Inducción Electromagnética

Principios Básicos
Principio Electrodinámico

(siguiendo con el tema de Alternadores)

La base para la generación de tensión la constituye la “inducción” electromagnética, que tiene lugar según el siguiente proceso:

Si un conductor eléctrico (alambre o espira de alambre) se mueve cortando las líneas de fuerza de un campo magnético, se origina en dicho conductor una tensión eléctrica (inducida). Es indiferente que el campo magnético esté fijo y el conductor se mueva, o por el contario sea el conductor el que esté fijo y el campo magnético el que se mueva.

Conectando a un voltímetro, mediante anillos colectores y escobillas de carbón, los extremos de una espira conductora que gire entre los polos norte y sur de un imán permanente, puede leerse una tensión variable debido a la situación constantemente variable respecto a los polos. Si el giro de la espira conductora es uniforme, la curva de tensión es senoidal, apareciendo los valores máximos después de cada media vuelta. Si el circuito de corriente es cerrado, fluye una “corriente alterna” (Fig.1).

¿Como se genera el campo magnético?

El campo magnético puede ser generado por imanes permanentes de montaje fijo los cuales, por su sencilla ejecución, no requieren grandes esfuerzos técnicos. Esta solución se utiliza en el caso de generadores pequeños (por ejemplo: dinamos de bicicletas).

No obstante, los electroimanes por los que pasa una corriente continua permiten conseguir potencias sensiblemente mayores, por lo que son éstos los que se emplean para crear el campo (excitador) magnético.

El electromagnetismo se basa en el fenómeno físico de que los conductores o devanados por los que circula una corriente, están rodeados por un campo magnético.

El número de espiras y la intensidad de la corriente circulante determinan la intensidad del campo magnético. Este campo magnético excitador puede intensificarse además con ayuda de un núcleo de hierro magnetizable que, al girar, induce una tensión alterna en la bobina del inducido. Para multiplicar el efecto de inducción en los alternadores existe, no una, sino varias espiras conductoras expuestas al campo magnético alterno.

Para su utilización en el alternador es una ventaja decisiva el que, aumentando o reduciendo la corriente de excitación en el devanado de excitación, pueda reforzarse o debilitarse el campo magnético y con ello el valor de la tensión inducida.

Como todo electroimán el devanado de excitación, al desconectarse la tensión de excitación pierde su magnetismo, excepto un pequeño resto (“remanencia”). Si la corriente de excitación es generada por una fuente de energía ajena al sistema (por ejemplo la batería), se trata de una “excitación externa”, si se deriva del circuito propio existe “auto excitación”. En las máquinas eléctricas, el conjunto del sistema giratorio constituido por el devanado y el núcleo de hierro, recibe el nombre de rotor.

Principio del alternador trifásico

Al igual que la corriente alterna monofásica, la trifásica, Fig. 2, se genera en los alternadores por medio de un movimiento giratorio. Una ventaja de la corriente alterna trifásica es que permite un mejor aprovechamiento del alternador que la monofásica.

Según este principio, existen en el inducido tres devanados iguales e independiente desplazados 120%BA entre sí. Es usual designar con u, v, w, los principios del devanado y con x y z los finales. Según el principio de la inducción, al girar el rotor se forman en los devanados tensiones alternas senoides de igual magnitud y frecuencia. Debido al desplazamiento de 120%BA entre los devanados, las tensiones alternas generadas en los mismos se encuentran desfasadas en el tiempo.

De esta forma tiene lugar un ciclo que se repite constantemente. La corriente alterna trifásica resultante produce un campo magnético giratorio en un motor adecuado.

Normalmente, un alternador trifásico necesitaría seis conductores para transmitir la energía

generada si los devanados no estuviesen unidos (Fig. 3), pero utilizando los tres circuitos puede reducirse el número de conductores de seis a tres. La unión de los circuitos se realiza mediante una “conexión en estrella” (Fig. 3b) o una “conexión en triángulo” (Fig. 3c).

En el caso de la “conexión en estrella”, los extremos de los devanados se unen en un punto neutro central. Sin conductor central, la suma de las tres corrientes hacia el punto neutro central es un todo momento igual a cero.

Las consideraciones anteriores se refieren a la ejecución de alternadores trifásicos con campo excitador inmóvil y devanado del inducido en rotación, en el cual se induce la corriente de carga. por el contrario, en los alternadores trifásico, conectado en estrella o en triángulo, se encuentra en la parte fija de la carcasa, es decir en el estator (por lo que se denomina también “devanado estatórico)”, y es la parte giratoria, el rotor, la que contiene los polos magnéticos con el devanado de excitación.

En cuanto circula por este devanado la corriente de excitación, se forma el campo magnético del rotor.

Al girar el rotor, el campo magnético excitado induce en los devanados estatóricos una tensión alterna trifásica que, con el alternador en carga, suministra la corriente trifásica.

Rectificación de la tensión alterna

La tensión alterna generada por el alternador trifásico no es adecuada para la batería ni tampoco para la alimentación de la unidades de control o de los componentes electrónicos.

es necesario rectificarla. Una condición importante para la rectificación es disponer de diodos de potencia aptos para funcionar en un amplio intervalo de temperatura.

Los diodos rectificadores presentan un sentido de paso y un sentido de bloqueo. La dirección de la flecha del símbolo de conexión indica el sentido de paso. Un diodo es comparable a una válvula de retención, que sólo permite el paso de un fluido líquido o gaseoso en una dirección y bloque su retorno.

El diodo rectificador hace que se supriman las semiondas negativas y solo se dejen pasar las semiondas positivas, de forma que se genere una corriente continua pulsatoria. A fin de aprovechar para la rectificación todas las semiondas, incluso las negativas suprimidas, se aplica una rectificación doble o de onda completa.

Circuito en puente para rectificación de la corriente trifásica

En la figura 4 se representa la forma básica de actuación de los diodos en la rectificación de una tensión alterna. En la Fig. 4a se muestra la rectificación sencilla y en la Fig. 4b la rectificación doble o completa.

Las tensiones alternas generadas en los tres devanados del alternador trifásico se rectifican con seis diodos en un circuito en puente de corriente trifásica. En cada fase están conectados dos diodos de potencia, uno por el lado positivo (al terminal B+) y otro por el lado negativo (al terminal B-). Los seis diodos de potencia forman el puente rectificador trifásico. Las semiondas positivas pasan por los diodos del lado positivo y las semiondas negativas por los diodos del lado negativo, quedando así rectificadas. La rectificación completa con el puente origina la adición de las envolventes positivas y negativas de estas semiondas, por lo que se obtiene del alternador una tensión levemente ondulada (Fig. 5).

La corriente de excitación que magnetiza los polos del campo de excitación, se deriva del devanado estatórico. Una conexión de rectificación de onda completa rectifica la tensión de excitación.

Los tres “diodos de excitación: del terminal D+ y los tres diodos de potencia del lado negativo (terminal B-) forman el circuito en puente para la corriente de excitación.

Para aprovechar el contenido de onda superior de la tensión del alternador y con objeto de lograr mayor potencia a altas velocidades de giro (por encima de 3000 min.-1 aproximadamente), en la conexión en estrella pueden aplicarse además los llamados “diodos adicionales”.

Bloqueo de la corriente de retorno

Los diodos rectificadores del alternador no sólo sirven para rectificar la tensión del alternador y la excitación, sino que también impiden que la betería se descargue a través del devanado trifásico del estator.

Cuando el motor está parado o funciona a una velocidad de rotación tan pequeña (por ejemplo durante el arranque), que el alternador aún no está autoexcitado, la corriente de la batería circularía por el devanado estatórico si no estuviesen instalados los diodos.

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Con respecto a la tensión de la batería los diodos están conectados en sentido de bloqueo, de forma que no puede pasar corriente de descarga de la batería. La corriente sólo puede pasar desde el alternador hacia la batería.

Diodos rectificadores

Los diodos de potencia de los lados positivo y negativo coinciden completamente en cuanto a su función. Sólo se diferencian por su estructura destinada a la rectificación en el alternador y se denominan diodos positivos y diodos negativos. La caja metálica moleteada de los diodos está realizada una vez como cátodo y otra como ánodo. La caja metálica incrustada en la placa positiva del diodo positivo está unida como cátodo al polo positivo de la batería B+. La caja metálica incrustada en la placa negativa del diodo negativo está unida como ánodo a masa (B-).
Los terminales de los diodos están conectados a los extremos del devanado estatórico (Fig. 6).
Las placas positivas y negativas actúan a la vez como disipadores térmicos para la refrigeración de los diodos. Como diodos de potencia pueden emplearse igualmente diodos Z (diodos Zener), los cuales limitan también los picos de tensión que aparecen en el alternador en caso de variaciones extremas de carga (protección Load-Dump).

Circuitos de corriente del alternador trifásico

Los alternadores trifásicos presentan, en su versión estándar, tres circuitos de corriente:
-El circuito de preexcitación (excitación externa por la corriente de la batería).
-El circuito de excitación (autoexcitación),
-El circuito de alternador o circuito principal.

Circuito de preexcitación
Al conectar el interruptor de encendido o de contacto (4), circula corriente de la batería Ib, como se indica en la Fig. 7, por la lámpara de control del alternador (3), por el devanado de excitación (1d) del rotor y por el regulador (2), a masa. Esta corriente de la batería origina en el rotor la preexcitación del alternador.

¿Por qué es necesaria la preexcitación?
La tensión inducida por la remanencia en el núcleo de hierro del devanado de excitación es muy baja en la mayoría de los alternadores trifásicos durante el arranque y a bajas revoluciones.
Esta tensión no es suficiente para provocar una autoexcitación destinada a la creación del campo magnético.
La autoexcitación sólo puede producirse cuando la tensión del alternador es superior a la caída de tensión en ambos diodos (2 x 0,7 V = 1,4 V).
Esto se consigue con la corriente de preexcitación de la batería, conducida a través de la lámpara de control de carga. La corriente genera un campo magnético en el rotor, el cual induce en el estator una tensión proporcional a la velocidad de giro. Al ponerse en marcha el motor debe alcanzarse el “régimen de arranque”, es decir, la tensión inducida debe ser superior a la caída de tensión en los diodos del circuito de excitación, de forma que se produzca la autoexcitación. El “régimen de arranque” es superior al régimen de ralentí (“régimen de cero amperios”), ya que la lámpara de control de carga aumenta la resistencia del circuito de preexcitación respecto a la resistencia del circuito de excitación. La potencia establecida de la lámpara de control de carga influye así en el “régimen de arranque”.

Lámpara de control del alternador
La lámpara de control del alternador (3) situada en el circuito de preexcitación actúa, al conectar el interruptor de encendido o de contacto (4), como una resistencia que determina la magnitud de la corriente de preexcitación. Si se ha elegido correctamente la potencia de la lámpara es demasiado baja, como por ejemplo en el caso de elementos electrónicos de indicación, es necesario conectar una resistencia en paralelo, para garantizar una autoexcitación segura del alternador. Mientras está encendida la lámpara, la tensión del alternador es inferior a la de la batería. La lámpara se apaga en cuanto se alcanza por primera vez el régimen en que se genera la tensión máxima del alternador y éste entrega su potencia al sistema eléctrico del vehículo. Las potencias de las lámparas de control del alternador son las siguientes:
2 W para instalaciones de 12 W,
3 W para instalaciones de 24 W.

Circuito de excitación
La corriente de excitación Ierr tiene la misión de crear un campo magnético durante todo el tiempo de funcionamiento del alternador, en el devanado de excitación del rotor, induciéndose así la tensión requerida del alternador en los devanados del estator.
Debido a que los alternadores trifásicos son alternadores autoexcitados, la corriente excitación se deriva de la corriente que pasa por el devanado de corriente trifásica.
La corriente de excitación Ierr pasa, como se representa en la Fig. 8, a través de los diodos de excitación (1a), por las escobillas y anillos colectores, a través del devanado de excitación, hacia el terminal DF del regulador (2), y desde el terminal D- del regulador, a través de los diodos de potencia (1c), retorna al devanado estatórico. Durante el funcionamiento del alternador ya no se requiere ninguna fuente de corriente ajena para la autoexcitación.

Circuito de corriente del alternador
La corriente alterna inducida en las tres fases al alternador tiene que ser rectificada por el circuito puente equipado con los diodos de potencia, para ser transmitida después a la batería y a los consumidores. La corriente del alternador IG pasa desde los tres devanados, a través de los diodos de potencia, a la batería y a los consumidores del sistema eléctrico del vehículo.
La corriente del alternador se divide en corriente de carga de la batería y en corriente de alimentación de los consumidores. En la Fig. 10 se muestra la variación de las tensiones de los devanados estatóricos en función del ángulo de rotación de un rotor.
En un rotor, por ejemplo con seis pares de polos y un ángulo de rotación de 30%BA, la tensión respecto al punto neutro de la conexión en estrella, es positiva en el extremo V del devanado, negativa en W y nula en U.
El recorrido de la corriente resultante de lo anterior se representa en la Fig. 9.
La corriente pasa desde el extremo v del devanado, a través de los diodos positivos hacia el terminal del alternador B+, a través de la batería o los consumidores, hacia masa (terminal del alternador B-) y a través de los diodos negativos hacia el extremo w del devanado. Con un ángulo de rotación de 45%BA fluye una corriente desde los extremos v y w del devanado, por el mismo camino, hacia el extremo u del devanado. En este caso no hay ninguna fase sin tensión.
Los dos ejemplos son, sin embargo, sólo valores momentáneos. Las tensiones de fase y las corrientes de fase cambian constantemente de magnitud y sentido, mientras que la corriente continua para la carga de la batería y la alimentación de los consumidores eléctricos, conserva fundamentalmente su sentido de flujo.
Este efecto de basa en el hecho de que, para cada posición posible del rotor, participan todos los diodos en la rectificación.
Para que pueda fluir una corriente desde el alternador a la batería, la tensión de aquél debe ser ligeramente superior a la de ésta.

El recorrido de la corriente resultante de lo anterior se representa en la Fig 9.
La corriente pasa desde el extremo v del devanado, a través de los diodos positivos hacia el terminal del alternador B+, a través de la batería o los consumidores, hacia masa (terminal del alternador B-) y a través de los diodos negativos hacia el extremo w del devanado. Con un ángulo de rotación de 45º fluye una corriente desde los extremos v y w del devanado, por el mismo camino, hacia el extremo u del devanado. En este caso no hay ninguna fase sin tensión.
Los dos ejemplos son, sin embargo, sólo valores momentáneos. Las tensiones de fase y las corrientes de fase cambian constantemente de magnitud y sentido, mientras que la corriente continua para la carga de la batería y la alimentación de los consumidores eléctricos, conserva fundamentalmente su sentido de flujo.
Este efecto de basa en el hecho de que, para cada posición posible del rotor, participan todos los diodos en la rectificación.
Para que pueda fluir una corriente desde el alternador a la batería, la tensión de aquél debe ser ligeramente superior a la de ésta.