Generadores y dinamos

Desarrollo e historia del componente que hizo que la electricidad fuera comercialmente viable por primera vez

Los dinamos y generadores convierten la rotación mecánica en energía eléctrica.

Dinamo: dispositivo que produce energía eléctrica de corriente continua utilizando el electromagnetismo. También se conoce como generador, aunque el término generador se refiere normalmente a un «alternador» que crea energía de corriente alterna.

Generador – normalmente este término se utiliza para describir un alternador que crea energía de corriente alterna utilizando el electromagnetismo.

Los generadores, las dinamos y las baterías son las tres herramientas necesarias para crear/almacenar cantidades sustanciales de electricidad para uso humano. Las baterías pueden haber sido descubiertas ya en el año 248 antes de Cristo. Simplemente utilizan una reacción química para producir y almacenar electricidad. Los científicos experimentaron con la pila para inventar la primera lámpara incandescente, los motores y trenes eléctricos y las pruebas científicas. Sin embargo, las pilas no eran fiables ni rentables para cualquier uso eléctrico habitual, fue la dinamo la que cambió radicalmente la electricidad de una curiosidad a una tecnología rentable y fiable.

1. Cómo funciona
2. Breve historia de las dinamos y los generadores
3. Vídeos de generadores

1.) Cómo funciona:

Básico:

Primero se necesita una fuente de energía mecánica como una turbina(impulsada por la caída del agua), una turbina eólica, una turbina de gas o una turbina de vapor. Un eje de uno de estos dispositivos se conecta a un generador para producir energía.

Los dinamos y los generadores funcionan utilizando el complejo y salvaje fenómeno del electromagnetismo. Entender el comportamiento del electromagnetismo, sus campos y sus efectos es un gran tema de estudio. Hay una razón por la que se necesitaron 60 años DESPUÉS de la primera pila de Volta para conseguir que funcionara una buena dinamo potente. Mantendremos las cosas simples para ayudar a introducirse en el interesante tema de la generación de energía.

En el sentido más básico, un generador/dínamo es un imán que gira mientras está dentro de la influencia del campo magnético de otro imán. No se puede ver un campo magnético, pero a menudo se ilustra con líneas de flujo. En la ilustración anterior, las líneas de flujo magnético seguirían las líneas creadas por las limaduras de hierro.

El generador/dinamo está formado por imanes estacionarios (estator) que crean un potente campo magnético, y un imán giratorio (rotor) que distorsiona y corta las líneas de flujo magnético del estator. Cuando el rotor corta a través de las líneas de flujo magnético que hace que la electricidad.

Pero ¿por qué?

Debido a la Ley de Faraday de la inducción si usted toma un cable y moverlo hacia adelante y hacia atrás en un campo magnético, el campo empuja a los electrones en el metal. El cobre tiene 27 electrones, los dos últimos en la órbita son fácilmente empujados al siguiente átomo. Este movimiento de electrones es el flujo eléctrico.

Vea el video de abajo que muestra cómo se induce la corriente en un alambre:

Si usted toma una gran cantidad de alambre como en una bobina y moverlo en el campo, se crea un «flujo» más potente de electrones. La fuerza de tu generador depende de:

«l»-Longitud del conductor en el campo magnético
«v»-Velocidad del conductor (velocidad del rotor)
«B»-Fuerza del campo electromagnético

Puedes hacer cálculos con esta fórmula: e = B x l x v

Vea el vídeo para ver todo esto demostrado:

Sobre los imanes:

Arriba: un simple electroimán denominado solenoide. El término «solenoide» describe en realidad la forma tubular creada por el alambre enrollado.

Los imanes no suelen estar hechos de magnetita natural o de un imán permanente (a menos que se trate de un pequeño generador), sino que son alambres de cobre o aluminio enrollados alrededor de un núcleo de hierro. Cada bobina debe ser energizada con alguna potencia para convertirla en un imán. Esta bobina alrededor del hierro se llama solenoide. Los solenoides se utilizan en lugar de la magnetita natural porque el solenoide es MUCHO más potente. Un pequeño solenoide puede crear un campo magnético muy fuerte.

Encima: Las bobinas de cable de los generadores deben estar aisladas. Las averías de los generadores se deben a que las temperaturas son demasiado elevadas, lo que provoca la rotura del aislamiento y un cortocircuito entre los cables paralelos. Más información sobre los cables >

Términos:
Electromagnetismo – estudio de las fuerzas que suceden entre partículas cargadas eléctricamente
Rotor – parte del generador de la dinamo que gira
Armadura – igual que un rotor
Flujo – las líneas de fuerza en un campo magnético, se mide en densidad, Unidad SI de weber
Estator – imanes en un generador/dínamo que no se mueven, establecen el campo magnético estacionario
Solenoide – un imán creado por una bobina de alambre alrededor de un núcleo de hierro/ferris (solenoide técnicamente significa la forma de este imán, pero los ingenieros se refieren a solenoide y electroimán indistintamente.
Conmutador – Conozca más detalles sobre ellos aquí
Torque – fuerza en un movimiento de rotación

La Dinamo

Dinamo es un término más antiguo utilizado para describir un generador que hace energía de corriente continua. La energía de corriente continua envía electrones en una sola dirección. El problema de un generador simple es que cuando el rotor gira acaba por dar la vuelta completa, invirtiendo la corriente. Los primeros inventores no sabían qué hacer con esta corriente alterna, la corriente alterna es más compleja de controlar y diseñar motores y luces. Los primeros inventores tuvieron que encontrar una manera de capturar sólo la energía positiva del generador, así que inventaron un conmutador. El conmutador es un interruptor que permite que la corriente sólo fluya en una dirección.

Vea el siguiente vídeo para ver cómo funciona el conmutador:

La dinamo consta de 3 componentes principales: el estator, el inducido y el conmutador.

Las escobillas forman parte del conmutador, las escobillas deben conducir la electricidad mientras mantienen el contacto con el inducido en rotación. Las primeras escobillas eran verdaderos «cepillos» de alambre hechos de pequeños hilos. Estos se desgastaron fácilmente y desarrollaron bloques gráficos para hacer el mismo trabajo.

El estator es una estructura fija que hace campo magnético, se puede hacer esto en una pequeña dinamo usando un imán permanente. Las dinamos grandes requieren un electroimán. El inducido está formado por bobinas de cobre que giran dentro del campo magnético creado por el estator. Cuando los devanados se mueven, cortan las líneas del campo magnético. Esto crea impulsos de energía eléctrica. El conmutador es necesario para producir corriente continua. En la corriente continua la energía fluye en una sola dirección a través de un cable, el problema es que la armadura giratoria en una dinamo invierte la corriente cada media vuelta, por lo que el conmutador es un interruptor giratorio que desconecta la energía durante la parte de corriente invertida del ciclo.

Autoexcitación:

Como los imanes de una dinamo son solenoides, deben ser alimentados para funcionar. Así que además de las escobillas que toman la energía para salir al circuito principal, hay otro conjunto de escobillas que toman la energía del inducido para alimentar los imanes del estator. Eso está bien si la dinamo está en marcha, pero ¿cómo se pone en marcha una dinamo si no tiene energía para arrancar?

A veces la armadura retiene algo de magnetismo en el núcleo de hierro, y cuando empieza a girar hace una pequeña cantidad de energía, suficiente para excitar los solenoides en el estator. El voltaje entonces comienza a subir hasta que la dinamo está a plena potencia.

Si no queda magnetismo en el hierro del inducido, entonces a menudo se utiliza una batería para excitar los solenoides en la dinamo para ponerla en marcha. A esto se le llama «destello de campo».

Abajo en la discusión del cableado de la dinamo usted notará cómo la energía es dirigida a través de los solenoides de manera diferente.

Hay dos formas de cablear una dinamo: en serie y en derivación. Vea los diagramas para aprender la diferencia.

Abajo, vídeo de una pequeña dinamo sencilla similar a los diagramas anteriores (construida en la década de 1890):

El generador

El generador difiere de la dinamo en que produce energía de CA. Los electrones fluyen en ambas direcciones en la corriente alterna. No fue hasta la década de 1890 que los ingenieros descubrieron cómo diseñar potentes motores, transformadores y otros dispositivos que pudieran utilizar la energía de CA de una manera que pudiera competir con la energía de CC.

Mientras que el alternador utiliza conmutadores, el generador utiliza un anillo colector con escobillas para extraer la energía del rotor. En el anillo deslizante hay «escobillas» de grafito o de carbono que se accionan por resorte para empujar la escobilla en el anillo. De este modo, la potencia fluye de forma constante. Las escobillas se desgastan con el tiempo y deben ser reemplazadas.

Abajo, video de anillos colectores y escobillas, muchos ejemplos de lo antiguo a lo nuevo:

Desde la época de Gramme en la década de 1860 se descubrió que la mejor manera de construir una dínamo/generador era disponer las bobinas magnéticas alrededor de un círculo amplio, con una armadura giratoria amplia. Esto se ve diferente a los ejemplos simples de dínamos pequeños que se ven utilizados en la enseñanza de cómo funcionan los dispositivos.

En la foto de abajo se ve claramente una bobina en el inducido (el resto se quitó para el mantenimiento) y otras bobinas integradas en el estator.

Desde la década de 1890 hasta hoy la energía de CA trifásica ha sido la forma estándar de energía. Tres fases se hace a través del diseño del generador.

Para hacer un generador trifásico hay que colocar un cierto número de imanes en su estator y en su inducido, todos con una separación adecuada. El electromagnetismo es tan complejo como lidiar con las olas y el agua, por lo que necesitas saber cómo controlar el campo a través de tu diseño. Los problemas incluyen tener su imán atraído de manera desigual al núcleo de hierro, cálculos inadecuados de la distorsión del campo magnético (cuanto más rápido gira, más se distorsiona el campo), la resistencia espuria en las bobinas de la armadura, y una miríada de otros problemas potenciales.

¿Por qué trifásico? si quieres saber más acerca de las fases y por qué usamos 3 fases, ver nuestro video con el pionero de la transmisión de energía Lionel Barthold.

2.) Breve historia de las dinamos y los generadores:

El generador evolucionó a partir de los trabajos de Michael Faraday y Joseph Henry en la década de 1820. Una vez que estos dos inventores descubrieron y documentaron el fenómeno de la inducción electromagnética, condujo a la experimentación de otros tanto en Europa como en Norteamérica.

1832 – Hippolyte Pixii (Francia) construyó la primera dinamo utilizando un conmutador, su modelo creaba pulsos de electricidad separados por ninguna corriente. También creó por accidente el primer alternador. No sabía qué hacer con la corriente cambiante, se concentró en tratar de eliminar la corriente alterna para obtener energía en corriente continua, esto le llevó a crear el conmutador.
Década de 1830-1860 – La pila sigue siendo la forma más potente de suministrar electricidad para las diversas experimentaciones que se realizaban en ese periodo. La electricidad todavía no era comercialmente viable. Un tren eléctrico impulsado por baterías que iba de Washington DC a Baltimore fracasó, demostrando una gran vergüenza para el nuevo campo de la electricidad. Después de desperdiciar millones de dólares, el vapor seguía demostrando ser una mejor fuente de energía. La electricidad todavía tenía que demostrar que era fiable y comercialmente viable.
1860 – Antonio Pacinotti- Creó una dinamo que proporcionaba energía continua en corriente continua
1867 – Werner Von Siemens y Charles Wheatstone crean una dinamo más potente y útil que utilizaba un electroimán autoalimentado en el estator en lugar del débil imán permanente.
1871 – Zenobe Gramme desencadenó la revolución comercial de la electricidad. Rellenó el campo magnético con un núcleo de hierro, lo que mejoró la trayectoria del flujo magnético. Esto incrementó la potencia de la dinamo hasta el punto de que era utilizable para muchas aplicaciones comerciales.
1870s – Hubo una explosión de nuevos diseños en dinamos, los diseños variaban un surtido salvaje, sólo unos pocos destacaban por ser superiores en eficiencia.
1876 – Charles F. Brush (Ohio) desarrolló el diseño de dinamo más eficiente y fiable hasta ese momento. Su invento se vendió a través de la Telegraph Supply Company.
1877 – El Instituto Franklin (Filadelfia) realiza pruebas con dinamos de todo el mundo. La publicidad de este evento espolea el desarrollo de otros como Elihu Thomson, Lord Kelvin y Thomas Edison.

Superior: Long Legged Mary de Edison, una dinamo de éxito comercial para sus sistemas de corriente continua.1884

1878 – La compañía Ganz comienza a utilizar generadores de corriente alterna en pequeñas instalaciones comerciales en Budapest. 1880 – Charles F. Brush tenía más de 5000 lámparas de arco en funcionamiento, lo que representaba el 80% de todas las lámparas del mundo. El poder económico de la era eléctrica había comenzado. 1880-1886 – Los sistemas de corriente alterna se desarrollan en Europa con Siemens, Sabastian Ferranti, Lucien Gaulard y otros. Las dinamos de corriente continua reinan en el lucrativo mercado americano, muchos se muestran escépticos a la hora de invertir en corriente alterna. Los generadores de CA eran potentes, pero el generador por sí solo no era el mayor problema. Había que mejorar los sistemas de control y distribución de la corriente alterna antes de que pudiera competir con la corriente continua en el mercado. 1886 – En el mercado norteamericano inventores como William Stanley, George Westinghouse, Nikola Tesla y Elihu Thomson desarrollan sus propios sistemas de CA y diseños de generadores. La mayoría de ellos utilizaron los generadores Siemens y Ferranti como base de estudio. William Stanley fue capaz de inventar rápidamente un generador mejor después de estar insatisfecho con el generador Siemens que utilizó en su primer experimento.

Arriba: Generadores de corriente alterna de Siemens utilizados en Londres en 1885, en Estados Unidos Edison era reacio a lanzarse al campo de la corriente alterna mientras que en Europa la tecnología se desarrollaba rápidamente.

1886-1891 – Los generadores de corriente alterna polifásicos son desarrollados por C.S. Bradly (Estados Unidos), August Haselwander (Alemania), Mikhail Dolivo-Dobrovsky (Alemania/Rusia), Galileo Ferraris (Italia) y otros. Los sistemas de CA que incluyen un mejor control y potentes motores eléctricos permiten a la CA competir.

1891 – La corriente alterna trifásica demuestra ser el mejor sistema de generación y distribución de energía en la Exposición Electrotécnica Internacional de Frankfurt. El generador trifásico diseñado por Mikhail Dolivo-Dobrovsky utilizado en la exposición se ve a la izquierda. 1892 – Charles P. Steinmetz presenta su trabajo a la AIEE sobre la histéresis. Se publican los conocimientos de Steinmetz sobre las matemáticas de la corriente alterna y ayudan a revolucionar el diseño de los sistemas de corriente alterna, incluidos los grandes generadores de corriente alterna. 1890 – El diseño de los generadores mejora rápidamente gracias a las ventas comerciales y al dinero disponible para la investigación. Westinghouse, Siemens, Oerlikon y General Electric desarrollan los generadores más potentes del mundo. Algunos generadores siguen funcionando 115 años después. (Mechanicville, NY)

Superior: 1894 Elihu Thomson desarrolló muchos generadores de corriente alterna para General Electric

Un posterior generador Westinghouse de 2000 kW y 270 voltios de después de 1900

3. Vídeos

Generadores de Mechanicville con la historia explicada (1897), diseñados por el cerebro de la corriente alterna Charles P. Steinmetz

Generador Westinghouse siendo construido y probado (1905), diseñado por Oliver Shallenberger, Tesla y otros en Westinghouse.

1895 Primeros generadores potentes utilizados en Folsom, CA (diseñados por Elihu Thompson, Dr. Louis Bell, y otros en GE)

1891 Generador producido por Oerlikon para la Exposición Electrotécnica Internacional (diseñado por Dobrovolsky en Alemania)

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