En este experimento práctico de electrónica de CA, utilizarás un alternador automotriz para generar voltaje de CA trifásico y aprenderás cómo los alternadores pueden funcionar como generadores y motores.
Descripción general del proyecto
Con un poco de cableado, los alternadores automotrices se pueden convertir en generadores de CA trifásicos, como se ilustra en la Figura
Figura Utilizando un alternador automotriz como generador.
Si obtienes dos alternadores, puedes utilizar uno como generador y el otro como motor, como se describe en una parte opcional de este proyecto. Los pasos necesarios para preparar un alternador como generador trifásico y como motor trifásico son los mismos, lo que facilita la replicación del proceso.
Partes y materiales
- Alternador automotriz (se requiere uno, pero se recomiendan dos)
- Cable de calibre grueso (al menos 20 AWG)
Los alternadores viejos se pueden obtener a bajo precio en los desguaces de automóviles. Muchos desguaces tienen alternadores ya retirados del automóvil para tu comodidad. No recomiendo pagar el precio completo por un alternador nuevo, ya que las unidades usadas cuestan mucho menos dinero y funcionan igual de bien para los propósitos de este experimento.
Además, recomiendo encarecidamente utilizar un alternador de la marca Delco-Remy. Este es el tipo utilizado en los vehículos General Motors (GMC, Chevrolet, Cadillac, Buick, Oldsmobile). Un modelo en particular ha sido producido por Delco-Remy desde principios de la década de 1960 con pocos cambios de diseño. También es una unidad bastante común de encontrar en un desguace y fácil de trabajar.
Objetivos de aprendizaje
- Determinar los efectos del electromagnetismo
- Determinar los efectos de la inducción electromagnética
- Ilustrar la construcción de máquinas electromagnéticas reales
- Ilustrar la construcción y aplicación de devanados trifásicos
Teoría de funcionamiento del alternador
Un alternador automotriz es un generador trifásico con un circuito rectificador integrado que consta de seis diodos, como se muestra en la Figura
Figura Diagrama esquemático del alternador automotriz
A medida que la polea (la mayoría de la gente la llama polea) gira por una correa conectada al cigüeñal del motor del automóvil, un imán gira pasado un conjunto estacionario de devanados trifásicos (llamado estator), generalmente conectados en configuración Y.
El imán giratorio es en realidad un electroimán, no un imán permanente. Los alternadores están diseñados de esta manera para que la fuerza del campo magnético se pueda controlar, de modo que el voltaje de salida se pueda controlar independientemente de la velocidad del rotor.
Esta bobina del imán del rotor (llamada bobina de campo, o simplemente campo) está energizada por la energía de la batería, por lo que se necesita una pequeña cantidad de potencia eléctrica de entrada al alternador para que genere mucha potencia de salida. La potencia eléctrica se conduce a la bobina de campo rotatoria a través de un par de anillos colectores de cobre montados concéntricamente en el eje, contactados por escobillas de carbón estacionarias. Las escobillas se mantienen en contacto firme con los anillos colectores mediante la presión del resorte.
Muchos alternadores modernos están equipados con circuitos reguladores integrados que conmutan automáticamente la alimentación de la batería hacia y desde la bobina del rotor para regular el voltaje de salida. Este circuito, si está presente en el alternador que elija para el experimento, es innecesario y solo dificultará su estudio si se deja en su lugar. Siéntase libre de eliminarlo, solo asegúrese de dejar acceso a los terminales de las escobillas para que pueda alimentar la bobina de campo con el alternador completamente ensamblado.
Instrucciones
Paso 1:
Primero, consulte un manual de reparación automotriz sobre los detalles específicos de su alternador. La documentación proporcionada en el libro que está leyendo ahora es lo más general posible para acomodar diferentes marcas de alternadores. Es posible que necesite información más específica, y un manual de servicio es el mejor lugar para obtenerla.
Paso 2:
Para este experimento, conectará cables a las bobinas dentro del alternador y los extenderá fuera de la carcasa del alternador para facilitar la conexión a los equipos de prueba y los circuitos. Desafortunadamente, los terminales de conexión proporcionados por el fabricante no se adaptarán a nuestras necesidades aquí, por lo que debe hacer sus propias conexiones.
Desarme la unidad y localice los terminales para conectarse a las dos escobillas de carbón (Figura 3).
Figura Conexión de cables a las escobillas y devanados del estator
Soldar un par de cables a estos terminales (al menos 20 AWG de tamaño) y extender estos cables a través de los orificios de ventilación en la carcasa del alternador, asegurándose de que no se enganchen en el rotor giratorio cuando el alternador se vuelva a ensamblar y utilizar.
Paso 3:
Localice las conexiones de línea trifásica que provienen de los devanados del estator y conecte los cables a ellos también, extendiendo estos cables fuera de la carcasa del alternador a través de algunos orificios de ventilación (Figura 3). Use el cable de mayor calibre que sea conveniente para trabajar con estos cables, ya que pueden transportar una corriente sustancial.
Al igual que con los cables de campo, enrutélos de tal manera que el rotor gire libremente con el alternador vuelto a ensamblar. Los terminales de línea del devanado del estator son fáciles de localizar. Los tres se conectan a tres terminales en el ensamblaje del diodo, generalmente con terminales de anillo soldados a los extremos de los cables.
Paso 4:
Recomiendo que suelde terminales de anillo a sus cables y los coloque debajo de las tuercas del terminal junto con los extremos del cable del estator para que cada terminal del bloque del diodo esté asegurando dos terminales de anillo.
Paso 5:
Vuelva a ensamblar el alternador, teniendo cuidado de asegurar las escobillas de carbón en una posición retraída para que el rotor no las dañe al volver a insertarlas. En los alternadores Delco-Remy, se proporciona un pequeño orificio en la mitad de la carcasa trasera y también en la parte delantera del ensamblaje del portaescobillas, a través del cual se puede insertar un clip de papel o un cable delgado para mantener las escobillas presionadas contra la presión de su resorte. Consulte el manual de servicio para obtener más detalles sobre el montaje del alternador.
Paso 6:
Cuando el alternador se haya ensamblado, intente hacer girar el eje y escuche si hay algún sonido que indique que las piezas chocan o que los cables están enganchados. Si hay algún problema, desmóntelo nuevamente y corrija lo que esté mal.
Paso 7:
Si y cuando gire libremente como debería, conecte los dos cables de campo a una batería de 6 V, como se muestra en la Figura
Figura Conexión de una batería y un voltímetro al alternador.
Paso 8:
Conecte un voltímetro a cualquiera de las dos conexiones de línea trifásica (Figura 4). Con el multímetro configurado en la función de voltios CC, gire lentamente el eje del alternador. La lectura del voltímetro debe alternar entre positivo y negativo a medida que se gira el eje: una demostración de voltaje alterno muy lento (voltaje de CA) que se está generando.
Paso 9:
Si el paso 8 es exitoso, cambie el multímetro a la configuración de voltios de CA e intente nuevamente. Intente hacer girar el eje lentamente y luego más rápido, comparando las lecturas del voltímetro entre las dos condiciones.
Paso 10:
Cortocircuite cualquiera de los dos cables de línea trifásica e intente hacer girar el alternador. Lo que debe notar es que el eje del alternador se vuelve más difícil de girar. La carga eléctrica pesada que ha creado a través del cortocircuito causa una carga mecánica pesada en el alternador, ya que la energía mecánica se convierte en energía eléctrica.
Paso 11:
Ahora, intente conectar 12 V CC a los cables de campo. Repita las pruebas de voltímetro CC, voltímetro CA y cortocircuito descritas anteriormente. ¿Qué diferencia(s) nota?
Paso 12:
Encuentre algún tipo de carga de 6 o 12 V insensible a la polaridad, como pequeñas lámparas incandescentes, y conéctelas a los cables de línea trifásica. Envuelva una cuerda delgada o una cuerda gruesa alrededor de la ranura de la polea (polea) y haga girar el alternador rápidamente, y las cargas deberían funcionar.
Conexión de un segundo alternador como motor (opcional)
Paso 13:
Si tiene un segundo alternador, modifíquelo como modificó el primero, conectando cinco de sus propios cables a las escobillas de campo y los terminales de línea del estator, respectivamente. Luego, puede usarlo como un motor trifásico alimentado por el primer alternador, como se muestra en la Figura
Figura Accionamiento de un motor (hecho de un alternador) con un generador (hecho de un alternador).
Conecte cada uno de los cables de línea trifásica del primer alternador a los cables respectivos del segundo alternador.
Paso 14:
Conecte los cables de campo de un alternador a una batería de 6 V (Figura 5). Este alternador será el generador.
Paso 15:
Envuelva la cuerda alrededor de la polea en preparación para hacerla girar. Tome los dos cables de campo del segundo alternador y cortocircuítelos (Figura 5). Este alternador será el motor.
Paso 16:
Haga girar el eje del generador mientras observa la rotación del eje del motor.
Paso 17:
Intente invertir cualquiera de las dos conexiones de línea trifásica entre las dos unidades y haga girar el generador nuevamente. ¿Qué es diferente esta vez?
Paso 18:
Conecte los cables de campo de la unidad del motor a la batería de 6 V. Puede conectar en paralelo este campo con el campo de la unidad del generador a través de los mismos terminales de la batería, si la batería es lo suficientemente fuerte como para entregar varios amperios de corriente, ambas bobinas se dibujarán juntas. Esto magnetizará el rotor del motor. Intente hacer girar el generador nuevamente y observe cualquier diferencia en el funcionamiento.
En la primera configuración del motor, donde los cables de campo simplemente estaban en cortocircuito, el motor funcionaba como un motor de inducción. En la segunda configuración, donde el rotor del motor estaba magnetizado, funcionó como un motor síncrono.
Lleve su alternador modificado al siguiente nivel
Si se siente particularmente ambicioso y tiene habilidades en técnicas de fabricación de metales, puede crear su propia plataforma generadora de alta potencia conectando el alternador modificado a una bicicleta, como se ilustra en la Figura
Figura Diseño de un generador de alta potencia utilizando una bicicleta modificada.
He construido una disposición como esta, como se muestra en la Figura
Figura Ejemplo de un generador de alta potencia utilizando una bicicleta modificada.
La rueda trasera impulsa la polea del generador con una correa en V larga. Esta correa también soporta la parte trasera de la bicicleta, manteniendo una tensión constante cuando un ciclista está pedaleando la bicicleta.
El generador cuelga de una estructura de soporte de acero (utilicé tubos cuadrados de 2 pulgadas soldados, pero se puede hacer un marco con madera). Esta máquina no solo es práctica, sino que es lo suficientemente confiable como para usarse como una máquina de ejercicio, y es económica de fabricar.
En la Figura 7, puede ver un banco de tres bombillas de 12 V para vehículos recreativos en el piso detrás de la unidad de la bicicleta (en la esquina inferior izquierda de la fotografía). Estas bombillas funcionan como una carga cuando se monta en la bicicleta como una máquina de ejercicio. Se instala un conjunto de tres interruptores en la parte delantera de la bicicleta, donde puedo encender y apagar las cargas mientras conduzco.
Al rectificar la potencia de CA trifásica producida, es posible que el alternador alimente su propia bobina de campo con voltaje de CC, eliminando la necesidad de una batería. Sin embargo, todavía será necesaria alguna fuente independiente de voltaje de CC para el arranque, ya que la bobina de campo debe estar energizada antes de que se pueda producir cualquier potencia de CA.
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Obtenga más información sobre los fundamentos detrás de este proyecto en los recursos a continuación.
- Libro de texto
- Hojas de trabajo:
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