Los primeros generadores industriales

Una modificación de una parte de los incipientes generadores, como es el inducido, supuso un gran paso en su desarrollo. El descubrimiento del "inducido de tambor" por la empresa Siemens & Halske permitió construir máquinas que aprovechaban mucho mejor la energía utilizada para convertirla en eléctrica. A cada lado del Atlántico se desarrollaron dos potentes industrias electrotécnicas, dirigidas y tuteladas por dos "monstruos" de la ingeniería eléctrica. A este lado Werner von Siemens, al otro Thomas Alva Edison.

Cuando se proyectaba una nueva máquina no se disponía de antecedentes de cálculo. En cada modelo de gran tamaño, la labor de tanteo y desarrollo se realizaba por pura intuición. Si, por ejemplo, el devanado se calentaba en exceso se sustituía el conductor que lo formaba por otro de más sección. Siguiendo esta fórmula se procedía en todos los demás pormenores. No había comprobación, prueba o constatación en la que no apareciesen inconvenientes o se produjesen incidentes.

En los diez primeros años que siguieron al descubrimiento del principio dinamoeléctrico, no podía hablarse todavía de una fabricación basada en esta innovación. Pero los problemas se fueron subsanando y la fabricación de máquinas originó una prometedora industria, creando Edison un generador, llamado por él mismo Jumbo, de 27 toneladas de peso. La energía generada se utilizó, durante varios años, casi exclusivamente para alumbrado. Primero con lámparas de arco y más tarde de incandescencia. Se iluminaron al principio tramos de avenida o plazas, luego calles enteras, a continuación, palacios, jardines y teatros pasando después a hipódromos o establecimientos comerciales. La lámpara de incandescencia popularizó el consumo de luz eléctrica a nivel privado y poco a poco el gas fue sustituido por electricidad, como éste había sustituido a las velas y como más tarde sería sustituido el vapor como fuerza motriz por la electricidad.

De todas maneras los primeros pasos de la iluminación no fueron un camino de rosas, al igual que en la construcción de máquinas surgían unos tras otros y cuando se anunciaba un nuevo alumbrado público, con motivo de alguna celebración, el desasosiego se apoderaba de los responsables al no saber por qué, cómo y cuándo fallaría.

Los defectos se fueron eliminando, los problemas solventando y las aristas puliendo. Pero un problema comenzó a vislumbrarse: la demanda aumentaba, pero los conductores aguantaban cantidades muy reducidas de corriente, y el transporte era imprescindible para distribuir la corriente desde grandes centrales, que abarataban los costes de producción, a los más pequeños y lejanos consumidores.

Este tipo de corriente (continua) empezaba a tener un techo insalvable: la distribución.

En 1882 Edison instala tres generadores tipo Jumbo en New York, de 125 C.V. cada uno, que producían corriente para 5.000 bombillas en 225 casas. La electricidad era objeto de consumo por lo que se comenzó a ofrecer dejándola a la entrada de las viviendas.

EL DEVANADO DE TAMBOR

En el año 1872 se construyó un inducido que vuelve a dar un nuevo empuje al desarrollo de la máquina eléctrica.

Es por esta época cuando la fábrica de Siemens, que a la sazón se conocía comercialmente como Siemens & Halske, tenía como constructor jefe al ingeniero Friedrich von Hefner - Alteneck. Es por esta razón por la que este ingeniero se ocupó intensamente en el estudio y proyecto de un modelo que mantuviese a salvo las ventajas del inducido de doble T (propio de la casa Siemens) frente al arrollamiento anular (característico de Gramme). Este arrollamiento en anillo adolecía de un defecto: las partes de las espiras colocadas en el interior del anillo constituían un inconveniente, resultaban ineficaces, y para lo único que servían era para aumentar la resistencia del bobinado.

F. von Hefner - Alteneck volvió a utilizar el cilindro macizo de doble T, suprimió las dos ranuras profundas donde se alojaban las espiras y situó éstas en la superficie del cilindro, paralelas al eje, cruzándose luego en las bases todas las bobinas (fig. 1).

En uno de los extremos se colocaba el anillo segmentado, colector múltiple y, los dos extremos de cada bobina se unían a dos de los elementos del colector, diametralmente opuestos.

Fig.1. Bobina de tambor. Este dibujo representa una bobina rudimentaria, con tan sólo cuatro elementos. El colector y las escobillas son semejantes a las de la máquina Gramme.

 Esto era, y es, el conocido como "arrollamiento de tambor" que se abrió paso rápidamente en los años siguientes.

Con anterioridad ya se comentó el enorme calentamiento del hierro del inducido y el consiguiente consumo de energía asociada. Esto sigue siendo el gran inconveniente de las máquinas dinamoeléctricas. Poco a poco los investigadores observaban que este problema era debido a las ya conocidas como "corrientes de Foucault", por haber sido este físico francés el descubridor, corrientes parásitas producidas en el hierro del inducido en movimiento.

El constructor jefe de la empresa Siemens & Halske, propugnó una solución drástica: hizo girar sólo el devanado con el colector, entre los polos inductores y el núcleo del inducido, fijo.

Desde el punto de vista constructivo y de funcionamiento, esta solución era muy delicada pues había de girar un cilindro hueco de alambre, a gran velocidad, en un mínimo espacio o entrehierro. Aunque el sistema no prosperó comercialmente, las pruebas demostraron que ese calentamiento era debido a las corrientes parásitas. Con ese montaje, los generadores proporcionaban la misma potencia consumiendo mucho menos energía, pero además la máquina se mantenía a unas temperaturas bajas.

Las dificultades, no superables, de un inducido hueco hizo volver al sistema de hacer girar el conjunto del hierro y bobinas del inducido.

La forma de resolver el problema del calentamiento fue dividiendo el hierro, perpendicularmente al eje del generador y en consecuencia transversalmente a la dirección de las corrientes parásitas interceptando sus trayectorias. De esta forma se arrolló un alambre fino, formando el núcleo de hierro del tambor, sobre el cual se hallaban las bobinas entre sí, por una capa de esmalte.

De esta manera se limitaban las corrientes parásitas a valores considerados despreciables, pero tenía como contrapartida una construcción mecánicamente poco sólida, en la cual tenían importancia básica materiales tan poco electrotécnicos como madera, cola y bramante.

Un importante paso en la construcción de máquinas eléctricas se dio al sustituirse este inducido, con soporte de madera, por lo que hoy se conoce como "paquete de chapas". Según se tratase de un inducido de anillo o de tambor, se colocaban unas sobre otras, láminas finas en forma de anillo o circulares, separadas entre sí por un papel que aislaba una chapa de otra. El conjunto se transformaba en una pieza sólida mediante unos anillos de sujeción. Sobre este cuerpo, así construido, se montaba el bobinado inducido y el conjunto sobre un eje mecánico.

Por el plano de las chapas, sin inconveniente ninguno, podían penetrar las líneas magnéticas del campo, mientras que perpendicularmente al mismo se dificultaba el paso de las corrientes parásitas.

Había surgido la chapa magnética de una importancia capital en la construcción de máquinas eléctricas, así como para la industria siderúrgica.

La manera de arrollar las bobinas, así como la forma de aislar los conductores, tomó el nombre de "bobina Siemens". Al igual que en la máquina Gramme los colectores recogían las corrientes inducidas en las bobinas y llevadas en su totalidad a dos conductores.

Surgieron dos tipos de máquinas de las factorías Siemens de Berlín, las del tipo horizontal y las del tipo vertical. En la fig. 2 se indican los elementos que constituyen esta máquina de Siemens. AA' son los electroimanes creadores del campo magnético, con la armadura E que envuelve a las bobinas de inducción que giran alrededor de su eje, por medio de una correa que actúa sobre la polea P, arrastrada por una máquina de vapor.

El hilo que se arrolla alrededor de BB' es único, solamente que dividido en varias secciones, reunidos sus extremos y soldados a una pieza metálica CC' formando el conjunto, de estas piezas, el colector al igual que en la máquina de Gramme. El colector está compuesto de un cierto número de placas de cobre, situadas alrededor de un eje común y separadas unas de otras por placas aislantes de cartón de amianto.

Fig. 2. Corte de una máquina Siemens, tipo horizontal.

El colector recoge las corrientes desarrolladas en las bobinas y estas corrientes son llevadas a un conductor general que da salida a la corriente producida en la máquina.

Este tipo de máquinas fueron fabricadas en serie a partir de 1877. Las máquinas dinamoeléctricas de Siemens se emplearon en Alemania como generadores para alimentar las lámparas de arco, inventadas por el mismo Werner von Siemens, conocidas como "lámparas diferenciales". Estas lámparas compitieron con las utilizadas desde hacía tiempo en toda Europa y denominadas "Bujías Jablochkoff".

No sólo Alemania aceptó estas lámparas, también ciertas ciudades de Inglaterra y hasta en la misma Francia (donde la competencia estaba muy implantada). Así el Eden Théátre en la calle Boudreau de París, construido en 1882, iluminaba parte de su sala y su fachada con lámparas Siemens.

No fue sólo Siemens el que partiendo de la dinamo Gramme, la mejoraron y aportaron nuevas disposiciones, sino que otros como Lontin en Francia o Brush en EE.UU., variaron la máquina dinamoeléctrica del inventor del devanado anular.

 LA MAQUINA DE EDISON

Hasta el momento sólo se han citado inventores y países europeos en el desarrollo de los generadores eléctricos, pero al otro lado del Atlántico también se trabajaba sobre el tema, intercambiando información y experiencias a través del océano.

En América, el desarrollo de la industria eléctrica estaba protagonizado por Thomas Alva Edison, conocido en general por el invento de la lámpara de incandescencia. Sin embargo, también contribuyó al desarrollo del generador eléctrico.

La máquina de Edison era una combinación de las máquinas de Gramme y de Siemens, pero a gran escala. De alguna forma fue ésta la tendencia de la técnica estadounidense entre los últimos años del XIX y bastantes del XX, construir más grande o más alto que los demás. Como ejemplo sus gigantescos rascacielos.

Fig. 3. Máquina generadora de Edison, tipo ordinario.

La electricidad como fuente de energía seguía siendo en EE.UU. como en Europa un proceso de tipo particular, es decir, producir y consumir en el mismo lugar. La corriente continua no era adecuada para ser transportada a una cierta distancia.

Para las instalaciones privadas, talleres y casa, Edison proporcionaba a los particulares unos generadores de dimensiones ordinarias. En la fig. 3, se presenta la máquina de Edison más comercializada y más conocida. Esta máquina precisaba 1 C.V. de potencia por cada 8 lámparas que alimentaba. Esta máquina era similar, en los principios esenciales, de las máquinas dinamoeléctricas. Esta se reducía a una bobina Siemens identificada por B que gira gracias a una correa accionada por una máquina de vapor, que actúa sobre la polea C. Esta bobina de inducción gira entre los polos de dos grandes electroimanes EE', verticales. El colector D, al igual que en las máquinas Gramme y Siemens, recoge la corriente inducida y la saca al exterior a través de los conductores p y p'.

El campo magnético era creado por unas corrientes de excitación que circulan por los hilos que rodean a las columnas EE'. Esta corriente es una pequeña parte de la energía o principal. (Generador de corriente continua de excitación derivación).

Un elemento característico de la dinamo Edison era el "regulador", mecanismo capaz de activar o moderar la corriente suministrada a las lámparas.

La lámpara situada en la parte superior de la máquina, conectada al regulador, da al operario de la dinamo, por su brillo, el grado de luminosidad que está proporcionando a las lámparas, que no las puede ver por estar fuera del recinto donde se encuentra el generador.

Tal vez la importancia de Edison, en el campo que aquí se trata, sea la de fabricar grandes máquinas generadoras que de una sola vez son capaces de transformar 120 caballos de vapor de potencia mecánica en eléctrica, pues en las máquinas más pequeñas no aportó nada que no se conociera en Europa.

Estas grandes máquinas eran movidas por varios motores de vapor y permitían abaratar costes de producción de energía, con vistas al alumbrado, estando situados en una central productora central.

Estas dinamos "faraónicas" no tenían un interés práctico, aparte de comprobar que la producción de energía podía crecer considerablemente, porque la transmisión en corriente continua y baja tensión presenta unas pérdidas excesivas.

Edison construyó un verdadero "monstruo", para aquellos años, 1881, una dinamo bautizada como Jumbo (fig. 4) capaz de alimentar ¡1.200 lámparas de incandescencia! (La lámpara de incandescencia se había inventado dos años antes). Un año más tarde la estación generadora de Pearl Street (New York) con seis Jumbo, alimentaba toda una manzana por medio de cables subterráneos.

Fig. 4: Dínamo Edison movida por vapor, de 27 Tm. de peso que alimentaba 1200 lámparas de 110 voltios llamada "Jumbo". Fue la primera planta de energía central en los Estados Unidos. Estaba ubicada en 255-257 de Pearl Street en Manhattan.

Las máquinas generadoras del último cuarto de siglo transformaban ya entre el 80% y el 90% del trabajo mecánico desarrollado sobre el árbol de arrastre. Era ya un rendimiento muy superior a cualquier rueda, bomba, turbina o aparato hidráulico que transformaba la energía de un salto de agua en mecánica.