cap. 2 el alternador vvv
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Capitulo 2
El alternador
2.1 Partes principales
¿Cuáles son las partes del alternador del camión?
Los alternadores son máquinas eléctricas que al igual que los motores de inducción presentanuna construcción robusta y sencilla.
Alternador GTA26 del camión 830E
El uso de escobillas es imprescindible para la excitación, pero sin la complicación de un colectorya que se emplean anillos rozantes.
Partes del alternador GTA26 del camión 830
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2.2 Principio de funcionamiento
¿Que tipo de corriente ingresa y que tipo de corriente sale del alternador
Al alternador ingresa corriente continua para generar el flujo magnético constante “φ”, este flujoinduce un voltaje sobre las bobinas de estator. El voltaje inducido es alterno.
Principio de generación del alternador
Anillos rozantes para la excitación DC vistos desde la toma de ventilación
¿Por qué la forma de onda de la corriente alterna es senoidal?
Las cabezas polares producen un flujo magnético más intenso en la parte central y más débil alos costados. Al barrer una bobina la tensión inducida ira primero creciendo llegando a unmáximo y luego decrecerá. Es muy semejante a una ola de mar.
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Barrido de las bobinas del estator por los polos salientes
¿Qué significa frecuencia?
Frecuencia es el número de periodos de onda que se repiten en un segundo. Se define como:
Tf
1
Se mide en Hertz (Hz)
Ondas de voltaje trifásico para una frecuencia de 60Hz
¿Qué significa periodo?
Es el tiempo que demora una onda en completar un ciclo, se mide en segundos.
Ejemplo: Para 120Hz de frecuencia el periodo es T= 8,5ms
¿Qué son los devanados terciarios?
Son dos devanados adicionales al devanado trifásico del estator. Permiten obtener dos voltajesmonofásicos para los circuitos AFSE, MFSE en los camiones 730E, 830E y solo uno para elAFSE en los camiones 930E.
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Bobinado terciario generando tensión AC para el circuito AFSE, camión 930E
En la figura anterior se aprecia el bobinado terciario del camión 930E-3 alimentando con el panelAFSE la excitación del alternador.
Terminales para la salida trifásica y de los dos bobinados terciarios del alternador GTA26
¿Cómo son los polos del alternador?
Polo es uno de los terminales del dipolo magnético indivisible N-S. Para motores y alternadoresse considera el número de pares de polos denominado “p”.
p = # Pares de polos
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Esquema del rotor del alternador GTA26 del 830E
¿Por qué el rotor del alternador del camión tiene esa forma?
Se tienen dos clases de rotor, uno denominado de polos salientes y otro de polos lisos. Ambostienen aplicación industrial y se les denomina alternadores síncronos.
Siempre se conserva el principio de funcionamiento del alternador síncrono es decir se requierecorriente de excitación en el rotor.
Aplicaciones de los dos tipos de rotor de alternador
La característica de “síncrono” se debe al funcionamiento del alternador a una velocidadconstante llamada síncrona.
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Esta característica no es propia del camión pues en el camión, el alternador funciona a velocidadvariable.
Alternador GTA41 del 930E-3
¿Cómo se determina la frecuencia de la onda alterna generada?
Depende de la velocidad que se aplique al rotor y del número de polos del alternador.
60
npf
polosdeParesp
HzFrecuenciaf
RPMrotordelVelocidadn
__
)_(
)_(__
¿Si el número de polos puede ser de 1, 2 ó 3; cuales son las velocidades del rotor paraobtener 60Hz?
Es necesario determinar el número de pares de polos y aplicar la expresión vista anteriormente.
Pares dePolos (p)
Frecuencia (Hz) n (RPM)
1 60 36002 60 18003 60 12004 60 600
Es de notar que la velocidad disminuye con el incremento de polos.
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Polos y pares de polos
¿A que velocidad giran los alternadores?
Los alternadores deben girar a velocidad constante para mantener la frecuencia de la tensióngenerada. Esta velocidad es denominada Síncrona y se determina con la expresión ya vista de:
p
fn
60
polosdeParesp
HzFrecuenciaf
RPMrotordelVelocidadn
__
)_(
)_(__
Para 60Hz la velocidad nominal del alternador de 8 polos (p=4) seria:
RPMHz
n 9004
6060
¿Cuál es la frecuencia del alternador del camión?
La velocidad del motor Diesel varia de acuerdo a la situación de operación del camión y porconsiguiente la frecuencia, datos que podemos observar en la siguiente tabla.
Operación n (RPM) f (Hz)ACC Ralenti 600 120
ACC Alta 1900 380Retardo 1050 210
La relación práctica es de 5 RPM/Hz
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¿Cuántos polos tiene el alternador del camión?
Tiene 8 polos (4 pares de polos) si hacemos el cálculo para las velocidades anterioresobtendremos las frecuencias a las que trabaja el alternador del camión.
Pares dePolos (p)
n (RPM)Frecuencia
(Hz)4 600 404 1900 1274 1050 70
Estas frecuencias difieren con las de la tabla anterior y muestran solo la naturaleza variable de lavelocidad del alternador del camión. La razón de la diferencia puede deberse al criterio paradefinir los resultados de frecuencia de la pregunta anterior.
2.3 Control del voltaje y la frecuencia del alternador
¿Cómo regula el voltaje el alternador del camión?
El voltaje que genera el alternador se controla modificando la velocidad del rotor (motor Diesel)y/o modificando la corriente DC de excitación (Circuito AFSE). Este control se denomina P-F /Q-V.
Variables del control del alternador, camión 930E-3
“P” es la denominada potencia activa es decir aquella que se transforma en potencia mecánica enel eje del motor. Se dice que fluye en un solo sentido.
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“Q” es la denominada potencia reactiva, esta es una potencia que no se consume. Se dice quefluye en ambos sentidos a consecuencia del intercambio de energía entre bobinas.
Flujo de potencia en la corriente alterna
Potencia activa también es la que absorben las resistencias y la transforman en calor, por otrolado el fenómeno de la potencia reactiva lo ocasiona igualmente los condensadores.
¿Qué relación existe entre los términos P-F y Q-V
El sistema eléctrico del camión es semejante a un sistema eléctrico independiente, porconsiguiente son susceptibles a variar el voltaje de salida y la frecuencia de acuerdo a lamagnitud de la carga.
“P” es la potencia activa, está relacionada con velocidad y por consiguiente con frecuencia “f”.
“Q” es la potencia reactiva y está relacionada con la corriente de excitación del alternador y portanto con el voltaje “V”.
Variables de control del alternador y efecto sobre la carga
Alternador± Potencia delMotor Diesel
± Corrientede excitación
± Velocidad
± Frecuencia
± Voltajede salida
Convertidores
Voltaje de salidaVariable
Factor de potenciaVariable
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Efectos sobre la onda de voltaje del control P-F
¿Por qué se dice que el factor de potencia es variable?
El camión es un sistema independiente con el problema adicional de tener como cargaconvertidores electrónicos de potencia es decir puentes semicontrolados, convertidores ychoppers (GTO’s, IGBT’s)
Esta particularidad ocasiona además de un voltaje de salida variable, por el recorte de las ondas,un ángulo de desplazamiento de fase también variable entre las armónicas fundamentales decorriente y voltaje.
Desfasaje entre corriente y armónica fundamental del voltaje de un variador de velocidad
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En la figura anterior se observa el voltaje que proporciona un variador de velocidad como podríaserlo el del camión 930E, este voltaje con la carga inductiva del motor hace que la corriente seaaproximadamente senoidal. El desfasaje entonces es medible entre la armónica fundamental delvoltaje y la corriente.
El uso de convertidores siempre genera desfasajes I/V aun si se emplea carga resistiva debido ala distorsión de las ondas por tanto aparece un factor de potencia y por consiguiente potenciareactiva.
Motor AC, camión 930E-4
¿Que quiere decir armónica fundamental?
En 1807 Jean Fourier presentó al Instituto de Francia un trabajo en el que sostenía que cualquierforma de onda periódica y simétrica puede ser representada con una suma de series de senos ycosenos de diferente frecuencia.
Por ejemplo la siguiente onda de voltaje denominada diente de sierra puede ser representadamediante una ecuación.
ttv 2
10)(
Onda de voltaje “Diente de sierra”
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De acuerdo al teorema de Fourier es equivalente a:
Siendo el resultado:
)2cos(5
0
50
kk
b
a
a
k
k
Finalmente el voltaje será equivalente a:
1
)(10
5)(k
tksentv
Si desarrollamos:
Este resultado es conocido como Serie de Fourier. Es de gran aplicación en la electrónica depotencia y en otras ramas de la ciencia.
¿Se pueden representar estas ondas gráficamente?
Si, en este caso podemos representar primero las tres primeras armónicas y luego el total con lacomponente DC.
Si representamos las tres armónicas:
T
k
T
k
T
kkk
dttksentvT
b
dttktvT
a
dttvT
a
Donde
tksenbtkaatv
0
0
0
0
10
)()(1
)cos()(1
)(1
:
)()cos(2)(
Jean Baptiste Fourier (1768-1830)
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Las tres armónicas de la onda de voltaje
Agregando la componente DC vemos la aproximación que se consigue con las tres armónicasconsideradas. La precisión será mayor considerando mas armónicas.
Suma de las tres armónicas superpuestas a la onda de voltaje
Nuestras ondas alteradas a consecuencia de los convertidores están dentro de estascaracterísticas, por tanto pueden representarse como series de ondas seno y coseno defrecuencias armónicas.
¿Qué es auto excitación?
La corriente de excitación que requiere el rotor inicialmente se aplica desde una fuente externa(Bateria de 24V), luego el circuito AFSE alimentado por uno de los bobinados terciarios,controla la alimentación de la excitación; produciéndose una auto alimentación.
El concepto de auto excitación considera la existencia de un magnetismo remanente en elmaterial ferromagnético con el que están construidos en este caso los motores o alternadoreseléctricos.
Es el mismo efecto que se produce cuando imantamos un metal con la ayuda de un imán.
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Realimentación de la bobina del rotor a partir del bobinado terciario, camión 930E-3
¿El número de polos se refiere a los polos del estator o del rotor?
Se refiere a ambos casos, como se observa en el gráfico inferior los polos se ubican en formacontigua y de manera semejante en el estator.
Polos del rotor y del estator del alternador
Recordemos que se suele emplear el termino “pares de polos” en vez de “polo” para el cálculo dela velocidad síncrona. El número de polos es por cada fase del sistema trifásico.
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¿Cuál es la expresión que permite definir el voltaje inducido?
Si observamos la posición del rotor en movimiento del siguiente dibujo, notaremos que para labobina a’a, la densidad de flujo magnético (B) en forma perpendicular toma la expresiónrespecto al ángulo θ:
Posición de las cabezas polares respecto a la bobina a’a
entodesplazamideAngulo
AngularVelocidad
MagnéticoFlujodeDensidadB
MagnéticoFlujo
Donde
ttsent
te
FaradaydeLeylaseguninducidatensiónLa
tABt
MAXMAX
MAX
__
_
___
_
:
)2
cos(
:_______
coscos.
Frecuenciaf
espirasdeNumeroN
Donde
fNfN
E
NEE
esinducidovoltajedelRMSvalorEl
MAXMAX
RMS
MAXMAXRMS
__
:
22
2
22
:______
En la ecuación apreciamos la dependencia del voltaje inducido con la velocidad del rotor(Frecuencia) y la corriente de excitación (Flujo Magnético).
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¿Qué ocurre cuando el alternador es cargado?
El alternador tiende a frenarse por lo que el motor Diesel debe incrementar su torque.
Cuando el alternador esta en vacío, el voltaje de salida es igual al de la fuerza electromotrizgenerada.
Cuando está con carga (Impedancias), circula corriente y aparece un campo magnético giratorio,este campo genera un par opuesto al giro del alternador que debe compensarse con más energíamecánica del Motor Diesel del camión.
La carga eléctrica produce un torque opuesto al del motor Diesel
Las corrientes por los devanados ocasionan caídas de tensión y por consiguiente disminución delvoltaje en los terminales del alternador.
Esta reacción del estator al ser inducido el voltaje se denomina “reacción de inducido”.
AlternadorMotor Diesel
Energía Mecánica
Torque +
En vacío, sin carga
AlternadorMotor Diesel Carga Eléctrica
Energía Mecánica Energía Eléctrica
Torque + Torque -
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¿Es el mismo principio que se emplea para el frenado dinámico del camión?
Si, es el mismo. En los camiones se colocan las resistencias de las parrillas para producir lareacción de inducido y frenar el motor de tracción. Esto es válido para todos los modelos.
Parrillas del camión 930E-4
¿Pueden permutarse los bobinados terciarios?
De acuerdo a las características eléctricas del alternador 5GTA26 ambos terciarios tienen lamisma resistencia pero en la prueba de rendimiento se observa diferencia en el voltaje generado.
Pruebas eléctricas para el alternador 5GTA26, camión 830E
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La prueba de test de alternador para el camión 830E, hecha con 85A en el bobinado de campopara obtener 1000V como voltaje de fase a 1875RPM da resultados diferentes.
Es de suponer que una permutación no imposibilitaría el trabajo pero si su rendimiento pues noseria capaz el terciario T13-T14 de generar la corriente máxima que se pueda requerir.
¿Tienen polaridad los bobinados terciarios?
No, las tensiones que generan son alternas y luego son rectificadas por consiguiente cualquierasea la posición de las tomas tendrán la misma forma a la salida de los puentes semicontrolados.
Conexión del terciario del alternador al panel MFSE, camión 830E
Conexión del terciario del alternador al panel AFSE, camión 830E