Generación de corriente alterna

La generación de corriente alterna es el proceso técnico que transforma energía mecánica en energía eléctrica mediante el fenómeno de inducción electromagnética.

Cada vez que conectamos un dispositivo a un enchufe, damos por sentada la presencia de energía eléctrica. Pero esa energía no es un simple flujo constante; es una fuerza dinámica y pulsante conocida como corriente alterna (CA).

A diferencia de la corriente continua (CC) que fluye de una batería, la CA es la forma de electricidad que ganó la "guerra de las corrientes" a finales del siglo XIX y se convirtió en el estándar indiscutible para la generación y distribución de energía a gran escala.

La razón de su dominio es su asombrosa capacidad para ser transformada: podemos elevar su voltaje para transportarla cientos de kilómetros con pérdidas mínimas y luego reducirla de forma segura para el uso doméstico e industrial.

Pero, ¿Cómo se crea esta corriente que invierte su dirección 50 o 60 veces por segundo? ¿Cómo nace la onda sinusoidal que alimenta nuestras ciudades desde una central eléctrica? El proceso se basa en un principio descubierto en 1831: la inducción electromagnética.

En esta sección realizaremos una inmersión técnica en el proceso de generación de corriente alterna. Dejaremos de lado el enchufe y viajaremos hasta el corazón de la central eléctrica para explorar los principios físicos, la maquinaria de precisión que lo hace posible (el alternador) y los cálculos fundamentales que todo técnico o ingeniero debe dominar.

Qué es la Corriente Alterna (CA)

Cuando conectamos un dispositivo a un enchufe de pared, estamos accediendo a un tipo específico de energía: la corriente alterna (CA). Entender qué es, cómo se diferencia de la corriente continua (CC) y por qué se convirtió en el estándar global no es solo una cuestión teórica; es el primer paso para dominar cualquier cálculo o disciplina eléctrica.

Definición de Corriente Alterna

La Corriente Alterna (CA o AC, del inglés Alternating Current) es un tipo de corriente eléctrica en la que el flujo de carga eléctrica (electrones) invierte su dirección de forma periódica y cíclica.

A diferencia de un flujo constante, la CA describe una oscilación. Los electrones en el conductor se mueven primero en una dirección, alcanzan un flujo máximo, disminuyen, se detienen momentáneamente, invierten su dirección, alcanzan un máximo en la dirección opuesta y regresan al punto de partida, repitiendo este ciclo una y otra vez.

En la generación y distribución de energía, esta oscilación no es aleatoria; sigue una forma de onda muy específica: la onda sinusoidal. Esta es la forma más pura y matemáticamente eficiente de representar un movimiento oscilatorio periódico, y es el resultado natural de la generación de electricidad mediante máquinas rotativas, como veremos más adelante.

La CA (onda sinusoidal) es un voltaje que varía cíclicamente de positivo a negativo (ej. de +325 V a -325 V para alcanzar un valor eficaz de 230 V).

Contraste Rápido con Corriente Continua

Para establecer un contexto claro, es fundamental contrastar la CA con su concepto complementario: la corriente continua (CC o DC, Direct Current).

En la corriente continua, el flujo de carga eléctrica es unidireccional y constante. Los electrones viajan siempre en la misma dirección, desde el potencial negativo hacia el potencial positivo (aunque, por convención histórica, el sentido de la corriente se describe del positivo al negativo). El ejemplo más simple de CC es la energía suministrada por una batería, una pila o una célula solar.

La CC (línea plana) es un voltaje constante en el tiempo (ej. +5 V).

Importancia de la Generación de Corriente Alterna

Si la CC es tan simple (un flujo directo), ¿por qué la compleja oscilación de la CA alimenta nuestras ciudades y fábricas?

La respuesta no se encuentra en su uso final, sino en su generación y transporte. El predominio de la CA fue el resultado de la famosa "Guerra de las Corrientes" a finales del siglo XIX entre Thomas Edison (partidario de la CC) y Nikola Tesla y George Westinghouse (defensores de la CA). Ganó la CA por una razón técnica fundamental: la facilidad de transformación.

Eficiencia en el Transporte de la Corriente Alterna

La corriente alterna puede cambiar sus niveles de tensión (voltaje) de manera extremadamente simple y eficiente (con eficiencias superiores al 99%) usando un dispositivo pasivo: el transformador. La corriente continua no puede usar transformadores y requiere de electrónica de potencia compleja y costosa para cambiar su tensión.

Esta capacidad es la clave de nuestra red eléctrica global por 2 motivos:

● Transporte eficiente a larga distancia: la energía perdida en un cable conductor en forma de calor se calcula con la fórmula de la Ley de Joule: P_p = R · I² (Pérdida de potencia = resistencia por corriente al cuadrado). Para minimizar estas pérdidas, la industria eléctrica debe reducir la corriente (I) tanto como sea posible.

● La solución de la CA: sabiendo que la potencia es P = V · I (Potencia = Voltaje por Corriente), para transmitir la misma cantidad de potencia reduciendo la corriente (I), debemos elevar masivamente el voltaje (V).

Transporte a Alta Tensión y Distribución de la Corriente Alterna

Así funciona la red eléctrica actualmente:

1. La electricidad se genera en la central (ej. a 20.000 V).
2. Un transformador elevador sube la tensión a niveles de transporte (ej. 400.000 V), reduciendo la corriente drásticamente.
3. La electricidad viaja cientos de kilómetros con pérdidas mínimas.
4. Al llegar a las ciudades, transformadores reductores bajan la tensión a niveles seguros de distribución y uso (ej. 20.000 V, y finalmente los centros de transformación a 400V/230V).

Este proceso de "subir y bajar" voltajes es prácticamente imposible de realizar eficientemente con CC a gran escala. La CA domina el mundo porque es la única que permite un transporte de energía eficiente desde la central generadora hasta el enchufe.

Principio Físico de la Generación de la Corriente Alterna

Toda la generación de corriente alterna, desde una gigantesca central hidroeléctrica hasta un pequeño generador portátil, se basa en un único y elegante principio físico descubierto por Michael Faraday en 1831: la inducción electromagnética.

Este principio es el puente que une el mundo del magnetismo con el de la electricidad. Antes de Faraday, se consideraban fuerzas separadas. Su descubrimiento demostró que un campo magnético variable podía "inducir" (provocar) un flujo de electrones en un conductor sin ningún tipo de contacto físico. Es, literalmente, el motor de nuestro mundo eléctrico.

Inducción Electromagnética

En esencia, la inducción electromagnética es el fenómeno que produce una tensión eléctrica (y, por tanto, una corriente si el circuito está cerrado) en un conductor cuando este se ve expuesto a un campo magnético variable.

La palabra clave es variable. Un imán estático colocado junto a un cable estático no produce electricidad. El universo solo recompensa el cambio. Este "cambio" en el campo magnético que "ve" el cable es lo que se cuantifica en la Ley de Faraday.

Explicación de la Ley de Faraday

La Ley de Inducción de Faraday establece formalmente esta relación. La ley dice: "Una tensión (fuerza electromotriz o f.e.m.) se induce en un conductor cuando este se expone a un flujo magnético variable". Desglosemos esto técnicamente:

– Fuerza electromotriz (f.e.m.): este es el término técnico para el voltaje (V). Es la "presión" eléctrica que se crea y que tiene el potencial de mover los electrones. Se mide en Voltios.

– Flujo magnético (Φ): el flujo magnético es la medida de la cantidad total de líneas de campo magnético que atraviesan un área determinada. Se mide en Webers (Wb).

– Flujo magnético variable (ΔΦ/Δt): esta es la expresión matemática del cambio. Significa la tasa de cambio del flujo magnético en el tiempo.

La fórmula matemática de la Ley de Faraday es fundamental en el electromagnetismo:

donde:

ε o f.e.m. = fuerza electromotriz inducida (el voltaje en Voltios).

N = número de espiras o vueltas del conductor (la bobina).

(ΔΦ/Δt) = tasa de cambio del flujo magnético (la rapidez con la que cambia el campo, en Webers por segundo).

El signo negativo (–) = representa la Ley de Lenz. Establece que la dirección de la corriente inducida será tal que crea su propio campo magnético, el cual se opone al cambio de flujo que la originó. Es la versión eléctrica de la inercia.

En términos prácticos, esta fórmula nos dice que podemos aumentar el voltaje (f.e.m.) inducido de 2 maneras principales:

● Aumentando N: enrollando el cable en una bobina con muchas vueltas. Cada vuelta suma su voltaje inducido al total.

● Aumentando (ΔΦ/Δt): esto se logra aumentando la velocidad relativa entre el campo y la bobina (ya sea moviendo el imán más rápido o moviendo la bobina más rápido), o usando un campo magnético más fuerte (un imán más potente).

Pilares de la Generación de la Corriente Alterna

Para que la Ley de Faraday funcione y se genere corriente alterna en la práctica, se requiere la interacción de 3 componentes:

● Conductor (la bobina): es el material que contiene electrones libres que pueden ser puestos en movimiento. Aunque un solo cable recto puede tener un voltaje inducido, en la práctica se utilizan bobinas (o devanados) de cable de cobre.

Al agrupar miles de espiras (N), se multiplica el efecto de la inducción y se obtienen voltajes útiles y elevados. En un alternador moderno, esto conforma el estator.

● Campo magnético (el imán): es la fuente del flujo magnético. Este campo puede ser creado por un imán permanente (común en generadores muy pequeños o dinamos de bicicleta) o, mucho más común en la generación a gran escala, por un electroimán.

Un electroimán es simplemente otra bobina de cable (alimentada con una pequeña corriente continua) que genera un campo magnético potente y, lo más importante, controlable. En un alternador, este es el rotor.

● Movimiento relativo (la energía mecánica): este es el catalizador, el "cambio" que exige la ley de Faraday. El flujo magnético que "ve" el conductor debe variar. Para lograrlo, aplicamos energía mecánica (de una turbina de vapor, agua o viento) para crear un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético.

En la mayoría de los generadores modernos, el conductor (bobina) está fijo en el estator, y el campo magnético (electroimán) gira dentro de él (el rotor). Al girar el imán, el polo norte y el polo sur pasan alternativamente frente a las bobinas, creando un flujo magnético que cambia perfectamente de positivo a negativo: un flujo variable y periódico que induce una tensión alterna.

La Regla de la Mano Derecha para Generadores

La Ley de Faraday nos dice cuánto voltaje se genera, pero ¿en qué dirección fluirá la corriente? Para determinar esto, usamos una herramienta mnemotécnica fundamental: la Regla de la Mano Derecha de Fleming (para generadores).

Esta regla relaciona las 3 variables físicas (movimiento, campo y corriente) usando los 3 dedos principales de la mano derecha, colocados a 90° entre sí:

● Pulgar (movimiento): apunta en la dirección de la fuerza o movimiento del conductor (la dirección en que "empujamos" el cable).

● Índice (campo): apunta en la dirección del flujo magnético (siempre de Polo Norte a Polo Sur).

● Corazón (corriente): apunta en la dirección de la corriente inducida (el flujo de corriente positivo).

Esta regla es la razón física por la que la corriente es "alterna". Cuando un conductor gira en un campo magnético (o el campo gira alrededor del conductor), la dirección del "movimiento" relativo se invierte cada medio ciclo. Como consecuencia:

– La dirección de la fuerza (F) se invierte: el dedo pulgar se invierte.

– El campo sigue apuntando igual: el dedo índice sigue apuntando igual.

– La corriente debe invertir su dirección: el dedo corazón se invierte, creando la oscilación positiva y negativa de la onda de CA.

El Alternador o Generador de Corriente Alterna

Si la Ley de Faraday es el principio teórico de la generación de corriente alterna, el alternador es su implementación física. Es la máquina que aplica este principio de forma continua y a escala industrial. Aunque a menudo se usa el término "generador", el nombre técnico correcto para la máquina que produce CA es alternador o generador síncrono.

Un alternador es una máquina eléctrica rotativa diseñada para convertir energía mecánica (el movimiento de rotación de una turbina o motor) en energía eléctrica en forma de corriente alterna (CA).

En un alternador, el voltaje se produce en los devanados (bobinas) por el fenómeno de la inducción electromagnética, al existir un movimiento relativo entre esos conductores y un campo magnético.

Un alternador se divide en 2 partes fundamentales: una fija y una móvil. En el diseño de los alternadores de potencia (a diferencia de las antiguas dinamos de CC), la configuración estándar es la siguiente:

– El inducido (donde se genera el alto voltaje) está en la parte fija (estator).

– El inductor (el que crea el campo magnético) está en la parte móvil (rotor).

El Estator (Parte Fija / Inducido)

Es la carcasa fija que alberga el devanado de cobre o inducido, donde se genera la electricidad. Para maximizar la eficiencia, se emplea un "devanado distribuido", formado por múltiples bobinas colocadas en distintas ranuras y conectadas en serie para sumar sus voltajes y producir la salida total.

Esta configuración (inducido fijo) es una ventaja de diseño fundamental por 2 razones:

– Robustez: la tensión y la corriente generadas en una central eléctrica son enormes (miles de voltios y amperios). Es mucho más seguro y fácil extraer esta alta potencia desde terminales fijos y robustos en el estator, en lugar de intentar sacarla de una parte móvil.

– Aislamiento: es más sencillo aislar eléctricamente las bobinas de alto voltaje cuando están fijas en el estator que si estuvieran girando.

Las bobinas del estator están alojadas en ranuras dentro de un núcleo de hierro. Este núcleo es esencial para concentrar el flujo magnético del rotor.

Sin embargo, el campo magnético giratorio del rotor no solo induce voltaje en las bobinas de cobre (que es lo que queremos), sino también en el propio núcleo de hierro (Ley de Faraday). Como el hierro es un conductor, este voltaje provoca pequeñas corrientes circulares internas llamadas corrientes parásitas o de Foucault.

Estas corrientes son un problema grave: no producen trabajo útil y solo disipan energía en forma de calor (P = R · I²), reduciendo drásticamente la eficiencia del generador.

Solución: El núcleo del estator se construye laminado. No es un bloque sólido de hierro, sino un apilamiento de miles de delgadas láminas de acero al silicio (de 0,2 a 0,7 mm de espesor), aisladas entre sí por una fina capa de barniz. Estas laminaciones rompen el camino de las corrientes parásitas, reduciéndolas a niveles insignificantes sin afectar al flujo magnético principal.

El Rotor (Parte Móvil / Inductor)

Es la pieza giratoria que actúa como inductor, creando el campo magnético que, al rotar, corta los conductores del estator e induce en ellos la tensión. El número de polos en el rotor se determina en función de la velocidad de giro y la frecuencia de salida deseada (50 Hz o 60 Hz).

Este campo magnético se crea, en generadores industriales, con electroimanes. Estos electroimanes se alimentan con una pequeña corriente continua externa, conocida como corriente de excitación.

La forma del rotor depende directamente de la velocidad a la que girará, lo que nos da 2 tipos principales:

● Rotor de polos salientes: tienen una apariencia de "estrella", con los polos (electroimanes) "sobresaliendo" del núcleo central.

– Características: tienen un gran diámetro y una longitud axial (longitudinal) corta. Están diseñados para alojar un gran número de polos (desde 6 hasta más de 40).

– Uso: se utilizan en generadores de baja velocidad.

– Aplicación típica: en centrales hidroeléctricas. Las turbinas de agua (Francis, Kaplan) son inherentemente lentas (ej. 100 a 750 rpm). Para producir 50 o 60 Hz a esas velocidades, la fórmula f = (p · n) / 60 exige un gran número de pares de polos (p).

● Rotor de polos lisos (cilíndrico): tienen forma de un cilindro sólido de acero forjado, con los devanados del electroimán alojados en ranuras talladas en la superficie (como el estator).

– Características: tienen un diámetro pequeño y una longitud axial muy larga. Su construcción soporta las inmensas fuerzas centrífugas de la alta velocidad. Suelen tener solo 2 o 4 polos.

– Uso: se utilizan en generadores de alta velocidad, también conocidos como turboalternadores.

– Aplicación típica: en centrales térmicas y nucleares. Las turbinas de vapor giran a velocidades muy altas y constantes (ej. 3.000 rpm para 50 Hz, o 3.600 rpm para 60 Hz).

Principio de Funcionamiento del Alternador

Uniendo todos los componentes, el funcionamiento del alternador es el siguiente:

1. Excitación: se aplica una corriente de excitación en corriente continua (+ y –) a las bobinas del rotor (el inductor). Esta corriente (que llega al rotor a través de un sistema de escobillas y anillos rozantes) convierte al rotor en un potente electroimán con polos Norte y Sur definidos.
2. Movimiento: una fuerza externa (el "motor primario", como una turbina de agua o vapor) se acopla al eje del rotor y lo obliga a girar a una velocidad constante.
3. Inducción: a medida que el rotor gira, su campo magnético (sus polos N-S) gira con él. Este campo magnético giratorio "corta" los conductores de cobre fijos en el estator (el inducido).
4. Generación (Ley de Faraday): este corte produce un flujo magnético variable (ΔΦ/Δt) sobre las bobinas del estator. Según la Ley de Faraday, este flujo variable induce una tensión (f.e.m.) en los terminales del estator.
5. La onda alterna: cuando el polo Norte del rotor pasa frente a una bobina del estator, induce un voltaje en una dirección (ej. positiva). Medio ciclo después, cuando el polo Sur pasa frente a esa misma bobina, el campo magnético se invierte, y el voltaje inducido cambia a la dirección opuesta (negativa). Este proceso repetitivo y constante es el que genera la tensión sinusoidal característica de la corriente alterna (L y N).

La Onda Sinusoidal de la Corriente Alterna

El proceso de rotación en un campo magnético produce una forma de onda muy específica, matemáticamente pura: la onda sinusoidal (o senoide).

Por Qué se Genera una Onda Sinusoidal

Para visualizarlo, imaginemos el modelo más simple: una espira girando dentro de un campo magnético fijo (Norte-Sur).

Este es el análisis de un ciclo completo (un giro de 360°):

● Posición 0° (punto de inicio): el conductor se mueve paralelo a las líneas del campo magnético. En este instante, no está "cortando" ninguna línea de flujo, o la tasa de cambio es nula.

– Ángulo de corte: 0°

– ΔΦ/Δt = 0

– Tensión inducida = 0 Voltios

● Posición 90° (1/4 de giro): el conductor ha girado 90° y ahora se mueve perpendicularmente contra el campo magnético. Está cortando la máxima cantidad de líneas de flujo en el menor tiempo posible.

– Ángulo de corte: 90°

– ΔΦ/Δt = máxima

– Tensión inducida = máxima positiva (+V_máx)

● Posición 180° (1/2 giro): el conductor ha completado medio giro y vuelve a moverse paralelo al campo magnético (en dirección opuesta a la de 0°). De nuevo, no hay corte de líneas.

– Ángulo de corte: 180°

– ΔΦ/Δt = 0

– Tensión inducida = 0 Voltios

● Posición 270° (3/4 de giro): el conductor se mueve de nuevo perpendicularmente, pero ahora en la dirección opuesta. La tasa de corte es máxima, pero la polaridad se invierte.

– Ángulo de corte: 270°

– ΔΦ/Δt = máxima (en sentido opuesto)

– Tensión inducida = máxima negativa (-V_máx)

● Posición 360° (giro completo): el conductor regresa a su punto de partida, moviéndose paralelo al campo.

– Ángulo de corte: 360° (igual que 0°)

– ΔΦ/Δt = 0

– Tensión inducida = 0 Voltios

Si graficamos el voltaje inducido (eje Y) contra el ángulo de rotación (eje X), se obtiene una onda sinusoidal perfecta. La generación de corriente alterna es la traducción física de la función trigonométrica seno.

Parámetros principales de la Onda Sinusoidal

Para trabajar con estas ondas, necesitamos un conjunto de parámetros para medirlas y calcularlas.

Frecuencia (f)

La frecuencia es el número de ciclos completos (un giro completo de 360° eléctricos) que la onda de CA realiza en un segundo. Se mide en Hertz (Hz).

Existen 2 estándares de frecuencia en el mundo:

✓ 50 Hz: utilizado en Europa, la mayor parte de Asia, África y Australia.

✓ 60 Hz: utilizado en América del Norte, Central y partes de Sudamérica.

La frecuencia de un alternador no es aleatoria; está sincronizada con la velocidad mecánica de la máquina y su construcción.

donde:

f = frecuencia (en Hz) que se desea obtener (ej. 50 Hz).

p = pares de polos del rotor

n = velocidad de rotación del rotor (en revoluciones por minuto, r.p.m.).

¿Por qué 60? Es un factor de conversión. Para completar un ciclo de la corriente alterna, el rotor debe pasar por un par de polos p (Norte/Sur, o 2 polos). Si la máquina tiene varios pares de polos, durante una revolución se pueden completar varios ciclos. Multiplicando el número de pares de polos p por n (r.p.m.), nos da ciclos por minuto. Dividimos por 60 para pasar de minutos a segundos (Hz).

Ejemplo: ¿A qué velocidad debe girar un turboalternador de 2 polos (p = 1) para generar 50 Hz?

n = f · 60 / p = 50 · 60 / 1 = 3000 r.p.m.

Período (T)

El período es el tiempo, en segundos, que tarda la onda en completar un solo ciclo. Es la inversa matemática de la frecuencia.

Ejemplo: Para una red de 50 Hz, el período es:

T = 1 / 50 = 0,02 segundos (o 20 milisegundos).

Valores de Tensión y Corriente

Dado que el voltaje de CA cambia constantemente, un solo número no puede describirlo. Usamos varios valores principales:

● Valor instantáneo (v(t)): el valor instantáneo es el voltaje en un instante de tiempo específico (t). Se describe con la función seno:

donde ω es la velocidad angular en radianes/segundo (ω = 2 π f).

● Valor pico (V_máx) o amplitud: el valor pico es el valor máximo, positivo o negativo, que la onda alcanza en un ciclo. Es el punto de 90° (+V_máx) y 270° (-V_máx).

● Valor pico a pico (V_pp): el valor pico a pico es la diferencia total de voltaje desde el pico positivo hasta el pico negativo, siendo V_pp = 2 · V_máx.

● Valor eficaz (V_rms o V): el valor eficaz es el valor equivalente a una corriente continua (CC) que produciría la misma cantidad de calor (potencia) si fluyera a través de la misma resistencia. Es el valor "útil" que realmente realiza trabajo. Por ello, podemos representarlo por la letra “V” (como en CC).

RMS significa “Root Mean Square” (raíz cuadrática media), que es el proceso matemático para calcularlo.

Para una onda sinusoidal pura, la relación entre el valor RMS (V) y el valor pico (V_máx) es constante:

Aclaración: cuando medimos un enchufe con un multímetro y leemos 230 V (o 120 V), estamos midiendo el valor eficaz (V_rms o V). Esto tiene una implicación importante: el voltaje pico (V_máx) en ese enchufe es en realidad mucho mayor.

Si el valor eficaz es V = 230 V, entonces el valor pico es: V_máx = √2 · V = √2 · 230 = 325,2 V. Esto significa que el voltaje en un enchufe de 230 V está, de hecho, oscilando 50 veces por segundo entre +325 V y -325 V. Todos los cálculos de potencia en CA deben realizarse utilizando valores RMS.

Tipos de Generación de Corriente Alterna

Aunque el principio de inducción de Faraday es universal, la forma en que se configuran los devanados (bobinas) en el estator del alternador determina fundamentalmente el tipo de potencia de CA que se produce. No toda la CA es igual. La distinción más importante es entre los sistemas monofásicos y los trifásicos.

Generación Monofásica

La generación de corriente alterna monofásica (de una sola fase) es la implementación más simple y directa de un alternador.

En un alternador monofásico, el estator contiene un único conjunto de devanados. A medida que el rotor (con sus polos N-S) gira, induce una tensión en este único conjunto de bobinas.

El conjunto de bobinas del estátor se conecta en serie. De esta forma, se ven sumados sus voltajes para producir la salida total del alternador. Por otro lado, se dispone de varios pares de polos del rotor, que establecerán la velocidad a la que se deberá girar para obtener la frecuencia de salida que necesita el sistema (50 Hz o 60 Hz).

El alternador produce una única onda sinusoidal de tensión. Esto significa que la potencia suministrada por el generador es pulsante. Dado que la potencia instantánea es p(t) = v(t) · i(t), y tanto el voltaje como la corriente pasan por cero 2 veces en cada ciclo, la potencia entregada cae a cero 100 o 120 veces por segundo (para 50/60 Hz).

Esta naturaleza de "potencia pulsante" la hace inadecuada para la maquinaria industrial de alta potencia. La generación monofásica a gran escala es ineficiente y no se utiliza para la red eléctrica.

Su uso se limita a aplicaciones de baja potencia donde la simplicidad es más importante que la eficiencia, como en grupos electrógenos (generadores) portátiles o aplicaciones muy especializadas.

Nota: Aunque nuestros hogares están cableados para corriente monofásica (ej. 230V), esa energía no se genera como monofásica. Lo que llega a nuestras casas es típicamente una de las tres fases de un sistema trifásico de distribución.

Generación Trifásica

El sistema trifásico (de 3 fases) es la columna vertebral de la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica en todo el mundo. Es una solución que resuelve los problemas inherentes al sistema monofásico.

¿Cómo se Genera un Sistema Trifásico?

En la generación de corriente alterna trifásica, en lugar de un solo devanado, el estator del alternador aloja 3 devanados (o fases) independientes.

Estos 3 devanados (a menudo llamados Fase L1, L2, L3 o R, S, T) están físicamente desfasados 120° entre sí alrededor de la circunferencia del estator.

Cuando el rotor (el electroimán) gira, induce un voltaje en cada uno de los 3 devanados. Dado que los devanados están separados 120° en el espacio, los 3 voltajes sinusoidales resultantes están perfectamente desfasados 120° eléctricos en el tiempo.

Esto crea 3 ondas de CA idénticas en magnitud y frecuencia, pero que alcanzan sus valores pico en momentos diferentes y secuenciales.

Una vez que tenemos estos 3 devanados en el estator, no los tratamos como 3 circuitos separados. Se interconectan en el generador (y en la carga) de 2 maneras principales: en estrella o en triángulo.

Conexión del Estator en Estrella (Y)

La conexión del estator en estrella consiste en conectar un extremo de cada uno de los 3 devanados (L1, L2, L3) a un punto común. Los otros 3 extremos se convierten en los terminales de salida de línea.

Ese punto común se denomina Neutro (N) y se puede, o no, llevar como un cuarto conductor. Esta es la configuración estándar para la distribución de energía residencial y comercial.

● Tensiones: esta conexión crea 2 niveles de tensión:

– Tensión de Fase (V_F): es la tensión medida entre una fase y el neutro (ej. L1-N). Es la tensión real generada dentro de un solo devanado.

– Tensión de Línea (V_L): es la tensión medida entre 2 fases (ej. L1-L2).

Debido al desfase de 120°, la tensión entre 2 líneas no es la simple suma, sino una suma vectorial. La relación entre ambas tensiones es:

Ejemplo: En un sistema de distribución europeo estándar 230 V/400 V:

✓ La tensión de fase (V_F) es 230 V (entre fase y neutro, lo que usamos en casa).

✓ La tensión de línea (V_L) es 230 V · √3 ≈ 400 V (entre 2 fases, usado para maquinaria).

● Corrientes: en una conexión en estrella, la corriente que fluye por la línea (I_L) es exactamente la misma que la corriente que fluye por el devanado de fase (I_F). Es decir:

Conexión del Estator en Triángulo (Δ)

La conexión del estator en triángulo o delta consiste en conectar los devanados en un bucle cerrado, "cabeza con cola". El final de la fase L1 se conecta al principio de la L2, el final de la L2 al principio de la L3, y el final de la L3 de vuelta al principio de la L1. Los terminales de línea se toman de estas 3 uniones.

Este sistema no tiene punto neutro. Es un sistema de 3 hilos.

● Tensiones: en una conexión en triángulo, la situación es más simple. La tensión medida entre 2 líneas (V_L) es directamente la tensión que hay en el devanado de fase (V_F) conectado entre ellas. Es decir:

● Corrientes: en delta, la relación de corrientes es la inversa de la estrella. La corriente de línea (I_L) es raíz de 3 veces mayor que la corriente de fase. La relación entre ambas corrientes es:

Esta conexión es muy común en aplicaciones industriales de alta potencia y motores, donde no se necesita el neutro y se prefieren corrientes de fase más bajas para una tensión de línea dada.

Fuente de Movimiento para la Generación de Corriente Alterna

Un alternador necesita una fuente externa de energía mecánica para hacer girar su rotor. A esta fuente de movimiento se le denomina técnicamente motor primario (o prime mover).

El tipo de motor primario utilizado no solo define el tipo de central eléctrica, sino que también dicta el diseño de ingeniería del alternador, específicamente su velocidad de rotación (n) y, por consiguiente, el número de pares de polos (p) necesarios para generar la frecuencia de red (50 o 60 Hz).

A continuación, analizamos las principales fuentes de energía mecánica utilizadas en la generación de corriente alterna.

Centrales Hidroeléctricas

● Principio energético: transformación de la energía potencial gravitatoria del agua (almacenada en un embalse o presa a gran altura) en energía cinética (agua en movimiento) y, finalmente, en energía mecánica de rotación.

● Mecanismo: el agua se conduce a través de tuberías forzadas (conducciones) hacia una turbina hidráulica (como las turbinas Francis, Kaplan o Pelton). La fuerza del agua al impactar los álabes (cuchillas) de la turbina la obliga a girar.

● Vínculo técnico con el alternador: el agua es un fluido denso e incompresible. Las turbinas hidráulicas, por tanto, son máquinas de gran tamaño que operan a velocidades de rotación relativamente bajas (típicamente entre 100 y 750 r.p.m.).

Para generar 50 Hz a, por ejemplo, 500 r.p.m., la fórmula de la frecuencia (f) en función de la velocidad de giro (n) nos exige un alto número de polos:

p = (f · 60) / n = (50 · 60) / 500 = 6 pares de polos

Por esta razón, los generadores hidroeléctricos son siempre alternadores de polos salientes: máquinas de gran diámetro, longitud axial corta y un gran número de polos en el rotor.

Centrales Térmicas

Esta categoría incluye a las centrales de carbón, gas natural (ciclo combinado) y nucleares. Aunque la fuente de calor es diferente, el principio de generación es el mismo: usar vapor.

● Principio energético: transformación de la energía química (carbón, gas) o energía nuclear (fisión del uranio) en energía térmica (calor).

● Mecanismo:

1. El calor se utiliza para hervir agua desmineralizada en una caldera (generador de vapor) a presiones y temperaturas extremas.
2. Se obtiene vapor sobrecalentado (un gas a alta presión).
3. Este vapor a alta velocidad se dirige contra los álabes de una turbina de vapor, haciéndola girar a gran velocidad.

● Vínculo técnico con el alternador: el vapor es un fluido de baja densidad (un gas) que permite mover turbinas a velocidades de rotación extremadamente altas y constantes. Para sincronizarse con la red, estas velocidades son fijas. La más común para 50 Hz es 3.000 RPM (o 3.600 RPM para 60 Hz).

Por ejemplo, para generar 50 Hz a 3.000 r.p.m., el cálculo es:

p = (f · 60) / n = (50 · 60) / 3.000 = 1 par de polos

Estas velocidades tan altas generan fuerzas centrífugas inmensas. Por ello, se usan exclusivamente alternadores de polos lisos (o turboalternadores): máquinas con rotores cilíndricos, sólidos, de diámetro reducido y gran longitud axial, diseñados para soportar la alta velocidad.

Centrales Eólicas

● Principio energético: transformación de la energía cinética del viento (masas de aire en movimiento).

● Mecanismo: el viento impacta las palas del aerogenerador, provocando la rotación de un buje (el cubo central donde se ensamblan las palas). Este movimiento se transmite al generador.

● Vínculo técnico con el alternador: el principal desafío del viento es que su velocidad es variable. Esto es incompatible con una red de CA, que exige una frecuencia perfectamente constante. Los diseños actuales resuelven esto así:

1. Las palas giran a la velocidad variable que sea más eficiente para capturar la energía del viento.
2. El alternador (a menudo un generador síncrono de imanes permanentes) produce una CA de frecuencia y voltaje variables.
3. Esta CA se rectifica a CC.
4. Un inversor (electrónica de potencia) convierte esa CC de nuevo en una CA perfecta, sincronizada a 50 o 60 Hz con la red. En otros diseños, una multiplicadora (caja de cambios) aumenta la baja velocidad de las palas para mover un generador de inducción.

Grupos Electrógenos

● Principio energético: transformación de la energía química de un combustible (diésel, gasolina, gas natural).

● Mecanismo: un motor de combustión interna (similar al de un vehículo) quema el combustible. La expansión de los gases mueve los pistones, que hacen girar un cigüeñal. El eje de este cigüeñal se acopla directamente al eje del alternador.

● Vínculo técnico con el alternador: estos motores están diseñados para operar a una velocidad constante, controlada por un regulador de velocidad (governor), para garantizar una frecuencia de salida estable (ej. 1.500 o 3.000 RPM para 50 Hz).

No se usan para la generación de la red principal, sino para generación de emergencia (backup) en hospitales o edificios, o para generación aislada (off-grid) en lugares remotos. Son la fuente de energía en los generadores portátiles.

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