CCDMI TSUI TSUI Capitulo 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 presentan una construcción robusta y sencilla.
Alternador GTA26 del camión 830E El uso de escobillas es imprescindible para la excitación, pero sin la complicación de un colector ya que se emplean anillos rozantes. rozantes.
Partes del alternador GTA26 del camión 830
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CCDMI TSUI TSUI 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 flujo induce induce un voltaje sobre las bobinas de estator. El voltaje inducido inducido es alterno. alterno.
Principio de generación del alternador
Anillos Anillos rozantes para la excitación excitación DC vistos desde la toma de ventilación 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 a los costad costados. os. Al barrer barrer una bobina bobina la tensió tensión n induci inducida da ira primer primero o crecien creciendo do llegand llegando o a un máximo y luego decrecerá. Es muy semejante a una ola de mar.
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Barrido Barrido de las bobinas del estator por los polos salientes ¿Qué significa frecuencia?
Frecuencia Frecuencia es el número de periodos periodos de onda que se repiten repiten en un segundo. segundo. Se define como: como: 1 f T Se mide en Hertz (Hz)
Ondas de voltaje trifásico para una frecuencia frecuencia de 60Hz ¿Qué significa periodo? periodo?
Es el tiempo que demora una onda en completar un ciclo, se mide en segundos. Ejemplo: Ejemplo: Para 120Hz 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 voltajes monofásicos para los circuitos AFSE, MFSE en los camiones 730E, 830E y solo uno para el AFSE en los camiones 930E.
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Bobinado terciario generando tensión AC para el circuito AFSE, camión 930E En la figura figura anterior anterior se aprecia el bobinado bobinado terciario del camión 930E-3 alimentando alimentando con el panel AFSE la excitación del alternador.
Terminales Terminales para la salida trifásica y de los dos bobinados bobinados terciarios terciarios del alternador alternador GTA26 ¿Cómo son los polos del alternador?
Polo es uno de los terminales del dipolo magnético indivisible N-S. Para motores y alternadores se considera el número número de pares de polos denominado 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. Ambos tienen aplicación industrial y se les denomina alternadores síncronos. Siempre se conserva el principio de funcionamiento del alternador síncrono es decir se requiere corriente corriente de excitación excitación en el rotor.
Aplicacione Aplicacioness de los dos tipos de rotor de alternador alternador La carac caracter teríst ística ica de “sínc “síncro rono no”” se debe debe al func funcio iona nami mien ento to del del alter alternad nador or a una una velo velocid cidad ad constante llamada síncrona.
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Esta característica característica no es propia propia del camión pues en el camión, el alternador alternador funciona funciona a velocidad velocidad variable.
Alternador Alternador GTA41 del del 930E-3 930E-3 ¿Cómo se determina la frecuencia de la onda alterna generada?
Depende Depende de la velocidad que se aplique aplique al rotor y del número número de polos del alternador. alternador. f n Velocidad _ del _ rotor _( RPM )
p n 60
f Frecuencia _( Hz ) p Pares _ de _ polos ¿Si el número de polos puede ser de 1, 2 ó 3; cuales son las velocidades del rotor para obtener 60Hz?
Es necesario determinar determinar el número de pares de polos y aplicar la expresión vista anteriormente. anteriormente.
Pares de Polos (p) 1 2 3 4
Frec recuencia (Hz Hz))
n (RPM)
60 60 60 60
3600 1800 1200 600
Es de notar que la velocidad velocidad disminuye 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 tensión generada. generada. Esta velocidad es denominada denominada Síncrona Síncrona y se determina con la expresión expresión ya vista de: n
60 f
p n Velocidad _ del _ rotor _( RPM ) f Frecuencia _( Hz ) p Pares _ de _ polos Para 60Hz la velocidad velocidad nominal del alternador alternador de 8 polos (p=4) seria: n
60 60 Hz 4
900 RPM
¿Cuál es la frecuencia del alternador del camión?
La velocidad del motor Diesel varia de acuerdo a la situación de operación del camión y por consiguient consiguientee la frecuencia, frecuencia, datos que podemos podemos observar en la siguiente siguiente tabla. Operación ACC Ralenti ACC Alta Retardo
n (RPM) 600 1900 1050
f (H z ) 120 380 210
La relación práctica es de 5 RPM/Hz
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CCDMI TSUI TSUI ¿Cuántos polos tiene el alternador del camión?
Tien Tienee 8 polo poloss (4 pare paress de polo polos) s) si hace hacemo moss el cálc cálcul ulo o para para las las velo veloci cida dade dess ante anteri rior ores es obtendremo obtendremoss las frecuencias frecuencias a las que trabaja el alternador del camión. Pares de Polos (p) 4 4 4
n (RPM)
600 1900 1050
Frecuencia (Hz) 40 127 70
Estas frecuencias difieren con las de la tabla anterior y muestran solo la naturaleza variable de la veloci velocidad dad del alternado alternadorr del camión. camión. La razón razón de la diferen diferencia cia puede deberse deberse al criteri criterio o para definir definir los resultados de frecuencia de la pregunta 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 en el 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 que fluye en ambos sentidos sentidos a consecuencia consecuencia del intercambio de energía entre bobinas.
Flujo de potencia en la corriente corriente alterna Potencia activa también es la que absorben las resistencias y la transforman en calor, por otro lado el fenómeno fenómeno de la potencia potencia reactiva lo ocasiona ocasiona igualmente igualmente los condensador condensadores. es. ¿Qué relación existe entre los términos P-F y Q-V
El siste sistema ma eléct eléctric rico o del cami camión ón es semej semejan ante te a un sistem sistemaa eléctr eléctrico ico inde indepe pend ndien iente te,, por por cons consig igui uien ente te son son susce suscepti ptibl bles es a varia variarr el volta voltaje je de salid salidaa y la frecu frecuenc encia ia de acue acuerd rdo o a la magnitud de la carga. “P” es la potencia activa, está relacionada con velocidad y por consiguiente consiguiente con frecuencia frecuencia “f”. “Q” es la potencia reactiva y está relacionada con la corriente de excitación del alternador y por tanto con el voltaje voltaje “V”. Factor de potencia Variable ± Frecuencia
± Velocidad
± Potencia del Motor Diesel
Alternador
± Corriente de excitación
Voltaje de salida Variable
Convertidores
± Voltaje de salida
Variables Variables de control control del alternador alternador y efecto sobre la carga
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Efectos Efectos sobre la onda de voltaje voltaje del control control P-F ¿Por qué se dice que el factor de potencia es variable?
El cami camión ón es un sist sistem emaa inde indepe pend ndie ient ntee con con el prob proble lema ma adic adicio iona nall de tene tenerr como como carg cargaa conver convertid tidore oress electró electrónic nicos os de potenc potencia ia es decir decir puente puentess semicon semicontro trolado lados, s, conver convertido tidores res y choppers (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 de corriente y voltaje.
Desfasaje Desfasaje entre corriente y armónica armónica fundamental fundamental del voltaje voltaje de un variador variador de velocidad velocidad
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En la figura anterior se observa el voltaje que proporciona un variador de velocidad como podría serlo el del camión 930E, este voltaje con la carga inductiva del motor hace que la corriente sea aproximadamente senoidal. El desfasaje entonces es medible entre la armónica fundamental del voltaje voltaje y la corriente. corriente. El uso de convertidores siempre genera desfasajes I/V aun si se emplea carga resistiva debido a la distorsión de las ondas por tanto aparece un factor de potencia y por consiguiente potencia reactiva.
Motor AC, camión 930E-4 ¿Que quiere decir armónica fundamental? fundamental?
En 1807 Jean Fourier Fourier presentó al Instituto Instituto de Francia un trabajo en el que sostenía que cualquier cualquier forma de onda periódica y simétrica puede ser representada con una suma de series de senos y cosenos de diferente frecuencia. Por ejemplo la siguiente onda de voltaje denominada diente de sierra puede ser representada mediante una ecuación. 10 v(t ) t 2
Onda de voltaje “Diente de sierra”
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De acuerdo al teorema de Fourier es equivalente equivalente a:
v (t ) a0 2
a
k
cos( k t ) bk sen( k t )
k 1
Donde : a0 ak bk
1
T
v(t )dt
T 0 1
T
v(t ) cos(k t )dt
T 0 1
T
v(t ) sen(k t )dt
T 0
Siendo el resultado:
Jean Baptiste Fourier (1768-1830)
a0 5 ak 0 bk
5 k
cos(k 2 )
Finalmente Finalmente el voltaje será equivalente equivalente a: v(t ) 5
10
sen(k t ) k 1
Si desarrollamos:
Este resultado es conocido como Serie de Fourier. Es de gran aplicación en la electrónica de potencia y en otras ramas de la l a ciencia. ci encia. ¿Se pueden representar representar estas ondas gráficamente? gráficamente?
Si, en este caso podemos representar primero las tres primeras armónicas y luego el total con la componente DC. Si representamos las tres armónicas:
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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 armónicas consideradas. 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 estas cara caract cter erís ísti tica cas, s, por por tant tanto o pued pueden en repr repres esen enta tars rsee como como seri series es de onda ondass seno seno y cose coseno no de frecuencias armónicas. ¿Qué es auto excitación?
La corriente de excitación que requiere el rotor inicialmente se aplica desde una fuente externa (Bate (Bateri riaa de 24V) 24V),, lueg luego o el circu circuito ito AFSE AFSE alime aliment ntad ado o por por uno uno de los los bobi bobina nado doss terci terciar ario ios, s, controla la alimentación de la excitación; produciéndose una auto alimentación. El conc concep epto to de auto auto excita excitaci ción ón cons consid idera era la existe existenc ncia ia de un magne magnetis tismo mo rema remane nent ntee en el material ferromagnético con el que están construidos en este caso los motores o alternadores eléctricos. Es el mismo efecto que se produce cuando imantamos un metal con la ayuda de un imán.
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Realimentació Realimentación n de la bobina del rotor a partir del bobinado 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 forma contigua contigua y de manera manera semejante en el el estator.
Polos del rotor y del estator del alternador alternador Recordemos que se suele emplear el termino “pares de polos” en vez de “polo” para el cálculo de la velocidad síncrona. El número de polos es por cada fase del sistema trifásico.
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CCDMI TSUI TSUI ¿Cuál es la expresión que permite definir el voltaje inducido?
Si observamos la posición del rotor en movimiento del siguiente dibujo, notaremos que para la bobina a’a, la densidad de flujo magnético (B) en forma perpendicular toma la expresión respecto al ángulo θ:
Posición de las cabezas polares respecto a la bobina a’a
t B A. cos MAX cos t La _ tensión _ inducida _ segun _ la _ Ley _ de _ Faraday : et
t
MAX sen t MAX cos( t ) 2
Donde :
Flujo _ Magnético B Densidad _ de _ Flujo _ Magnético Velocidad _ Angular Angulo _ de _ desplazamiento El _ valor _ RMS _ del _ voltaje _ inducido _ es : E RMS E RMS
E MAX
N MAX
2
2 N MAX 2 f 2
2 N f MAX
Donde : N Numero _ de _ espiras f Frecuencia En la ecuac ecuació ión n aprec apreciam iamos os la depe depend ndenc encia ia del del volta voltaje je indu induci cido do con con la velo velocid cidad ad del del roto rotor r (Frecuencia) y la corriente de excitación (Flujo Magnético). 2-15
CCDMI TSUI TSUI ¿Qué ocurre cuando el alternador es cargado?
El alternador alternador tiende a frenarse por lo que el motor Diesel debe incrementar incrementar su torque. torque. Cuando el alternador esta en vacío, el voltaje de salida es igual al de la fuerza electromotriz generada.
Energía Mecánica
Motor Diesel
Alternador
En vacío, sin carga
Torque +
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 energía mecánica mecánica del Motor Diesel del camión.
Energía Mecánica
Motor Diesel
Torque +
Energía Eléctrica
Alternador
Carga Eléctric Eléctrica a
Torque -
La carga eléctrica produce un torque opuesto al del motor Diesel Las corrientes por los devanados ocasionan caídas de tensión y por consiguiente disminución del voltaje voltaje en los terminales terminales del alternador. alternador. Esta reacción del estator al ser inducido el voltaje se denomina denomina “reacción de inducido”. inducido”.
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CCDMI TSUI TSUI ¿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 la reacción reacción de inducido inducido y frenar el motor de tracción. tracción. Esto es válido para todos los modelos.
Parrillas del camión 930E-4 ¿Pueden permutarse los bobinados terciarios?
De acuerd acuerdo o a las caracter característi ísticas cas eléctric eléctricas as del alterna alternador dor 5GTA26 5GTA26 ambos ambos terciar terciarios ios tienen tienen la misma resistencia resistencia pero en la prueba prueba de rendimiento rendimiento se observa diferencia en el voltaje generado. generado.
Pruebas eléctricas para el alternador 5GTA26, camión 830E
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La prueba prueba de test de alternado alternadorr para el camión camión 830E, 830E, hecha con 85A en el bobina bobinado do de campo campo para obtener 1000V como voltaje de fase fas e a 1875RPM da resultados diferentes. Es de suponer que una permutación no imposibilitaría el trabajo pero si su rendimiento pues no seria capaz el terciario T13-T14 T13-T14 de generar la corriente corriente máxima que se pueda requerir. ¿Tienen polaridad los bobinados bobinados terciarios? terciarios?
No, las tensiones que generan son alternas y luego son rectificadas por consiguiente cualquiera sea 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
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