Conmutación en máquinas eléctricas
La conmutación en máquinas eléctricas es necesaria puesto a que por medio de un colector se modifican constantemente el agrupamiento de las espiras que genera la f. e. m (fuerza electromotriz) de una dinamo.
Sumario
El problema de la conmutación
Para recoger una f. e. m. (fuerza electromotriz) continua en una dinamo, hemos visto que es necesario modificar constantemente el agrupamiento de las espiras, lo que se realiza por medio del empleo de un colector.
En cada escobilla terminan dos vías de arrollamiento que consumen en paralelo en el circuito exterior. En el momento del paso por debajo de una línea de escobillas, la corriente en una sección debe invertirse, realizándose esto durante tiempo muy corto (del orden de 1/1.000 de s.) que dura la puesta en cortocircuito de la sección en «conmutación» para la escobilla que «cabalga» en dos láminas sucesivas del colector. Se concibe que al querer hacer «saltar» de una lámina a otra una corriente que debe cambiar de sentido en una parte del arrollamiento dotado de inducción propia, se encuentren dificultades que se traduzcan por chispazos entre las escobillas capaces de deteriorar el colector.
Teoría de la conmutación
Para simplificar la exposición en caso de que la anchura de una escobilla sea exactamente igual a la de una lámina (en realidad una escobilla cubre generalmente varias láminas, no haciéndose esto más que por motivos de su resistencia mecánica). Los gráficos de las figura 1 y figura 2 representan cómo varía la corriente i en la sección AB en conmutación, cuando las láminas del colector reunidas por sus extremidades pasan por debajo de la escobilla.
Tiempo que dura la conmutación
En el tiempo que dura la conmutación, la corriente i pasa del valor Ìa al -Ìa. Representados, en función del tiempo, la curva de variación de la corriente i. Es fácil hacer aparecer las corrientes i1 = ia + i e i2 = Ia - i en los hilos de conexión.
Las superficies s1 y s2. de las láminas del colector, en contacto con la escobilla, son proporcionales a tT y a Ot y las densidades de corriente entre las láminas y las escobillas son proporcionales a tang ɑ1, y tang ɑ2.
Obtener una buena conmutación
Para obtener una buena conmutación, es preciso que la densidad de corriente no exceda de un cierto límite, pues si no, al ser el caldeo del cobre y de la escobilla proporcional al cuadrado de la densidad de corriente, se produce una volatilización de partículas metálicas y aparecen chispazos.
Es de notar que si la corriente i1 se anula en el momento en el que la lámina deja de estar en contacto con la escobilla, no existe ninguna corriente que cortar; si por el contrario existe una corriente residual que cortar, se produce un chispazo de ruptura (caso en que la curva i(t) no pasa por el punto P).
En esta sección, aparece una fuerza electromotriz e debida al desplazamiento de los conductores en el campo constante producido por el inductor, el inducido y eventualmente en los polos auxiliares y una f. e. m. (fuerza electromotriz) debida a la variación de la corriente en las espiras de la conmutación.
Esta f. e. m. (fuerza electromotriz) es propia aparente, teniendo en cuenta las inducciones mutuas con las otras espiras en las cuales la corriente varía.
Denominemos R0 a la resistencia de la sección, r a la resistencia de los hilos de conexión v1, v2, respectivamente a las caídas de tensión al producirse el contacto de las láminas con las escobillas. Las caídas de tensión v1, v2 no obedecen a la ley de Ohm y se hacen difíciles de determinar. Se puede admitir con bastante aproximación que son constantes y del orden de 1 a 2 voltios.
Una conmutación perfecta sería aquella para la densidad de corriente entre el colector y escobillas fuese constante. Esto hubiese tenido lugar si la curva i(t) fuese una línea recta.
Medios utilizados para mejorar la conmutación
Una vez que la potencia de una máquina excede de unos kilovatios, k tensión de reactancia se hace relativamente importante (superior a 0,5 voltios) por lo que se hace necesario hacer aparecer en la sección de conmutación una fuerza electromotriz e destinada a compensarla. Esto es nescesario puesto si se quiere tener una conmutación perfecta.
Decalaje de las escobillas
Decalando las escobillas en el sentido de rotación de la máquina, se hace aparecer entre las espiras en conmutación que no se mantienen en la línea neutra, una f. e. m. (fuerza electromotriz) que tiene el sentido de la corriente en la vía del arrollamiento que sigue a las escobillas. La f. e. m. (fuerza electromotriz) de inducción propia tiende a oponerse a las variaciones de corriente, ésta tiene el sentido de la corriente en la vía del arrollamiento que precede a las escobillas, puesto que tiende a prolongar la corriente citada. Se ve, así, que las dos f. e. m. (fuerza electromotriz) se oponen y en compensarse para un decalaje conveniente de las escobillas.
Importancia del decalaje
El decalaje de las escobillas, destinado a mejorar la conmutación, se hace en el sentido de la rotación a partir de la línea neutra en carga. Si las escobillas quedasen caladas sobre la línea neutra en vacío (situada antes de la línea neutra en carga), las espiras en conmutación serían el medio donde se desarrollaría una f. e. m. (fuerza electromotriz) inducida, del mismo sentido que la f. e. m. de inducción, lo que dría a acentuar las dificultades de la conmutación.
El decalaje de las escobillas es un medio simple, pero imperfecto. El reglaje no puede ser utilizable más que para una carga dada y no debe quedar satisfecho con el uso de una posición media. Además, el sentido del decalaje depende del sentido de la rotación de la generatriz; éste cambia igualmente cuando se pasa del funcionamiento como motor al funcionamiento como generatriz sin cambiar el sentido de la rotación (caso del frente eléctrico). El decalado de las escobillas es en este caso un procedimiento inutilizable para las generatrices (o los motores) que deben girar en los dos sentidos, y para las máquinas destinadas a trabajar, tanto como generatrices que como motores, siguiendo el mismo sentido de rotación.
Polos de conmutación
En las máquinas que suministran una tensión o una potencia un poco elevada, se mejora la conmutación dejando las escobillas caladas sobre la línea neutra en vacío, pero creando en las espiras de conmutación una fuerza electromotriz de cambio de sentido. Para ello se colocan encima de estas espiras los polos auxiliares que tienen la polaridad de los polos principales que les siguen durante el movimiento de la máquina (estos deben crear un campo del mismo sentido del que se había de encontrar bajo la esquina polar siguiente al decalar las escobillas).
Para obtener una f. e. m. (fuerza electromotriz) de cambio de sentido proporcional a la intensidad consumida por la máquina (la tensión de reactancia y la f. e. m. inducida por la reacción del inducido en las espiras en conmutación son proporcionales a la intensidad consumida), se excitan los polos de conmutación por algunas espiras en serie con el arrollamiento del inducido y se les dimensiona de manera que no alcancen la saturación.
Es de notar que el polo de conmutación y el arrollamiento de compensación se parecen desde ciertos puntos de vista; tienen el mismo eje y son recorridos por la corriente consumida por la máquina. Sus funciones son sin embargo diferentes.
El polo de conmutación, es siempre muy delgado y tiene un efecto localizado en la zona de conmutación. No suprime la distorsión de las líneas de inducción debidas al campo transversal del inducido. El arrollamiento de compensación, por lo contrario, domina sobre el conjunto del inducido. Su misión es esencialmente suprimir la distorsión para evitar las diferencias de potencial excesivas entre las láminas que pudiesen producir los «flashes» cuando el flujo transversal es importante respecto al flujo inductor; ello no elimina las dificultades propias de la conmutación. En la práctica, todas las máquinas «compensadas» están provistas también de polos de conmutación, lo que representa por otra parte un gasto mucho menor que el de un arrollamiento de compensación.
Fuentes
Jacques Thurin. Funcionamiento y empleo de las maquinas eléctricas. Editorial GREFOL, 1975, Pág. 62-66.
