Un generador eléctrico es un dispositivo para producir energía eléctrica a partir de otra forma de energía . Por el contrario, un dispositivo que consume energía eléctrica se denomina receptor eléctrico .
Un generador real se puede modelar de dos formas diferentes:
El generador de voltaje ideal es un modelo teórico. Es un dipolo capaz de imponer un voltaje constante cualquiera que sea la carga conectada a sus terminales. También se le llama fuente de voltaje .
Para el generador de corriente ideal, la corriente producida es constante, sea cual sea la tensión solicitada y la carga a suministrar. También se le llama fuente de corriente .
También es un modelo teórico porque la apertura de un circuito que comprende un generador de corriente distinta de cero debe conducir a suministrar una tensión infinita. Es imposible colocar dos generadores de corriente de diferentes valores en serie porque esto equivale a imponer dos corrientes diferentes en el mismo cable.
La gran mayoría de generadores eléctricos son máquinas rotativas, es decir, sistemas que tienen una parte fija y una parte móvil que gira en (o alrededor) de la parte fija. Sin embargo, la variedad de máquinas rotativas creadas a lo largo de los siglos implica diferencias significativas en las diferentes tecnologías y técnicas utilizadas para producir corriente, por un lado, y en los sistemas 'auxiliares' ( inversores , electrónica de potencia , etc. ) posiblemente necesarios para su funcionamiento adecuado.
El generador electrostático no es una máquina giratoria aunque utiliza la rotación de un disco frotando los cepillos. Sin embargo, este concepto está en el origen del diseño de máquinas rotativas.
La máquina electrostática utiliza las leyes de la electrostática a diferencia de las llamadas máquinas electromagnéticas . Aunque se han imaginado motores electrostáticos (funcionan según el principio de reciprocidad de los generadores electrostáticos), no han tenido éxito (pero las nanotecnologías podrían ofrecer tales “nanomotores” electrostáticos); por otro lado, como generadores de muy alta tensión, las máquinas electrostáticas conocen su principal aplicación en el campo de los aceleradores de iones o electrones. Transforman la energía mecánica en energía eléctrica, cuyas características son una tensión continua muy alta y un microamperaje. La potencia de las máquinas de la XVIII ª siglo y el XIX ° siglo fue de hecho muy pequeña (algunos vatios) y la fricción mecánica les dejó un rendimiento muy pobre. La razón es que la densidad máxima de energía del campo eléctrico en el aire es muy baja. Las máquinas electrostáticas solo se pueden utilizar (industrialmente) si operan en un entorno donde la densidad energética del campo eléctrico es bastante alta, es decir, prácticamente en un gas comprimido, que suele ser el hidrógeno o hexafluoruro de azufre (SF 6 ), a presiones entre 10 y 30 atmósferas .
Un generador de corriente continua llamado popularmente " dínamo " es, como muchos generadores eléctricos, una máquina giratoria. Fue inventado en 1861 por el húngaro Ányos Jedlik y mejorado en 1871 por el belga Zénobe Gramme .
Como esta máquina es reversible, puede funcionar tanto como generador como como motor. Se convierte fácilmente en un motor eléctrico, lo que implica que, cuando está parado, la dínamo debe desconectarse de su carga si esta última puede proporcionarle una corriente a cambio: batería de acumulador , otra dinamo. Esta característica se usó en automóviles pequeños en la década de 1970. Un sistema de relés conectaba la batería para suministrar corriente al dynastar que arrancaba el motor de combustión interna y cambiaba automáticamente a un dínamo cuando alcanzaba una cierta velocidad.
El descubrimiento en 1832 por Faraday de los fenómenos de inducción electromagnética le permitió considerar la producción de tensiones alternas y corrientes eléctricas mediante imanes . Pixii , siguiendo las instrucciones de Ampère , construyó el mismo año una primera máquina que luego fue perfeccionada (1833-1834) por Sexton y Clarke. Un alternador es una máquina giratoria que convierte la energía mecánica suministrada al rotor en energía eléctrica de corriente alterna .
Más del 95% de la energía eléctrica es producida por alternadores : máquinas electromecánicas que suministran tensiones alternas de frecuencia proporcional a su velocidad de rotación. Estas máquinas son menos costosas y tienen una mejor eficiencia que las dínamos , máquinas que entregan voltajes continuos (eficiencia del orden del 95% en lugar del 85%).
Principio del alternadorEsta máquina consta de un rotor (parte giratoria) y un estator (parte fija).
El rotor el inductor puede consistir en un imán permanente (generando así un campo constante), en este caso el voltaje entregado por la máquina no es ajustable (si no tenemos en cuenta las pérdidas en los conductores) y su valor rms y su frecuencia varían con la velocidad de rotación. Más comúnmente, un electroimán proporciona inducción. Este devanado se alimenta con corriente continua , ya sea mediante un colector de anillo rotativo (un anillo doble con escobillas) que trae una fuente externa, o mediante un diodo rotatorio y excitador sin escobillas. Un sistema de regulación permite ajustar la tensión o fase de la corriente producida. El estator el inducido está formado por devanados que serán el asiento de la corriente eléctrica alterna inducida por la variación del flujo del campo magnético debido al movimiento relativo del inductor con respecto al inducido. Diferentes tipos de alternadores. Alternadores industrialesEn los alternadores industriales, el inducido consta de tres devanados dispuestos a 360 ° / 3p (p: número de pares de polos ) o 120 ° / 1p para un par de polos y tres devanados, que proporcionan un sistema de corrientes alternas trifásicas .
El aumento del número de pares de polos permite reducir la velocidad de rotación de la máquina. Como la frecuencia de la red es de 50 Hz ( 50 ciclos por segundo o 3.000 ciclos por minuto), las máquinas síncronas deben seguir este ritmo para alimentar la red. Aumentar el número de polos permite realizar más ciclos para una sola revolución y como la frecuencia es fija, la velocidad de rotación debe reducirse para respetar los 3.000 ciclos por minuto (en 50 Hz ).
En los alternadores domésticos ( generador monofásico), el inducido consta de un solo devanado.
Alternadores a bordoLos alternadores de a bordo , entre otros en los vehículos de motor , son alternadores trifásicos equipados con un sistema rectificador ( diodos ), que entrega una corriente continua a una tensión de aproximadamente 14 V para automóviles y 28 V para camiones , suministrando la energía eléctrica del vehículo. y recargar su batería para proporcionar energía cuando el motor está parado. Debe estar asociado con un regulador de voltaje que proteja la batería de una sobrecarga.
Las mal llamadas "dínamos" de las bicicletas también son alternadores, cuyo inductor consiste en uno o más imanes permanentes.
En determinados casos, por ejemplo en determinadas turbinas eólicas , el rotor es externo y el estator, fijo, se coloca en el centro del generador. Las palas de la turbina eólica están conectadas directamente al rotor. La turbina eólica es un alternador .
Las máquinas asíncronas que operan hipersincrónicas (frecuencia de rotación mayor que la frecuencia síncrona) también proporcionan energía a la red eléctrica a la que están conectadas. Tienen el inconveniente de no poder regular la tensión , a diferencia de las máquinas síncronas que pueden garantizar la estabilidad de las redes eléctricas . Sin embargo, se utilizan cada vez más en pequeños y medianos generadores de energía, como turbinas eólicas y micropresas, gracias a los recientes avances en la electrónica de potencia . Una de las aplicaciones es la máquina asíncrona de doble alimentación .
Hay generadores eléctricos que no requieren máquina rotativa , como:
Otras tecnologías de generadores están en desarrollo sin tener todavía una aplicación industrial a gran escala: