4.8: Alternador Automotriz

Piezas y materiales del proyecto

• Alternador automotriz (se requiere uno, pero se recomiendan dos)

Se pueden obtener alternadores viejos por precios bajos en patios de destrozos de automóviles. Muchas yardas tienen alternadores ya retirados del automóvil, para su 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 fines de este experimento.

Recomiendo encarecidamente usar una marca Delco-Remy del alternador. Este es el tipo utilizado en los vehículos de 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 poco cambio de diseño. Es una unidad muy común para ubicar en un patio de naufragios, y muy fácil de trabajar.

Si obtiene dos alternadores, puede usar uno como generador y el otro como motor. Los pasos necesarios para preparar un alternador como generador trifásico y como motor trifásico son los mismos.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 14: “Magnetismo y Electromagnetismo”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 10: “Circuitos CA Polifásicos”

Objetivos de aprendizaje

• Efectos del electromagnetismo
• Efectos de la inducción electromagnética
• Construcción de máquinas electromagnéticas reales
• Construcción y aplicación de devanados trifásicos

Diagrama esquemático del alternador automotriz

Un alternador automotriz es un generador trifásico con un circuito rectificador incorporado que consta de seis diodos. Como la polea (la mayoría de la gente la llama “polea”) es girada por una correa conectada al cigüeñal del motor del automóvil, un imán se hace girar más allá de un conjunto estacionario de devanados trifásicos (llamados estator), generalmente conectados en una configuración Y. El imán giratorio es en realidad un electroimán, no un imán permanente. Los alternadores están diseñados de esta manera para que se pueda controlar la intensidad del campo magnético, con el fin de que el voltaje de salida pueda controlarse independientemente de la velocidad del rotor. Esta bobina magnética del rotor (llamada bobina de campo, o simplemente campo) es energizada por la energía de la batería de manera que toma una pequeña cantidad de entrada de energía eléctrica al alternador para que genere mucha potencia de salida.

La energía eléctrica se conduce a la bobina de campo giratoria a través de un par de “anillos deslizantes” de cobre montados concéntricamente en el eje, contactados por “escobillas” de carbón estacionarias. Los cepillos se mantienen en firme contacto con los anillos deslizantes por la presión del resorte.

Muchos alternadores modernos están equipados con circuitos “reguladores” incorporados que encienden y apagan automáticamente la energía de la batería a 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 impedirá su estudio si se deja en su lugar. Siéntase libre de “quitarlo quirúrgicamente”, solo asegúrese de dejar el acceso a los terminales del cepillo para que pueda alimentar la bobina de campo con el alternador completamente ensamblado.

Ilustración de Alternador Automotriz

Instrucciones del experimento

Primero, consulta un manual de reparación automotriz sobre los detalles específicos de tu alternador. La documentación proporcionada en el libro que estás leyendo ahora es lo más general posible para dar cabida a diferentes marcas de alternadores. Es posible que necesite información más específica, y un manual de servicio es el mejor lugar para obtenerla.

Para este experimento, conectarás cables a las bobinas dentro del alternador y extendiéndolas fuera de la caja del alternador, para facilitar la conexión a equipos y circuitos de prueba. Desafortunadamente, los terminales de conexión proporcionados por el fabricante no se ajustan a nuestras necesidades aquí, por lo que necesita hacer sus propias conexiones.

Desmonte la unidad y localice los terminales para conectarlos a las dos escobillas de carbón. Suelde un par de cables a estos terminales (de al menos calibre 20) y extienda estos cables a través de los orificios de ventilación en la caja del alternador, asegurándose de que no se enganchen en el rotor giratorio cuando el alternador se vuelva a ensamblar y usar.

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 caja del alternador a través de algunos orificios de ventilación. Use el cable de calibre más grande con el que sea conveniente trabajar para estos cables, ya que pueden estar transportando corriente sustancial. Al igual que con los cables de campo, enrutarlos de tal manera que el rotor girará libremente con el alternador reensamblado. Los terminales de línea de bobinado del estator son fáciles de ubicar: los tres de ellos se conectan a tres terminales en el conjunto de diodos, generalmente con terminales de “orejeta de anillo” soldados a los extremos de los cables.

Le recomiendo que suelde terminales de orejeta de anillo a sus cables y los conecte debajo de las tuercas de los terminales junto con los extremos del cable del estator para que cada terminal de bloque de diodos asegure dos orejetas de anillo.

Vuelva a montar el alternador, teniendo cuidado de asegurar las escobillas de carbón en una posición retraída para que el rotor no las dañe al reinsertarlas. En los alternadores Delco-Remy, se proporciona un pequeño orificio en la mitad de la caja posterior, y también en la parte frontal del conjunto del portaescobillas, a través del cual se puede insertar un clip o un cable de calibre delgado para sujetar los cepillos contra su presión de resorte. Consulte el manual de servicio para obtener más detalles sobre el conjunto del alternador.

Cuando el alternador haya sido ensamblado, intente girar el eje y escuche cualquier sonido indicativo de partes colisionadas o cables enganchados. Si hay algún problema así, desarmelo de nuevo y corrija lo que sea que esté mal.

Si y cuando gira libremente como debería, conecte los dos cables de “campo” a una batería de 6 voltios. Conecte un voltímetro a cualquiera de las dos conexiones de línea trifásica:

Con el multímetro ajustado a la función “DC volts”, gire lentamente el eje del alternador. La lectura del voltímetro debe alternar entre positivo y negativo a medida que el eje giró: una demostración de voltaje alterno muy lento (voltaje CA) que se está generando. Si esta prueba es exitosa, cambie el multímetro a la configuración de “voltios de CA” e inténtelo de nuevo. Intente hacer girar el eje lento y rápido, comparando las lecturas del voltímetro entre las dos condiciones.

Cortocircuito cualquiera de los dos cables de línea trifásica e intente girar el alternador. Lo que debes notar es que el eje del alternador se vuelve más difícil de girar. La carga eléctrica pesada que ha creado a través del cortocircuito provoca una carga mecánica pesada en el alternador, ya que la energía mecánica se convierte en energía eléctrica.

Ahora, intente conectar 12 voltios CC a los cables de campo. Repita el voltímetro de CC, el voltímetro de CA y las pruebas de cortocircuito descritas anteriormente. ¿Qué diferencia (es) nota (es)?

Encuentre algún tipo de cargas de 6 o 12 voltios insensibles a la polaridad, como pequeñas lámparas incandescentes, y conéctelas a los cables de línea trifásica. Envuelva una cuerda delgada o una cuerda pesada alrededor de la ranura de la polea (“polea”) y haga girar el alternador rápidamente, y las cargas deberían funcionar.

Si tiene un segundo alternador, modifíquelo a medida que modificó el primero, conectando cinco de sus propios cables a los cepillos de campo y a los terminales de línea del estator, respectivamente. Luego puede usarlo como un motor trifásico, alimentado por el primer alternador.

Conecte cada uno de los cables de línea trifásicos del primer alternador a los cables respectivos del segundo alternador. Conecte los cables de campo de un alternador a una batería de 6 voltios. Este alternador será el generador. Envuelva la cuerda alrededor de la roldana en preparación para girarla. Toma los dos cables de campo del segundo alternador y corta juntos. Este alternador será el motor:

Haga girar el eje del generador mientras observa la rotación del eje del motor. Intente invertir cualquiera de las dos conexiones de línea trifásica entre las dos unidades y haga girar nuevamente el generador. ¿Qué es diferente esta vez?

Conecte los cables de campo de la unidad motora a la batería de 6 voltios (puede conectar en paralelo este campo con el campo de la unidad generadora, a través de los mismos terminales de la batería, si la batería es lo suficientemente fuerte como para entregar los varios amperios de corriente que ambas bobinas se juntarán). Esto magnetizará el rotor del motor. Intente hacer girar el generador nuevamente y anote cualquier diferencia en el funcionamiento.

En la primera configuración del motor, donde los cables de campo eran simples cortocircuitados, el motor funcionaba como un motor de inducción. En la segunda configuración, donde el rotor del motor estaba magnetizado, funcionaba como un motor síncrono.

Lleve su alternador modificado al siguiente nivel

Si se siente particularmente ambicioso y es experto en técnicas de fabricación de metales, puede hacer su propia plataforma de generador de alta potencia conectando el alternador modificado a una bicicleta. He construido un arreglo que se ve así:

La rueda trasera acciona la roldana del generador con una correa en V larga. Este cinturón 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 soldados de 2 pulgadas, pero un marco podría estar hecho de madera). Esta máquina no solo es práctica, sino que es lo suficientemente confiable como para ser utilizada como máquina de ejercicios, y es económica de hacer:

Se puede ver un banco de tres bombillas “RV” de 12 voltios detrás de la unidad de bicicleta (en la esquina inferior izquierda de la fotografía), las cuales utilizo para una carga al andar en bicicleta como máquina de ejercicios. Un conjunto de tres interruptores está montado 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, alguna fuente independiente de voltaje de CC seguirá siendo necesaria para el arranque, ya que la bobina de campo debe ser energizada antes de que se pueda producir cualquier alimentación de CA.