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Alternadores y reguladores de tension


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El alternador igual que la antigua dinamo, es un generador de corriente eléctrica que transforma la energía mecánica que recibe en su eje en energía eléctrica que sirve ademas de cargar la batería, para proporcionar corriente eléctrica a los distintos consumidores del vehículo como son el: el sistema de alimentación de combustible, el sistema de encendido, las luces, los limpias etc.
El alternador sustituyo a la dinamo debido a que esta ultima tenia unas limitaciones que se vieron agravadas a medida que se instalaban mas accesorios eléctricos en el automóvil y se utilizaba el automóvil para trayectos urbanos con las consecuencias sabidas (circulación lenta y frecuentes paradas). La dinamo presentaba problemas tanto en bajas como en altas revoluciones del motor; en bajas revoluciones necesita casi 1500 r.p.m. para empezar a generar energía, como consecuencia con el motor a ralentí no generaba corriente eléctrica; una solución era hacer girar a mas revoluciones mediante una transmisión con mayor multiplicación pero esto tiene el inconveniente de: que a altas revoluciones la dinamo tiene la limitación que le supone el uso de escobillas y colector.

Para elegir el alternador adecuado para cada vehículo hay que tener en cuenta una serie de factores como son:


Los fabricantes de vehículos determinan el tamaño del alternador teniendo en cuenta los factores expuestos anteriormente y sabiendo que en cualquier situación el alternador debe suministrar suficiente energía eléctrica para alimentar a los consumidores y para cargar la batería, garantizando que el coche vuelva a arrancar la próxima vez que se le solicite sin problemas.
Si la demanda de energía es elevada. por ejemplo por haber incorporado en el vehículo diversos consumidores adicionales, puede resultar conveniente sustituir el alternador previsto de serie por otro de mayor potencia, sobre todo cuando el vehículo circula preferente en ciudad, con recorridos cortos y frecuentes paradas. En este caso, es conveniente verificar el consumo de todos los aparatos eléctricos instalados y sus tiempos medios de utilización, al tiempo que se valora el tipo de circulación del vehículo (carretera o ciudad). En general el balance energético del alternador se realiza sumando la potencia eléctrica de todos los consumidores para determinar posteriormente, con ayuda de unas tablas la intensidad nominal mínima necesaria. Como ejemplo diremos que se determina a través de esta tabla aproximadamente que la intensidad del alternador será una décima parte de la suma de potencias de todos los consumidores. Por eso tenemos, si en una determinada aplicación la suma de consumidores es igual a 500 W. la intensidad nominal del alternador necesario debe ser de 50 A.


Curva característica del alternador
La intensidad de corriente que puede proporcionar un alternador girando a distintas revoluciones a que es sometido por parte del motor de combustión, se representa generalmente por medio de curvas características que están en función del régimen de giro, las cuales están referidas siempre a una temperatura definida y una tensión constante. En estas curvas se destacan algunos puntos que son de particular importancia en cuanto a las características del alternador.
no: Es la velocidad del rotación (aprox. 1000 rpm) a la que el alternador alcanza la tensión nominal sin suministrar corriente.

nL: Velocidad de rotación del alternador cuando el motor de combustión alcanza el régimen de ralentí. En el diagrama de la curva se representa como una zona, ya que el valor exacto depende cual sea la relación de desmultiplicación fijada respecto con el motor de combustión.
A esta velocidad, el alternador debe suministrar como mínimo la corriente necesaria para los consumidores de conexión prolongada, El correspondiente valor se indica en la designación de tipo del alternador.
La velocidad (nL) suele estar comprendida entre 1500 y 1800 r.p.m. según sea el tipo de alternador.
IL: Es la intensidad que suministra el alternador al ralentí.

nN: La velocidad de rotación nominal, a la que el alternador entrega su corriente nominal, esta establecida en nN = 6000 rpm. La corriente nominal debería ser superior a la que requiere la potencia conjunta de todos los consumidores eléctricos. Esta corriente se indica también en la designación de tipo.
IN: Es la intensidad nominal que suministra el alternador a la velocidad de rotación nominal.

nmax: Es la velocidad de rotación máxima del alternador que se ve limitada por los rodamientos, escobillas y anillos colectores, así como por el ventilador. Esta velocidad según sea el tipo de alternador utilizado va desde las 8000 r.p.m. (vehículos industriales) hasta las 20.000 r.p.m. (automóviles).
Imax: Es la intensidad que proporciona el alternador a la velocidad de rotación máxima

nA: Es la velocidad de rotación inicial. A esta velocidad, el alternador comienza a entregar corriente cuando aumenta por primera vez la velocidad de rotación. La velocidad inicial es superior a la velocidad de ralentí. y depende de la potencia de excitación previa, de la remanencia del rotor, de la tensión de la batería y de la rapidez de variación de la velocidad de rotación.

Curva característica de la potencia de accionamiento (P1)
Esta curva es decisiva para el calculo de la correa de accionamiento, ya que proporciona información sobre cua
nta potencia debe proporcionar como máximo el motor del vehículo para accionar el alternador a una velocidad de rotación determinada. Ademas, a partir de la potencia de accionamiento y de la potencia entregada, puede determinar el grado de rendimiento de un alternador. El ejemplo de la gráfica muestra que la curva característica de la potencia de accionamiento, tras un recorrido plano en el margen medio de revoluciones, asciende de nuevo considerablemente al alcanzarse mayores velocidades de giro.

Los alternadores son maquinas sincronas trifasicas que en principio generan corriente alterna, como se sabe el automóvil funciona con corriente continua, para solucionar este inconveniente se incorpora un puente de diodos en el alternador que tiene como misión convertir la corriente alterna en corriente continua. Ademas el alternador debe ir acompañado de un regulador de tensión que se encargara de estabilizar la tensión que proporciona en un valor fijo que será de 14V, para turismos y 28V. para vehículos industriales.

Las características esenciales del alternador trifasicos son las siguientes:

El alternador debido a su forma constructiva en el que las bobinas inducidas permanecen estáticas formando parte del estator, siendo el campo inductor el que se mueve con el rotor, alimentado con corriente continua procedente del mismo generador a través de dos anillos rozantes situados en el eje de rotor. Esta disposición de los elementos del alternador proporciona grandes ventajas tal como poder girar a grandes revoluciones sin deterioro de sus partes móviles, ademas de entregar un tercio de su potencia nominal con el motor girando al ralentí. y proporcionando su potencia nominal a un régimen de motor reducido; esto permite alimentar todos los servicios instalados en el vehículo, aun en condiciones adversas, quedando la batería como elemento reservado para la puesta en marcha del mismo, y encontrandose siempre con carga suficiente para una buena prestación de servicio.
El rendimiento del alternador aumenta con la velocidad de giro del motor; por eso debe procurarse que la relación de desmultiplicación entre el cigüeñal del motor y el alternador sea lo mas alta posible. En el sector de turismos, los valores típicos están entre 1:2 y 1:3 (por cada vuelta del cigüeñal, da dos vueltas del alternador); en el sector de vehículos industriales llegan hasta 1:5.

 

Tipos de alternadores
Para la selección del alternador son determinantes, principalmente:

De acuerdo con estos datos se determinan el dimensionado eléctrico y el tamaño requerido por el alternador.

El fabricante de alternadores BOSCH usa como distintivo de identificación de los tamaños constructivos de alternadores "las letras". El orden sucesivo alfabético indica el tamaño ascendente del alternador.

Versión Aplicación Tipo nº de polos
Compacto Turismos y motocicletas GC
KC
NC
12
Monobloc Turismos, vehículos industriales, tractores, motocicletas G1
Turismos, vehículos industriales, tractores K1, N1
Autobuses T1 16
Vehículos industriales. Largos recorridos, maqu. de construcción N3 12
Estándar Vehículos especiales T3 14
Vehículos especiales, barcos U2 4, 6

 

Alternadores de polos intercalados con anillos colectores
A esta clasificación pertenecen la mayoría de los alternadores vistos en la tabla menos el monoblioc N3 y el Estándar U2. La construcción de estos alternadores (polos intercalados con anillos rozantes) hacen del mismo un conjunto compacto con características de potencias favorables y reducido peso. Su aplicación abarca una amplia gama de posibilidades. Estos alternadores son especialmente apropiados para turismos, vehículos industriales, tractores, etc. La versión T1 de mayor potencia esta destinada a vehículos con gran demanda de corriente (p. ejem. autobuses).

Características
La relación longitud/diámetro elegida permite conseguir máxima potencia con escasa demanda de material. De ello se deriva la forma achatada típica de este alternador, de gran diámetro y poca longitud. Esta forma permite ademas una buena disipación de calor. La denominación de "alternador de polos intercalados" proviene de la forma de los polos magnéticos. El árbol del rotor lleva las dos mitades de rueda polar con polaridad opuesta. Cada mitad va provista de polos en forma de garras engarzados entre si formando alternativamente los polos norte y sur. De ese modo recubren el devanado de excitación, en forma de bobina anular, dispuesto sobre el núcleo polar. El numero de polos realizable tiene un limite. Un numero de polos pequeño determinaría un rendimiento insuficiente de la maquina, mientras que un numero demasiado grande haría aumentar excesivamente las perdidas magnéticas por fugas, Por esta razón, estos alternadores se construyen, según el margen de potencia, con 12 ó 16 polos.

 

Alternadores compactos GC, KC, NC

Aplicación
Están destinados a turismos con gran demanda de potencia
Son especialmente apropiados para los modernos motores de vehículos con régimen de ralentí. reducido. La velocidad de giro máxima aumentada del altenador (20.000 r.p.m. durante breve tiempo) permite una mayor desmultiplicación, por lo que estos alternadores pueden entregar hasta un 25% mas de potencia con una misma velocidad de giro del motor que los alternadores del tipo monobloc.

Estructura
Los alternadores compactos son alternadores trifasicos autoexcitados, de 12 polos, con rotor sincrono de garras polares, anillos colectores pequeños y diodos de potencia Zenner, con doble flujo de ventilación. En el estator se encuentra el devanado trifasico con 12 polos y en el rotor el sistema de excitación con el mismo numero de polos. Dos ventiladores interiores refrigeran el alternador desde las carcasas frontales. Esto reduce el ruido de la ventilación y permite una mayor libertad de elección del punto de montaje en el motor.
Los anillos colectores presentan un diámetro sensiblemente menor, con lo cual disminuye también la velocidad periférica de los mismos. Con ello disminuye el desgaste, tanto de la superficie de los anillos colectores como de las escobillas, gracias a lo cual la vida útil del alternador ya no esta determinada por el desgaste de estas . El regulador electrónico de tensión esta integrado en el portaescobillas.
Un revestimiento de plástico protege de la corrosión al rectificador, realizado en versión estratificada, con diodos Zenner. Los diodos Zenner ofrecen una protección adicional contra sobretensiones y picos de tensión.


 

Alternadores compactos de segunda generación (serie constructiva B)
La serie B de alternadores compactos para turismos y vehículos industriales es una versión perfeccionada del alternador compacto, con mayor vida útil, menores dimensiones, peso mas reducido y potencia inicial aumentada. La serie se compone de seis tamaños constructivos con 14 V de tensión nominal y tres tamaños con una tensión nominal de 28 V. El estrecho escalonamiento permite una optima adaptación a la demanda de potencia y al espacio disponible en el compartimento motor de los automóviles modernos.

Denominación
Tensión nominal
Corriente nominal (amperios) a:
1.800 r.p.m.
6.000 r.p.m.

GCB1
GCB2
KCB1
KCB2
NCB1
NCB2

14 V
22
37
50
60
70
80

55
70
90
105
120
150

KCB1
NCB1
NCB2

28 V
25
35
40

55
80
100

Estructura
La estructura fundamental de la serie constructiva B no se diferencia de la de un alternador compacto convencional. Una nueva ejecución del rectificador (puente de diodos) permite un mayor caudal de aire con lo que se mejora la refrigeración. Ademas estos alternadores están equipados con un regulador de tensión multifuncional que explicaremos mas adelante.

 

Alternadores monobloc G1, K1 y N1
Aplicación
El extenso numero de modelos de alternadores trifasicos en versión monobloc, series constructivas G1, K1 y N1, permite utilizarlos en turismos y vehículos industriales, aunque los turismos se equipan cada vez mas con alternadores compactos.

Estructura
Los alternadores un versión monobloc tiene un funcionamiento igual al de los alternadores compactos. Los monobloc son alternadores trifasicos con un solo flujo de ventilación, autoexcitados, de 12 polos. En las chapas de refrigeración de la tapa de anillos colectores van montados a presión 6 diodos de potencia para la rectificación de la tensión del alternador. En la mayoría de las versiones, el regulador electrónico de tensión va montado formando una unidad con el portaescobillas, directamente en la cara frontal de la tapa de anillos colectores.

Para condiciones de utilización especiales, los alternadores K1 y N1 están provistos del siguiente equipamiento:

 

Alternadores monobloc (serie constructiva T1)
Estos alternadores están previstos para vehículos con elevado consumo de corriente, sobre todo para autobuses. Los autobuses urbanos requieren una elevada entrega de potencia dentro de un margen amplio de revoluciones, que abarca también el ralentí. del motor. El funcionamiento es idéntico al de los alternadores de la versión monobloc de las series constructivas G1, K1, y N1.

Estructura
Los alternadores T1 son alternadores trifasicos con un solo flujo de ventilación, autoexcitados y de 16 polos, con diodos rectificadores incorporados y anillos colectores encapsulados. En el estator va alojado el devanado trifasico, y en el rotor, el sistema de excitación.
Los alternadores T1 en versión de brazo giratorio, con brazo de fijación hacia la izquierda o a la derecha, para fijación elástica o rigida. Rodamientos especialmente anchos con grandes reservas de grasa, permiten largos tiempos de utilización y mantenimiento. Los alternadores están refrigerados por ventiladores independientes del sentido de giro y protegidos en invierno contra las salpicaduras de agua dulce y agua con sal mediante medidas anticorrosión especiales. En caso de funcionamiento en condiciones extremas (calor y polvo) puede aspirarse aire fresco, seco y exento de polvo, a través de un adaptador y un tubo flexible dispuesto con ese fin.
Dentro de los alternadores T1 tenemos una versión especial que es el DT1 se trata de un doble alternador que sirve para satisfacer las mayores demandas de potencia que se dan en los autobuses actuales. El DT1 se trata de un doble alternador que se compone de dos alternadores de la serie constructiva T1, acoplados eléctrica y mecánicamente en una carcasa común.
El regulador electrónico de tensión esta montado en el alternador. Las escobillas y los anillos colectores se encuentran dentro de una cámara de anillos colectores protegida contra el polvo. Una resistencia de 100 ohmios entre D+ y D-, hace que se encienda la lampara de control del alternador en caso de interrupción del campo.

 

Alternadores de polos individuales con anillos colectores (serie constructiva U2)
Se utilizan preferentemente para vehículos grandes con gran demanda de corriente (> 100 A) y tensiones de batería de 24 V. Son especialmente apropiados, por lo tanto, para autobuses, vehículos sobre railes, embarcaciones y grandes vehículos especiales.
Se trata de un alternador de 4 polos autoexcitado. En cada vuelta del rotor tienen lugar cuatro pasos polares, induciendose cuatro semiondas por devanado. Es decir, para tres fases, 4 x 3 = 12 semiondas por vuelta.

Estructura
La disposición del devanado estatorico trifasico y la variación de corriente son idénticas a las del alternador de polos intercalados. Sin embargo, el rotor de este tipo básico del alternador difiere del sistema del rotor de garras polares.

 

El rotor de garras presenta un devanado de excitación central que actúa conjuntamente para todos los polos. El de polos individuales, por el contrario, lleva cuatro o seis polos individuales a los que esta aplicado directamente el devanado de excitación.
Cada uno de estos bobinados esta individualmente. La forma característica del rotor determina la forma cilíndrica alargada del alternador de polos individuales. En la carcasa cilíndrica del alternador esta dispuesto el estator con el devanado estatorico trifasico. La carcasa esta cerrada por una tapa de anillos colectores y una tapa de cojinete de accionamiento. El rotor de polos individuales alojado en el interior lleva el devanado de excitación. La corriente de excitación se conduce a través de los anillos colectores y las escobillas. El rectificador y el regulador son componentes externo que se montan separados del alternador en un lugar protegido contra el calor del motor, la humedad y la suciedad. La conexión entre el alternador y el regulador se realiza mediante el juego de cables de seis conductores.
Gracias al encapsulamiento de los anillos colectores y a un rodamiento de bolas con cámara de grasa ampliada, este alternador es apropiado para funcionar largo tiempo ininterrumpidamente.

 

Alternadores con rotor-guia sin anillos colectores (serie constructiva N3)
Las únicas piezas sujetas a desgaste de estos alternadores son los rodamientos. Se utilizan en los transportes donde la larga duración sea un factor decisivo (maquinaria de construcción, camiones para largos recorridos y vehículos especiales para grandes esfuerzos. La importancia de los alternadores de rotor-guia estriba en que permiten recorrer distancias extremadamente grandes en condiciones difíciles. Su principio constructivo se basa en la idea de emplear en el alternador el menor numero de piezas posibles sometidas a desgaste, para conseguir así prolongados tiempos de servicio sin mantenimiento. Este alternador esta prácticamente exento de mantenimiento.

Funcionamiento y estructura
El alternador se autoexcita por medio del devanado de excitación fijo situado sobre el polo interior. Como la remanencia es lo suficientemente grande, no es necesaria la preexcitación del alternador. El campo de excitación magnetiza los dedos polares, dispuestos alternadamente, del rotor-guia giratorio. El campo magnético giratorio de estos polos induce a su vez una tensión alterna trifasica en el devanado estatorico. El flujo magnético discurre desde el núcleo polar del rotor giratorio a través del polo interior fijo hasta la pieza guía, y luego a través de sus polos hasta el paquete del estator fijo. A través de la mitad de las garras de polos intercalados, de polaridad opuesta se cierra el circuito magnético en el núcleo del polar del rotor. Al contrario que en el rotor de anillos colectores, el flujo magnético debe superar dos entrehierros adicionales entre la rueda polar giratoria y el polo interior fijo.
Normalmente, ademas de la carcasa con el paquete del estator, las chapas de refrigeración con los diodos de potencia y el regulador transistorizado de montaje adosado, pertenecen también a la parte fija de la maquina el polo interior con el devanado de excitación. La parte giratoria consta únicamente del rotor con la rueda polar y su pieza guía. Seis dedos polares de igual polaridad forman respectivamente una corona polar como polos norte y sur
Las dos coronas, como mitades por polos en forma de garras, se mantienen juntas mediante un anillo no magnético dispuesto bajo los polos, engarzados entre si.

 

Alternador compacto de refrigeración liquida
El ventilador necesario para la refrigeración es la causa determinante del ruido del flujo en los alternadores refrigerados por aire. Una reducción considerable del ruido con una entrega de corriente mayor solo puede lograrse con un alternador de refrigeración liquida, para cuya refrigeración se utiliza el liquido refrigerante del motor.
En los vehículos modernos de clase media y superior, la utilización de un alternador totalmente encapsulado y de refrigeración liquida es hasta ahora la única posibilidad de reducir la rumorosidad en el vehículo. La insonorización de la envoltura del liquido refrigerante actúa sobre todo a altas revoluciones, régimen en el que es especialmente acusado el ruido de flujo de los alternadores refrigerados por aire.
El calor disipado del alternador bajo la correspondiente carga del mismo (p. ejem. mediante resistencias calefactoras en la entrada de aire al habitáculo) favorece el calentamiento del agua refrigerante durante la fase de calentamiento, lo cual luego contribuye sobre todo en los modernos motores Diesel con grado de rendimiento optimizado, a reducir la fase de calentamiento del motor y el rápido calentamiento del habitáculo.

Estructura
El alternador totalmente encapsulado esta ejecutado con un rotor-guia sin anillos colectores, porque en un sistema de escobillas y anillos colectores no ofrecería una vida útil suficiente debido a las altas temperaturas del interior.
El alternador esta fijado en una carcasa de inserción. La envoltura de liquido refrigerante entre la carcasa del alternador y la carcasa del alternador y la carcasa de inserción esta en comunicación con el circuito de refrigeración del motor. Todas las fuentes de perdidas esenciales (estator, semiconductor de potencia, regulador y devanado de excitación fijo) están acoplados a la carcasa del alternador de forma que pueda producirse una buena condición del calor. Las conexiones eléctricas se
encuentran en el lado de accionamiento.

 

 

 

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