AUTOTRONICA

manual PROFESOR/ALUMNO

~ ElettronicaVeneta & 11111 31045 MOTTA DI LlVENZA (Treviso) ITALY

Via Postumia, 16

© COPYRIGHT BY ELETTRONICA VENETA & INEL SPA

ITALY

202$11S0.DOC

ALTERNADOR

1

Este es un alternador seccionado montado en una mesa laminada. Es posible ver todos los componentes, como: estator, rotor, cepillos, bobinados, diodos, rectificadores, ventilaciones y polea.

2

El alternador

Los alternadores han reemplazado completamente a los dínamos, siendo sólo ellos los que pueden suplir las crecientes y complejas

demandas de los sistemas eléctricos presentes en el automóvil moderno

Los sistemas eléctricos del carro son diseñados entorno a la batería, y la batería suple todas las necesidades eléctricas del carro. Sin embargo, una batería cargada a pleno almacena solamente suficiente energía para mantener una bombilla encendida por unos pocos días. La alta corriente que se requiere para mover el arranque descargaría la batería en pocos minutos. Para mantener el suministro entonces, la reserva de energía de la batería debe ser constantem<inte recargada. Esta es la tarea del generador eléctrico del carro.

CAJA DE FUSIBLES

TIERRA

SUITCH DE ILUMINACION

BOBINA

TIERRA

ALTERNADOR

Hasta mitad de los ' 60, el generador más usado era el dínamo. El dínamo es un medio simple y efectivo para generar poder, pero tiene un número de desventajas. La más significativa de éstas es tal vez el hecho que a bajas velocidades de motor, como cuando el carro está en neutro, el dínamo apenas da poder suficiente para mantener encendido el motor. Los alternadores todavía tienen que ser operados velozmente si se quiere obtener su máximo desempeño. Es por eso que la polea de guía en un alternador es más pequeña que la de la batería. De ese modo, un auto usado frecuentemente en tráfico pesado puede fácilmente terminar con la batería descargada. A medida que el tráfico crecía en las calles, el bajo desempeño del dínamo a bajas velocidades se volvió más significante. Adicionalmente, el dínamo es bastante grande y pesado para la entrega que da y necesita mantenimiento regular para retener su eficiencia. Comprensiblemente, los fabricantes comenzaron a buscar otro tipo de generador y la primera opción fue el alternador, que había sido restringido a vehículos pesados. Los alternadores necesitan menos mantenimiento y sobretodo, generan una carga razonable aún a velocidad neutro. El único

3

problema es que la entrega es una corriente alternada AC, en vez de una corriente directa (DC), requerida para la batería. Pero los avances en tecnología del estado sólido resolvió efectivamente este problema. En el dínamo, la pequeña polea lleva al alternador a aproximadamente el doble de velocidad que el motor. La correa del drive que hace girar el alternador, tiene que ser mantenida más apretada que la de un dínamo, porque el alternador toma más potencia para girar a las velocidades más altas a las que llega. Además, la pequeña polea en el alternador significa que hay menos correa del drive en contacto con la polea, y la correa puede resbalar más fácilmente si se suelta. Ambos, los alternadores y los dínamos, dependen de los descubrimientos de Michael Faraday sobre la naturaleza de la electricidad y el magnetismo. Faraday descubrió que cuando un alambre eléctrico cruza un campo de un imán o viceversa, se genera una corriente en el alambre. La diferencia principal de construcción entre alternadores y dínamos está en que, en los dínamos el imán permanece estático y el alambre se mueve guiado por el motor. En los alternadores, el imán se mueve y el alambre está quieto.

POLEA DE LA CARRERA DEL ORIVE

4

ALOJAMIENTO ~-

DEL RECTIFICADOR

ROTORES DE POLOS EN GARRA

___ BOBINADOS DEL ESTATOR

Estator y rotor

En el alternador, el componente magnético que tiene mOVImiento es el rotor. El componente estático, el alambre en el cual se genera la corriente, es el estator. El rotor y el estator son los componentes principales del alternador. Debido a que el voltaje generado depende de la longitud del alambre que cruza el campo magnético, el alambre en el estator está bobinado en una serie de vueltas apretadas. Estas están arregladas en anillo alrededor del rotor. Así que la longitud del alambre que cruza el campo magnético es considerable. Los bobinados del estator envuelven completamente al rotor, que rota en un eje movido por la correa del ventilador. El imán del rotor no es un imán permanente, porque los imanes permanentes tienden a fluctuar considerablemente en fuerza cuando están sujetos a vibraciones y calor en el compartimento del motor. En cambio, el rotor es un electroimán- un imán activado por un alambre eléctrico bobinado alrededor de un núcleo de hierro suave. Al igual que el estator, el rotor está diseñado para maximizar el potencial del voltaje generado. Alrededor de un simple imán en forma de barra, el campo es más bien débil, porque los dos polos están apartados. Para concentrar más los campos, los polos están intercalados como un par de garras. Este arreglo se denomina rotor con polos en garra. Típicamente hay seis lóbulos en garra por cada polo. Aunque están intercalados, los lóbulos en cada polo no se tocan. La brecha de aire es vital, ya que es a través de la brecha de aire que el campo se filtra hacia el estator. Este flujo pequeño pero intenso, cruza al bobinado del estator para generar corriente. Debido a que el rotor es un electroimán, debe ser alimentado con una pequeña corriente eléctrica para excitarlo. Dos cepillos de carbón o de cobre que yacen en anillos colectores en el árbol del rotor, completan el circuito que suministra la corriente de excitación. Pero la corriente puede venir de la batería o del mismo alternador.

5

IMAN ESTATICO ;;a~§IE~~~~

DINAMO

ALAMBRE ROTORICO M{'S SALIDA DE CORRIENTE DIRECTA

L..-----'--CEPILLOS DE CARBON

ALTERNADOR CON IMAN PERMANE

ALTERNADOR CON ELECTROIMAN

--..=-- ALAMBRE ESTATICO

IMAN ROTORICO

SALIDA DE CORRIENTE ALTERNADA

--..=--- ALAMBRE ESTATICO

ELECTROIMAN ROTORICO

SALIDA DE CORRIENTE ALTERNADA CEPILLOS DE CARBON

6

Corriente alternada

La forma de la corriente generada por el alternador es compleja pero se vuelve un poco más clara si imagina el alternador más sencillo posible. En el alternador más sencillo posible, un imán en barra gira como una hélice en ángulos rectos a un único loop (nudo) de alambre. Mientras los polos pasan frente al alambre en las partes opuestas al loop, se genera una corriente que fluye en sentido horario alrededor del loop. La corriente generada alcanza su máximo justo cuando los polos están lo más cerca del alambre. A medida que el imán se mueve entorno en ángulos rectos al loop, la corriente baja a cero. A medida que el imán continúa a girar y los polos comienzan a acercarse a los alambres en el loop otra vez, la corriente empieza a crecer de nuevo. Pero esta vez los polos opuestos están cruzando · cada lado del loop y el campo magnético está orientado en la dirección opuesta con relación a los alambres. De este modo, la corriente generada fluye en la dirección contraria, es decir, en sentido antihorario alrededor del loop. La corriente reversa también cae a cero a medida que el imán se dirige a la posición de 90°, para volver a comenzar en sentido horario cuando el imán se mueve a su posición original. Así, en una revolución completa, del imán, la corriente generada crece hasta un pico, cae a nada, luego crece hasta un pico en sentido opuesto, antes de volver a cero una vez más. El ciclo se repite cada revolución y la dirección de la corriente cambia de adelante a atrás regularmente. Por ello, la entrega del alternador es una corriente alternada.

Potencia trifásica

Una entrega que se alterna cada revolución se llama monofásica. Con el loop en bobina, un alternador monofásico puede proveer potencia solamente para vehículos pequeños o motocicletas. Los largos períodos de poco voltaje o sin voltaje significan que la entrega es totalmente inadecuada para la mayoría de vehículos. Para llenar los espacios de voltaje y maximizar la entrega, los estatores de alternadores de carros modernos, tienen no solamente un set de bobinas, sino tres. Cada vez que el imán del rotor pasa uno de estos sets, se genera potencia. Durante cada revolución se generan tres ciclos de corriente alternada. Estos ciclos están superpuestos para dar una entrega trifásica. De este modo, una entrega trifásica está mucho más cerca de la continua que la monofásica. N o hay necesidad de tener alambres de entrega separados para cada uno de los tres sets de bobinados de los estatores. Pueden ser conectados juntos dentro del alternador en un patrón en Y, llamado conexión en estrella, o en triángulo, llamado conexión en delta.

7

Rectificación

A pesar de que algunos sistemas eléctricos como el de luz, trabajarían satisfactoriamente en corriente alternada, la AC no es usada de ninguna manera para cargar las baterías. Para cargar las baterías se requiere corriente directa. Así que, antes de poder usar la entrega del alternador en el auto, ésta debe ser rectificada a corriente directa. En carros modernos, la rectificación se alcanza por medio de minúsculos dispositivos electrónicos llamados diodos. Un diodo puede ser concebido como una válvula eléctrica que permite pasar a la corriente en una sola dirección. Conectado a la salida de un alternador monofásico, un diodo bloqueará toda corriente que trate de fluir en la dirección opuesta. Como la entrega de voltaje de un ciclo monofásico es como una onda cuando se plotea en un gráfico, este proceso se refiere como una rectificación de media-onda. Una rectificación de media-onda es un desperdicio, ya que la mitad de la entrega del alternador se pierde. Una rectificación de onda-completa, que usa toda la entrega, se puede alcanzar con un circuito en puente. En un circuito en puente apto para rectificar una salida monofásica, se arreglan cuatro diodos en un cuadrado. Los diodos en los lados opuestos del cuadrado se alinean en la misma dirección. La batería se conecta a un par de esquinas opuestas; el alternador a las otras. Cuando la corriente fluye en una dirección, ésta sólo puede pasar por un par opuesto de diodos conectados de manera que la batería reciba corriente en la dirección correcta. En la práctica, los diodos no están realmente arreglados en un cuadrado puro, como se indica en diagramas de circuitos. Normalmente están arreglados en línea, pero la manera cómo están conectados asegura que harán su función. El rectificador en puente en cuadrado de cuatro, funciona solamente para un alternador monofásico. Alternadores trifásicos necesitan un arreglo más complicado, que involucra seis diodos en un banco. La rectificación trifásica toma ventaja de toda la entrega del alternador. Las ondas negativas se vuelven, en efecto, positivas. Las tres media-ondas negativas se combinan con las tres media-ondas positivas para dar una salida de corriente directa que es casi constante.

CORRIENTE DEL ALTERNADOR

CIRCUITOS DE DIO DES

CORRIENTE ALTERNA EN PUENTE

CORRIENTE POSITIVA Ef}- A LA. BATERIA

e=:;' CORRIENTE NEGATIVA ALTERNA - -- -TIERRA

8