Friday, October 30, 2015

Disección de un alternador de automóvil.

Disección de un alternador de automóvil.

Todos sabemos lo que es un alternador de coche, sin embargo la inmensa mayoría no sabe que el alternador del coche es una máquina de generación de corriente alterna trifásica. Realmente disponemos en el coche de una corriente alterna trifásica de baja tensión pero inmediatamente es rectificada a tensión continua mediante tres pares de diodos. El objetivo de este experimento es familiarizarse con el despiece del alternador para los siguientes proyectos:
1. El regulador de este modelo estaba quemado, el desmontaje servirá para diseñar un regulador desde cero para la tensión que queramos ( dentro de los márgenes de la máquina ). En el caso de funcionar sin regulador, podremos obtener mayor tensión de salida.
2. Convertir el alternador en una máquina generadora que utilice imanes de neodimio en el rotor. De esta forma se elimina la corriente de excitación, las escobillas y se obtiene mayor potencia de salida, pudiendo rebobinar el estator y crear un generador de mayor tensión a bajas revoluciones. Todo esto viene genial para crear generadores eficientes, ultra-baratos y potentes para aerogeneradores. Con esto subsanamos otro problema que tiene el alternador: podemos generar potencias significativas a un número de revoluciones bajo. ( 100 - 500 r.p.m ). Queda pendiente pues, para un próximo proyecto dicha conversión.
3. Crear un motor brushless ( sin escobillas ) a partir de un alternador. Aplicando una tensión continua las escobillas y una tensión alterna trifásica a los bobinados el alternador girará. Se pueden conseguir potencias superiores a 1 kW utilizando imanes de neodimio ( tierras raras ) con un mantenimiento bajo y sin desgastes mecánicos por escobillas. Sin embargo, el variador es electrónica bastante complicada.
 
Fig. 1. Estator en aleación de aluminio.
 
Fig. 2. Rotor. Detalles de los colectores de corriente.
El rotor está formado por dos bloques de hierro macizo cuyos dientes se pueden apreciar en la figura 2. Dentro del bloque hay una bobina que está conectada a los colectores de corriente donde van las escobillas. Está hecho de un bloque macizo y no por chapas puesto que su única misión es generar un campo magnético continuo ya que por su única bobina circula una corriente continua. Cada diente representa un polo de la máquina y está formado por un total de 12, intercalados en la típica secuencia N-S-N-S ...
 
Fig. 3. Bobinados del estator.
 
Fig. 4. Detalle.
En las figuras 3 y 4 podemos apreciar los bobinados del estator. Puesto que generan una corriente trifásica disponen de tres cables de salida. Aquí es donde se genera la corriente de salida. Una parte de esta corriente se dedica a mantener el campo inductor del rotor a través del regulador y la otra se suministra al puente rectificador trifásico. El modelo desmontado era un alternador de 12 V 70 A ( 840 W máx ). Estas tres bobinas se suelen conectar en dos maneras diferentes. En estrella y en triángulo. Normalmente la mayoría de los alternadores van montados en triángulo. El hilo de estas bobinas tiene un diámetro de 1,8 mm. La conexión en estrella tiene más eficacia con revoluciones bajas y la conexión en triángulo en revoluciones altas. Para diferenciar entre estrella o triángulo es muy sencillo: para estrella tendremos 4 hilos y para triángulo solo 3. Tanto una como la otra van conectadas de igual manera al puente rectificador de diodos.

 
Fig. 5. Escobillas.
Las ventajas de utilizar corriente alterna trifásica son claras: Puesto que hay tres fases que generan corriente, la sección del cobre en cada fase puede ser menor que en una máquina monofásica para la misma potencia ya que la corriente se reparte en las tres fases y es la exactamente la misma cuando el sistema de fases está bien equilibrado. En la fig. 5 vemos las escobillas que alimentan el bobinado de excitación. Para empezar podemos aplicar una corriente constante de 0,5 A y empezar a girar la máquina. Entonces tendremos una corriente alterna trifásica en los tres bornes cuya frecuencia será exactamente la misma a la frecuencia de giro ( esto quiere decir que se trata de un generador sincrónico ) del rotor. El desfase entre fases será constante y muy próximo a 120 º en una máquina bien construida. Aumentando dicha corriente aumentamos el campo de excitación y por consiguiente la corriente generada. Llega un momento en que el núcleo se satura y ya no se puede generar más campo magnético por mucha corriente que apliquemos. En dicho instante, las pérdidas aumentarán en forma de calor en el cobre por efecto Joule. Como dijimos, el regulador modula esta corriente. Cuando la máquina gira muy deprisa se generará más corriente, por lo tanto el regulador disminuye la corriente de excitación y esto hace que se genere menos corriente. Gracias a esto, como todos sabemos, el alternador generará una tensión de 13,8 V.
Respecto al puente de diodos podemos utilizar los que lleva la máquina o mejor incluso, sustituirlos por los rectificadores de alta corriente que podemos encontrar en el secundario de las fuentes ATX. Si empleamos estos el generador tendrá menos pérdidas, aumentando su rendimiento puesto que estos diodos son de baja tensión de conducción y respuesta rápida

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