Conmutación en motores eléctricos
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Conmutación en motores eléctricos. Operación de invertir la corriente en una bobina del inducido del propio motor, este proceso es el responsable de la puesta en marcha, funcionamiento y estabilidad del mismo. La conmutación fue uno de los problemas más importantes con que se enfrentaron los proyectistas de máquinas de corriente continua y su solución fue esencial para el éxito de las mismas.
Sumario
Inversión de la corriente en la bobina del inducido
Cuando cada bobina de una dínamo pasa por una escobilla, se invierte repentinamente la corriente en dicha bobina, según indica la figura 1. El esquema (a) muestra la escobilla en contacto con una sola delga en el punto de potencia máximo intermedio entre los polos N y S. La puntas de flecha indican las dos corrientes iguales Ic que, viniendo del arrollamiento en sentidos opuestos, se unen para salir del mismo por la delga 3.
La operación de invertir la corriente en una bobina del inducido, se denomina conmutación. Cuando cada bobina de una dínamo pasa por una escobilla, se invierte repentinamente la corriente en dicha bobina, según indica la figura 1. El esquema (a) muestra la escobilla en contacto con una sola delga en el punto de potencia máximo intermedio entre los polos N y S. Las puntas de flecha indican las dos corrientes iguales Ic que, viniendo del arrollamiento en sentidos opuestos, se unen para salir del mismo por la delga 3. Las bobinas a, b, c, d, etc., son aparentemente las de un arrollamiento de anillo Gramme, pero si intenta que representen convenientemente las bobinas de cualquiera de los tipos de arrollamiento utilizados en las dínamos.
El esquema (b) representa el generador, una fracción de segundos después, con la bobina c cortocircuitada por la escobilla. La bobina c se encuentra ahora a mitad de camino de ambos polos y no corta flujo de ninguno de ellos. La corriente que circula en la bobina c se haya en este instante en el mismo estado que un volante en rotación desembragado y, según esto, comienza a extinguirse.
Un instante después, la delga 3 ha roto contacto con la escobilla como indica la figura 1 (c); la bobina c es repentinamente puesta en serie con el conjunto de bobinas que se encuentran frente al polo sur, y la corriente Ic procedente de estas bobinas tiene que circular ahora por la bobina c, esto es, la corriente en la bobina c se ha invertido. La operación de invertir la corriente en una bobina del inducido, se denomina conmutación.
Ahora bien, debido a la autoinducción, la bobina se opone a la inversión de la corriente, porque la corriente que circula por cada bobina crea un campo magnético local que rodea únicamente los conductores de dicha bobina.
Cuando la corriente en la bobina c se anula, su campo local desaparece y en la bobina se induce una fem que tiende a mantener la corriente, y cuando esta alcanza su valor primitivo en sentido inverso, el flujo local producido por dicha corriente crece y corta a los conductores de la bobina, induciendo en ellos una fem que se opone al crecimiento de la citada corriente. El valor de esta fem de autoinducción es inversamente proporcional al tiempo en el que se efectúa la inversión. Así, si en el instante en que la delga 3 está justamente rompiendo el contacto con la escobilla, la corriente en c circula aún en el mismo sentido que cuando se encontraba a la derecha de la escobilla, esta corriente tiene que invertirse en un tiempo que es prácticamente nulo; en consecuencia, la fem autoinducida que se opone a la inversión es muy grande y el resultado es que la corriente continúa circulando en el mismo sentido, es decir, de la delga 3 a la escobilla, aún después de haber perdido contacto. Este paso de corriente a través del aire entre delga y escobilla tiene lugar en forma de chispa y quema el colector. El continuo chisporroteo, si bien no es grave, produce un rápido deterioro del colector.
La conmutación fue uno de los problemas más importantes con que se enfrentaron los proyectistas de máquinas de corriente continua y su solución fue esencial para el éxito de las mismas.
Teoría de la conmutación
Se ha considerado ya el caso especial en que la corriente que circula por la bobina c permanece aproximadamente constante hasta el instante en que la delga 3 rompe contacto con la escobilla y es entonces obligada a cambiar de sentido en un tiempo prácticamente nulo. Este caso se presenta cuando la resistencia de la bobina, escobilla y contactos de ésta es muy pequeña. En la práctica, se utilizan generalmente escobillas de carbón y hay una resistencia apreciable en los contactos de la escobilla.
El efecto de esta resistencia es ayudar a la conmutación, porque como la superficie de contacto entre la delga 3 y la escobilla disminuye sin cesar hasta anularse, la resistencia de esta trayectoria aumenta continuamente (por ser la resistencia inversamente proporcional a la sección). Con ello la corriente que circula en dicha trayectoria se estrangula poco a poco, ayudando a invertir la corriente en la bobina c. Esta estrangulación, en las escobillas de elevada resistencia, ayuda a la conmutación, pero no es suficiente para constituir una solución del problema.
Polo de conmutación y su excitación
El tiempo disponible para la inversión de la corriente es el tiempo durante el cual la bobina está cortocircuitada por la escobilla. Lo que requiere realmente es, por consiguiente, producir de algún modo en dicha bobina, durante el tiempo en que está cortocircuitada, una fem de magnitud y sentido adecuados para ocasionar la inversión completa de la corriente en el tiempo disponible. Esto se consigue en la práctica colocando un pequeño polo, denominado polo de conmutación o interpolo, sobre la bobina cortocircuitada, como indica la figura 2.
La polaridad del polo de conmutación, en el caso de un generador, será, naturalmente, opuesta a la del polo del cual viene la bobina. Las gráficas de la figura 3 indican el comportamiento de la corriente que circula por la bobina para distintas condiciones de conmutación. Obsérvese que solo en un caso se realiza la conmutación dentro del intervalo de tiempo verdaderamente disponible. En todos los demás casos se ha sobrepasado dicho intervalo, debido a que el contacto de la escobilla y la delga 3 se prolonga por medio de una chispa.
La fem requerida para invertir la corriente en la bobina es directamente proporcional a dicha corriente; en consecuencia, la intensidad del polo ha de hacerse directamente proporcional a la corriente suministrada por el generador. Esto se cumple haciendo que la corriente que sale de la dínamo excite el polo de conmutación como se muestra en la figura 2.
La corriente de la máquina circula por unas pocas espiras de un hilo grueso de cobre arrollado sobre el interpolo y se tiene la precaución que haya bastante hierro en él para que no llegue a saturarse, cualquiera que sea la corriente que pueda esperarse proporcione el generador. En este caso, la intensidad del polo es directamente proporcional a la corriente de carga.
Los cálculos para proyectar el interpolo no son lo suficientemente precisos para permitir obtener al proyectista un polo de conmutación con una intensidad lo suficientemente correcta; por consiguiente, ha de ajustarse en la prueba de instalación mediante variación de la reluctancia del circuito magnético. Para facilitar este ajuste puede introducirse entre la carcasa y la base del polo de conmutación láminas de acero y latón. Si el interpolo es demasiado intenso, se quita una lámina de acero y se reemplaza por otra de latón. Otro método posible de ajustar la intensidad del polo de conmutación es modificar el número de espiras de la bobina excitadora; pero esto suele ser una alteración costosa, teniendo en cuenta el gran tamaño del conductor. Una vez que el polo de conmutación está ajustado de forma adecuada, permanece así indefinidamente.
Prácticamente, todos los generadores y motores modernos, excepto los de pequeño tamaño, están equipados con polos de conmutación, pero quedan aún en servicio muchas máquinas antiguas que carecen de interpolos. Cabe obtener una conmutación de este prácticamente libre de chispas, en generadores sin polos de conmutación, decalando las escobillas hacia adelante en el sentido de la rotación.Fuentes
Libro de texto: Electrotécnia. Fundamentos teóricos y aplicaciones prácticas. Autores: Alexander Gray. Y G.A Wallace
