas a las del arrollamiento en tambor de las dinamos. Se distinguen: - Los alternadores de inducción fijo e inducido móvil. - Los alternadores de inducido fijo e inductor móvil  ALTERNADOR DE INDUCTOR FIJO E INDUCIDO MOVIL Los alternadores de inductor fijo e inductor móvil (fig.1) sólo se utilizan para pequeñas potencias.

fig.1

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Prof.: Isaías Vargas No teniendo que rectificarse la corriente, estas maquinas no poseen colector y la corriente alterna inducida se recoge en dos anillos llenos, sobre los que frotan dos escobillas, asimismo conectadas a los bordes del alternador. (fig.2) Como se ha indicado precedentemente, los inductores están alimentados por una excitatriz.

Ciertos alternadores, llamados ALTERNADORES DE AUTOEXCITACION, llevan un colector que permite tomar la corriente continua necesaria para excitación de los inductores. Estas maquinas poseen también anillos en los que se recoge la corriente alterna de utilización. Estos alternadores tienen el inconveniente de experimentar importantes variaciones de tensión, en función de su carga. Por ello no se utilizan sino para pequeñas potencias. 

ALTERNADORES DE INDUCIDO FIJO E INDUCTOR MOVIL

Sólo los alternadores de inducido fijo e inductor móvil (fig.3) se utilizan en las centrales eléctricas para la producción de corriente alterna.

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Prof.: Isaías Vargas Al ser muy elevadas a menudo las tensiones obtenidas en la bobinas, éstas deben estar cuidadosamente aisladas y bien hechas las conexiones. Estas condiciones son mucho más fáciles de realizar en un órgano fijo que en uno que gira a gran velocidad. Por esta razón, la mayoría de los alternadores tienen el inducido fijo y el inductor móvil. La corriente de utilización, a menudo importante, es recogida directamente en los bornes de la maquina sin intermedio de anillos, puesto que el inducido es fijo. Los anillos sólo están atravesados por la corriente de excitación, bastante débil, necesaria para la alimentación de los inductores giratorios. -El inductor móvil se llama ROTOR. El inducido fijo se llama ESTATOR. 

El Rotor

El ROTOR (fig.4) está constituido por un cubo de acero en el que están sólidamente fijos los electroimanes, cuyo núcleo es de chapas laminadas. Cuando los alternadores son arrastrados por motores mecánicos relativamente lentos, máquinas de vapor de pistón, por ejemplo, es necesario, para obtener una frecuencia de corriente alterna correcta, multiplicar el número de polos (alternadores multipolares). Así, existen alternadores cuyo rotor posee 24 e incluso 30 polos. Por el contrario, las turbinas de vapor de muy gran velocidad están acopladas a alternador que no llevan más que dos polos (alternadores bipolares).

La corriente continua, necesaria para la excitación de las bobinas, se lleva desde la excitatriz a las bobinas de los electroimanes por medio de anillos sobre los que frotan dos escobillas (fig.5).

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Prácticamente, se utilizan dos clases de alternadores: - LOS ALTERNADORES DE POLOS INDUCTORES SALIENTES. Se utilizan cuando los efectos de la fuerza centrífuga son pequeños, ya sea porque su diámetro es pequeño. - LOS ALTERNADORES DE POLOS INDUCTORES NO SALIENTES. Son máquinas de grandes dimensiones y deben girar a gran velocidad. Es el caso del TURBOALTERNADOR, es decir, el alternador acoplado a una turbina de vapor. Los bobinados del rotor están generalmente montados en serie y bobinados de tal manera que los polos sean sucesivamente norte y sur. 

El Estator

El estator está constituido por un anillo de chapas laminadas fijado en la carcasa de la máquina. Las bobinas van alojadas en ranuras, conectadas en serie o en serie-paralelo y con sus extremos conectados a los bordes del alternador. En los alternadores se comprueba, como en las dinamos, una reacción de inducido, que provoca una caída de tensión, tanto más elevadas cuanto más intensa sea la corriente suministrada. Además, la tensión suministrada por la máquina baja cuando el gasto de la máquina aumenta. Es preciso, por consiguiente, aumentar el valor de la corriente de excitación para mantener la fuerza electromotriz inducida. EJERCICIOS 1. ° ¿Cuáles son los circuitos que constituyen un alternador? 2. ° Describa rápidamente un alternador de inducido fijo e inductor móvil. 3. ° Existe una reacción de inducido en los alternadores. ¿Cuál es la consecuencia? 4. ° ¿Por qué los alternadores arrastrados a pequeña velocidad tienen más polos que los que

están por turbinas de gran velocidad? PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Nuestro Lema es: TRABAJAR DIA A DIA PARA SER LOS MEJORES

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Prof.: Isaías Vargas DEL ALTERNADOR MONOFASICO Ahora que ya sabe cómo está constituido un alternador, vamos a intentar comprender el principio el principio de funcionamiento del alternador monofásico de inducido fijo e inductor móvil (aprenderá en el curso de la próxima lección lo que significa monofásico). Sus conocimientos le han permitido comprender este principio a medida que hemos ido describiéndola máquina. Comprenderá fácilmente que un imán o un electroimán, girado ante una bobina, producen en ésta una corriente inducida alterna cuya frecuencia es igual al número de vueltas del imán por segundo. Si se coloca ante cada polo del imán una bobina cuyo sentido de bobinado sea invertido (fig.1), es evidente que cada bobina será, durante una vuelta completa de rotación del imán, sede de una corriente inducida alterna, del mismo valor e igual sentido. Si las bobinas están montadas en serie, las fuerzas electromotrices se suman.

Consideremos ahora un rotor de alternador constituido por 2 partes de polos (2 electroimanes). Los conductores del estator, situado en ranuras, se reúnen de manera que las fuerzas electromotrices inducidas se sumen. La figura 2 representa un esquema del bobinado de este estator.

Se comprobará que el número de bobinas del estator corresponde al de bobinas del rotor.

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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

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Prof.: Isaías Vargas Estudiemos el fenómeno de inducción que se produce en un conductor cuando, como consecuencia del desplazamiento del rotor, el polo N1 viene a ocupar el lugar del polo N2 (fig.3). Sea ab el conductor. Los puntos L1 y L2 están situados en líneas neutras entre los polos N1 S1 y S1 N2

Cuando el polo N2 está en frente de ab, éste es sede de una fuerza electromotriz inducida máxima. - Cuando, como consecuencia del desplazamiento del rotor, la línea neutra L2 se aproxima al conductor ab, la fuerza electromotriz inducida disminuye. - La fuerza electromotriz es nula cuando L2 está en frente de ab. - Aumenta, pero se invierte, cuando S1 se aproxima a ab. - Es máxima (pero de sentido contrario) cuando S1 está en frente de ab. - Disminuye entre S1 y L1. - Es nula cuando L1 está en frente de ab. - Aumenta de nuevo, pero se invierte, cuando N1 se aproxima a ab. - Por último, cuando N1 está en frente de ab, tiene el mismo valor y el mismo sentido que cuando era el polo N2. - A continuación, el ciclo se repite. El período el tiempo necesario para que un polo remplace al polo del mismo nombre que lo precede (fig.4). -

En nuestro ejemplo, el período es el tiempo necesario para que el polo norte N1 remplace bajo el conductor ab al polo norte N2.

Consideremos ahora, no ya un conductor, sino una espiral. Esta está constituida por dos conductores ab y a’b’ conectados en serie (fig.5) y recorridos en el mismo instante por corrientes de sentido opuesto, que se suman, puesto que estos Nuestro Lema es: TRABAJAR DIA A DIA PARA SER LOS MEJORES

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Prof.: Isaías Vargas conductores son barridos por flujo de nombres contrarios. Como todas las bobinas están montadas en serie, todas estas corrientes se suman.

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FRECUENCIA DE LA CORRIENTE INDUCIDA

Según lo que acabamos de comprobar, hay tantos períodos por vuelta de rotos como número de pares de polos. Si designamos por:

Se tiene la fórmula:

Esta frecuencia se expresa en CICLOS POR SEGUNDO O HERZIOS. Según esta fórmula, comprobamos que la frecuencia es función del número de pares de polos del rotor y de su velocidad. Por consiguiente, para obtener una frecuencia dada de la corriente inducida (generalmente, 50 hercios) EL ALTERNADOR DEBERA GIRARA TANTO MENOS RAPIDAMENTE CUANTO MAS NUMERO DE POLOS TENGA EL ROTOR. Ejemplo: ¿ Cual será la frecuencia de la corriente suministrada por un alternador de 20 polos que gira a 300 vueltas por minutos? Se puede escribir:

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OBSERVACIONES:

-

La letra p representa el número de pares de polos. Procede, por consiguiente dividir por 2 el número de polos.

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Prof.: Isaías Vargas - La letra n representa el numero de vueltas del rotor POR SEGUNDO. Por tanto, hay que dividir por 60 el numero de vueltas por minuto. Ejercicios: 1.° ¿Cuántas bobinas tiene el estator de un alternador monofásico de fases? 2.° ¿Existe una relación entre la frecuencia de corriente producida y el número de polos? 3.° Un alternador que lleva 24 polos gira a la velocidad de 240 vueltas por minuto. ¿Cuál es la frecuencia de la corriente producida? 4.° ¿Cuál es el número de polos de un alternador que suministra una corriente de 50 ciclos por segundo y gira a 3000 revoluciones por minuto? ALTERNADORES POLIFÁSICOS Los alternadores estudiados en el curso de las lecciones precedentes producían corriente alterna sencilla, llamada CORRIENTE MONOFASICA. La mayoría de los alternadores de las centrales eléctricas producen corrientes polifásicas, es decir, de varias fases, de las que las principales son las corrientes alternas BIFÁSICAS (se pueden decir también DIFÁSICA) y TRIFÁSICA. Estas corrientes, como veremos en detalle mas adelante, permite una distribución más racional y económica de corriente al domicilio de los múltiples abonados y utilización de motores llamados de campo giratorio, que presentan la ventaja de ser fuertes y baratos. 

LOS ALTERNADORES BIFÁSICOS

Un alternador bifásico está constituido como un alternador monofásico. Pero su estator lleva dos arrollamientos monofásicos, desplazando uno con respecto al otro un cuarto de la distancia de dos polos del mismo nombre (fig1).

Los dos arroyamientos son independientes, y en cada uno aparece una fuerza electromotriz inducida de igual frecuencia y amplitud, puesto que están sometidos a la misma variación de flujo inductor. Pero el valor de estas fuerzas electromotrices no es Nuestro Lema es: TRABAJAR DIA A DIA PARA SER LOS MEJORES

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Prof.: Isaías Vargas el mismo en un mismo instante. En efecto, cuando los conductores del primer arrollamiento se encuentran ante los polos de rotor, la fuerza electromotriz inducida tiene un valor máximo; por el contrario, en el mismo instante los conductores del segundo arrollamiento se encuentran frente a líneas neutras (entre polos) y no son sede de ninguna fuerza electromotriz inducida. Los valores de las corrientes inducidas en los dos circuitos para una vuelta del rotor están representados gráficamente por dos sinusoides idénticas (la una en trazo lleno y la otra de puntos), pero desplazadas entre sí (fig2)

Se dise que la corriente inducida en el primer arrollamiento no esta en fase con la inducida en el segundo, y de ellos se deriva el nombre de CORRIENTE BIFÁSICA (dos fases diferentes). Las dos corrientes estan desplazadas, la una con respecto a la otra, un cuarto de periodo. Cuando una de ellas es máxima, la otra es nula. Cada circuito esta conectado a dos bordes de placa de bornes de la maquina y la corriente de utilización es distribuida, en general, por cuatro hilos. La figura 3 es el símbolo de un alternador bifásico.

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LOS ALTERNADORES TRIFÁSICOS

El estator de los alternadores trifásicos lleva tres arrollamientos monofásicos idénticos, pero desplazados el uno con respecto al otro un sexto de la distancia de dos polos del mismo nombre. Estos arrollamientos son independientes y conectados a la placa de bornes (fig.4).

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Con una sola maquina se obtiene, por consiguiente, tres circuitos de utilización deferentes. Los valores de las corrientes inducidas en tres arrollamientos están gráficamente representados por tres sinusoides idénticas, pero desplazadas las unas con respecto a las otras (Fig.5).

Si observamos la figura 5, comprobamos que, en cada instante, la suma de las intensidades de tres corrientes es nula. En MM’ por ejemplo, la intensidad de corriente n.º 3 es máxima; pero como son de sentido opuesto a 3, la intensidad resultante es nula. Esta observación es en extremo importante, pues, en razon de este hecho la corriente trifásica se disminuye con 3 hilos y no con 6, como seria lógico suponer, ya que al ser nula la suma de las intensidades en cada instante, se pueden realizar conexiones que permiten suprimir los tres hilos de retorno. Estudiaremos próximamente este conexionado, así como la conexión de las bobinas. La figura 6 es la representación esquemática de un alternador trifásico.

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ACOPLAMIENTO DE LOS ALTERNADORES

LOS ALTERNADORES NO ESTAN NUNCA ACOPLADOS EN SERIE, pues para elevar la tensión de una corriente alterna es mas sencillo utilizar un transformador. Por el contrario, en las centrales eléctricas productoras de corriente alterna, SE ACOPLAN CORRIENTEMENTE LOS ALTERNADORES EN PARALELO, en función del gasto de corriente exigido de la red por los usuarios.  EL SINCRONISMO Hemos visto que para acoplar dos generadores en paralelo es preciso, siendo las tensiones iguales, conectar los generadores por polos del mismo nombre. Esto se realiza muy fácilmente con generadores de corriente continua, pero se concibe que no ocurra lo mismo con generadores de corriente alterna cuyas polaridades cambian constantemente. El acoplamiento debe tener lugar, por consiguiente, cuando las sinusoides que representan estas tensiones se superponen exactamente. En este momento se dice que las maquinas están en sincronismo. Tienen, en cada instante, la misma tensión, el mismo sentido y no existe ningún deslizamiento entre ellas. Se obtiene este resultado actuando sobre la velocidad de los alternadores a acoplar. Para ilustrar esta noción de sincronismo, supongamos que dos conductores de automóviles desean intercambiar un objeto sin parar sus vehículos. Es evidente que ello no podrá tener lugar más que: -

Si los dos automóviles circulan a la misma velocidad; Si ruedan uno al lado del otro, sin ningún deslizamiento entre ellos, durante, por lo menos, el tiempo necesario para el intercambio del objeto. Este doble resultado se obtendrá por juiciosas modificaciones de la velocidad de uno de los automóviles. Se dirá entonces que hay sincronismo entre los dos vehículos. Para controlar el sincronismo de los alternadores se utilizan lámpara de fase o de sincronización.  ACOPLAMIENTO DE LOS ALTERNADORES MONOFASICOS Supongamos que hay deslizamiento máximo: las tensiones estan en oposición (Fig.7). El acoplamiento es imposibles. Este caso es señalado por la lamparas, que brillan con su luz máxima. En efecto, entre los puntos A y B tenemos una diferencia de potencial de 220 voltios, así como entre los puntos C y D (Fig.8). A y D son positivos y B y C negativos.

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Se puede observar, cuando el interruptor está abierto, que los dos generadores y las dos lámpara están montadas en serie. Los generadores están puesto en serie por las lámparas y sus tensiones se suman. Las dos lámparas de 220 voltios soportan fácilmente los 440 voltios suministrados por los generadores. Observe que se en este momento se cerrase el interruptor, la resistencia de la lámpara seria suprimida y se provocaría un cortocircuito. Por el contrario, cuando las tensiones están en fase, A y C se hacen positivos y B y D se hacen negativos. La condición de polaridad está resulta: ninguna corriente circula ya por las lamparas: se apagan. EN ESTE MOMENTO SE PUEDE CERRAR EL INTERRUPTOR. Los alternadores quedan entonces acoplados en paralelo. Se comprenderá que entre la oposición y la puesta en fase hay toda una gama de desfase posibles. Las lámparas lucen con un brillo más o menos violento y más o menos rápido,

pues el sincronismo, obtenido por variación de la velocidad del alternador, no puede ser mantenido durante mucho tiempo. Será preciso aprovecharse de un periodo bastante largo de extinción para realizar efectivamente el acoplamiento cerrando el interruptor. 

ACOPLAMIENTO DE LOS ALTERNADORES POLIFÁSICOS

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Prof.: Isaías Vargas El mismo montaje se utiliza para los alternadores bifásicos y trifásicos. Es suficiente montar lámparas entre dos fases. Puede ocurrir entonces que una lámpara se encienda mientras que otra está apagada. En ese caso que cruza dos hilos en los bornes de una de las maquinas. Se prefiere utilizar el montaje de la figura 9. Las lámparas están conectadas entre dos hilos de fases diferentes y el acoplamiento tiene lugar en el momento en que las lámparas están normalmente encendidas.

 DESACLOPO DE LOS ALTERNADORES Para desacoplar un alternador se reduce poco a poco la potencia del motor que la arrastra y, cuando la intensidad suministrada es suficientemente pequeña, se pone la maquina fuera de circuito. Ejercicios: 1.º ¿Cómo está constituido el arrollamiento des estator de un alternador bifásico? 2.º ¿Cómo está constituido el arrollamiento del estator de un alternador trifásico? 3.º ¿Qué particularidad presenta la suma de las intensidades de una corriente trifásica en un instante dado? Saque la consecuencia. 4.º Cuál será la tensión de las lámparas de fase que utilizará para acoplar: a) dos alternadores de 110 voltios b) dos alternadores de 360 voltios Diga por que. MONTAJE DE LOS GENERADORES Y DE LOS RECEPTORES EN CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICA

Ahora que ya hemos estudiado los generador...