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ALTERNADOR - Definición - Significado

20/08/2010

Limitaciones de la dinamo • Introducción de los rectificadores de silicio • Primeras experiencias con el alternador • Pocos tipos y bastante similares • Ventajas: elevada potencia, peso reducido, corriente de carga a bajo número de revoluciones y entretenimiento muy limitado
En los automóviles, para hacer funcionar el sistema de encendido, el motor de arranque, las luces y todos los demás accesorios eléctricos, se necesita un generador de corriente que, en los primeros tiempos, estaba constituido por una pila, una magneto, un acumulador o una dinamo. La magneto suministraba corriente alterna y todos los demás corriente continua. Con la introducción del motor de arranque, fue necesario crear un dispositivo acumulador capaz de suministrar energía incluso cuando el motor del automóvil estuviese parado. Dicho dispositivo es la batería; no obstante, mientras que los diferentes dispositivos utilizadores pueden o podrían funcionar indistintamente con corriente continua o alterna, la batería debe ser recargada sólo con corriente continua.


Esto obligó durante 50 años a adoptar, como dispositivo generador de corriente, la dinamo. El alternador, construido a finales del siglo XIX para usos industriales, no se pudo adoptar al campo automovilístico, puesto que no podía recargar la batería. Únicamente en las motocicletas (plato magnético) tenía, y tiene aún, un papel de primordial importancia en el sistema de encendido y de iluminación. Las tentativas de transformar en corriente continua la corriente alterna producida por el alternador mediante rectificadores de óxido de cobre, y más tarde de selenio, fracasaron por la escasa fiabilidad de los mismos, aunque los técnicos estuviesen convencidos de las cualidades y ventajas del alternador.
En los años sesenta se produjo un notable aumento de los dispositivos auxiliares con funcionamiento eléctrico y, en consecuencia, un incremento de la potencia requerida. Téngase en cuenta la gran difusión de los dobles faros para la iluminación, el aumento de la potencia de los motores limpiaparabrisas (a causa de la mayor cadencia y del aumento de la superficie y la curvatura del parabrisas), la introducción de la luneta térmica, el ventilador de varias velocidades para la climatización del vehículo, las instalaciones de radio y radiocassettes, y los alzacristales eléctricos.

Con la adición de todos estos nuevos consumos, la potencia de la dinamo tuvo que aumentarse gradualmente hasta alcanzar valores de 400 W. Potencias similares para una dinamo de 12 V representan el máximo, puesto que la utilización de colectores de láminas está limitada por las altas corrientes que intervienen; también el peso de la dinamo representa otro problema, pues aumenta con la potencia de carga, llegando a tener unas dimensiones que dificultan su ubicación. Por otra parte, el tráfico en ciudad obliga muchas veces a permanecer parados con el motor al ralentí. En estas condiciones la dinamo no genera corriente de carga; de hecho, la corriente de carga se inicia, aproximadamente, a unas 1.500 rpm, que corresponden a unas 1.000 rpm del motor; así pues, dado que el motor al ralentí funciona a 500-700 rpm, se deduce que la dinamo no consigue compensar los consumos producidos por el vehículo y, por tanto, debe consumirse corriente que proviene de la batería.
La solución del problema podría ser una batería de mayor capacidad, pero aunque muchos constructores la hayan introducido, aun a costa del incremento del peso y del coste, no ha logrado resolver el problema. También podría aumentarse la velocidad de rotación de la dinamo, pero se originarían inconvenientes a regímenes más elevados de rotación, tanto por las fuerzas centrífugas elevadas como por las mayores corrientes de ruptura en el colector y consumo de las escobillas.


1960: vía libre al alternador
La respuesta a todos estos problemas se produjo al mismo tiempo que la mejora de las técnicas de producción de los diodos semiconductores. Éstos, usados en el alternador como rectificadores, han permitido pasar de los primeros rectificadores de óxido de cobre a los de selenio, a los de germanio y, finalmente, a los de silicio, de pequeñas dimensiones, elevado rendimiento, gran duración y fiabilidad y de costo relativamente reducido. Esto ha permitido poner a punto alternadores compactos, de gran potencia y poco peso, apropiados a las exigencias automovilísticas.
La primera firma automovilística que montó en serie el alternador, en vez de la dinamo, fue la Chrysler norteamericana; esto sucedió en el otoño de 1960, con la presentación de los modelos para 1961 y de su primer automóvil compacto, el Valiant. El ejemplo fue seguido en Europa por algunas fábricas de aparatos eléctricos, como la Ducati y la Bosch; en 1963, la Fiat presentó en el Salón de Ginebra su modelo 2300 Lujo equipado con un alternador de 420 W, construido por ella, y la Mercedes, por su parte, presentó en el Salón de Frankfurt del mismo año el modelo 600 con alternador Bosch.
No obstante, antes de lograr una aplicación definitiva en otros automóviles de mayor difusión, tuvieron que pasar varios años más; durante este período, el alternador tuvo algún éxito como accesorio. El montaje sobre automóviles que participaban en carreras de duración y, sobre todo, en rallies, contribuyó a difundir su conocimiento.
Podemos describir el principio de funcionamiento del alternador tomando en consideración un imán o electroimán que gira en el interior de una bobina de alambre de cobre. El imán, en su forma más sencilla sólo tiene dos polos magnéticos. La rotación del imán produce una variación del campo magnético inherente a la bobina y se origina en ella una fuerza electromotriz alternativa, es decir, que cambia de sentido cada medio giro. Si el circuito está cerrado, se produce una corriente alterna que alimenta los dispositivos utilizadores eventuales conectados al circuito.
Este generador elemental, con una sola bobina y con dos únicos terminales a través de los cuales se envía corriente al circuito de utilización, se denomina monofásico. En la práctica, es más conveniente disponer de alternadores trifásicos con una espira o bobina por fase, desfasadas entre sí 60°.
Puesto que la corriente alterna no puede ser utilizada para cargar la batería, es necesario que sea rectificada. Todos los alternadores modernos llevan elementos semiconductores que funcionan como válvulas unidireccionales, es decir, que dejan pasar la corriente en un solo sentido.
Tal como puede verse en la pág. 167 conectando un diodo rectificador al circuito de utilización, se obtiene una corriente pulsante; colocando cuatro diodos en puente, se obtiene la rectificación de la corriente monofásica, y del mismo modo, con un puente de seis diodos, se obtiene la rectificación de la corriente alterna trifásica.
Constitución
Los alternadores se componen de una parte fija llamada estator, constituida por un paquete de láminas en forma de anillo (las láminas se obtienen por troquelado) en cuyas ranuras axiles se alojan las bobinas, constituyendo el bobinado fijo o inducido. Cuando el alternador es trifásico, las bobinas, idénticas entre sí, están distribuidas de una manera uniforme en el interior del estator y conectadas adecuadamente entre sí; los extremos de las bobinas se conectan con el puente de los seis diodos rectificadores.
La parte móvil, llamada rotor, está constituida (cuando el alternador es con inductor rotativo) por un paquete de láminas con expansiones polares, sobre cada una de las cuales está enrollada una parte del bobinado del inductor (llamado en este caso inductor de polos salientes), o por un inductor con circuito de Lundell. En este último caso, el más difundido, el bobinado inductor está formado por una sola bobina anular entre dos discos con salientes que constituyen los polos.
Tanto el bobinado como los discos son solidarios con el árbol del rotor, sobre el que se encuentran también los anillos colectores para la alimentación del circuito magnético, a los cuales van soldados los extremos del bobinado inductor. Dos escobillas que se deslizan sobre los anillos están conectadas al circuito de la batería para aportar la corriente de excitación, que generalmente es de pocos amperios. Contrariamente a la dinamo, los colectores del alternador no son de láminas, sino de anillos continuos que evitan la ruptura de corriente.
La tensión, y por tanto la corriente suministrada por el alternador, dependen de tres factores: el número de espiras de las bobinas del estator, la intensidad del campo magnético y la velocidad a la que gira el campo magnético. De aquí deriva la necesidad de un regulador de la corriente suministrada por el alternador de manera que se eviten inconvenientes en los circuitos de utilización o en el de recarga de la batería. Sin embargo, puesto que el alternador al aumentar la velocidad suministra tensión a frecuencia cada vez más creciente y, por tanto, autolimita la corriente producida (aumento de la impedancia del circuito), se regula sólo la tensión. La regulación, cuando el alternador sea de inductor giratorio, puede efectuarse por medio de reguladores con contactos vibratorios de tipo clásico.
El desarrollo de los semiconductores ha permitido también en este caso estudiar un sistema de regulación por transistores que eliminan el peligro de averías, de desgaste o de desreglaje, bastante frecuentes en el sistema clásico. En los alternadores descritos hasta ahora se montaban aún escobillas y colectores que, aunque la corriente que los atravesaba era muy pequeña, pues sólo servía para la excitación, estaban sujetos igualmente a desgaste y oxidación. Para eliminar también este defecto se construyeron alternadores con inductor de imanes permanentes en los que, lógicamente, no era posible la regulación de la tensión con la simple variación de la corriente de excitación. Esta desventaja fue superada efectuando la regulación en la salida de las fases por medio de tres inductancias colocadas en serie antes del puente de los diodos rectificadores y con un regulador electrónico especial. Las ventajas de este tipo de alternador son: reducción de las dimensiones y del peso a igualdad de potencia, un rendimiento más elevado y una constancia absoluta de los rendimientos al variar la temperatura. Un alternador de 500 W, de 12 V, pesa 3 kg, incluido el regulador.
Ventajas del alternador
De cuanto se ha dicho hasta ahora es fácil deducir cuáles son las ventajas que aporta el alternador en comparación con la dinamo. En el alternador únicamente la corriente de excitación (cuando no se monten inductores de imán permanente) es aportada por las escobillas a los anillos del colector. Esta corriente es de pocos amperios y es conducida por anillos continuos, sin que se produzcan variaciones de corriente o interrupciones mecánicas bajo las escobillas; por tanto, pueden alcanzarse velocidades de rotación más elevadas sin peligro de que se produzcan chispas. Además, el desgaste es mucho menor que en los colectores discontinuos de delgas de la dinamo.
Otro factor que limita la velocidad de rotación de la dinamo es que los bobinados en los que se genera la corriente están distribuidos sobre el rotor y conectados al colector por medio de una soldadura de estaño; el aumentar la velocidad de rotación significa, además de aumentar la corriente de carga producida, elevar la temperatura de funcionamiento, la cual, rebasado cierto límite, no puede ser soportada por la soldadura.
En los alternadores, los bobinados están en el estator y, por tanto, en contacto con una masa metálica de mayor volumen que es posible ventilar adecuadamente. La velocidad máxima del alternador es limitada únicamente por causas mecánicas correspondientes a las fuerzas centrífugas en el rotor y en los cojinetes. En la práctica, el alternador puede utilizar un campo de velocidades más amplio, suministrando mayor potencia incluso a regímenes del motor muy bajos.
Además, el alternador, a igualdad de potencia, tiene menores dimensiones y requiere menor entretenimiento; sus dimensiones pueden reducirse a medida que aumenta la velocidad máxima de servicio. El grupo de regulación no necesita limitador de corriente o interruptor de corriente mínima, puesto que la corriente inversa que fluye desde la batería hacia el alternador, cuando el motor está parado, viene limitada por los diodos rectificadores.
Por último, cabe señalar otra característica importante del alternador; la producción de corriente de carga cuando el motor gira al ralentí. De hecho, la alimentación del circuito de excitación (bobina del rotor) es suministrada por la batería: al ponerse en marcha el vehículo, la excitación alcanza su valor máximo y el alternador comienza a producir corriente de carga; al contrario que la dinamo, que debe autoexcitarse y no produce corriente de carga hasta que la tensión generada no supera la tensión de la batería.
Entretenimiento
Respecto al entretenimiento, el alternador no tiene los problemas de la dinamo: las escobillas no necesitan ser cambiadas frecuentemente, pues no se deslizan sobre delgas; las ranuras del colector no deben ser torneadas ni pulidas, y los cojinetes de tipo lubricado «for life» no precisan engrase. Las averías de los bobinados casi no se conocen y, además, los apoyos del alternador no están sujetos a roturas y aflojamientos, más probables a causa de su peso en las dinamos.
Por otra parte, el alternador está dotado de un grupo de regulación por transistores que tiene una duración ilimitada, si se respetan algunas reglas precisas. Las normas que deben observarse son:
- no desconectar la batería mientras el motor esté funcionando;
- no cargar la batería sin haber desconectado antes los terminales (los dos);
- no desconectar los terminales del alternador mientras está en rotación;
- no provocar cortos circuitos entre los polos de la batería o en la instalación eléctrica mien
tras el alternador produce corriente de carga;
- no invertir la polaridad de la batería;
- no variar la resistencia o la sección de los cables que conectan el alternador a la instalación eléctrica.
En estos casos se varía el equilibrio establecido entre los diferentes diodos y transistores para regular la corriente de alimentación de la batería.

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