Alternador
Un alternador es un generador eléctrico que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, esto lo hace a manera de corriente alterna. Por simples razones tanto de costo como de simplicidad, casi todos los alternadores usan un campo magnético giratorio con una armadura estacionaria. Frecuentemente, se usa un alternador lineal o una armadura giratoria con un campo magnético que es fijo.
¿Qué es un alternador?
En principio, cualquier tipo de generador eléctrico de CA (Corriente alterna) puede ser nombrado alternador, no obstante, usualmente el término se refiere a unas pequeñas máquinas rotativas que son impulsadas por motores de combustión interna automotriz y otros tipos de accesorios.
Aquel alternador que usa un imán permanente, ubicado para su campo magnético es nombrado magneto.
¿Cuál es la función del alternador en un automóvil?
Son muchas las personas que se realizan esta pregunta, y la razón por la que el alternador es una pieza fundamental en tu vehículo es muy simple. Los alternadores se utilizan en los automóviles modernos para cargar la batería y para alimentar el sistema eléctrico cuando el motor está en marcha.
Hasta la década de 1960, los automóviles utilizaban generadores de corriente continua con conmutadores. Con la disponibilidad de rectificadores de diodo de silicio asequibles, se utilizaron alternadores. Esto se vio favorecido por el aumento de la demanda de energía eléctrica de los automóviles en este período, con el aumento de la carga de los faros más grandes, los limpiaparabrisas eléctricos, los cristales traseros con calefacción y otros accesorios del vehículo.
Preguntas sobre alternadores
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Historia del alternador
Los sistemas generadores de corriente alterna se conocieron en formas simples a partir del descubrimiento de la inducción magnética de la corriente eléctrica en la década de 1830.
Los generadores rotativos producían de forma natural corriente alterna, pero como se utilizaba poco, normalmente se convertía en corriente continua mediante la adición de un conmutador en el generador.
Es importante destacar que las primeras máquinas fueron creadas por pioneros como lo fueron 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 y Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrollaron los primeros alternadores, produciendo frecuencias entre 100 y 300 Hz.
A finales de la década de 1870 se introdujeron los primeros sistemas eléctricos a gran escala con estaciones centrales de generación para alimentar lámparas Arc, utilizadas para iluminar calles enteras, patios de fábricas o el interior de grandes almacenes.
Algunas, como las lámparas de arco de Yablochkov, introducidas en 1878, funcionaban mejor con corriente alterna, y el desarrollo de estos primeros sistemas de generación de CA fue acompañado por el primer uso de la palabra "alternador", dejando el suministro de la cantidad adecuada de voltaje de las estaciones generadoras en estos primeros sistemas a la habilidad del ingeniero para "manejar la carga".
En 1883 la fábrica de Ganz inventó el generador de tensión constante que podía producir una tensión de salida declarada, independientemente del valor de la carga real. La introducción de los transformadores a mediados de la década de 1880 condujo al uso generalizado de la corriente alterna y al uso de los alternadores necesarios para producirla.
Después de 1891, los alternadores polifásicos fueron introducidos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. Los alternadores posteriores fueron diseñados para varias frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y cerca de cien hertzios, para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos.
Los alternadores de radiofrecuencia especializados, como el alternador Alexanderson, fueron desarrollados como transmisores de radio de onda larga alrededor de la 1ª Guerra Mundial y utilizados en unas pocas estaciones de telegrafía inalámbrica de alta potencia antes de que fueran reemplazados por transmisores de tubos al vacío.
El tipo moderno de alternadores de vehículos fue utilizado por primera vez por los militares de la Segunda Guerra Mundial, para alimentar equipos de radio en vehículos especializados. Después de la guerra, otros vehículos con altas demandas eléctricas, como ambulancias y radiotaxis, también podían equiparse con alternadores opcionales.
Los alternadores fueron introducidos por primera vez como equipo estándar en un automóvil de producción por la Chrysler Corporation en el Valiant en 1960, varios años antes que Ford y General Motors.
Galería de Imágenes del primer auto con alternador moderno
Magnetos en los primeros automóviles
Algunos de los primeros automóviles, como el Ford Modelo T, utilizaban un tipo diferente de sistema de alternador: un magneto accionado por el motor que generaba corriente alterna de bajo voltaje que se suministraba a las bobinas de temblor, que proporcionaba el alto voltaje necesario para generar chispas de ignición (Esto era diferente de un verdadero magneto de ignición, que genera alto voltaje directamente).
Dado que un sistema magnético de este tipo sólo dependía del movimiento del motor para generar corriente, podía incluso utilizarse al arrancar un motor de arranque manual, siempre que la manivela se tirara con fuerza, de modo que el magneto produjera suficiente corriente para que las bobinas produjeran buenas chispas.
El Modelo T incorporó su magneto en el volante del motor. El primer modelo T usó el magneto únicamente para la ignición de la bobina de temblor. A partir del año modelo 1915, Ford agregó faros eléctricos, también alimentados por el magneto.
El circuito magnético era estrictamente de CA, sin batería incluida. (Había un interruptor en las bobinas de encendido para usar una batería en su lugar, lo que podría ser útil cuando se arranca en clima frío, pero Ford no proporcionó una batería ni alentó el uso de una antes de introducir un arrancador eléctrico en 1919. El propietario tendría que instalar la batería él mismo y cargarla externamente.)
A partir del año modelo 1919, Ford actualizó el Modelo T para incluir un arrancador eléctrico, que era estándar para algunos modelos y opcional para otros. Esta instalación de arranque también incluía una batería, cargada por una dinamo convencional, y ahora las luces eran alimentadas por la batería.
No obstante, el magneto del volante de inercia seguía alimentando el encendido, y como los modelos sin el arrancador no tenían batería, continuaron usando luces magnetoaccionadas.
Ventajas sobre los dinamos
Los alternadores tienen varias ventajas sobre los generadores de corriente continua (dinamos). Son más ligeros, más baratos, más robustos y pueden proporcionar una carga útil a la velocidad de ralentí.
Utilizan anillos colectores que prolongan considerablemente la vida útil de los cepillos sobre un conmutador. Los cepillos de un alternador sólo transportan corriente de excitación de CC (Corriente Continua), una pequeña fracción de la corriente transportada por los cepillos de un generador de CC, que transportan toda la salida del generador.
Se requiere un conjunto de rectificadores (puente de diodos) para convertir CA a CC. Para proporcionar corriente continua con un bajo nivel de ondulación, se utiliza un bobinado polifásico y se dan forma a los polos del rotor (polipasto de garras).
Los alternadores automotrices son usualmente impulsados por correa de 5 a 10 veces la velocidad del cigüeñal. El alternador funciona a varias RPM (lo que varía la frecuencia) ya que es accionado por el motor. Esto no es un problema porque la corriente alterna, se rectifica a corriente continua.
¿Cómo opera el alternador?
A pesar de sus nombres, tanto los "generadores de corriente continua" (dinamos) como los "alternadores" producen inicialmente corriente alterna. En un llamado “generador de corriente continua”, esta corriente alterna se genera en la armadura giratoria, y luego se convierte en corriente continua por el conmutador y los cepillos.
En un “alternador”, la corriente alterna se genera en el estátor estacionario, y luego es convertida a CC por los rectificadores (diodos).
Los típicos alternadores de vehículos de pasajeros y camiones ligeros utilizan la construcción de campo Lundell o “claw-pole”. Esto utiliza un núcleo de hierro moldeado en el rotor para producir un campo multipolar a partir de un solo devanado de bobina. Los polos del rotor parecen dedos de dos manos entrelazados entre sí.
La bobina está montada axialmente en su interior y la corriente de campo es suministrada por anillos colectores y escobillas de carbón. Estos alternadores tienen sus devanados de campo y estator enfriados por el flujo de aire axial, producido por un ventilador externo conectado a la polea de transmisión.
Los vehículos modernos utilizan ahora el diseño compacto del alternador. Esto es similar desde el punto de vista eléctrico y magnético, pero ha mejorado la refrigeración por aire. Un mejor enfriamiento permite más potencia de una máquina más pequeña.
La carcasa tiene ranuras de ventilación radial distintivas en cada extremo y ahora encierra el ventilador. Se utilizan dos ventiladores, uno en cada extremo, y el flujo de aire es semirradial, entrando axialmente y saliendo radialmente hacia el exterior.
Los devanados del estator consisten ahora en una banda central densa donde el núcleo de hierro y los devanados de cobre están bien apretados, y bandas finales donde los devanados están más expuestos para una mejor transferencia de calor. La mayor distancia entre el núcleo y el rotor mejora la eficiencia magnética. Los ventiladores más pequeños y cerrados producen menos ruido, especialmente a altas velocidades de la máquina.
Los alternadores también se pueden enfriar con agua en los automóviles. Los vehículos más grandes pueden tener alternadores de polos salientes similares a las máquinas más grandes.
Los bobinados de un alternador trifásico pueden conectarse utilizando la configuración de los regímenes de conexión Delta o Estrella.
Las versiones sin escobillas de este tipo de alternadores también son comunes en maquinaria más grande como camiones de carretera y maquinaria de movimiento de tierras. Con dos cojinetes de eje sobredimensionados como únicas piezas de desgaste, estos pueden proporcionar un servicio extremadamente largo y fiable, incluso superando los intervalos de revisión del motor.
Regulación de campo
Los alternadores automotrices requieren un regulador de voltaje que funciona modulando la corriente de campo pequeño para producir un voltaje constante en los terminales de la batería.
Los primeros diseños (c.1960s - 1970s) utilizaban un dispositivo discreto montado en otra parte del vehículo. Los diseños intermedios (c.1970s - 1990s) incorporaron el regulador de voltaje en la carcasa del alternador.
Los diseños modernos eliminan por completo el regulador de voltaje; la regulación de voltaje es ahora una función de la unidad de control del motor (ECU). La corriente de campo es mucho menor que la corriente de salida del alternador; por ejemplo, un alternador de 70 A puede necesitar sólo 7 A de corriente de campo.
La corriente de campo se suministra a los devanados del rotor mediante anillos colectores. La baja corriente y los anillos colectores relativamente lisos garantizan una mayor fiabilidad y una vida útil más larga que la obtenida por un generador de corriente continua con su conmutador y una mayor corriente que pasa a través de sus escobillas.
Los devanados de campo se alimentan de la batería a través de la cerradura de contacto y el regulador. Un circuito paralelo alimenta el indicador de advertencia de "carga" y se conecta a tierra a través del regulador (por lo que el indicador se enciende cuando el encendido está conectado pero el motor no está en marcha).
Una vez que el motor está en marcha y el alternador está generando potencia, un diodo alimenta la corriente de campo de la salida principal del alternador igualando la tensión a través del indicador de advertencia que se apaga. El cable que suministra la corriente de campo se denomina a menudo "cable de excitación".
El inconveniente de esta disposición es que si se apaga la luz de advertencia o se desconecta el cable del "excitador", no llega corriente a los devanados de campo y el alternador no genera energía.
Algunos circuitos indicadores de advertencia están equipados con una resistencia en paralelo con la lámpara que permite que la corriente de excitación fluya si la lámpara de advertencia se apaga.
El conductor debe comprobar que el indicador de advertencia está encendido cuando el motor está parado; de lo contrario, es posible que no haya ningún indicio de fallo de la correa que también pueda accionar la bomba de agua de refrigeración. Algunos alternadores se autoexcitarán cuando el motor alcance una cierta velocidad.
En los últimos años, los reguladores del alternador están conectados al sistema informático del vehículo y varios factores, como la temperatura del aire obtenida del sensor de temperatura del aire de admisión, el sensor de temperatura de la batería y la carga del motor, se evalúan para ajustar la tensión suministrada por el alternador.
Corriente de salida
Los automóviles más antiguos con una iluminación mínima pueden haber tenido un alternador capaz de producir sólo 30 amperios.
Los alternadores típicos de los automóviles de pasajeros y camiones ligeros tienen una potencia nominal de alrededor de 50 a 70 A, aunque cada vez son más comunes los valores nominales más altos, especialmente a medida que hay más carga en el sistema eléctrico del vehículo con aire acondicionado, dirección asistida eléctrica y otros sistemas eléctricos.
Los alternadores muy grandes utilizados en autobuses, equipos pesados o vehículos de emergencia pueden producir 300 A. Los semirremolques suelen tener alternadores con una potencia de 140 A. Los alternadores muy grandes pueden ser refrigerados por agua o por aceite.
Eficiencia
La eficiencia de los alternadores automotrices está limitada por la pérdida de enfriamiento del ventilador, la pérdida de cojinetes, la pérdida de hierro, la pérdida de cobre y la caída de voltaje en los puentes de diodos.
La eficiencia se reduce drásticamente a altas velocidades debido principalmente a la resistencia del ventilador. A velocidades medias, la eficiencia de los alternadores actuales es del 70 al 80%, por encima de los muy pequeños alternadores de imanes permanentes de alto rendimiento, como los que se utilizan para los sistemas de iluminación de bicicletas, que alcanzan una eficiencia de alrededor del 60%.
Las máquinas eléctricas de imanes permanentes más grandes (que pueden funcionar como motores o alternadores) pueden lograr hoy en día eficiencias mucho más altas. Pellegrino y otros, por ejemplo, proponen diseños no particularmente costosos que muestran regiones amplias en las que la eficiencia es superior al 96%.
Los grandes generadores de CA utilizados en las centrales eléctricas funcionan a velocidades cuidadosamente controladas y no tienen limitaciones de tamaño o peso, además tienen eficiencias bastante altas de hasta el 98%.
Vehículos híbridos
Los automóviles híbridos sustituyen el alternador y el motor de arranque por uno o más motores/generadores combinados (M/G) que ponen en marcha el motor de combustión interna, proporcionan parte o toda la potencia mecánica a las ruedas y cargan una gran batería de almacenamiento.
Cuando hay más de un M/G presente, como en el Hybrid Synergy Drive utilizado en el Toyota Prius y otros, uno puede funcionar como generador y alimentar al otro como motor, proporcionando una trayectoria electromecánica para que parte de la potencia del motor fluya hacia las ruedas.
Estos motores/generadores tienen dispositivos electrónicos considerablemente más potentes para su control que el alternador automotriz descrito anteriormente.
