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UNIDAD IV
CIRCUITO DE CARGA (ALTERNADOR)
Fig. 4
1.
OBJETIVOS -
El alumno explicará acerca de los alternadores: principio de funcionamiento, tipos de conexión en estrella y triangulo, cálculo de la potencia generada por el alternador.
-
Nomenclatura de los alternadores.
-
El alumno realizará el mantenimiento adecuado de los generadores de corriente alterna.
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2.
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CONSTRUCCIÓN DEL ALTERNADOR
La función del alternador es convertir la energía mecánica del motor a electricidad. La energía mecánica del motor es transmitida por una polea que hace girar a un rotor y genera electricidad de corriente alterna en el estator. Esta corriente alterna es rectificada a corriente directa por los diodos. Los componentes principales del alternador son el rotor que produce electromagnetismo, el estator que produce electricidad y los diodos que rectifican la electricidad.
Fig. 4.1
PARTES DE UN ALTERNADOR CON ESCOBILLAS
Figura 4.2
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PARTES DE UN ALTERNADOR SIN ESCOBILLAS DE EQUIPO PESADO
Figura 4.3
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PARTES IMPORTANTES DEL ALTERNADOR ROTOR El rotor está compuesto por los núcleos polares (polos magnéticos), la bobina de campo (llamada también bobina del rotor), los anillos de retención y el eje del rotor. La bobina de campo está enrollada con una bobina en la misma dirección de la rotación, y cada extremo de la bobina está conectado a un anillo de retención. Los dos núcleos polares están instalados a cada extremo de la bobina de forma que rodean a la bomba de campo. Al fluir la corriente a través de la bobina, se convierte en el polo norte y el otro en el polo sur. Los anillos de retención son de acero inoxidable y la superficie de contacto con las escobillas tiene un acabado de alta precisión. Están aisladas del eje del rotor.
Eje
Núcleo Bobina Núcleo Anillo de retenci ón Cojinete
Fig. 4.4
ESTATOR El estator está compuesto por la bobina del estator, y está fijado a los extremos delantero y trasero del bastidor. La bobina del estator consiste de capas delgadas de acero (núcleo de hierro estratificado). El lado de adentro tiene unas rendijas en las que hay tres bobinas de estator independientes.
El núcleo del estator hace de pasaje para el flujo (líneas magnéticas de fuerza) del núcleo del polo hasta la bobina del estator.
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Fig. 4.5
Formas de conexión de las bobinas del alternador: Voltaje de fase - estator en estrella
Fig. 4.6
Estator e Y Voltaje de fase
Fig. 4.7
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3. DIODOS Hay diodos positivos (+) y diodos negativos (-). En cada porta diodos hay tres de cada tipo. La corriente generada por el alternador es suministrada del lado positivo para que este y el bastidor del extremo queden aislados. Durante la rectificación, los diodos se ponen tan calientes que los porta diodos actúan irradiando este calor y evitan que los diodos se sobrecalienten.
Fig. 4.8
FIG. 4.9
Rectificación de la corriente con estator devanado delta o “Y” Aunque el alternador parece completo, la corriente generada aún es alterna. El sistema eléctrico requiere corriente continua. Para que la salida del alternador sea útil, la corriente debe transformarse de CA a CC.
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Fig 4.10
BASTIDORES DE LOS EXTREMOS Los bastidores tienen dos funciones: sirven de soporte para el rotor y actúan como una montura para el motor. Ambos tienen varios pasos de aire para mejorar la eficiencia de enfriamiento. El rectificador, el porta escobillas, el regulador de IC, etc. están fijados con pernos en la parte trasera del bastidor del extremo posterior.
Fig 4.11
Generadores Se verán brevemente los generadores en los circuitos de carga de CC. El generador se encuentra en algunas máquinas de los modelos antiguos. Para dar servicio a estas máquinas, usted debe tener conocimiento de cómo funciona el sistema de carga básico. La mayor parte de esta lección se enfocará en los circuitos de carga de CA, los cuales han reemplazado los circuitos de carga de CC en las máquinas de modelos más recientes. El generador produce energía eléctrica usando inducción electromagnética. La inducción electromagnética se usa para generar electricidad en el sistema de carga. La inducción electromagnética ocurre cuando hay un movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético. A medida que el conductor se corta a través del campo, se induce un voltaje en el conductor. Este voltaje causa un flujo de corriente si el conductor está conectado al circuito. La salida depende de la fuerza del campo magnético, de la velocidad a la que el campo magnético se corta y del número de conductores que cortan el campo.
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El generador básico tiene dos componentes: - Inducido--bucle de cable que gira (conductor). - Polos magnéticos-- campo magnético estacionario.
Fig 4.12
Alternador Un alternador opera según el mismo principio de un generador. Este convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El alternador puede llamarse generador de CA. La diferencia entre el generador y el alternador está en el modo en que el alternador rectifica la corriente alterna a corriente continua. El alternador rectifica la corriente electrónicamente usando diodos. Los alternadores son generalmente más compactos que los generadores y pueden suministrar una corriente más alta a velocidades bajas del motor. Como las máquinas de modelos recientes incluyen muchos accesorios eléctricos, el alternador puede proporcionar mejor la salida de corriente en este aumento de cargas eléctricas. El conmutador se divide en dos piezas con las áreas abiertas, que coinciden con los puntos neutrales del inducido como se muestra en la figura. Esto significa que, a medida que el conmutador pasa por las escobillas, hay un espacio de aire. Pasando este punto, la otra mitad del conmutador toca las escobillas. Debido a que la bobina está en la misma posición relativa, al igual que en la revolución una y media anterior, la corriente que fluye a las escobillas permanece en la misma dirección. El resultado es una corriente continua.
Cómo se induce el voltaje Un imán de barra que gira dentro de un bucle de cable simple produce muy poca cantidad de voltaje y corriente. Cuando el bucle de cable y el imán se colocan dentro de un bastidor de hierro se crea un entrehierro conductor en las líneas de fuerzas magnéticas. Como el hierro conduce el magnetismo fácilmente, al añadir el bastidor de hierro aumenta en gran medida el número de líneas de fuerza entre los polos N y S.
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Fig. 4.13 Fig. 4.14
En el centro de la punta de imán hay un gran número de líneas magnéticas de fuerza. Por tanto, existe un campo magnético fuerte en el centro del imán y un campo magnético débil existe en los bordes de entrada y de salida. Esta condición resulta cuando el espacio de aire entre el imán y el bastidor de campo es más grande en los bordes de entrada y de salida que en el centro del imán. La cantidad de voltaje inducido en un conductor es proporcional al número de líneas de fuerza que cortan el conductor en un período dado de tiempo. El voltaje también aumentará si el imán de barra gira más rápido debido a las líneas de fuerza que cortan el cable en un período de tiempo más corto. El imán que gira en un alternador se llama rotor y el conjunto del bucle de cable y el bastidor se llama estator.
Fig. 4.15
El conjunto del estator es un anillo de hierro blando, laminado, con tres grupos de bobinas o devanados. Un extremo de cada devanado del estator se conecta a un diodo positivo y a uno negativo. Los otros extremos de los devanados del estator pueden conectarse ya sea en configuración de estator tipo “Y” o en configuración de estator en estrella. El conjunto del rectificador convierte la corriente alterna en corriente continua. Se montan tres diodos positivos y tres diodos negativos en el conjunto del rectificador.
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El alternador está diseñado para proporcionar el mínimo de espacio libre entre el rotor y el estator y maximizar así los efectos del campo magnético. Este es un conjunto compacto capaz de generar alto flujo de corriente para satisfacer las necesidades del sistema eléctrico. Las escobillas están en contacto con los anillos colectores de cobre y proporcionar la corriente necesaria para la producción de los campos magnéticos en el rotor. Como es importante un buen contacto para una buena conductividad, las escobillas son mantenidas contra los anillos colectores por pequeños resortes. Generalmente, hay dos escobillas contenidas en un conjunto de portaescobillas. Este conjunto puede fácilmente sujetarse a la caja extrema de los anillos colectores terminales del alternador.
POLEA ESTRIADA EN V La relación de la polea se ha aumentado en un 2.5% mediante el uso de una polea estriada en V que mejora la eficiencia a altas velocidades. Regulación de la salida del alternador Si se permitiera que el alternador opere sin control, produciría voltajes altos imposibles de usar en las máquinas, debido a los daños producidos de los componentes. El regulador controla la salida del alternador. El límite de salida de la corriente depende del diseño del alternador y se indica en la caja como la corriente máxima. Por ejemplo, una caja puede tener una etiqueta que la clasifique como de 12V 85A. Esto indica que la salida máxima del alternador es de 85 amperios y está diseñado para un sistema de 12 voltios.
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Fig. 4.16
REGULADORES DE CARGA El circuito de regulación controla la salida de voltaje del alternador, al cambiar la fuerza del campo magnético producido por el rotor. Esto se hace controlando la cantidad de flujo de corriente a través de las escobillas de la bobina del rotor. El regulador es sensitivo al voltaje de la batería y por consiguiente a la carga eléctrica existente en el sistema. El regulador puede entonces ajustar la cantidad de corriente al rotor para satisfacer la demanda. Si el voltaje de la batería es bajo y la demanda de los accesorios eléctricos alta, regulador de voltaje aumentará la salida del alternador para cargar la batería proporcionar suficiente corriente para operar los accesorios. Cuando el voltaje de batería es alto y las demandas eléctricas bajas, el regulador de voltaje disminuirá salida del alternador. Hay tres diseños de reguladores del alternador: - Electromecánicos (máquinas antiguas). - Reguladores externos electrónicos. - Reguladores integrales electrónicos.
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el y la la
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Fig. 4.17
4. REGULADORES ELECTRONICOS DESCRIPCIÓN Tanto el regulador de tipo de contactos como el regulador de IC* tienen el mismo objeto básico: limitar la tensión que se emite del alternador (a esta se le suele llamar “tensión estándar” o “tensión regulada”) mediante el control de la corriente de campo que circula a través de la bobina del rotor. La diferencia principal consiste en que, en el regulador de IC, la corriente de campo es interrumpida por un IC en lugar de un relé como en el regulador de tipo de contactos.
Fig. 4.18
Fig. 4.19
REFERENCIA IC. Un IC (Integrated Circuid = Circuito Integrado), es un circuito miniaturizado compuesto de varios componentes eléctricos o electrónicos (transistores, diodos, resistencias, condensadores, etc.) montados o incorporados en substrato (esto
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es, un material de base como puede ser una placa de circuitos o una pastilla de silicio).El regulador de IC es compacto y ligero, y su fiabilidad es excelente debido a la ausencia de piezas mecánicas. Comparado con el de tipo de contactos tiene las siguientes características:
Fig. 4.20
Reguladores electrónicos de voltaje 1. Los reguladores electrónicos de voltaje realizan la misma función de los reguladores electromecánicos. 2. En el regulador electrónico el circuito de campo se conecta y se desconecta por acción de circuitos electrónicos, al controlar los transistores de conexión/desconexión. 3. Estos dispositivos electrónicos pueden conectarse/desconectarse más rápidamente y transportan más corriente que los puntos de contacto de los reguladores electromecánicos. 4. Pueden obtenerse salidas más altas del alternador.
Debido al mayor flujo de corriente a través de los circuitos de campo. Los reguladores electrónicos usan diodos Zener como parte del circuito sensor de voltaje. Estos diodos especiales permiten que la corriente fluya a la inversa del flujo normal cuando se alcanza un voltaje específico a través del diodo. Cuando la corriente fluye hacia atrás, a través del diodo Zener, el transistor de campo se desconecta y el flujo de corriente se detiene en el rotor de campo. Los componentes electrónicos pueden conectarse y desconectarse varios miles de veces en un segundo, y suministrar de este modo, un control más uniforme y exacto de la salida del alternador. La mayoría de los reguladores electrónicos no son ajustables Si los reguladores no controlan exactamente la salida del alternador, deben reemplazarse.
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Fig. 4.21
Fig. 4.22
Fig. 4.23
Reguladores internos electrónicos Los reguladores internos del alternador se montan ya sea dentro o fuera de la caja del extremo de los anillos colectores del alternador. Este tipo de regulador elimina los mazos de cables entre el alternador y el regulador, lo que simplifica el sistema. Este tipo de regulador usualmente es mucho más pequeño que los otros tipos, y usa circuitos electrónicos conocidos como circuitos integrados o "CI". Los CI son de electrónica miniaturizada con casi todos los circuitos en un pequeño chip. Los reguladores integrales realizan la misma función que los reguladores electrónicos externos y lo hacen del mismo modo. Algunos alternadores con reguladores integrales tienen sólo un cable de entrada. Este cable es la salida del alternador. El circuito a tierra se completa a través de la caja al bloque del motor. El estator proporciona corriente al regulador integral a través de un triodo. El alternador inicia la carga usando la pequeña cantidad de magnetismo permanente del rotor, pequeña cantidad que es retroalimentada al campo, lo que aumenta la salida. Este proceso continúa hasta que se alcanza la salida completa, determinada por el regulador. El voltaje del sistema cae por debajo del voltaje crítico del diodo Tener y detiene la conducción desconecta el TR2 y conecta el TR1. La corriente fluye de nuevo al campo del alternador. Esta operación se repite muchas veces en un segundo. En efecto, los
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dos transistores actúan como interruptores que controlan el voltaje y la salida del alternador. Cuando se desconecta el TR1, la corriente de campo del alternador no puede caer inmediatamente a cero, debido a que los devanados del rotor permiten que la corriente continúe fluyendo. Después de que la corriente alcanza cero, el voltaje del sistema y el regulador comienzan el flujo de corriente nuevamente. Sin embargo, el flujo de corriente de campo que disminuye induce un alto voltaje que puede dañar el transistor. El diodo de descarga de campo de la figura 4.2.24 previene daños al transistor TR1.
Fig. 4.24
Indicadores de carga Los indicadores de carga pueden ser un amperímetro, un voltímetro o una luz indicadora de carga. Los amperímetros pueden instalarse en serie, si son de corriente plena, tipo derivación; o en paralelo, si el amperímetro es de tipo no derivación. Los voltímetros se usan más comúnmente debido a que indican con mayor exactitud la operación del sistema. Pueden instalarse fácilmente en paralelo con el sistema de carga, y proporcionan información tanto de la operación del sistema de carga como de la condición de la batería. La luz indicadora de carga muestra la operación del sistema en general. No indicará la salida alta del alternador o las condiciones de alto voltaje, sino la salida baja.
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Fig. 4.25
Prueba del sistema de carga Las pruebas exactas del sistema de carga comienzan con un entendimiento de cómo funciona el sistema. Si el conocimiento de la operación es completo, usted puede determinar por lógica las fallas a través de una inspección visual y de pruebas eléctricas. La reparación de los sistemas puede requerir reemplazo o reparación de alguno de los elementos incluidos en el sistema, desde la batería hasta el alternador. Todas las reparaciones deben comenzar con un estudio o revisión del Manual de Servicio de la máquina en particular.
Fig. 4.26
Ventajas •
•
Una relación menor de tensión de salida y poca variación de tiempo en la tensión de salida. Buena resistencia a las vibraciones y alta durabilidad debido a la ausencia de piezas móviles.
Las características de que la tensión de salida disminuye a medida que aumenta la temperatura, se puede realizar una carga correcta de la batería.
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Desventajas: Es sensible a las tensiones y temperaturas altas inusuales
Muy delicado a las malas manipulaciones, por falta de conocimiento. Tener cuidado al pasar energía eléctrica de otros vehículos, al tener descargada la batería de su vehículo.
¡ IMPORTANTE ! Cuando se aplica una carga que excede la capacidad del alternador, la tensión de salida caerá repentinamente, como en el caso de un regulador de tipo de contactos. Por esta razón, nunca aplique una carga excesiva cuando compruebe la tensión de salida.
CUESTIONARIO
EJERCICIOS
1.- ¿Qué características diferencian al alternador y al dínamo?
1.- Un alternador trifásico formado por tres arrollamientos, con una resistencia por fase de 0,3 ohmios, se regula en bornes a 14,5 voltios. Calcular la intensidad nominal y máxima, según se le conexione en estrella ó en triangulo.
2.-Indique las principales ventajas del alternador. 3.- De que elementos esta compuesto el alternador y descríbalos. 4.- ¿Qué ocurre en un diodo que deja pasar la corriente en ambos sentidos? 5.- ¿Qué tipos de conexiones se emplean en los alternadores trifásicos? 6.- ¿Cómo están formados los diodos y que características tiene?
2.- Un alternador trifásico conectado en triangulo y regulado en bornes a 13,5 voltios tiene una resistencia interna por fase de 0,3 ohmios y una resistencia en la bobina inductora de 6 ohmios. Calcular la potencia máxima que admite el alternador y la consumida en vacío con una carga de 5 amperios. 3.- Dibujar el circuito interno y conexionado de un alternador trifásico en estrella, con puente rectificador hexadiodo y negativo a masa. 4.- La resistencia del circuito excitador de una dínamo es de 5 ohmios. La tensión que genera la dínamo es de 7V. ¿Cuál es la intensidad de aquel circuito?
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ANOTACIONES: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................
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