Cómo funciona un generador de corriente continua: FEM, colector y excitación

La ley de Faraday y la FEM generada

En un conductor que corta flujo magnético se induce una tensión proporcional a la velocidad con que corta el flujo. Un generador de CC reúne muchos conductores en una armadura giratoria y los mueve a través del campo de sus polos. Para todo el devanado esto da

E = k × Φ × ω

donde Φ es el flujo por polo, ω la velocidad angular de la armadura en rad/s y k una constante fijada por el devanado (número de conductores, caminos en paralelo y polos). La tensión es proporcional a la velocidad y al flujo, y esos son los dos mandos que controlan un generador de CC: con el mismo campo, duplicar la velocidad duplica la FEM; o bien se mantiene la velocidad y se refuerza el campo.

El flujo no crece indefinidamente con la corriente de campo. El hierro se satura, así que la gráfica de la FEM en vacío frente a la corriente de campo, la curva de magnetización o característica de vacío, se curva. Un generador se hace funcionar normalmente cerca del codo de esta curva.

Qué hace el colector

La tensión inducida en una sola bobina es alterna: cada bobina ve un polo norte y luego un polo sur, y la tensión inducida cambia de signo cada media vuelta. El colector es un anillo de cobre segmentado en el eje, y las escobillas son contactos fijos que rozan sobre él. Cada vez que una bobina pasa por la zona neutra, donde su FEM es cero, el colector pasa esa bobina a la otra escobilla. Vistos desde los bornes, todos los conductores bajo un polo norte alimentan siempre la misma escobilla y todos los que están bajo un polo sur alimentan la otra.

El resultado es un rectificador mecánico: la armadura lleva FEM alternas y los bornes entregan una tensión unidireccional. Con muchas bobinas y delgas el rizado es pequeño. El precio es el desgaste de las escobillas, las chispas y el mantenimiento, y por eso la mayor parte de la generación pasó a los alternadores con rectificadores de diodos, mientras que las máquinas de CC siguen en la enseñanza, los pequeños generadores portátiles y los accionamientos especializados.

Excitación: independiente, derivación, serie y compuesta

El devanado de campo fija el flujo, así que la forma de alimentarlo define el comportamiento del generador.

• Excitación independiente: el campo procede de una alimentación independiente, de modo que el flujo no depende de la salida. Es la máquina más simple y predecible.
• Derivación (shunt): el devanado de campo se conecta en paralelo con la armadura y lo alimenta el propio generador. Es un devanado de alta resistencia que lleva solo unos pocos por ciento de la corriente nominal.
• Serie: el devanado de campo está en serie con la carga y lleva toda la corriente de carga, así que el flujo y la tensión aumentan con la carga.
• Compuesta: un devanado en derivación más un devanado serie que lo refuerza. Las espiras serie añaden flujo al crecer la carga y compensan la caída de tensión, de modo que la tensión se mantiene casi plana desde el vacío hasta la plena carga. Con espiras serie adicionales la máquina está sobrecompuesta y la tensión sube con la carga.

La característica de interés es la característica externa, la tensión en bornes frente a la corriente de carga. Es casi plana en las compuestas, decreciente en las de excitación independiente y en derivación, y creciente en las máquinas serie.

Tensión en bornes con carga

La FEM no es la tensión que se obtiene en los bornes. Con el convenio de generador

V = E − I_a × R_a − V_escobillas

donde I_a es la corriente de armadura, R_a la resistencia de la armadura y V_escobillas la caída de contacto de las escobillas, un par de voltios. Además importa la reacción de armadura: la corriente de armadura produce su propio campo magnético, que distorsiona y debilita ligeramente el flujo principal, de modo que la propia E disminuye al crecer la carga.

La regulación de tensión mide el cambio neto:

regulación = (V_vacío − V_plena carga) / V_plena carga

En un generador en derivación hay un segundo efecto. Al caer la tensión en bornes, también cae la corriente de campo, y con ella el flujo, así que la tensión baja más. Pasado cierto punto de carga, la tensión y la corriente de salida se hunden, y por eso un generador en derivación no puede cortocircuitarse con provecho.

Ejemplo resuelto: un generador de excitación independiente de 10 kW, 230 V, 43,5 A y 1500 rpm con R_a = 0,25 Ω y una caída de 2 V en las escobillas. A plena carga E = 230 + 43,5 × 0,25 + 2 = 242,9 V El k × Φ correspondiente es 242,9 / (2π × 1500 / 60) = 1,55 V·s/rad. Si se hace funcionar a 1200 rpm con el mismo campo, E es 242,9 × 1200/1500 = 194,3 V.

Autoexcitación y magnetismo remanente

Un generador en derivación o serie no tiene alimentación externa, así que ¿cómo arranca? La respuesta es el magnetismo remanente, una pequeña cantidad de flujo que queda en el hierro de los polos de un funcionamiento anterior. Cuando gira la armadura, este flujo induce unos pocos voltios. En un generador en derivación esa pequeña tensión hace circular una pequeña corriente por el devanado de campo. Si la corriente de campo refuerza el flujo, la FEM sube, lo que impulsa más corriente de campo, y así sucesivamente, hasta que la tensión se estabiliza donde la curva de magnetización corta la recta V = R_f × I_f de la resistencia del circuito de campo.

El cebado puede fallar por cuatro razones:

• La resistencia de campo supera el valor crítico, que es la pendiente de la curva de magnetización en el origen. La recta es más inclinada que la curva y se cortan cerca de cero.
• La velocidad está por debajo de la velocidad crítica, lo que baja toda la curva.
• El devanado de campo está conectado al revés, de modo que su corriente anula el flujo remanente en lugar de reforzarlo.
• No hay magnetismo remanente en absoluto. El remedio habitual es flashear el campo brevemente con una batería.

Un generador serie necesita una resistencia de carga inferior a un valor crítico para cebarse, así que en circuito abierto se queda cerca de la tensión remanente.

Cómo modela el simulador el generador

El simulador de generador de CC de Curvo Studio es un modelo didáctico estacionario con una máquina motriz rígida (la velocidad no cae con la carga) y un banco de lámparas como carga. El flujo sigue una curva de magnetización con saturación y un nivel remanente ajustable. La corriente de campo nominal es de alrededor del 4 % de la corriente nominal, la caída en las escobillas se fija en 2 V y la reacción de armadura quita el 10 % del flujo a la corriente de armadura nominal. La máquina compuesta es acumulativa con derivación larga, y el devanado serie lleva el 30 % de la FMM de campo nominal. No se modelan la conmutación, los polos auxiliares ni los devanados de compensación.

Para la máquina predeterminada (10 kW, 230 V, 43,5 A, 1500 rpm, R_a = 0,25 Ω, derivación, carga de lámparas del 80 %, flujo remanente del 3 %), el simulador da una tensión en bornes de 239,9 V a 36,3 A, una FEM de 251,5 V, una tensión en vacío de 287,5 V y una regulación del 19,8 %. La velocidad crítica es de unas 822 rpm y el cebado tarda unos 2,2 s.

Pruébelo en el simulador del generador de CC

• Ponga la Conexión del campo en Independiente y mueva la Carga de lámparas entre 0 % (circuito abierto) y 100 %. La Tensión en bornes baja de unos 270 V a 230 V, una regulación del 17,3 %. Repita con Derivación (una caída de 287,5 V a 230 V) y Compuesto (unos 229,8 V en vacío, 230 V a plena carga, regulación casi nula).
• Con Derivación, baje la Velocidad del motor primario. La FEM sigue a la velocidad hacia abajo y, por debajo de la velocidad crítica de unas 822 rpm, la lectura Autoexcitación pasa de Cebado a Parcial o Fallido.
• Suba el Reóstato de campo al 300 %. La resistencia de campo supera el valor crítico, Autoexcitación muestra Fallido y la Tensión en bornes se hunde hasta unos 12 V con la carga de lámparas predeterminada del 80 % (unos 15 V en vacío).
• Ponga la Polaridad del campo en derivación en Invertida. El campo se opone al flujo remanente y el generador no arranca.
• Compare Serie en circuito abierto y con carga del 100 %, y observe la gráfica Características de carga (tensión en bornes frente a corriente de carga) y la gráfica Arranque: cebado de la tensión y conexión de la carga.

Las lecturas FEM generada, Tensión en bornes, Regulación de tensión, Potencia en el eje y Pérdidas totales se actualizan con cada cambio.

Pruébalo en el simulador