Generador de energía: qué es, tipos y funcionamiento

En este artículo de la Fundación Endesa explican de manera pormenorizada qué es un generador de energía. Con base en él, se tratará de explicar cuáles son sus principales características y cómo funciona.

Un generador eléctrico, definen en el post comentado, es una máquina eléctrica rotativa que transforma energía mecánica en energía eléctrica. Lo consigue gracias a la interacción de sus componentes principales: el rotor (parte giratoria) y el estátor (parte estática). 

Cuando un generador de energía está en funcionamiento, una de las 2 partes genera un flujo magnético (actúa como inductor) para que el otro lo transforme en electricidad (actúa como inducido). 

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Los generadores eléctricos se diferencian según el tipo de corriente que producen, dando lugar a 2 grandes grupos: los alternadores y las dinamos. Los alternadores generan electricidad en corriente alterna y las dinamos generan electricidad en corriente continua.

Las máquinas eléctricas son dispositivos capaces de transformar la energía eléctrica en cualquier otra forma de energía. 

Se dividen en los siguientes tipos:

• Máquinas eléctricas rotativas: están compuestas de partes giratorias, son reversibles y pueden trabajar de 2 maneras diferentes: como motor eléctrico (convirtiendo la energía eléctrica en mecánica) o como generador eléctrico (convirtiendo la energía mecánica en eléctrica).
• Máquinas eléctricas estáticas: no disponen de partes móviles, al igual que ocurre con los transformadores.

En las máquinas rotativas, el rotor se monta en un eje que descansa en 2 rodamientos o cojinetes. El espacio de aire que separa el rotor del estátor se llama entrehierro y es necesario para que la máquina pueda girar. 

Normalmente, tanto en el estátor como en el rotor existen devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior que constituye el sistema eléctrico. 

Uno de los devanados crea un flujo en el entrehierro y se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero y se llama inducido. Asimismo, se podría situar el inductor en el estátor y el inducido en el rotor o viceversa. 

Pérdidas de electricidad

La potencia de salida que ofrecen las máquinas eléctricas rotativas es menor que la potencia de alimentación que se les suministra, llamada potencia suministrada. La diferencia entre la potencia de salida y la suministrada son las pérdidas. 

La potencia de salida de un generador de energía es la potencia eléctrica que entrega, es decir: la potencia útil. La potencia suministrada o total es la potencia mecánica de entrada: la potencia mecánica que absorbe la máquina para poder generar electricidad. Dentro de una máquina eléctrica rotativa, las pérdidas más significativas son:

Pérdidas mecánicas: causadas por el rozamiento entre las piezas móviles y por la ventilación o refrigeración interior de los devanados.

Pérdidas eléctricas o pérdidas en el cobre: se producen en el circuito eléctrico y en sus conexiones y son debidas al efecto Joule.

Pérdidas magnéticas o pérdidas en el hierro: dependen de las variaciones que se producen en los campos magnéticos y de la frecuencia.

Principio de funcionamiento de un generador eléctrico: Ley de Faraday

La Ley de Faraday, detallan en Endesa, está basada en los experimentos que Michael Faraday, físico británico, realizó en 1830. 

Establece que el voltaje inducido en un circuito es directamente proporcional al cambio del flujo magnético en un conductor o espira. Esto significa que si se tiene un campo magnético generando un flujo magnético, se necesita una espira por donde circule una corriente para conseguir que se genere la fuerza electromotriz (f.e.m.).

Faraday también ideó el primer generador electromagnético: el disco de Faraday. ¿En qué consistía? Era un disco de cobre que giraba impulsado por una manivela situada entre los extremos de un imán con forma de herradura. 

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El disco de Faraday demostró que se podía generar electricidad usando magnetismo. Además, abrió la puerta a los conmutadores, dinamos de corriente continua y a los alternadores de corriente. 

Cuando dentro de un campo magnético hay una espira por donde circula una corriente eléctrica aparecen un par de fuerzas que provocan que la espira gire alrededor de su eje. 

De esta misma manera, si dentro de un campo magnético se introduce una espira y se la hace girar se provoca la corriente inducida. Esta corriente inducida es la responsable de la fuerza electromotriz y será variable en función de la posición de la espira y el campo magnético.  

La cantidad de corriente inducida dependerá de la cantidad de flujo magnético (también llamado líneas) que la espira pueda cortar, cuanto mayor sea el número, mayor variación de flujo generar y, por lo tanto, mayor fuerza electromotriz. 

Generador de corriente alterna: el alternador

Los alternadores, también llamados generadores de corriente alterna, son máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. La mayoría son de corriente alterna síncrona, lo que significa que giran a la velocidad de sincronismo, que está relacionada con el número de polos que tiene la máquina y la frecuencia de la fuerza electromotriz.

Esta relación hace que el motor gire a la misma velocidad que le impone el estátor a través del campo magnético. 

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Al ser máquinas síncronas que se conectan a la red, los alternadores han de trabajar a una frecuencia determinada. En el caso de Europa y algunas zonas de Latinoamérica se trabaja a 50 Hz, mientras que en los Estados Unidos usan 60 Hz. 

En aplicaciones especiales, como en el caso de la aeronáutica, se utilizan frecuencias más elevadas, del orden de los 400 Hz.

La estructura del alternador es la siguiente: 

Estátor: parte fija exterior de la máquina. Está formado por una carcasa metálica que sirve de soporte. En su interior encontramos el núcleo del inducido, con forma de corona y ranuras longitudinales, donde se alojan los conductores del enrollamiento inducido.

Rotor: parte móvil que gira dentro del estátor. Contiene el sistema inductor y los anillos de rozamiento, mediante los cuales se alimenta el sistema inductor. En función de la velocidad de la máquina hay 2 maneras constructivas: rotor de polos salidos o rueda polar (se emplea en turbinas hidráulicas o motores térmicos para sistemas de baja velocidad) y rotor de polos lisos (se utiliza para turbinas de vapor y gas –turboalternadores–. Pueden girar a 3.000, 1.500 o 1.000 r.p.m. en función de los polos que tenga).

¿Cómo funcionan los alternadores? 

Para generar el campo magnético, hay que aportar una corriente de excitación (Ie) en corriente continua. Esta corriente genera el campo magnético para conseguir la corriente inducida (Ii) que será corriente alterna.

Los alternadores están acoplados a una máquina motriz que les genera la energía mecánica en forma de rotación. Según la máquina motriz tenemos tres tipos:

Máquinas de vapor: se acopla directamente al alternador. Generan una velocidad de giro baja y necesitan un volante de inercia para generar una rotación uniforme.

Motores de combustión interna: se acoplan directamente y las características son similares al caso anterior.

Turbinas hidráulicas: la velocidad de funcionamiento tiene un rango muy amplio. Están diseñados para funcionar bien hasta el doble de su velocidad de régimen. 

Generador de corriente continua: la dinamo

El generador de corriente continua, también llamado dinamo, es una máquina eléctrica rotativa a la cual le suministramos energía mecánica y la transforma en energía eléctrica en corriente continua. En la actualidad se utilizan muy poco, ya que la producción y transporte de energía eléctrica es en tipo de corriente alterna.

Una de las características de las dinamos es que son máquinas reversibles: se pueden usar como generador o como motor. El motor es la principal aplicación industrial de la dinamo, puesto que tiene facilidad a la hora de regular su velocidad de giro en el rotor. Las principales partes de esta máquina son:

• Estator: es la parte fija exterior de la dinamo. Contiene el sistema inductor destinado a producir el campo magnético. 
• Rotor: es la parte móvil que gira dentro del estátor. Está formado por:
• Entrehierro: el entrehierro es el espacio de aire comprendido entre el rotor y el estátor, imprescindible para evitar rozamientos entre la parte fija y la parte móvil. Su tamaño suele oscilar entre 1 y 3 milímetros. 

Ventajas del alternador respecto a la dinamo

El alternador posee varias ventajas frente a la dinamo, lo que la convierten en la máquina más utilizada. Estas son las principales, según la Fundación Endesa: 

• Se puede obtener mayor gama de velocidad de giro. La velocidad de giro puede ir desde 500 a 7.000 rpm.
• El conjunto rotor y estátor es muy compacto. 
• Cuenta con un solo elemento para regular la tensión.
• Ligereza: pueden llegar a ser entre un 40% y un 45% menos pesados que las dinamos, y de un 25% a un 35% más pequeños.
• Trabaja en ambos sentidos de giro sin necesidad de modificación. 
• La vida útil es superior a la de la dinamo.