jueves, 30 de julio de 2015

GENERANDO ELECTRICIDAD EN EL TRACTOR: DINAMOS Y ALTERNADORES

Moderno alternador en "antiguo" tractor
SISTEMA ELÉCTRICO DEL TRACTOR
Es madrugada, me subo al tractor y lo primero que hago es usar la energía eléctrica almacenada en la batería para conectar los calentadores y posteriormente mover el motor de arranque que voltea el motor de explosión hasta conseguir arrancarlo. Ahora la necesidad es otra. Hay que dar las luces y la energía acumulada en la batería no duraría mucho, la solución es convertir parte de la energía mecánica proveniente del motor en eléctrica.
Hoy lo habitual es que el sistema eléctrico del tractor esté constituido por una batería de ácido y plomo de 12 V con el polo negativo conectado a masa y que se carga por medio del alternador que a su vez es movido a través de una correa recibiendo el movimiento, normalmente, desde una polea enganchada directamente al cigüeñal. Pero lo hoy habitual no lo era hace unos pocos años donde los tractores ya “históricos” usaban dinamo para proporcionar corriente eléctrica.

¿DINAMO O ALTERNADOR?: AMPÈRE, FARADAY, TESLA...
Los "avezados" en estos temas se estarán riendo de hacer ahora esta pregunta pero seguro que hay muchos que todavía no lo tienen claro. Bien, para estos últimos es para los que se dedica esta entrada. En primer lugar cualquier usuario debe tener claro que un alternador produce corriente alterna, CA, mientras que en la dinamo lo que se genera es corriente continúa, CC.
Independientemente de dinamo o alternador, el “aparato” funciona con el mismo principio, las fuerzas electromagnéticas.

Es 1820 cuando el físico francés Ampère y posteriormente, 1830, el británico Faraday, expresan sus descubrimientos. Aunque en realidad ambos los emiten en términos diferentes la verdad es que los dos están hablando del principio de inducción que es el que define la relación entre corriente eléctrica y campos magnéticos: variación de un campo magnético sobre un bobinado de cables y que se consigue mediante el movimiento de un rotor, que genera el campo magnético, respecto de unos cables. Así se produce la denominada fuerza electromotriz inducida y que no es otra cosa que una corriente eléctrica.
La aplicación del principio de inducción es clave para la vida humana tal y como hoy la conocemos.
Me ha gustado mucho este vídeo donde se explica con una pequeña maqueta de laboratorio de colegio las diferencias entre dinamo y alternador. El autor, parece un profesor, explica y hace ver con osciloscopio, led, motores eléctricos... el funcionamiento, y las diferencias, de ambos y como con un simple cambio de delgas uno se convierte en el otro. 

DINAMO Y MOTOR ELÉCTRICO
Ver vídeo, muy ilustrativo y aclaratorio
Aplicando el principio de inducción se coloca una armadura (rotor: cilindro donde se enrollan bobinas de cobre) que gira entre dos polos magnéticos fijos (estator: armazón fijo que crea el campo magnético). El giro produce un flujo constante de corriente, el problema es que cada media revolución cambia la dirección. ¿Cómo se resuelve? con mucha astucia y de forma mecánica (la “astucia mecánica" es un denominador común en casi cualquier mecanismo ideado cuando la electrónica no estaba desarrollada) Se idea un sistema que invierte el flujo de corriente cada media revolución y así producir un flujo “continuo”. El “invento” es un “conmutador” que en realidad es un anillo de metal partido en el eje de la armadura. Cada mitad se aísla entre si y son los bornes de la bobina. El contacto lo hacen unas “escobillas” que están en contacto de forma alternativa con cada mitad. Para evitar que saltasen “chispas” entre las escobillas y el conmutador se trabaja a voltaje bajo (no más de 1000-1500 V)
Con la llegada de la electrónica se usarán rectificadores electrónicos (diodos)
Nota: La forma de la corriente eléctrica producida es “senoidal”. Con la inversión se consigue que todas las “ondas” se sitúen en el mismo sentido. El rotor tiene muchas espiras y en realidad el anillo colector se divide en bastantes partes (delgas) aisladas entre si (normalmente “mica”). Cuanto más delgas la tensión obtenida tiene menor ondulación, más “constante” que se asemeja a la tensión continua que se pretende generar.

¿Y qué es un motor eléctrico? Motor eléctrico: Un motor eléctrico de corriente continúa es muy parecido al mecanismo de la dinamo que se acaba de describir, pero en el caso del motor eléctrico es la energía eléctrica la que se transforma en mecánica. En los equipos agrícolas también se usan con asiduidad (limpiaparabrisas, motores de los ventiladores) pues son motores con muchas ventajas como el que disponen de un par de arranque muy bueno y la velocidad es muy fácil de regular mediante la fuerza electromotriz (f.e.m) y la intensidad de corriente, por lo que son ideales para ser usados en regulación y control.
Alternador: azul rotor, rojo estator;  izquierda placa de diodos (Wikipedia)
Motores de arranque como dinamos: Pues también los hay y aunque son raros todavía se ve en alguna “vieja gloria” como algunos Pasquali Se trata de motores de arranque que también son dinamos a la vez por eso se les suele llamar dinamotores (la marca comercial más famosa es Dynastart, Dyna por dinamo y start por arranque.
El sistema Dynastart fue desarrollado en los años 50 por una compañía alemana llamada SIBA Elektrik GmbH. Se usaba en pequeños coches, motocicletas, scooters y otros vehículos de pequeña potencia. Al final, ¡si es que ya no quedamos poetas!, SIBA es adquirida, una parte, la alemana, por Bosch y otra parte, la inglesa, por Lucas... ¡Ya hemos llegado a la actualidad! Hoy la marca DynaStar hoy está registrada por la alemana ZF y la usa para un motor eléctrico destinado a vehículos híbridos.
El funcionamiento del DynaStart es muy simple, primero se arranca el motor con la función Start, una vez en marcha comienza la función Dyna o dinamo. Es decir que unas veces funciona como motor convirtiendo energía eléctrica en movimiento y otras como generador.
Algunos motores, yo conozco los Goldoni, usan el sistema, pero para vencer la compresión del motor diésel pues se usa un descompresor para facilitar la tarea. El arranque es perfecto si sabes encontrar el punto de descompresión y que una vez que tienes práctica es algo intuitivo.
Al accionar el dispositivo descompresor, el motor puede girar sin compresión y, por tanto con menor esfuerzo. De este modo cuando se ha logrado un determinado régimen de giro se desactiva el descompresor, y la inercia del motor ya es suficiente para vencer la fase de compresión, permitiendo la puesta en marcha.


ALTERNADOR
Una vez el motor de explosión funcionando es el alternador quien genera la energía que precisa el vehículo, también se encarga de recargar la batería. Pero el alternador produce corriente alterna y el tractor consume corriente continua y ambos tipos no se llevan nada bien, ¿entonces?
A partir de 1970 el alternador va sucediendo a la dinamo de forma paulatina, lo hace así debido a que la electrónica se va abriendo paso por los avances y por sus precios competitivos. Con la electrónica los "problemas" del alternador se resuelven y así los componentes de rectificación y regulación permiten sustituir en calidad (el rendimiento eléctrico de un alternador es muy superior a una dinamo) y precio a los componentes electromagnéticos.
Es el relativamente olvidado Tesla (uno de los inventores más prolíficos y quizá el de mayor aporte al tema de la electricidad) unos años antes de 1900, el que comprueba, y predice, que el futuro estaba en la CA. Tesla afirma a todo el que quiere oírle que en realidad la CA es mucho más atractiva y eficiente en altos voltajes que la CC.
Los ingenieros de diseño también comprueban que es mucho más interesante llevar alternador que no dinamo en sus vehículos, son más pequeños y consumen menos energía. Pero ¿cómo consiguen que impere la tranquilidad entre la convivencia de la CC y la CA? Lo que pasa es que el alternador estará convirtiendo toda la energía generada como CA en CC a través de diodos que son como una válvula de un único sentido dejando pasar la corriente en una única dirección (CC) es lo que se denomina dispositivo de regulación de voltaje y rectificación (paso de alterna a continua) Tras la conversión CA a CC ya se puede usar esta energía.
Nota: El sistema de generación de corriente alterna previo a la rectificación, es normalmente trifásico, aunque en aplicaciones de pequeños motores de 2T es habitual encontrar sistemas de volante magnéticos que son monofásicos.

EL REGULADOR
Ya está el tractor arrancado, el alternador  produce electricidad, pero claro la velocidad de giro del motor de explosión no siempre es la misma por lo que no es la misma la velocidad que le llega al alternador o dinamo a través de correas y poleas (generalmente desde el mismo cigüeñal), es decir la f.e.m. está variando continuamente. Si no se hace nada lo que ocurriría es que el voltaje generado en el alternador estaría variando constantemente según se gire a ralentí a régimen nominal.
DynaStar en motor Goldoni en Pasquali
Los ingenieros lo que hacen es que ya en ralentí el alternador produzca el voltaje mínimo aunque suficiente. Para que según se aumenten las revoluciones no se suba el voltaje por encima de los límites establecidos (normalmente +/- 2V) se utiliza el denominado regulador.
¿Cómo se consigue? Pues se está detectando constantemente el voltaje, cuando este sube se corta la excitación que pasa por el rotor y se anula el campo magnético, se deja de generar corriente, baja el voltaje. Cuando se detecte que se ha bajado del límite permitido vuelve a dejar pasar la corriente. Este proceso se repite constantemente y la forma de conseguirlo es conectar-desconectar las escobillas del rotor y que se puede conseguir de forma electromagnética (mediante una bobina hecha de cable muy fino que actúa como electroimán sobre una placa metálica que atrae o suelta según voltaje, es decir actúa como un interruptor) o bien con reguladores electrónicos (en vez de componentes mecánicos usan componentes electrónicos como los diodos. Son mucho más fiables y también eficaces)

COMPONENTES DEL DINAMO Y ALTERNADOR
Son los mismos en una dinamo que en un alternador. La diferencia se encuentra en el colector pues en el alternador la escobilla recoge la corriente en un sentido y otras veces en otra.
Bobina: es en realidad un cable enrollado y que constituye el rotor o parte que se mueve
Imanes permanentes: un juego de imanes enfrentados generan un campo magnético y son la parte fija o estator
Colector: es donde se unen los extremos de la bobina. El colector recoge la electricidad generada. Está formada por dos semianillos giratorios (cada extremo de la bobina se une a un semianillo)
Escobillas: son las piezas que están en contacto con el colector y recogen la electricidad

¿Y EL MANTENIMIENTO?
Alternador en motocicleta (Royal Enfield)
El estado del alternador se puede conocer a través de un polímetro y comprobar periódicamente si, por ejemplo, a 1000 rpm el voltaje producido está en torno a los 13-14 V. si marca 12 o menos es indicativo de un problema. La sustitución del alternador no es complicada y la podemos realizar nosotros mismos. Además no es un componente excesivamente caro (entre 150 y 250 €) porque no olvides que un mal alternador arruina a cualquier buena batería y si una batería puede durar en buenas condiciones 4 años con un mal alternador se vendrá a bajo en menos de 12 meses. Otra precaución es comprobar periódicamente el ajuste de la tensión de la correa. Es muy sencillo pues se consigue soltando un tornillo sobre el brazo de ajuste.
Lo más habitual en el campo es que la muerte del alternador se produzca por un fallo de cojinetes usados en el giro del rotor dentro del estator. Tened cuidado con el calor excesivo (los buenos alternadores incluso llevan su propio ventilador) y también mucho cuidado con el polvo y con la humedad ¡cuando se está lavando el tractor! (muchos alternadores mueren en ese proceso)
Vuelvo al tema de la temperatura para contar alguna "batallita" de viejo. Muchos ingenieros no tienen en cuenta lo importante de la refrigeración del alternador. En un buen diseño de componentes del tractor el alternador se sitúa de tal forma que reciba la corriente de aire del ventilador de refrigeración del motor. Los malos diseñadores lo hacen así para que el recorrido de la correa de transmisión que se engancha a la polea del cigüeñal sea mínimo, pero no solo es esto, hay una cuestión de detalle, de saber hacer. El alternador se debe poner en la parte “fría” del motor y en el flujo directo del aire del ventilador y si el ventilador es del tipo viscoso entonces optar por alternador con refrigeración propia.

3 comentarios:

  1. ¡Muy buena entrada!, pefecto para mi la diferencia entre alternador y dinamo, y me alegra mucho la introducción del dynaestar que lo he usado mucho, tube un pascuali hasta hace bien poco y por ultimo a ver introducido el tema del alternador en moto que nunca lo he tenido claroa

    ResponderEliminar
  2. Muy buena entrada... nos encanta cuando sacas tu vena docente.

    Una pregunta: ¿qué mantenimiento hay que hacerle al alternador para prolongar su vida?

    Muchas gracias y enhorabuena!!
    Twins' Farm
    www.twins-farm.com

    ResponderEliminar
  3. Antes se averiaba un alternador y se arreglaban, e incluso si estabas atento aprendías hacer el mantenimiento....
    Ahora los queridos mecánicos, que no entiendo el porque del nombre, simplemente lo cambian por otro y se creen que hacen algo, supongo que quedará alguno que se moleste en repararlos.
    Un saludo!

    ResponderEliminar