Alternador

Un alternador (o generador síncrono ) es un generador eléctrico que convierte energía mecánica en energía eléctrica en forma de corriente alterna (CA). ^{[ 2 ]} Por razones de costo y simplicidad, la mayoría de los alternadores utilizan un campo magnético giratorio con una armadura estacionaria . ^{[ 3 ]} La bobina del rotor se excita externamente con una pequeña corriente continua (CC), mientras que la CA se genera en las bobinas estacionarias. Ocasionalmente, se utiliza un alternador lineal o una armadura giratoria con un campo magnético estacionario. Aunque cualquier generador eléctrico de CA podría llamarse alternador, generalmente el término se refiere a pequeñas máquinas giratorias impulsadas por motores de combustión interna de automóviles y otros. El término generalmente se aplica a aquellos tipos con bobinas de rotor excitadas externamente. Un alternador que utiliza un imán permanente para su campo magnético se llama magneto .

Los alternadores en las centrales eléctricas accionados por turbinas de vapor se denominan turboalternadores. Los grandes alternadores trifásicos  de 50 o 60 Hz en las centrales eléctricas generan la mayor parte de la energía eléctrica mundial, que se distribuye a través de las redes eléctricas . ^{[ 4 ]}

Los sistemas de generación de corriente alterna se conocían en formas simples desde el descubrimiento de la inducción magnética de la corriente eléctrica en la década de 1830. Los generadores rotativos producían naturalmente corriente alterna, pero como había poco uso para ella, normalmente se convertía en corriente continua mediante la adición de un conmutador en el generador. ^{[ 8 ]} Las primeras máquinas fueron desarrolladas por pioneros como Michael Faraday e Hippolyte Pixii . Faraday desarrolló el "rectángulo giratorio", cuyo funcionamiento era heteropolar : cada conductor activo pasaba sucesivamente por regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas. ^{[ 9 ]} Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrollaron alternadores primitivos, que producían frecuencias entre 100 y 300 Hz .

A finales de la década de 1870 se introdujeron los primeros sistemas eléctricos a gran escala con centrales generadoras para alimentar lámparas de arco , utilizadas para iluminar calles enteras, patios de fábricas o el interior de grandes almacenes. Algunas, como las lámparas de arco Yablochkov introducidas en 1878, funcionaban mejor con corriente alterna, y el desarrollo de estos primeros sistemas generadores de CA estuvo acompañado por el primer uso de la palabra "alternador". ^{[ 10 ] [ 8 ]} El suministro de la cantidad adecuada de voltaje desde las centrales generadoras en estos primeros sistemas dependía de la habilidad del ingeniero para "controlar la carga". ^{[ 11 ]} En 1883, Ganz Works inventó el generador de voltaje constante ^{[ 12 ]} que podía producir un voltaje de salida determinado, independientemente del valor de la carga real. ^{[ 13 ]} La introducción de transformadores a mediados de la década de 1880 condujo al uso generalizado de la corriente alterna y al uso de alternadores necesarios para producirla. ^{[ 14 ]} Después de 1891, se introdujeron alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. ^{[ 15 ]} Posteriormente, se diseñaron alternadores para diversas frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hercios para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. ^{[ 16 ]} Se desarrollaron alternadores de radiofrecuencia especializados, como el alternador Alexanderson, como transmisores de radio de onda larga alrededor de la Primera Guerra Mundial y se utilizaron en algunas estaciones de telegrafía inalámbrica de alta potencia antes de que los transmisores de tubos de vacío los reemplazaran.

Un conductor que se mueve con respecto a un campo magnético desarrolla una fuerza electromotriz (FEM) en su interior ( Ley de Faraday ). Esta FEM invierte su polaridad al moverse bajo polos magnéticos de polaridad opuesta. Normalmente, un imán giratorio, llamado rotor , gira dentro de un conjunto fijo de conductores, llamado estator , enrollados en bobinas sobre un núcleo de hierro. El campo magnético atraviesa los conductores, generando una FEM inducida, ya que la entrada mecánica provoca el giro del rotor.

El campo magnético giratorio induce una tensión alterna en los devanados del estator. Dado que las corrientes en los devanados del estator varían al ritmo de la posición del rotor, un alternador es un generador síncrono. ^{[ 3 ]}

El campo magnético del rotor puede generarse mediante imanes permanentes o mediante un electroimán de bobina de campo. Los alternadores automotrices utilizan un devanado de rotor que permite controlar la tensión generada variando la corriente en el devanado de campo. Las máquinas de imanes permanentes evitan las pérdidas debidas a la corriente de magnetización en el rotor, pero su tamaño está limitado por el coste del material magnético. Dado que el campo del imán permanente es constante, la tensión en los terminales varía directamente con la velocidad del generador. Los generadores de CA sin escobillas suelen ser más grandes que los utilizados en aplicaciones automotrices.

Un dispositivo de control automático de voltaje regula la corriente de campo para mantener constante el voltaje de salida. Si el voltaje de salida de las bobinas fijas del inducido disminuye debido a un aumento en la demanda, se suministra más corriente a las bobinas de campo giratorias a través del regulador de voltaje (VR). Esto incrementa el campo magnético alrededor de las bobinas de campo, lo que induce un mayor voltaje en las bobinas del inducido. De esta manera, el voltaje de salida vuelve a su valor original.

Los alternadores utilizados en las centrales eléctricas también controlan la corriente de campo para regular la potencia reactiva y ayudar a estabilizar el sistema eléctrico frente a los efectos de fallas momentáneas . A menudo, hay tres conjuntos de devanados del estator, físicamente desplazados de manera que el campo magnético giratorio produce una corriente trifásica , desfasada un tercio de período entre sí. ^{[ 17 ]}

Se produce un ciclo de corriente alterna cada vez que un par de polos de campo pasa sobre un punto del devanado estacionario. La relación entre velocidad y frecuencia es${\displaystyle N=120f/P}$, dónde${\displaystyle f}$es la frecuencia en Hz (ciclos por segundo).${\displaystyle P}$es el número de polos (2, 4, 6, ...), y${\displaystyle N}$es la velocidad de rotación en revoluciones por minuto (r/min). ^{[ 18 ]} Las descripciones antiguas de los sistemas de corriente alterna a veces dan la frecuencia en términos de alternancias por minuto, contando cada semiciclo como una alternancia ; así, 12 000 alternancias por minuto corresponden a 100  Hz.

La frecuencia de salida de un alternador depende del número de polos y de la velocidad de rotación. La velocidad correspondiente a una frecuencia determinada se denomina velocidad síncrona . Esta tabla ^{[ 19 ]} ofrece algunos ejemplos:

Los alternadores se pueden clasificar según el método de excitación, el número de fases, el tipo de rotación, el método de refrigeración y su aplicación. ^{[ 20 ]}

• White, Thomas H.," Desarrollo del transmisor-alternador (1891–1920) ". EarlyRadioHistory.us.
• Alternadores en Integrated Publishing (TPub.com)
• Alternador de madera de bajas RPM , ForceField, Fort Collins, Colorado, EE. UU.
• Comprender los alternadores trifásicos en WindStuffNow
• Alternador, arco y chispa. Los primeros transmisores inalámbricos (página web de G0UTY).