Circuito de carga y arranque.

Como sabes los vehículos necesitan un suministro de corriente eléctrica para su funcionamiento, este suministro en el momento del arranque nos lo proporciona la batería, que se va agotando con los sucesivos arranques, por lo tanto es necesaria su regeneración. Esta recarga de la batería la realizamos mediante un circuito, el llamado circuito de carga.

El circuito de carga inicialmente estaba formado por la dinamo y el regulador, como elemento generador de corriente, pero con el incremento de la demanda de corriente se ha sustituido por el alternador.

El alternador tiene una serie de ventajas frente a la antigua dinamo, que propiciaron su cambio, alguna de estas ventajas fueron:

• La relación peso-potencia.
• Menor número de revoluciones para una misma tensión de salida.
• El alternador puede girar en ambos sentidos, frente a la dinamo que lo hacía en uno sólo.

Habrás observado alguna vez un alternador o incluso lo habrás desmontado pero sabes cómo se llaman sus componentes, en este apartado aprenderás el nombre de cada uno de ellos.

Para la descripción y el estudio utilizaremos un alternador de polos intercalados, que está formado por los siguientes elementos:

• Conjunto inductor formado por el rotor.
• Conjunto inducido formado por el estator.
• Un puente rectificador.
• Un conjunto regulador-escobillas.
• Ventilador.
• Una polea de transmisión.
• Dos tapas soporte.

Como veras a continuación el conjunto inductor o rotor es el elemento móvil del alternador y el encargado de crear el campo magnético necesario para generar la fuerza electromotriz inducida en las bobinas del estator.

Este elemento está formado por un eje de acero, en este eje montamos un casquillo de material aislante y sobre él enrollamos un hilo de cobre, formando una bobina, llamada devanado de excitación o bobinas inductoras. Cada uno de los extremos de la bobina lo unimos a un anillo de cobre, estos a su vez, se encuentra ensamblados en un casquillo de material aislante termoestable, también montado sobre el eje. Las bobinas están colocadas en el interior de las dos masas polares, las masas polares son de acero forjado, tienen forma de corona circular almenada, una masa polar crea el polo norte y la otra el polo sur. Las masas polares pueden tener 4 ó 6 salientes con lo que se obtienen un campo magnético, formado por seis u ocho polos.

Las almenas de las dos masas polares se intercalan para crear un campo magnético variable, el necesario para que se induzca la fuerza electromotriz.

El eje en uno de los extremos tiene mecanizada una rosca en la que montaremos la polea de transmisión.

Como vimos anteriormente para generar corriente es necesario un campo magnético y un conductor o grupo de conductores. El conjunto inducido o estator es el elemento formado por los conductores en los que se induce la fuerza electromotriz.

Este elemento está formado por un grupo de láminas de acero suave en forma de corona circular, la parte interior esta troquelada formando almenas, estas láminas cuenta con una de las caras barnizadas para minimizar las corrientes parasitarias o de Foucault.

En las ranuras interiores de las láminas colocamos las bobinas que formaran el devanado estatórico.

Los alternadores empleados en los vehículos automóviles son generalmente trifásicos, por tanto, su devanado está dividido en tres bobinas o fases con igual número de espiras repartidas en el interior del estator y colocadas en las ranuras.

Las tres bobinas están unidas entre sí y según el tipo de unión pueden formar un devanado en estrella o en triángulo.

• Devanado en estrella.

  En este tipo las bobinas están unidas entre sí por un extremo, quedando el otro extremo libre.

• Devanado en triángulo.

  En un alternador con sus bobinas conectadas en triángulo el final de una bobina se une con el principio de la otra y así sucesivamente hasta conectar todos los extremos.

Al estudiar la batería vimos que esta se carga con corriente continua, de ahí la necesidad del puente rectificador.

La corriente inducida en el estator es una corriente alterna que para poder almacenarla en la batería y poder ser utilizada por los componentes del circuito eléctrico del automóvil es necesario transformarla en continua.

La transformación de corriente alterna en continua lo realiza el puente rectificador de diodos.

El puente rectificador utilizado en un alternador realiza la rectificación de onda completa, para ello colocamos un diodo positivo y otro negativo en los extremos de cada fase por tanto los puentes de los alternadores trifásicos montan como mínimo seis diodos, tres positivos y tres negativos.

Como ya hemos estudiado, la tensión generada mediante campos magnéticos dependía de la velocidad de variación de este campo y en nuestro caso esta variación depende de la velocidad del vehículo o revoluciones del motor; es obvio pensar entonces que a mayor velocidad, mayor es la tensión generada por el alternador.

En el vehículo la tensión de alimentación de la mayoría de los componentes es de 12 voltios y para que estos funcionen correctamente es necesario que además sea constante, por lo tanto, la tensión de salida del alternador tiene que ser estable y dentro de unos valores. Para poder estabilizar esta corriente utilizamos el regulador, que es el encargado de estabilizar la corriente de salida, actuando sobre la corriente de excitación que más adelante estudiaremos.

Generalmente en el conjunto regulador montamos las escobillas, ya que estas son las encargadas de introducir la corriente de excitación en rotor a través de los anillos rozantes. Las escobillas se fabrican de grafito y de pequeña sección, debido a que la corriente de excitación es pequeña, del orden de 2 amperios.

Como te puedes imaginar el alternador tiene una parte mecánica necesaria para su funcionamiento, pero no participan directamente en la generación de la corriente, estos elementos son el ventilador, la polea y las tapas soporte.

• Ventilador.

  Como sabes la corriente eléctrica al paso por un conductor produce calor y por lo tanto, un aumento de temperatura que es necesario eliminar. Este calor lo disipamos mediante una corriente de aire provocada por un ventilador que incorpora el alternador, este ventilador puede ir montado, en el exterior o en el interior y movido por el eje.

  
• Polea.

  La polea es el elemento encargado de recibir el movimiento procedente del cigüeñal a través de la correa de accesorios. La polea se encuentra montada en el extremo del eje sujeta al mismo mediante una tuerca y la rosca realizada en el eje.

  La polea utilizada es una polea multicanal; debido al peso del rotor algunos fabricantes montan en la polea un mecanismo de rueda libre para proteger el mecanismo.

  
• Tapas soporte.

  Las tapas están fabricadas en fundición de aluminio, colocamos una tapa a cada uno de los lados del estator para cerrar el mecanismo; estas tapas servirán a su vez como soporte de sujeción del alternador al motor.

  En la tapa opuesta a la polea de transmisión acoplamos el puente rectificador y el regulador junto con el porta escobillas.

Como sabes la corriente generada en las bobinas del estator es alterna y pulsatoria, ya que la corriente cambia de polaridad, tomando valores positivos y negativos y alcanzando valores máximos y mínimos. Esta corriente tiene que ser rectificada y transformarla en continua para poder utilizarla por el equipo eléctrico del vehículo y poder almacenarla en la batería.

Para realizar la rectificación utilizamos un puente rectificador de diodos, formado como mínimo por seis diodos, dos por cada una de las fases.

Para comprender más fácilmente el funcionamiento de un puente rectificador, comenzaremos explicando cómo se rectifica la corriente en una sola bobina como si se tratase de un alternador monofásico.

El campo magnético lo formara un imán de forma rectangular que pivotará en un eje central, al lado colocaremos una bobina, en cuyos extremos colocamos cuatro diodos llamados positivos y negativos, para una rectificación de doble onda u onda completa, como se aprecia en la figura.

• Cuando al devanado le afecta el campo magnético norte, la corriente en la bobina seguirá el sentido horario, llegando a los dos diodos. Pa corriente en este punto se encuentra con un diodo en polarización inversa y otro en directa, por lo tanto, el único camino posible es a través del ánodo del diodo número uno colocado en polarización directa y saldrá por el cátodo, pasando a alimentar los circuitos eléctricos y cerrando el circuito por el diodo cuatro.
  
• En la siguiente media vuelta el campo magnético que influye en la bobina es el polo sur, en esta situación la corriente se dirige en sentido anti-horario, contrario a la situación anterior. La corriente llega a la pareja de diodos tres y cuatro, colocados como en el caso anterior, en esta situación el flujo de electrones se encuentra un único camino a seguir, a través del ánodo del diodo número tres, pasando de ahí hacia los circuitos consumidores y cerrando el circuito por el diodo número dos.
  

La corriente obtenida será una corriente monofásica, que no será totalmente lisa sino ondulada como se aprecia en el dibujo.

En este apartado seguimos con el estudio del puente, es importante que te guíes de las imágenes para comprender mejor el texto.

Un alternador trifásico está formado por tres devanados o fases y por seis diodos, dos por cada una de las fases, tres diodos permiten el paso de las semiondas positivas y los otros tres las negativas. Con el puente rectificador de seis diodos conseguimos la rectificación de la onda completa.

Para la explicación utilizaremos un alternador con los devanados conexionados en estrella y seis diodos montados en el puente rectificador.

El rotor está formado por dos masas polares con seis saliente, tenemos pues un rotor dodecapolar con lo que conseguimos un ciclo completo cada 60º.

La corriente generada sería una corriente alterna trifásica formada por tres corrientes monofásicas desfasadas 120º eléctricos.

La gráfica de estas tres corrientes sin rectificar será la siguiente:

La corriente una vez rectificada sería la esta:

En esta gráfica se puede ver que la corriente de salida no es totalmente lisa, sino que se aprecia una pequeña ondulación o rizado, estas oscilación es reducida por la batería conectada en paralelo con el alternador.

El proceso de rectificación para un ángulo de cero grados del rotor se realiza de la siguiente manera:

• En un devanado en estrella, cada uno de los extremos libres de las fases lo unimos a una pareja de diodos colocados en sentido opuesto.
• Suponemos colocado el rotor para un ángulo de 0º, de tal manera que en el devanado U, la corriente es cero y comienza a fluir en ese instante, esto quiere decir, que está entrando bajo la influencia de un campo magnético.
• El devanado W está saliendo del campo magnético, por lo tanto, la tensión generada en esta bobina tiene un valor decreciente entre máximo y cero.

Como has podido comprobar en el apartado anterior no hemos terminado de estudiar el puente. A continuación seguimos con su estudio, pero no olvides guiarte de las ilustraciones del apartado.

• El devanado V se encuentra en la misma posición respecto al campo magnético pero de signo contrario que el devanado W, por lo tanto la tensión tiene un valor creciente entre cero y máximo. La corriente generada en esta bobina se dirige del extremo hacia el centro de la estrella.
• La corriente procedente del devanado W saldrá por el ánodo del diodo 3, ya que el cátodo del diodo 4 bloquea el paso de corriente en ese sentido, dirigiéndose hacia el borne B+ (borne de salida de corriente del alternador) y de nuevo hacia los diodos de potencia negativos, cerrando el circuito por el diodo 2 y el devanado V.

Para comprender mejor el proceso vamos a seguir el camino de la corriente para un ángulo de giro del rotor de 15º, como podemos apreciar en la gráfica (tensión-ángulo de giro) en esta posición el devanado U está generando la máxima tensión. El devanado V y W se encuentra en un punto intermedio pero de signo contrario.

• En el devanado U la corriente sale por el extremo y se dirige a la pareja de diodos 5 y 6, saliendo por el ánodo del diodo 5 hacia el borne B+ y de ahí hacia la batería y circuitos del vehículo, cerrando el circuito a masa por los diodos de potencia negativos 2 y 4 pertenecientes a los devanados V y W.

¿Sabes que hay puentes de diodos distintos a los estudiados hasta ahora? ¿Qué ventajas tiene?

En algunos modelos el puente rectificador de diodos monta diferentes configuraciones para aumentar el rendimiento.

• Diodos de potencia conectados en paralelo.

  Como sabes los diodos rectificadores están formados por semiconductores. Estos elementos semiconductores no pueden soportar grandes intensidades de corriente sin deteriorarse, por este motivo en el puente rectificador de algunos alternadores de gran potencia suelen montarse varios diodos positivos y negativos en paralelo para cada una de las fases. De esta manera la corriente de salida del alternador se divide entre los diodos, soportando cada uno menor intensidad.

  
• Diodos de potencia conectados en el punto neutro.

  Cómo vimos anteriormente un alternador conectado en estrella cuenta con uno de los extremos de cada devanado unidos entre sí, formando el centro de la estrella. En este punto, teóricamente, la suma de las tres corrientes o tensiones es cero.

  Pero debido a las pequeñas variaciones geométricas en las garras del reparto de los conductores en el estator, puede ocurrir que en el centro de la estrella exista un potencial. Este potencial cambia de positivo a negativo y es rectificado por dos diodos adicionales, de esta manera se aprovecha una energía que de no ser así se desperdiciaría. Esta corriente a partir de una velocidad de rotación de unas 2000 rpm (revoluciones por minuto), puede utilizarse para incrementar la potencia del alternador un 15%.

  

¿Sabes que el alternador es el elemento encargado de generar la corriente consumida en el vehículo y forma parte del circuito de carga?

Esta corriente, una parte la almacenamos en la batería y otra se consume directamente mediante los diferentes equipos eléctricos del vehículo.

Recuerda que el funcionamiento del alternador está basado en el principio de inducción electromagnética.

La corriente generada por el alternador es una corriente trifásica, formada por tres corrientes monofásicas desfasadas 120º.

El alternador para su funcionamiento necesita que el rotor gire, este movimiento lo recibe del motor térmico por medio de la correa de transmisión. La correa de transmisión realiza la unión entre la polea del alternador y la polea del cigüeñal.

¿Es necesario que el campo magnético sea variable para la generación de fuerza electromotriz?

El campo magnético inductor lo crea la bobina del rotor al ser alimentada por una corriente continua a través de las escobillas y de los anillos rozantes. A esta corriente de alimentación de la bobina inductora, la llamamos corriente de excitación, que en el momento inicial de generación de corriente la recibe de la batería a través de llave de contacto y la lámpara testigo del salpicadero, siendo esta la llamada corriente de preexcitación. Una vez puesto en marcha el motor del vehículo una parte de la corriente generada la utilizamos para alimentar las bobinas inductoras, esta corriente la llamamos corriente de excitación que será rectificada por los tres diodos de excitación que son de menor tamaño que los de potencia, por esto, el alternador es una máquina autoexcitada.

El campo magnético inductor creado por el rotor, en su giro, corta las bobinas colocadas en el estator, induciendo en ellas una fuerza electromotriz. Como sabes, para la generación de fuerza electromotriz es necesario que el campo magnético sea variable, esta variación se consigue con los polos intercalados de las masas polares del rotor.

La fuerza electromotriz así generada es una corriente alterna, esta corriente será proporcional al campo magnético y número de revoluciones del rotor. La fuerza electromotriz para su uso en el vehículo, deberá mantenerse dentro de unos límites entre 13,8 y 15,2 V para instalaciones de 12 V, por lo tanto es necesario que el alternado cuente con un elemento regulador que hará que la tensión se mantenga en estos límites, actuando sobre la corriente de excitación, aumentando o disminuyendo el campo magnético inductor.

Por otra parte la corriente alterna generada no es apta para utilizarla en el vehículo, ya que, no puede ser almacenada por la batería. Esta corriente es necesario rectificarla, por lo que el alternador cuenta con un equipo rectificador (puente rectificador de diodos).

El funcionamiento eléctrico lo dividiremos en tres etapas:

• Circuito de preexcitación.
  
• Circuito de excitación.
  
• Circuito principal.
  
• Circuito de carga.
  

Para estudiar con mayor facilidad el alternador lo dividiremos en varias etapas.

La corriente de preexcitación es una corriente externa al alternador, procedente de la batería y necesaria para alimentar a las bobinas inductoras. Esta corriente es necesaria porque el magnetismo residual de las masas polares no es suficiente para inducir en el estator una fuerza electromotriz, capaz de superar la caída de tensión que provoca un diodo rectificador de silicio de 0,7 V. Por fase, tenemos 2 diodos por lo tanto, la tensión mínima generada por las bobinas inductoras tiene que ser de 1,4 V. Cuando se supera esta caída de tensión la corriente atraviesa los diodos y pasa a alimentar a las bobinas inductoras para así crear el campo magnético, a partir de que el alternador genere una tensión superior a la de la batería, comienza la autoexcitación. Esta tensión se alcanza al aumentar la velocidad de giro del rotor.

El recorrido que sigue la corriente de preexcitación desde la batería hasta llegar al rotor es el siguiente:

• Si observas la figura, al accionar la llave de contacto (1) la corriente procedente de la batería alimenta la lámpara de control (2) de 3 vatios y situada en el cuadro de instrumentos, la corriente sigue por el conductor hasta las bobinas del rotor, que recibirá la masa a través del regulador (3). La corriente de preexcitación fluye desde la batería al alternador por diferencia de potencial haciendo lucir la lámpara, indicando que el alternador no está cargando. La lámpara testigo se apagará cuando la tensión generada por el alternador sea superior a la tensión nominal de la batería.
  

Como vimos anteriormente el alternador funciona siguiendo una serie de etapas, esta es la segunda etapa de funcionamiento.

El circuito de excitación tiene la misión de alimentar las bobinas inductoras colocadas en el rotor y crear así el campo magnético inductor.

Una vez que el alternador genera una tensión mayor a la de la batería, la lámpara de control se apaga y el regulador recibe corriente del inducido, rectificada por los diodos de excitación. A partir de este momento el alternador es autoexcitado.

El apagado de la lámpara de control se debe a que entre sus bornes no hay diferencia de potencial, por este motivo no circula corriente por la lámpara.

El recorrido que sigue la corriente de excitación es el siguiente:

• Si observas la figura, una parte de la corriente generada en los devanados del estator es rectificada por los tres diodos de excitación y sale del puente rectificador por el borne (D+) apagando la lámpara, además, alimenta al devanado inductor a través de las escobilla y los anillos rozantes, la corriente entra en el regulador por el borne DF y saliendo de nuevo por el borne D- del regulador, incorporado en el alternado, la corriente sigue su recorrido por los diodos de potencia negativos ( 2,4,6) y cerrando el recorrido por las bobinas del estator.
  

Sabemos que la corriente generada por el alternador es necesario rectificarla, a continuación analizaremos el camino que sigue la corriente en el puente de diodos.

Como venimos haciendo en la unidad, para entender mejor los contenidos nos seguiremos guiando de las imágenes del apartado.

La corriente trifásica inducida en los devanados del estator debe ser rectificada en el puente rectificador, formado por 6 diodos de potencia. Parte de esta corriente alimenta a la batería para su recarga y el resto de la corriente alimenta los demás elementos que componen el circuito eléctrico del vehículo.

Este es camino de la corriente principal para un ángulo de giro del rotor de 45º:

• La corriente sale por el extremo de los devanados (V y W) hacia el puente rectificador de aquí sale por los llamados diodos de potencia positivos (1,3), llegando al borne de salida de corriente del alternador B+.
• Una parte de la corriente va a cargar la batería y otra a los consumidores, cerrando el circuito por el diodo de potencia negativo (6) y el extremo del devanado (U).
  

  
• La corriente en todo momento está saliendo por los diodos de excitación. En función de la posición de los polos magnéticos la corriente saldrá por uno u otro diodo.
  

¿Sabes la función del circuito de carga?

Los vehículos cuentan con numerosos circuitos eléctricos, unos se encargan de realizar funciones como encender las luces de alumbrado, otros de el cierre centralizado de las puertas, etc. estos circuitos son manuales, actúan a voluntad del conductor, pero otros circuitos realizan su función sin intervención del conductor trabajan de forma automática, uno de estos circuitos es el de carga.

Este circuito lo forman un grupo de elementos encargados de mantener de una forma constante la energía eléctrica en el vehículo.

El circuito de carga de un automóvil está formado por los siguientes elementos:

• Batería.
• Llave de contacto.
• Lámpara testigo.
• Regulador.
• Alternador.

El circuito corresponderá con el siguiente esquema.

Como dijimos anteriormente la corriente generada por el alternador es una corriente alterna trifásica, esta corriente está formada por tres corrientes monofásicas desfasadas 120º.

Las tres bobinas del devanado inducido pueden estar unidas entre sí de dos formas, según los diferentes montajes obtendremos características eléctricas de tensión, intensidad y potencia diferentes, los dos montajes pueden ser:

• En estrella: uno de los extremos de cada una de las fases lo unimos entre sí llamado punto neutro y el otro extremo quedará libre. El extremo libre será el que unimos al puente rectificador.
  
• En triángulo: en la unión en triángulo los extremos de las fases los unimos entre sí, creando un circuito cerrado. De los puntos de unión entre las fases sale un conductor que uniremos al puente rectificador.
  

Según el tipo de unión las características eléctricas serán diferentes y utilizaremos uno u otro en función de la potencia requerida por el vehículo.

¿Cómo se calcula el valor de la fuerza electromotriz? Esta pregunte te la habrás hecho más de una vez desde que estudias electricidad, esta cuestión la resolveremos en los siguientes apartados.

Sabemos que cuando un conductor atraviesa un par de polos magnéticos se induce en él una fuerza electromotriz, el valor de esta fuerza electromotriz depende del flujo magnético Φ y de la velocidad con que movemos el conductor a través del campo magnético.

• e = fuerza electromotriz generada en un conductor.
• Φ = flujo magnético.
• T = tiempo.
• El signo menos expresa que, según la Ley de Lenz, la corriente inducida se opone a la variación de flujo que la genera.

Un alternador está formado por un número determinado de conductores pero no todos los conductores están bajo la influencia del campo magnético, sino que solamente unos cuantos que serán los llamados conductores activos por lo tanto, la fuerza electromotriz generada en cada instante depende del número de conductores activos.

La fuerza electromotriz máxima generada en un alternador está en función del número de conductores N, del número de polos 2p y del número de revoluciones por minuto. La calculamos con la siguiente ecuación.

• Para el cálculo de la fuerza electromotriz se ha supuesto que todos los conductores que forman el estator están conectados en serie, pasando de tres arrollamientos a uno sólo como si se tratara de un alternador monofásico, con lo cual la fuerza electromotriz obtenida corresponde a la de un alternador monofásico.
• En la que:
  • E_max. = fuerza electromotriz máxima generada en el alternador en voltios.
  • Φ = flujo magnético en maxwells.
  • n = número de revoluciones por minuto.
  • N = número de conductores totales.
  • 2p = número de polos.
  • 60 = para pasar los minutos a segundos.
  • 108 = para convertir los maxwell a weber y que la E nos dé en voltios, 1 weber = 108 maxwell.

¿La curiosidad no te hace preguntar cómo se hacen los cálculos eléctricos de un alternador?

Los alternadores trifásicos están formados por tres arrollamientos independientes y repartidos por el estator, estos arrollamientos son idénticos. La corriente total generada estará formada por tres corrientes monofásicas, del mismo valor y frecuencia. Esta corriente será una corriente trifásica formada por tres corrientes monofásicas desfasadas 120º.

El valor máximo por fase de esta corriente lo obtenemos con la siguiente ecuación:

• En la que:
  • Emax. = fuerza electromotriz máxima generada por fase en el alternador en voltios.
  • Φ = flujo magnético en maxwells.
  • n = número de revoluciones por minuto.
  • N = número de conductores totales.
  • 2p = número de polos.
  • 60 = para pasar de minutos a segundos.
  • 3 = número de fases.

Fuerza electromotriz media.

La fuerza electromotriz en los alternadores es una corriente pulsatoria y alterna que va tomando valores máximos y mínimos.

La fuerza electromotriz media es la media aritmética de cada uno de los valores instantáneos obtenidos en cada onda de la senoide.

El valor medio de la fuerza electromotriz (E_med) lo obtenemos con la siguiente ecuación:

• En la que:
  • E_med = fuerza electromotriz media.
  • E_max = fuerza electromotriz máxima.

En este apartado seguiremos con los cálculos eléctricos.

Fuerza electromotriz eficaz.

Es la fuerza electromotriz medida con un polímetro a la salida de los devanados del estator antes de ser rectificada por el puente rectificador de diodos.

El valor eficaz de la fuerza electromotriz (E_ef) lo obtenemos con las siguientes ecuaciónes:

• En la que:
  • E_ef = fuerza electromotriz eficaz.
  • E_max = fuerza electromotriz máxima.
  • E_med = fuerza electromotriz media.

Como hemos visto anteriormente un alternador trifásico está formado por tres devanados en su estator. La corriente generada estará compuesta por tres corrientes monofásicas desfasadas 120º.

Estos devanados pueden estar unidos en el estator en estrella o en triángulo, cuyas características eléctricas serán diferentes.

En un alternador trifásico podemos distinguir dos fuerzas electromotrices distintas:

• Fuerza electromotriz en fase.

  Esta fuerza electromotriz es la medida entre los extremos de una de las bobinas.

• Fuerza electromotriz en línea.

  La fuerza electromotriz en línea o tensión en línea, es la tensión medida en los bornes del alternador.

Además también tenemos una intensidad en línea y otra en fase. De igual manera tenemos una resistencia interna, formada por las resistencias de cada una de las fases.

• Alternador trifásico conexionado en estrella.
  

  En un alternador conexionado en estrella, las bobinas están unidas entre sí por un extremo, quedando el otro extremo libre. En este sistema de conexión, la tensión en línea o tensión en bornes será la suma de dos fuerzas electromotrices por fase conectadas en serie desfasadas 120º.

  El valor de la tensión en bornes o tensión en línea lo obtenemos con la siguiente ecuación:

• En la que:
  • E_L = tensión en bornes.
  • E_ef = tensión eficaz en fase.

Por tratarse de dos bobinas conectadas en serie la intensidad que las recorre es la misma para las dos. La intensidad en línea es igual a la intensidad en fase.

La resistencia interna será la resistencia de dos arrollamientos en serie.

• En la que:
  • R_i = resistencia interna.
  • R_f = resistencia de una fase.
• Alternador trifásico conexionado en triángulo.
  

  En un alternador con sus bobinas conectadas en triángulo, el final de una bobina se une con el principio de la otra y así sucesivamente hasta conectar todos los extremos. En este sistema de conexión la tensión en línea o tensión en bornes será la misma.

  La intensidad en línea la calculamos con la siguiente ecuación.

• En la que:
  • I_L = intensidad en línea.
  • I_f = intensidad en fase.

  La resistencia interna será la suma de tres resistencias en paralelo, formada por dos en serie con la tercera en paralelo.

La potencia total obtenida en un alternador trifásico es la suma de las potencias obtenidas en cada fase.

Sustituyendo la potencia en la primera ecuación obtenemos el valor de la potencia total de un alternador trifásico. La potencia es la misma para los alternadores conexionados en estrella o en triángulo.

Sin embargo para una misma tensión de regulación en bornes, las características de ambos son distintas.

En los alternadores conexionado en estrella, la tensión en línea o tensión en bornes se alcanza a menor número de revoluciones pero la potencia máxima de salida es menor.

• En la que:
  • P_max= potencia máxima.
  • Sustituyendo R_i por su valor:
  • Tenemos que P_max vale:

En los alternadores conexionado en triángulo, con una misma tensión en bornes la corriente es mayor, por tanto, la potencia máxima de salida es mayor.

Sustituyendo R_i por su valor tenemos que P_max vale:

Para comprender mejor esta parte realizaremos un ejemplo.

• Ejemplo.

  ¿Cuál es la fuerza electromotriz generada en un alternador monofásico dodecapolar (2p=12) girando a 2500 rpm y sabiendo que sus masas polares emiten un flujo de 14000 maxwells sobre los 350 conductores activos del estator?

  Datos.

  2p= 12.

  Φ= 14000 maxwells.

  n = 2500 rpm.

  N_{conductores activos}=350 conductores.

  Incógnitas.

  E_max=?

  Solución.

  Aplicamos la fórmula de E_max.

En este apartado veremos un ejemplo de cálculo.

• Ejemplo.

  En un alternador trifásico la fuerza electromotriz eficaz en fase es de 13,5 voltios, la resistencia interna por fase es de 0,3 ohmios, tensión de regulación en bornes 13,5 voltios.

  Calcular:

  • Fuerza electromotriz en bornes para un alternador en estrella.
  • Fuerza electromotriz en bornes para un alternador en triángulo.
  • Intensidades máximas obtenidas en estrella y triángulo.
  • Potencia máxima obtenida en estrella y triángulo.

  Datos.

  E_ef = 13,5 V.

  R_f = 0,3 Ω.

  E_L = 13,5 V.
  
  
  

  Incógnitas.

  E_L (estrella) =?.

  E_L (triángulo) =?.

  I_max (estrella) =?.

  I_max (triángulo) =?.

  P_max (estrella) =?.

  P_max (triángulo) =?.

Como has estudiado en los apartados anteriores, la corriente que produce el alternador no es constante, depende del número de revoluciones al que gira el rotor y este del número revoluciones del motor. Teniendo en cuenta que las revoluciones a las que gira el motor dependen de la potencia necesaria en cada momento, el conductor del vehículo no puede controlar la carga del alternador, por tanto, debe de haber un elemento que controle en cada momento la corriente de excitación, esta misión se le encomienda al regulador.

El regulador puede ir o no incorporado en el alternador. El regulador actuará sobre el circuito de excitación aumentando o disminuyendo el paso de corriente por el rotor.

El regulador a lo largo de su desarrollo a sufrido diversas evoluciones desde los reguladores electromagnéticos hasta los electrónicos pasando por los transistorizados mixtos.

Debes saber que el dispositivo regulador es un elemento formado por componentes electrónicos, cuya misión es mantener constante la tensión de salida o tensión en bornes del alternador, independientemente del número de revoluciones a las que gire y de la carga a la que está sometido.

Esta regulación, la consigue controlando la corriente de excitación, que es la necesaria para crear el campo magnético inductor. El regulador actuará siempre que la tensión de salida supere la tensión de regulación que para alternadores de 12 voltios de tensión nominal en bornes está de 13,8 y 15,2 voltios. Cuando esta tensión no se supere el regulador no actuará. La tensión nominal es la tensión a la que funcionan los componentes eléctricos del vehículo.

El regulador ha de tener en cuenta la temperatura ambiente, ya que, de esta depende el estado de carga de la batería, necesitando mayor carga con tiempo frío que con un tiempo más cálido, que como vimos en el capítulo de la batería, la densidad del electrólito varía con la temperatura. Los reguladores montan un dispositivo para la compensación térmica y cargar correctamente la batería.

Los reguladores siguen el siguiente esquema de funcionamiento:

• Si el generador no alcanza la tensión de regulación 14 voltios, el regulador da paso a la corriente de excitación a través de las bobinas inductoras del rotor, aumentando el campo magnético inductor y por tanto la fuerza electromotriz inducida.
• Si la corriente de salida supera la tensión de regulación, el regulador corta la corriente de excitación disminuyendo el campo magnético y en consecuencia la tensión de salida. La tensión de regulación es controlada mediante la tensión de ruptura de un diodo zener.

Como sabes el motor térmico para su puesta en marcha necesita de una ayuda exterior para hacerlo girar hasta conseguir que él se mantenga girando por si sólo mediante la combustión en sus cilindros, esta ayuda proviene del motor de arranque. El motor de arranque es un pequeño motor eléctrico alimentado por la corriente que le proporciona la batería.

El motor de arranque tiene que vencer la fuerza de rozamiento de los órganos móviles del motor y sobretodo la fuerza de compresión en los cilindros. Debido al gran esfuerzo que tiene que realizar el motor de arranque y a la gran cantidad de energía que necesita es un elemento con gran resistencia mecánica y eléctrica.

La potencia necesaria en el momento de la puesta en marcha del motor determina la potencia del motor eléctrico, en esta potencia necesaria se tendrá en cuenta el tipo de motor, diesel o gasolina y cilindrada de los mismos.

Para la descripción y el estudio utilizaremos un motor de arranque de engrane por horquilla ya que es el más utilizado, este motor está formado por los siguientes elementos:

• Carcasa y conjunto inductor.
• Rotor o inducido.
• Soporte del lado de accionamiento.
• Soporte del lado del colector.
• Porta escobillas.
• Contactor.
• Mecanismo de arrastre y rueda libre.

A continuación se describirá uno de los elementos que forma parte del motor de arranque.

• La carcasa es un cilindro de acero suave o acero con bajo contenido en carbono, que forma parte del cuerpo del motor y cierra el circuito magnético que emiten las masas polares.
• El conjunto inductor lo forman las bobinas, estas bobinas generalmente se construyes con hilo de cobre con sección rectangular. Las bobinas van montadas sobre las expansiones polares que son unos núcleos de acero suave, encargados de reforzar el campo magnético.
• Cada una de las masas creará uno de los polos magnéticos, normalmente los motores cuentan con cuatro polos y dos o cuatro escobillas.
• En la actualidad para motores de baja potencia se sustituyen las bobinas inductoras y las masas polares por imanes permanentes de ferrita.

¿Sabes de qué metal es el eje del rotor?

Este elemento está constituido por un eje de acero en el cual se monta una serie de chapas troqueladas en forma de estrella formando un cilindro, en las ranuras se colocan las bobinas del inducido, las bobinas están formadas por hilo de cobres de sección rectangular, los extremos de las bobinas se sueldan en las delgas que forman el colector.

Otro de los elementos que forman el inducido es el colector, un cilindro de material termoestable sobre el que se colocan las delgas a las cuales se soldarán los extremos de las bobinas. Las delgas son unas láminas de cobre, aisladas entre sí y a su vez del eje mediante el cilindro de material termoestable. Sobre estas delgas rozarán las escobillas por las que se le suministra corriente al inducido.

En el extremo contrario al colector, el eje, lleva mecanizado un estriado, este estriado será diferente para cada tipo de motor, siendo un estriado helicoidal para que se deslice el mecanismo de arrastre o llevar tallado un piñón para los motores con reductora.

Siguiendo con los elementos componentes del motor estudiaremos a continuación los soportes.

• Soporte del lado de accionamiento: esta pieza está construida generalmente en fundición de aluminio, sirve de anclaje del motor de arranque al envolvente de la caja de cambios y también como apoyo del mecanismo de arrastre y rueda libre. En él también colocamos el contactor. El orificio de apoyo del eje lleva un casquillo de bronce.
• Soporte lado colector: está fabricada en aluminio fundido o chapa embutida, cierra por un extremo el motor y sirve de soporte para el eje del inducido, en el orificio de apoyo lleva un casquillo de bronce. Además en ella va montado el porta escobillas, llevará dos o cuatro escobillas dependiendo del tipo de motor, de las cuales una o dos irán aisladas a masa y las otras puestas en contacto a masa. Las escobillas es el elemento encargado de suministrar la corriente al rotor, están fabricadas de carbón-grafito con una sección suficiente para permitir el paso de la gran cantidad de corriente necesaria en el momento del arranque. Para mantener las escobillas en contacto con el colector, el soporte lleva montados unos muelles que mantienen la presión adecuada.

El contacto o relé de arranque tiene una doble misión, por un lado cierra el circuito de alimentación del motor y batería al accionar la llave de contacto, por otro lado desplaza el mecanismo de arrastre para su acoplamiento en la corona del volante de inercia.

Está constituido por los siguientes elementos:

• Un electroimán formado por uno o dos arrollamientos que reciben corriente de batería a través de llave de contacto en posición de arranque.
• Un núcleo móvil que se encuentra descentrado por la acción de un muelle, en uno de los extremos del núcleo lleva un contacto basculante, encargado de cerrar el circuito de alimentación; en el otro extremo, para motores que realizan el engrane por horquilla, lleva acoplado un mecanismo para su anclaje a la horquilla y así poder balancearla en el desplazamiento del núcleo.

El esquema eléctrico se representa en la figura siguiente:

Este mecanismo es el encargado de transmitir el movimiento del rotor a la corona dentada del volante de inercia del motor térmico e impedir que la corona arrastre al inducido del motor de arranque una vez que se haya puesto en marcha el motor térmico, ya que la relación de desmultiplicación piñón corona (1/10-1/20) hará que el número de revoluciones al que gira el rotor sea excesivo haciendo salirse a los conductores de las ranuras en las que se aloja y destruyendo el motor de arranque.

Según el sistema empleado para acoplar el piñón a la corona, se utilizan dos mecanismos:

• Mecanismo de engrane por horquilla: este es el sistema más empleado en la actualidad, consta de un piñón de dientes rectos unido al mecanismo de rueda libre, con enclavamiento por rodillos. El mecanismo de rueda libre protege al inducido de ser arrastrado por la corona dentada, este mecanismo va montado sobre un casquillo en cuyo interior lleva tallado un estriado helicoidal, en el exterior del casquillo lleva montado muelle y un manguito de acoplamiento en el que se acopla la horquilla. La misión del estriado y el muelle es proteger los dientes del piñón y corona en el momento del acoplamiento, haciendo girar ligeramente el piñón en su desplazamiento hacia la corona y facilitar su acoplamiento.
  
• Mecanismo de engrane por inercia: este sistema tiene una menor implantación, utiliza el relé o contactor sólo como interruptor para cerrar el circuito de alimentación.
  

Un motor eléctrico es una máquina capaz de transformar la energía eléctrica que recibe en energía mecánica, está basado en el efecto magnético de atracción y repulsión de dos polos magnéticos.

Según estudiamos en la unidad número uno, un conductor rectilíneo, recorrido por una corriente crea a su alrededor un campo magnético, si este conductor lo colocamos en el interior de un campo magnético, experimenta una fuerza sobre él, sí en lugar de un conductor colocamos una espira montada en un eje aparecerán dos fuerzas iguales y de sentido contrario, una en cada lado de la espira.

La dirección de la fuerza lo determina el sentido que toma la corriente en el conductor y lo determina la regla de Maxwell o de la mano izquierda.

El mecanismo creado con una espira sólo girará hasta que la espira quede enfrentada a los polos magnéticos, para conseguir un giro completo es necesario colocar dos espiras perpendiculares entre sí.

Para conseguir el par necesario y un giro estable se colocan un número mayor de espiras montadas sobre un tambor de material ferromagnético, este mecanismo lo llamamos inducido o rotor.

En primer lugar, determinaremos la potencia necesaria en el momento del arranque. Para el cálculo de esta potencia tendremos en cuenta la potencia absorbida por el motor térmico a las revoluciones necesarias para el arranque, entre 120 y 150.

En donde:

A=coeficiente de seguridad.

K= coeficiente en función del tipo de motor.

• De 3 a 5 para motores de gasolina.
• De 5 a 10 para motores diesel.

V_t= cilindrada total del motor.

n= número de rpm.

0,736= 1 CV (caballo) equivale a 736 vatios.

716,2= 2xπ/60x75 (sale de la potencia al freno de un motor).

El motor de arranque consta de un rotor que, como vimos anteriormente, está formado por unas bobinas de hilo de cobre, colocadas en el interior de un campo magnético y que al suministrarle corriente comienza a girar. Como sabes cuando un conductor se mueve en el interior de un campo magnético se induce en este una fuerza electromotriz, por lo tanto, un motor es a su vez un generador porque los conductores del inducido se están moviendo en el interior de un campo magnético, esta corriente que genera se opone a la corriente procedente de la batería y recibe el nombre de fuerza contra electromotriz.

La ecuación para el cálculo de la (fcem) es la siguiente:

En donde:

E'= fuerza contraelectromotriz (fcem).

Φ= flujo magnético.

n= velocidad de giro del motor.

N= número de conductores del inducido.

2p= número de polos.

2a= número de circuitos derivados del inducido.

La fuerza contraelectromotriz generada aumentará con el número de revoluciones, esto implica que la corriente consumida por el motor sea máxima en el momento del arranque y vaya disminuyendo al aumentar el número de revoluciones.

La ecuación para el cálculo de la intensidad absorbida por el motor en el arranque es la siguiente:

En donde:

E= tensión en bornes.

E'= fcem.

R_i= resistencia interna del motor.

I_a= intensidad absorbida por el motor en el arranque.

Potencia total absorbida por el motor de arranque: esta potencia será la suma de la potencia consumida por el motor en su circuito interno y la potencia necesaria para efectuar el arranque.

Con lo que tenemos las expresiónes:

En donde:

P = potencia total absorbida.

P_a= potencia necesaria para efectuar el arranque.

P_i=P_v= potencia consumida por el motor en su circuito interno.

E= tensión en bornes.

I_a= intensidad absorbida por el motor en el arranque.

Te habrás fijado que no todos los vehículos tienen la misma potencia, ni utilizan el mismo tipo de combustible, por lo tanto el motor de arranque no será igual para todos. Sino que utilizaremos motores diferentes, los tipos de motores son:

• Motores con imanes permanentes de ferrita: estos motores no necesita alimentación para crear el campo magnético de excitación, por este motivo el consumo de corriente en el arranque es menor.
• Motores de arranque por horquilla y contacto: este tipo de motor es el más utilizado en automoción, las bobinas de excitación pueden estar montadas en serie o en serie paralelo con dos o cuatro escobillas.
• Motores de arranque con reductora: los motores con reductora se utilizan en motores de media y gran potencia, utilizan un tren de engranajes epicicloidales para disminuir las revoluciones del motor y así aumentar el par motor, con este mecanismo ganamos en la relación peso potencia, con lo cual podemos arrancar un motor térmico de gran cilindrada con un motor eléctrico relativamente pequeño.
• Motores de arranque de engrane por inercia: en este sistema de engrane por inercia el relé sólo tiene la misión de cerrar el circuito de alimentación, no es necesario que el relé forme parte del propio motor.

Este sistema es el más utilizado en los motores de arranque, su funcionamiento es el siguiente:

• Al colocar la llave en posición de arranque la corriente procedente de la batería llega al borne (1) del relé, esta corriente alimenta a las bobinas de retención (2) y de accionamiento (3), creando un campo magnético que atrae al núcleo, realizando dos funciones:
  • Desplaza al mecanismo de arrastre (4) mediante la horquilla (5) acoplando el piñón de arrastre y la corona del volante de inercia.
  • Cerrar los contactos (6) para alimentar el motor con corriente directa procedente de la batería.
• Al desplazar el mecanismo de arrastre por acción de la horquilla se produce un pequeño giro por la acción del estriado helicoidal interior del manguito, favoreciendo el acoplamiento de los dientes del piñón y corona, por otra parte los dientes del piñón cuentan con un pequeño rebaje para favorecer este mismo acoplamiento. Para realizar el acoplamiento con suavidad y así proteger el mecanismo, este cuenta con un muelle de compresión (7) de tal manera que la horquilla actúa sobre este muelle minimizando el golpe entre los dientes de la corona y piñón.
• Una vez acoplados los dos engranajes el movimiento se transmite a través del mecanismo de rueda libre.
• En el momento de cierre de los contactos (6) la bobina de accionamiento (3) queda cortocircuitada, con el cierre de los contactos la corriente directa de batería alimenta las bobinas inductoras y de estas a través de las escobillas y colector al inducido, produciendo el giro del motor.
• Una vez puesto en marcha el motor térmico, el mayor número de revoluciones del motor hace que el mecanismo de arrastre retroceda gracias al estriado helicoidal del manguito, tambien gracias al mecanismo de protección de la rueda libre el giro del motor no es transmitido al inducido.
• Una vez puesto en marcha el motor térmico y quitar la alimentación del relé el muelle (8) lleva a su posición de reposo al núcleo y a la horquilla desengranando el piñón y la corona.

En este motor de arranque el funcionamiento eléctrico y de acoplamiento es similar al de engrane por horquilla y contactos, la diferencia está en un mecanismo reductor de velocidad, colocado entre el inducido y el mecanismo de arrastre.

El mecanismo reductor está constituido por un tren de engranajes epicicloidales. Este mecanismo reductor está formado por tres elementos: una corona con un dentado interior, tres satélites montados sobre un eje y el planetario.

Un tren de engranajes epicicloidales funciona de la siguiente manera:

• Haciendo fijo uno de los tres elementos y haciendo girar uno de los otros, el que queda libre girará con un número determinado de revoluciones, en función de la relación entre los dientes.
• En los motores de arranque la corona del tren de engranajes esta fija a la carcasa, los satélites montados en el eje del mecanismo de arrastre y el planetario forma parte del eje del inducido.

En esta configuración el planetario hace girar a los satélites que rodarán en el interior de la corona fija, desplazando en su movimiento de translación al eje, haciéndolo girar con una velocidad determinada.

Como hemos dicho anteriormente en estos motores el relé tiene la misión de cerrar el circuito de alimentación. La fase de acoplamiento se realiza mediante el estriado helicoidal tallado en el eje del rotor y en el interior del manguito del mecanismo de arrastre.

Al conectar el interruptor de arranque la corriente procedente de batería crea el campo magnético que hace girar el inducido, en este momento y debido a la inercia del mecanismo de arrastre y al dentado helicoidal del eje hace que el piñón se desplace hasta engranar con la corona.