Alternadores
Los alternadores, también conocidos como máquinas de corriente alterna sincrónicas, son convertidores electromecánicos rotativos capaces de transformar energía mecánica en eléctrica y viceversa. En estos dispositivos, la velocidad de giro del sistema móvil y la velocidad de variación del campo magnético son constantes e iguales a:
Construcción y Funcionamiento de los Alternadores
Están conformados por una parte móvil, denominada rotor, que por lo general es el inductor, y una parte fija, denominada estator, que por lo general es el inducido.
Al ponerse en movimiento el rotor por medio de una fuerza mecánica externa y aplicarle tensión continua a su arrollamiento, se observa un campo magnético variable cuyas líneas son cortadas por el estator, generando una fuerza electromotriz inducida alterna en sus extremos. La tensión alterna producida es proporcional a la corriente continua aplicada a la bobina del móvil, denominada bobina de excitación, y al número de espiras del mismo y del bobinado estatórico. El sistema de excitación logra entregar la tensión continua necesaria para generar el campo magnético inductor.
Acoplamiento de Alternadores
El acoplamiento de alternadores puede realizarse en serie, si se desea aumentar la tensión (aunque es más eficaz usar un transformador), y en paralelo si se desea ampliar la cantidad de carga de la línea, es decir, para una mayor circulación de corriente. Para conectar en paralelo uno o más alternadores, estos deben tener igual tensión, frecuencia y concordancia de fases.
Generadores
Los generadores son máquinas que convierten energía mecánica en energía eléctrica, ya sea continua (dinamo) o alterna (alternadores). Están compuestos por un inductor o estator que genera el campo magnético, pudiendo ser un imán permanente o un electroimán, y un inducido o rotor, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético. La armadura es, por lo general, un núcleo de hierro dulce en el cual se enrolla el bobinado rotórico.
Los generadores basan su funcionamiento en la inducción electromagnética, ya que si un conductor se mueve a través de un campo magnético cortando líneas de fuerza o está situado próximo a otro conductor por el que circula una corriente variable, se obtiene en sus extremos una tensión inducida.
Transformadores
Los transformadores son dispositivos electromagnéticos estáticos destinados a la transformación de una señal eléctrica alterna denominada primaria, con determinados niveles de tensión y corriente, en otra secundaria que posee niveles de tensión y corriente distintos. El enlace entre ellos es un campo magnético variable.
Principio de Funcionamiento de los Transformadores
El paso de una corriente eléctrica por el devanado de una bobina genera un campo magnético alrededor del mismo. Si colocamos un segundo bobinado de forma que otras líneas de fuerzas generadas en el primero, en los extremos se inducirá una tensión de acuerdo a la ley de Faraday:
El devanado
que genera el campo magnético se denomina primario, y en el que se induce la fuerza electromotriz se denomina secundario. El conjunto arrollado sobre un núcleo ferromagnético, el cual concentra las líneas de fuerza del primario, recibe el nombre de transformador, cuya función es modificar los niveles de tensión y corriente sin modificar la frecuencia y manteniendo la potencia.
Constitución de los Transformadores
Para la constitución de un transformador es necesario tener en cuenta el tipo de núcleo, la forma de los devanados, la aislación, la disposición de las bobinas, etc.
- Núcleos: Se construyen generalmente con láminas de hierro al silicio. Su función es concentrar el campo magnético del primario, permitiendo una eficaz transferencia de energía sobre el secundario. Las láminas vienen con una fina hoja de papel o una película de barniz aislante, obteniendo así la disminución de las pérdidas por corrientes parásitas. Pueden ser en I, L o E.
- Devanados: La sección de los conductores depende de la intensidad de la corriente que circula, la superficie de enfriamiento y la rigidez mecánica. Estos alambres pueden ser de cobre o aluminio, de sección rectangular o cilíndrica, con aislación de barniz o vaina de algodón. El transformador puede tener más de un devanado primario y/o secundario, o poseer un bobinado con varias derivaciones.
Aislación en los Transformadores
Comprende la separación entre el núcleo y la bobina, entre bobinado y bobinado, y en algunos casos entre capa y capa de un mismo devanado. Esta aislación se realiza con materiales como maylan, fibra, cartón, prespan, etc.
Disposición de las Bobinas en los Transformadores
Por lo general, se coloca el bobinado de baja tensión en el interior del transformador, disminuyendo la posibilidad de generar un arco entre el núcleo y el devanado. Además, permite que el de alta tensión esté más accesible para su reparación, ya que este tiene más tendencia a averiarse. Las disposiciones de bobinas más utilizadas son de columna, en transformadores de gran potencia, ya que se facilita la construcción y reparación, y acorazado, que posee la ventaja de poder colocarse tapas plásticas protectoras.
Relación de Transformación
La relación existente entre el número de espiras es igual a la que existe entre las tensiones. Esta relación se expresa con la letra k y se denomina relación de transformación:
Si k es menor que 1, se trata de un transformador elevador; si k es mayor a 1, se trata de un reductor, y si k es igual a 1, se trata de uno aislador o igualador.
Pérdida de Potencia en los Transformadores
En los transformadores se producen pérdidas de potencia, las cuales se manifiestan por la elevación de temperatura del sistema. Las pérdidas del hierro son por histéresis y por corrientes parásitas o de Foucault, ambas debidas a la magnetización del núcleo. Las pérdidas del cobre son producidas por la circulación de corriente por los devanados y están regidas por la ley de Joule.
Enfriamiento de los Transformadores
Debido a las diferentes pérdidas, las cuales se manifiestan por la evacuación de calor, se origina una elevación de temperatura en los componentes del transformador, la cual, si es excesiva, deteriora las aislaciones provocando la destrucción del transformador. Esta elevación se contrarresta por medio de sistemas de enfriamiento como:
- Enfriamiento por aire: En transformadores de baja potencia se realiza un enfriamiento natural. En potencia mediana se emplea la utilización de aire forzado.
- Enfriamiento por aceite: En potencias considerables o transformadores ubicados en zonas calurosas, se utilizan aceites refrigerantes que tienen elevado poder dieléctrico y baja viscosidad. Estos se sumergen completamente en el aceite, mejorando la aislación y la capacidad de transferir energía.
Transformadores de Medida
En las instalaciones eléctricas existe la necesidad de conectar instrumentos de medición, pero estos no soportan altas tensiones ni elevadas intensidades de corriente. Para esto se emplean los transformadores de medida:
- Transformadores de medida de tensión: Se utilizan para disminuir las altas tensiones de los sistemas eléctricos para poder medir su magnitud o alimentar las bobinas voltimétricas del instrumento. El primario se conecta en paralelo con la carga y el secundario posee una tensión normalizada de 100 V que alimenta los instrumentos.
- Transformadores de medida de corriente: Están destinados a disminuir la corriente de carga de una línea de gran potencia para poder realizar mediciones o controles en la misma. El primario se conecta en serie con la carga y el secundario tiene una corriente normalizada de 5 A para conectarse a los instrumentos.