alt=Generador eléctrico inverter de 2000W de potencia nominal|miniaturadeimagen|Generador eléctrico inverter portátil Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema está basado en la ley de Faraday.
Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases. miniaturadeimagen|Generador eléctrico monofásico El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en mecánica.
Historia
Antes de que se descubriera la conexión entre el magnetismo y la electricidad, ya se habían inventado los generadores electrostáticos. Funcionaban según principios electrostáticos, mediante el uso de cintas, placas y discos cargados eléctricamente que llevaban la carga hasta un electrodo de alto potencial. La carga se generaba utilizando uno de dos mecanismos, inducción electrostática o efecto triboeléctrico. Tales generadores producían muy altos voltajes y baja corriente. Debido a su ineficiencia y a la dificultad de aislamiento de las máquinas que producían esos voltajes tan altos, los generadores electrostáticos tenían niveles de potencia bajos y nunca se utilizaron para la generación de cantidades comercialmente significativas de energía eléctrica. Sus únicas aplicaciones prácticas consistían en alimentar los primeros tubos de rayos X y, posteriormente, en algunos aceleradores de partículas atómicas.
Generador de disco de Faraday
El principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos fue descubierto en los años 1831-1832 por Michael Faraday. El principio, más tarde llamado ley de Faraday, es que se genera una fuerza electromotriz en un conductor eléctrico que rodea un flujo magnético variable.
También construyó el primer generador electromagnético, llamado disco de Faraday; un tipo de generador homopolar, que utiliza un disco de cobre que gira entre los polos de un imán de herradura. Se produce una pequeña tensión continua.
Este diseño era ineficiente debido a los contraflujos de auto-cancelación de la corriente en las regiones del disco que no estaban bajo la influencia del campo magnético. Mientras que la corriente se inducía directamente debajo del imán, la corriente circulaba hacia atrás en las regiones que estaban fuera de la influencia del campo magnético. Este contraflujo limitaba la salida de potencia en los cables de captación e inducía el calentamiento de los residuos del disco de cobre. Los generadores homopolares posteriores resolverían este problema utilizando una serie de imanes dispuestos alrededor del perímetro del disco para mantener un efecto de campo estable con una dirección de flujo de corriente.
Otra desventaja era que el voltaje de salida era muy bajo, debido a disponer de una única trayectoria de la corriente a través del flujo magnético. Los experimentadores descubrieron que el uso de múltiples vueltas de cable en una bobina podía producir voltajes más altos y más útiles. Dado que el voltaje de salida es proporcional al número de vueltas, los generadores podrían diseñarse fácilmente para producir cualquier voltaje deseado variando el número de vueltas. Los devanados de alambre se convirtieron en una característica básica de todos los diseños de generadores posteriores.
Jedlik y el fenómeno de la autoexcitación Independientemente de Faraday, el húngaro Ányos Jedlik comenzó a experimentar en 1827 con los dispositivos giratorios electromagnéticos a los que llamó autorrotores electromagnéticos. En el prototipo del arrancador eléctrico monopolar (terminado entre 1852 y 1854) tanto las partes estacionarias como las giratorias eran electromagnéticas. También fue el descubrimiento del principio de autoexcitación de la dinamo, que reemplazó los diseños de imanes permanentes. También puede haber formulado el concepto de dínamo en 1861 (antes de que lo hicieran Siemens y Wheatstone) pero no lo patentó porque pensó que no era el primero en darse cuenta de ello.
Generadores de corriente continua
Una bobina de cable que gira en un campo magnético produce una corriente que cambia de dirección con cada rotación de 180°, una corriente alterna (CA). Sin embargo, muchos usos tempranos de la electricidad requerían corriente continua (CD). En los primeros generadores eléctricos prácticos, llamados dinamos, la CA se convertía en CC con un conmutador, un conjunto de rotantes contactos de interruptor en el eje del inducido. El conmutador invertía la conexión del devanado de inducido al circuito cada 180° de rotación del eje, creando una corriente continua pulsante. Una de las primeras dinamos fue construida por Hippolyte Pixii en 1832.
La dinamo fue el primer generador eléctrico capaz de entregar energía para la industria. El generador eléctrico Woolrich de 1844, ahora en Thinktank, Birmingham Science Museum, fue el primer generador eléctrico utilizado en un proceso industrial.Birmingham Museums trust catalogue, accession number: 1889S00044 Fue utilizado por la firma de Elkingtons para la galvanoplastia comercial.
La dinamo moderna, apta para uso en aplicaciones industriales, fue inventado de forma independiente por Charles Wheatstone, Werner von Siemens y Samuel Alfred Varley. Varley obtuvo una patente el 24 de diciembre de 1866, mientras que Siemens y Wheatstone anunciaron sus descubrimientos el 17 de enero de 1867, y este último entregó un documento sobre su descubrimiento a la Royal Society.
La «máquina dinamoeléctrica» (dynamo-electric machine) empleaba bobinas de campo electromagnético autoalimentadas en lugar de imanes permanentes para crear el campo del estator. El diseño de Wheatstone era similar al de Siemens, con la diferencia de que en el diseño de Siemens los electroimanes del estator estaban en serie con el rotor, pero en el diseño de Wheatstone estaban en paralelo. El uso de electroimanes en lugar de imanes permanentes aumentó considerablemente la potencia de salida de la dinamo y permitió la generación de altas potencias por primera vez. Esta invención llevó directamente a los primeros usos industriales principales de la electricidad. Por ejemplo, en la década de 1870, Siemens usó dinamos electromagnéticas para alimentar hornos de arco eléctrico para la producción de metales y otros materiales.
La máquina de dinamo que se desarrolló consistía en una estructura estacionaria, que proporcionaba el campo magnético, y un conjunto de devanados giratorios que giraban dentro de ese campo. En máquinas más grandes, el campo magnético constante es proporcionado por uno o más electroimanes, que generalmente se denominan bobinas de campo.
Las dínamos de gran generación de energía ahora rara vez se ven debido al uso casi universal de la corriente alterna para la distribución de energía. Antes de la adopción de la CA, los dinamos de corriente continua muy grandes eran los únicos medios de generación y distribución de energía. La CA ha llegado a dominar debido a la capacidad de la CA para transformarse fácilmente desde y hacia voltajes muy altos para permitir bajas pérdidas en la transmisión a grandes distancias.
Generadores síncronos (generadores de corriente alterna)
Gracias a una serie de descubrimientos, la dinamo fue seguida por muchos inventos posteriores, especialmente el alternador de CA, que era capaz de generar corriente alterna. Es comúnmente conocido como generador sincrónico (SG). Las máquinas síncronas están conectadas directamente a la red y deben estar correctamente sincronizadas durante el inicio. Además, están excitadas con un control especial para mejorar la estabilidad del sistema de energía.
Los sistemas de generación de corriente alterna eran conocidos en formas simples a partir del descubrimiento original de Michael Faraday de la inducción magnética de la corriente eléctrica. El mismo Faraday construyó un temprano alternador. Su máquina era un "rectángulo giratorio", cuya operación era heteropolar: cada conductor activo pasaba sucesivamente a través de regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas.Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pag. 7.
Los grandes generadores de corriente alterna de dos fases fueron construidos por un electricista británico, J.E.H. Gordon, en 1882. La primera demostración pública de un "sistema de alternador" fue realizada por William Stanley, Jr., un empleado de Westinghouse Electric en 1886.Blalock, Thomas J., "Alternating Current Electrification, 1886". IEEE History Center, IEEE Milestone. (ed. first practical demonstration of a dc generator - ac transformer system.)
Sebastian Ziani de Ferranti fundó la compañía Ferranti, Thompson and Ince en 1882 para comercializar su alternador Ferranti-Thompson, inventado con la ayuda del renombrado físico Lord Kelvin.Ferranti Timeline – Museum of Science and Industry (Accessed 22-02-2012) Sus primeros alternadores produjeron frecuencias entre 100 y 300 Hz. Ferranti pasó a diseñar la central eléctrica Deptford para la London Electric Supply Corporation en 1887 utilizando un sistema de corriente alterna. Una vez que se completó en 1891, fue la primera estación de energía verdaderamente moderna, que suministraba energía de CA de alto voltaje que luego se "reducía" para uso del consumidor en cada calle. Este sistema básico sigue en uso hoy en día en todo el mundo.
Después de 1891, se introdujeron los alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes.Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pag. 17. Los alternadores posteriores se diseñaron para variar las frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hertzios, para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos.Thompson, Sylvanus P., Dynamo-Electric Machinery. pag. 16.
Autoexcitación A medida que aumentaban los requerimientos para la generación de energía a gran escala, surgió una nueva limitación: los campos magnéticos disponibles a partir de imanes permanentes. El desvío de una pequeña cantidad de la energía generada por el generador hacia una bobina de campo electromagnético permitió que el generador produjera sustancialmente más energía. Este concepto fue denominado autoexcitación. Las bobinas de campo eran conectadas en serie o en paralelo con el devanado de la armadura. Cuando el generador comenzaba a girar, la pequeña cantidad de magnetismo remanente presente en el núcleo de hierro proporcionaba un campo magnético para iniciarlo, generando una pequeña corriente en la armadura. Esta fluye a través de las bobinas de campo, creando un campo magnético más grande que genera una corriente de armadura más grande. Este proceso de "arranque" continúa hasta que el campo magnético en el núcleo se desactiva debido a la saturación y el generador alcanza una potencia de salida estable. Los generadores de centrales eléctricas muy grandes a menudo utilizaban un generador más pequeño separado para excitar las bobinas de campo de los más grandes. En el caso de que se produzca una interrupción generalizada del suministro eléctrico, es posible que las estaciones deban realizar un arranque en negro para excitar los campos de sus generadores más grandes, a fin de restablecer el servicio de energía del cliente.SpecSizer: Generator Set Sizing
Otros sistemas de generación de corrientes eléctricas