Generador elèctric
Un generador elèctric és tot dispositiu capaç de mantindre una diferència de potencial elèctrica entre dos dels seus punts (cridats pols, terminals o borns) transformant la energia mecànica en elèctrica. Esta transformació es conseguix per l'acció d'un camp magnètic sobre els conductors elèctrics disposts sobre una armadura (denominada també estator). Si es produïx mecánicamente un moviment relatiu entre els conductors i el camp, es generarà una força electromotriz (F. I. M.). Este sistema està basat en la llei de Faraday. Encara que la corrent generada és corrent alterna, pot ser rectificada per a obtindre una corrent contínua. En el diagrama adjunt s'observa la corrent induïda en un generador simple d'una sola fase. La majoria dels generadors de corrent alterna són de tres fases.
El procés invers seria el realisat per un motor elèctric, que transforma energia elèctrica en mecànica.
Història
[editar | editar còdic]Ans que es descobrira la conexió entre el magnetisme i la electricitat, ya s'havien inventat els generadors electrostàtics. Funcionaven segons principis electrostàtics, per mig de l'us de cintes, plaques i discs carregats eléctricamente que duyen la càrrega fins a un electrodo d'alt potencial. La càrrega es generava utilisant un de dos mecanismes, inducció electrostàtica o efecte triboeléctrico. Tals generadors produïen molt alts voltages i baixa corrent. Per la seua ineficiència i a la dificultat d'aïllament de les màquines que produïen eixos voltages tan alts, els generadors electrostàtics tenien nivells de potència baixos i mai es varen utilisar per a la generació de cantitats comercialment significatives d'energia elèctrica. Les seues úniques aplicacions pràctiques consistien en alimentar els primers tubos de rajos X i, posteriorment, en alguns acceleradors de partícules atòmiques.
Generador de disc de Faraday
[editar | editar còdic]
- Artícul principal → Generador homopolar.
El principi de funcionament dels generadors electromagnètics va ser descobert en els anys 1831-1832 per Michael Faraday. El principi, més tarde cridat llei de Faraday, és que es genera una força electromotriz en un conductor elèctric que rodeja un fluix magnètic variable. També va construir el primer generador electromagnètic, cridat disc de Faraday; un tipo de generador homopolar, que utilisa un disc de coure que gira entre els pols d'un iman de ferradura. Es produïx una chicoteta tensió contínua. Este disseny era ineficiente pels contraflujos d'auto-cancelació de la corrent en les regions del disc que no estaven baix l'influència del camp magnètic. Mentres que la corrent s'induïa directament baix de l'iman, la corrent circulava cap a arrere en les regions que estaven fora de l'influència del camp magnètic. Este contraflujo llimitava l'eixida de potència en els cables de captació i induïa el calfament dels residus del disc de coure. Els generadors homopolars posteriors resoldrien este problema utilisant una série d'imans disposts al voltant del perímetro del disc per a mantindre un efecte de camp estable en una direcció de fluix de corrent. Una atra desventaja era que el voltage d'eixida era molt baix, per dispondre d'una única trayectòria de la corrent a través del fluix magnètic. Els experimentadores varen descobrir que l'us de múltiples regressos de cable en una bobina podia produir voltages més alts i més útils. Ya que el voltage d'eixida és proporcional al número de regressos, els generadors podrien dissenyar-se fàcilment per a produir qualsevol voltage desijat variant el número de regressos. Els devanados d'aram es varen convertir en una característica bàsica de tots els dissenys de generadors posteriors.
Jedlik i el fenomen de la autoexcitación
[editar | editar còdic]Independentment de Faraday, l'hongarés Ányos Jedlik va començar a experimentar en 1827 en els dispositius giratoris electromagnètics als que va cridar autorrotores electromagnètics. En el prototip del arrancador elèctric monopolar (terminat entre 1852 i 1854) tant les parts estacionarias com les giratòries eren electromagnètiques. També va ser el descobriment del principi d'autoexcitación de la dinamo,[1] que va reemplaçar els dissenys d'imans permanents. També pot haver formulat el concepte de dínamo en 1861 (ans que ho feren Siemens i Wheatstone) pero no ho va patentar perque va pensar que no era el primer en donar-se conte d'això.[2]
Generadors de corrent contínua
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Dinamo (generador elèctric).
Una bobina de cable que gira en un camp magnètic produïx una corrent que canvia de direcció en cada rotació de 180°, una corrent alterna (CA). No obstant, molts usos primerencs de l'electricitat requerien corrent contínua (CD). En els primers generadors elèctrics pràctics, cridats dinamos, la CA es convertia en CC en un commutador, un conjunt de rotantes contactes d'interruptor en l'eix de l'induït. El commutador invertia la conexió del devanado d'induït al circuit cada 180° de rotació de l'eix, creant una corrent contínua pulsante. Una de les primeres dinamos va ser construïda per Hippolyte Pixii en 1832. La dinamo va ser el primer generador elèctric capaç d'entregar energia per a l'indústria. El generador elèctric Woolrich de 1844, ara en Thinktank, Birmingham Science Museum, va anar el primer generador elèctric utilisat en un procés industrial.[3] Va ser utilisat per la firma d'Elkingtons per a la galvanoplàstia comercial.[4][5][6]
La dinamo moderna, apta per a us en aplicacions industrials, va ser inventat de forma independent per Charles Wheatstone, Werner von Siemens i Samuel Alfred Varley. Varley va obtindre una palesa el 24 de decembre de 1866, mentres que Siemens i Wheatstone varen anunciar els seus descobriments el 17 de giner de 1867, i este últim va entregar un document sobre el seu descobriment a la Royal Society. La «màquina dinamoeléctrica» (dynamo-electric machine) amprava bobines de camp electromagnètic autoalimentades en lloc d'imans permanents per a crear el camp de l'estator.[7] El disseny de Wheatstone era similar al de Siemens, en la diferència de que en el disseny de Siemens els electroimanes de l'estator estaven en série en el rotor, pero en el disseny de Wheatstone estaven en paral.[8] L'us d'electroimanes en lloc d'imans permanents va aumentar considerablement la potència d'eixida de la dinamo i va permetre la generació d'altes potències per primera volta. Esta invenció va dur directament als primers usos industrials principals de l'electricitat. Per eixemple, en la década de 1870, Siemens va usar dinamos electromagnètiques per a alimentar forns d'arc elèctric per a la producció de metals i atres materials. La màquina de dinamo que es va desenrollar consistia en una estructura estacionaria, que proporcionava el camp magnètic, i un conjunt de devanados giratoris que giraven dins d'eixe camp. En màquines més grans, el camp magnètic constant és proporcionat per un o més electroimanes, que generalment es denominen bobines de camp. Les dínamos de gran generació d'energia ara rara volta es veuen per l'us casi universal de la corrent alterna per a la distribució d'energia. Abans de l'adopció de la CA, els dinamos de corrent contínua molt grans eren els únics mijos de generació i distribució d'energia. La CA ha aplegat a dominar per la capacitat de la CA per a transformar-se fàcilment des d'i cap a voltages molt alts per a permetre baixes pèrdues en la transmissió a grans distàncies.
Generadors síncronos (generadors de corrent alterna)
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Alternador.
.jpg){kind=link}
Gràcies a una série de descobriments, la dinamo va ser seguida per molts invents posteriors, especialment el alternador de CA, que era capaç de generar corrent alterna. És comunament conegut com a generador sincrónico (SG). Les màquines síncronas estan conectades directament a la ret i deuen estar correctament sincronisades durant l'inici.[9] Ademés, estan excitades en un control especial per a millorar l'estabilitat del sistema d'energia.[10]
Els sistemes de generació de corrent alterna eren coneguts en formes simples a partir del descobriment original de Michael Faraday de la inducció magnètica de la corrent elèctrica. El mateix Faraday va construir un primerenc alternador. La seua màquina era un "rectàngul giratori", l'operació del qual era heteropolar: cada conductor actiu passava successivament a través de regions a on el camp magnètic estava en direccions opostes.[11]
Els grans generadors de corrent alterna de dos fases varen ser construïts per un electriciste britànic, J. I. H. Gordon, en 1882. La primera demostració pública d'un "sistema d'alternador" va ser realisada per William Stanley, Jr., un empleat de Westinghouse Electric en 1886.[12]
Sebastian Ziani de Ferranti va fundar la companyia Ferranti, Thompson and Ince en 1882 per a comercialisar el seu alternador Ferranti-Thompson, inventat en l'ajuda del renombrado físic Lord Kelvin.[13] Els seus primers alternadors varen produir freqüències entre 100 i 300 Hz. Ferranti va passar a dissenyar la central elèctrica Deptford per a la London Electric Supply Corporation en 1887 utilisant un sistema de corrent alterna. Una volta que es va completar en 1891, va ser la primera estació d'energia verdaderament moderna, que suministrava energia de CA d'alt voltage que després es "reduïa" per a us del consumidor en cada carrer. Este sistema bàsic seguix en us hui en dia en tot lo món. Despuix de 1891, es varen introduir els alternadors polifàsics per a suministrar corrents de múltiples fases diferents.[14] Els alternadors posteriors es varen dissenyar per a variar les freqüències de corrent alterna entre setze i aproximadament cent hertzios, per al seu us en allumenament d'arc, allumenament incandescent i motors elèctrics.[15]
Autoexcitación
[editar | editar còdic]A mida que aumentaven els requeriments per a la generació d'energia a gran escala, va sorgir una nova llimitació: els camps magnètics disponibles a partir d'imans permanents. La desviació d'una chicoteta cantitat de l'energia generada pel generador cap a una bobina de camp electromagnètic va permetre que el generador produïra substancialment més energia. Este concepte va ser denominat autoexcitación. Les bobines de camp eren conectades en série o en paral en el devanado de l'armadura. Quan el generador començava a girar, la chicoteta cantitat de magnetisme remanente present en el núcleu de ferro proporcionava un camp magnètic per a iniciar-ho, generant una chicoteta corrent en l'armadura. Esta fluïx a través de les bobines de camp, creant un camp magnètic més gran que genera una corrent d'armadura més gran. Este procés de "arrancada" continua fins que el camp magnètic en el núcleu es desactiva per la saturació i el generador alcança una potència d'eixida estable. Els generadors de centrals elèctriques molt grans a sovint utilisaven un generador més chicotet separat per a excitar les bobines de camp dels més grans. En el cas de que es produïxca una interrupció generalisada del suministrament elèctric, és possible que les estacions deguen realisar un arrancada en negre per a excitar els camps dels seus generadors més grans, a fi de restablir el servici d'energia del client.[16]
Atres sistemes de generació de corrents elèctriques
[editar | editar còdic]
No solament és possible obtindre una corrent elèctrica a partir d'energia mecànica de rotació, sino que és possible fer-ho en qualsevol atre tipo d'energia com a punt de partida. Des d'este punt de vista més ampli, els generadors es classifiquen en dos tipos fonamentals:
- Primaris: Convertixen en energia elèctrica l'energia d'una atra naturalea que reben o de la que disponen inicialment, com a alternadors, dinamos, etc.
- Secundaris: Entreguen una part de l'energia elèctrica que han rebut prèviament, és dir, en primer lloc reben energia d'una corrent elèctrica i l'almagasenen en forma d'alguna classe d'energia. Posteriorment, transformen novament l'energia almagasenada en energia elèctrica. Un eixemple són les piles o bateries recargables. S'agruparan els dispositius concrets conforme al procés físic que els servix de fonament.
Generadors primaris
[editar | editar còdic]S'indiquen de modo esquemàtic l'energia de partida i el procés físic de conversió. S'han considerat en tots els casos conversió directes d'energia. Per eixemple, el hidrogen posseïx energia química i pot ser convertida directament en una corrent elèctrica en una pila de combustible. També seria el seu combustió en oxigen per a lliberar energia tèrmica, que podria expansionar un gas obtenint aixina energia mecànica que faria girar un alternador per a obtindre finalment, per inducció magnètica, la corrent desijada.
| Energia de partida | Procés físic que convertix dita energia en energia elèctrica |
|---|---|
| Energia magneto-mecànica | Són els més freqüents i varen ser tractats com a generadors elèctrics genèrics. |
| Energia química (sense intervenció de camps magnètics) | Celes electroquímiques i els seus derivats: piles elèctriques, bateries, piles de combustible. Vore les seues diferències en generadors electroquímics. |
| Radiació electromagnètica | Fotoelectricidad, com en el panel fotovoltaic |
| Energia mecànica (sense intervenció de camps magnètics) |
|
| Energia tèrmica (sense intervenció de camps magnètics) | Termoelectricidad (efecte Seebeck) |
| Energia nuclear (sense intervenció de camps magnètics) | Generador termoelèctric de radioisòtops |
En la majoria dels casos, el rendiment de la transformació és tan baix que és preferible fer-ho en vàries etapes. Per eixemple, convertir la energia nuclear en energia tèrmica, posteriorment en energia mecànica d'un gas a gran pressió que fa girar una turbina a gran velocitat, per a obtindre finalment, per inducció electromagnètica, una corrent alterna en un alternador, el generador elèctric més important des d'un punt de vista pràctic com a font d'electricitat per a casi tots els usos actuals.
Generadors ideals
[editar | editar còdic]Des del punt de vista teòric (teoria de circuits), es distinguixen dos tipos de generadors ideals:[17]
Generador de voltage o tensió: un generador de voltage ideal manté un voltage fix entre les seues terminals en independència de la resistència de la càrrega Rc que puga estar conectada entre ells.
Generador de corrent o intensitat: un generador de corrent ideal manté una corrent constant pel circuit extern en independència de la resistència de la càrrega que puga estar conectada entre ells. En la (figura 1) es veu el circuit més simple possible, constituït per un generador de tensió constant I conectat a una càrrega Rc i en a on es compliria l'equació:
I = I×Rc
El generador descrit no té existència real en la pràctica, ya que sempre posseïx lo que s'ha donat en cridar convencionalment resistència interna, que encara que no és realment una resistència, en la majoria dels casos es comporta com a tal. En la (figura 2) es pot vore el mateix circuit anterior, pero a on la resistència interna del generador ve representada per una resistència Ri, en série en el generador, en lo que l'equació anterior es transforma en:
I = I×(Rc+Ri)
Aixina, un generador real pot considerar-se en molts casos com un generador ideal de tensió en una resistència interna en série, o be com un generador ideal d'intensitat en paral en una resistència.[17]
Components d'un generador
[editar | editar còdic]Ademés del motor i el generador, els generadors elèctrics inclouen generalment un suministrament de combustible, un regulador de velocitat del motor constant (governador) i un regulador de tensió del generador, sistemes de refrigeració i d'escape i el sistema de lubricación. Les unitats majors de 1 kW de potència a sovint tenen una bateria i un motor d'arrancada elèctrica; ademés, unitats molt grans poden començar en aire comprimit o be en un motor d'arrancada accionado per aire o introduït directament als cilindres del motor per a iniciar la rotació del motor. Les unitats generadores d'energia de reserva inclouen a sovint un sistema automàtic d'arrancada i un interruptor de transferència per a desconectar la càrrega de la font d'energia de la ret quan hi ha un fallo d'alimentació i conectar-ho al generador.
Força electromotriz d'un generador
[editar | editar còdic]Una característica de cada generador és el seu força electromotriz (F. I. M.), simbolisada per la lletra grega epsilon (ε) i definida com el treball que el generador realisa per a passar l'unitat de càrrega positiva del pol negatiu al positiu per l'interior del generador. La F. I. M. (ε) es medix en volts, i en el cas del circuit de la Figura 2 seria igual a la tensió I, mentres que la diferència de potencial entre els punts a i b, Va-b és depenent de la càrrega Rc. La F. I. M. (ε) i la diferència de potencial coincidixen en valor en absència de càrrega, ya que en este cas, en ser I = 0, no hi ha caiguda de tensió en Ri i per tant Va-b = I.
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Augustus Heller. “google. com/? id=nWojdmTmch0C&pg=PA516&dq=jedlik+dynamo+1827#v=onepage&q=jedlik%20dynamo%201827&f=false Anianus Jedlik”. Nature 53 (1379). Norman Lockyer. doi:. Bibcode: 1896Natur..53..516H.
- ↑ Augustus Hellergoogle. com/books? id=nWojdmTmch0C&pg=PA516&dq=jedlik+dynamo+1827&lr=&as_brr=3&ei «Anianus Jedlik».Nature.Norman Lockyer.53(1379)doi:10.1038/053516a0.
- ↑ Birmingham Museums trust catalogue, accession number: 1889S00044
- ↑ org/details/michaelfaradayro0000thom Michael Faraday and the Royal Institution: The Genius of Man and Plau, Bristol: Hilger, p. org/details/michaelfaradayro0000thom/page/51 51. ISBN 0750301457.
- ↑ org/details/exhibitingelectr0000beau Exhibiting Electricity, IET, p. org/details/exhibitingelectr0000beau/page/90 90. ISBN 9780852968956.
- ↑ “The early history of gold plating” . Gold Bulletin 6 (1): 16–27. doi:.
- ↑ “{{{title}}}” . Berliner Berichte.
- ↑ “{{{title}}}” . Proceedings of the Royal Society.
- ↑ Plantilla:Cite journalast=Schaefer
- ↑ Plantilla:Cite journalast=Basler
- ↑ Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pag. 7.
- ↑ Block, Thomas J., "archive. org/web/20040825140907/http://www. ieee. org/organizations/history_center/stanley. html Alternating Current Electrification, 1886". IEEE History Center, IEEE Milestone. (ed. first practical demonstration of a dc generator - ac transformer system.)
- ↑ mosi. org. uk/collections/explore-the-collections/ferranti-online/timeline. aspx Ferranti Timeline mosi. org. uk/collections/explore-the-collections/ferranti-online/timeline. aspx archivat en Wayback Machine. – Museum of Science and Industry (Accessed 22-02-2012)
- ↑ Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pag. 17.
- ↑ Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pag. 16.
- ↑ youtube. com/watch? v=zduGlpGZrkk SpecSizer: Generator Set Sizing
- ↑ 17,0 17,1 google. es/books? id=IZQzgLA3U8sC&pg=PA11 Electrònica fonamental: Dispositius, circuits i sistemes. Michael M. Cirovic. Editorial Reverté, 1995. ISBN 8429130144. Pág. 11.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Generador eléctrico» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.