ANEXO J. GENERADORES ELÉCTRICOS Generador eléctrico: este componente esta acoplado al eje de la turbina, y transforma la energía mecánica de este en energía eléctrica útil. Existen dos tipos de generadores más comunes, los de corriente alterna CA y los de corriente continua CC. Los más usados son los de CA dado que pueden trabajar a rpms variables, mientras que los CC necesitan rpms muy constantes y a altas velocidades de rotación. 1.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS GENERADORES: 1.1.1 Voltaje En nuestro medio se venden generadores monofásicos con voltajes de salida de 12, 24, 120 y 240 V, y generadores trifásicos que utilizan 240/415 V. Cuando no se considera el uso de transformadores de voltaje, entonces los equipos y los aparatos que se conectaran al sistema deberán ser compatibles en voltaje. 1.1.2 Perdidas por conversión de energía Esto se debe a que cada componente del sistema pierde energía en forma de fricción, calor, ruido, etc. La eficiencia de los generadores para producir energía útil varia entre 60% para pequeños generadores de corriente alterna, 80% para rangos entre 5 – 10 Kw. y 90% para equipos mayores a 50 Kw. 1.1.3 Potencia de salida Es la potencia que queda luego de haber considerado todas las perdidas en el sistema, está en función de la eficiencia del equipo completo. Conociendo la eficiencia de los generadores, se puede predecir con aproximación la potencia de salida del generador que se desea utilizar. Sin embargo, estos datos deben ser suministrados por el proveedor de estos equipos al momento de su venta. 1.1.4 Factor de potencia Si el circuito externo es solamente resistivo, entonces la corriente y el voltaje se hallan en fase, el valor de uno es directamente proporcional al del otro y el factor de potencia es cosF = 1. Ya que el voltaje y la corriente varían con el tiempo, en la siguiente expresión se trata del valor promedio de la potencia de salida del generador. P0 = E0 x I0 Donde: P0 = Potencia efectiva, (W) E0 = Voltaje efectivo (V) I0 = corriente efectiva (A) Para cargas resistivas, el valor de la potencia en volt – amperios o vatios es el mismo. Por ejemplo, si un generador de 220 V genera una corriente de 25 A, tendría una potencia de salida de 220 V x 25 A = 5.5 Kw. 1.2 GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA El alternador (o dínamo) tiene como objetivo convertir la energía mecánica en eléctrica alterna, brindando la corriente eléctrica por las diversas partes del vehículo que lo requieren (encendido, luces, etc) y posibilitando también la carga de la batería. Están construidos en base al principio que un conductor sometido a un campo magnético variable crea una tensión eléctrica inducida. Las partes básicas de un alternador son: rotor, estator, puente rectificador y escobillas. El alternador, principalmente del tipo de rotor de imanes permanentes, no requiere de mantenimiento, ya que, no existen piezas en rozamiento. En general, los alternadores son ligeros, económicos y fáciles de conseguir. La mayoría de los alternadores comerciales, deben girar a una velocidad elevada y estable para su correcto funcionamiento (1800 a 3600 rpm) y además requieren de un rectificador para pasar la corriente de AC a DC y poder cargar las baterías. Los generadores de corriente alterna pueden ser de tipos: Monofásicos y trifásicos. Comercialmente se pueden adquirir generadores monofásicos para cubrir todos los rangos de potencia, mientras que los trifásicos cubren los rangos de 2– 3 Kw. Sin embargo, la generación monofásica se utiliza en esquemas menores a 10 – 15 Kw. ya que, por debajo de esta potencia nominal, las cargas individuales representarían un gran porcentaje del total de la capacidad del generador y balancear las cargas se tornaría muy difícil. Entre los generadores de velocidad constante se tiene el síncrono aplicable para potencias medias y altas, el de inducción para potencias pequeñas y el de magnetización permanente (imanes permanentes), para potencias muy pequeñas. Ilustración 1. Esquema de generador de corriente alterna. Fuente. Wikipedia, la enciclopedia libre. 1.3 LECCIÓN COMPARATIVA DE VARIOS TIPOS DE GENERADORES. El material de este capítulo es una traducción del original titulado “Selectting Alternators and Generators”, preparado por la personas de Otherpower.com. 1.3.1 Alternadores de Vehículos • Ventajas: Son baratos, se consiguen fácilmente, generalmente se presentan ensamblados. • Desventajas: Requieren altas rotaciones (RPM), poleas o engranajes, son de poca potencia, requieren escobillas de recolección y exigen mantenimiento relativamente frecuente. • Utilidad como generadores de viento: BAJA El problema más grave con los alternadores de vehículos es que se han diseñado para rotar a altas velocidades que son imposibles de lograr con corrientes de viento. Aún un molino rápido difícilmente supera 600 RPM. Esto es excesivamente lento para un alternador. El uso de multiplicadores causa una gran pérdida de potencia por causa de la fricción. Un alternador es una unidad electromagnética. Esto quiere decir que parte de la electricidad generada por la unidad debe ser utilizada internamente y desviada al inducido por medio de escobillas para iniciar los campos magnéticos. Esto los hace ineficientes y complicados. Son fáciles de regular ya que la intensidad magnética puede ser cambiada modificando la potencia de los campos. Los alternadores pueden ser modificados para generar electricidad a menores velocidades de rotación rebobinando las bobinas con más vueltas y un alambre más delgado. Estos proyectos no son aconsejables para personas sin experiencia. 1.3.2 Alternadores fabricados en casa con imanes permanentes (IP). Ilustración 2. Alternadar de imanes permanentes Fuente. (Forcefield, 2004) • Ventajas: Baratos, eficientes, tienen una gran capacidad de producción y su construcción puede ser muy robusta. • Desventajas: Su construcción puede ser complicada. Requieren cierto maquinado. • Utilidad como generadores de viento: BUENA. Todos los experimentos que se han hecho con este tipo de generadores demuestran que los generadores de imanes permanentes (IP) son los más potentes a todas sus velocidades, tanto bajas como altas. Los generadores grandes axiales se llaman así porque consisten en una plancha redonda de imanes permanentes que giran sobre otra plancha plana de bobinas. Los generadores radiales se fabrican haciendo que los imanes estén en el radio de las bobinas, que entonces se asemejan a un inducido de motor. Como todos los alternadores generan corriente alterna (AC), ésta debe ser convertida a corriente directa (DC) a través de rectificadores insertados entre el alternador y la batería de almacenamiento de electricidad. 1.3.3 Conversión de motores de inducción al alternadores. Ilustración 3. Moter de inducción. Fuente. (Forcefield, 2004) • Ventajas: Baratos, fáciles de encontrar, relativamente sencillos de convertir, buena eficiencia a baja velocidad. • Desventajas: La capacidad de generación la limita la resistencia interna, son ineficientes a altas velocidades, requieren cierto maquinado. • Utilidad como generadores de viento: BUENA. Campos modificados cambiándolos por imanes permanentes. Un motor normal de AC puede ser convertido a un alternador de IP a un costo bajo. Los experimentos que con ellos se han hecho indican que generan cantidades apreciables de electricidad a bajas velocidades, pero a altas dejan de ser eficientes muy rápidamente. Un motor de inducción tiene un inducido sin cables, pues está fabricado de láminas alternadas de acero y aluminio que le dan un aspecto liso a su superficie. Si este inducido fuese cavado para fijar IP en los huecos se transforma en un alternador de IP. En el comercio se consiguen unos modernos imanes de neodimio de un tamaño y forma perfectos para este uso. En la práctica estos generadores trabajan bastante bien hasta generar electricidad en el rango de 10 a 20 amperios. A partir de allí se genera calor y se desperdicia la corriente de viento. La bobinas de un motor de inducción están hechas de un alambre demasiado delgado para generar grandes cantidades de electricidad. Los motores convertidos tienen una tendencia a “atascarse”, lo que afecta su arranque. 1.3.4 Generadores de corriente directa. Ilustración 4. Generador DC. Fuente. (Forcefield, 2004) • Ventajas: Son sencillos y vienen ensamblados. Algunos son buenos a bajas RPM. • Desventajas: Requieren mucho mantenimiento, la gran mayoría no son útiles a bajas RPM, los tamaños mayores son muy difíciles de ubicar, los pequeños no son muy útiles. • Utilidad como generadores de viento : DEFICIENTE A BUENA. Esta unidades generan corriente DC, que es lo que hace que las baterías acumulen energía. Los vehículos de antes de 1970 usaban este tipio de generador, cuando fueron reemplazados por alternadores que emplean diodos pequeños y baratos. Estos generadores deben girar muy rápidamente para ser utilizados como máquinas de viento. Hay muchos planos para modificarlos. Ver el Lejaí Manual , que contiene muchos planos e ideas para convertir estos generadores. Estas unidades son bastante complejas y requieren el uso de conmutadores y escobillas. Ambas piezas se dañan. (Forcefield, 2004).