Conmutacion en Motores

Todas las maquinas independientemente del tipo generador o motor para convertir energía mecánica en eléctrica o viceversa, o maquinas dependientes de la clase de flujo eléctrico como las DC, en su interior mantienen circulación de corrientes alternas, entonces nos preguntamos como es que a su salida obtenemos corriente directa, esta funcionalidad es debida a un mecanismo llamado conmutador el cual se encarga de convertir tensiones ac internos en tensiones dc externos en su terminales de salida.

En base a esta apreciación la maquina de corriente directa también recibe el nombre de maquina de colector o conmutada

Ejemplo Basico para ilustrar este ejemplo:

Un espira sencilla que rota

Como podemos ver atravez de este grafico, este es el ejemplo cotidiano de una maquina que genera energía de tipo eléctrica, su constitución a primera vista es muy simple, observamos dos imanes ubicados polo sur vs polo norte espaciados por un conductor en forma de espira, este montaje puesto en acción girando por medio de la aplicación de alguna fuerza externa, generaría un senal sinusoidal del siguiente tipo:

Ahora nos preguntamos pero como es que este tipo de maquina tan simple puede llegar a producir una señal de este tipo?

Pues la respuesta no es tan compleja, el montaje trabaja de la siguiente manera, por medio de una fuerza externa que permita el giro de la espira, y de su interaccion con los imanes se producirá un campo magnetico que sobre el conductor inducirá una corriente. Como podemos ver en la grafica, esta senal se produce a lo largo de un giro de 360°.

Durante este giro dependiendo de la posición y con base en la receta básica de la producción de una fuerza electromotriz obtenemos como resultado final una corriente de tipo alterna que no se encuentra rectificada, muchos pueden pensar y el conmutador en donde esta? Todo esta explicación es un repaso a groso modo para dar a entender con mayor claridad el trabajo que ejecuta este mecanismo.

Ahora la idea es buscar la forma de generar una señal de tipo dc, aquí es donde entra a funcionar el conmutador

Como podemos ver en este diagrama, a el montaje simple de la escobilla ya visto, se agregaron dos segmentos de platinas semicirculares que reciben el nombre de colector y dos contactos también llamados escobillas dispuestos de tal forma que cuando la fem generada sea cero se cortocircuiten, este concepto es el plano neutro ya tratado en clase. Esta disposición permite que cada vez que la tensión en la espira cambia de dirección, los contactos cambian las conexiones.

Cabe aclarar que en este montaje las terminales de salida siempre están dispuestas de la misma manera, el proceso anterior recibe el nombre de conmutación, los segmentos semicirculares rotantes se denominan segmentos de conmutación y los contactos fijos se llaman escobillas.

Finalmente atravez de la implementación de este sistema obtenemos una señal de este tipo:

Es una señal de corriente directa que por medio del proceso de conmutación esta rectificado, en clases pasadas este modelo fue visto como un rectificador de tipo mecánico.

En Resumen

La conmutacion es el proceso de cambiar las conexiones de la espira del rotor de una maquina dc justamente cuando el voltaje en la espira cambia de polaridad, para mantener un voltaje de salida dc constante.

Problemas de Conmutacion en Maquinas Reales DC

Es importante tener en cuenta que las maquinas que encontramos en nuestra vida cotidiana, no tienen un montaje como el ya expuesto. Lo mas posible es encontrar maquinas DC reales en las cuales debemos tener en cuenta ciertos factores que pueden entorpecer el proceso de conmutación como: .(Preambulo para Problemas de Conmutacion)

• La reacción del Inducido
• Las Tensiones L di/dt

A continuación procedemos a dar a conocer a profundidad estos problemas y soluciones para corregirlos.

La reacción del inducido (Efecto)

Basicamente este tipo de maquinas constan de un estator donde se ubican los polos magneticos que varian dependiendo de la clase de motor, y el inducido donde se encuentran una serie de conductores o espiras. Al inducir una carga sobre el rotor se produce un campo magnetico propio que altera el campo magnetico creado a apartir de los imanes dispuestos, cuando se incrementa la carga este es el efecto que recibe el nombre de reacción del inducido

El efecto de reacción del inducido incide en:

• Desplazamiento del plano neutro, el plano neutro es la ubicación de las escobillas de tal forma que los alambres del rotor estén en paralelo con el flujo magnetico.

En un generador el desplazamiento del plano neutro, se produce en dirección del movimiento del rotor, en un motor el desplazamiento del plano neutro se produce en dirección contraria al giro del rotor.

El desplazamiento del plano neutro depende de la carga aplicada a la maquina y de la corriente rotorica

Finalmente la conclusión a la que podemos llegar sobre el desplazamiento del plano neutro.

Es necesario que el conmutador cortocircuite los segmentos de conmutación en el momento en que la tensión circulante es igual a cero. Si se ubican las escobillas en el plano neutro, el voltaje es cero mientras la maquina se mantenga en vacio, cuando se cargue el plano neutro se va a descompensar, y al revez esta descompensación produce el aumento de una tensión finita atravez del corto cuito en los segmentos de conmutación.

El resultado final es un flujo de corriente circulante entre los segmentos corto cricuitados y grandes chispas en las escobillas cuando se interrumpe el camino de la corriente al abandonar la escobilla un segmento.

Esto repercute en la reducción de la vida de trabajo de las escobillas y los segmentos de conmutación.

En casos extremos la reacción del inducido puedo producir un desplazamiento del plano neutro tal que puede producir flameo en los segmentos de conmutación cerca de las escobillas, ocurre porque cuando la tension en los segmentos de conmutación es muy alta, este flameo puede llegar a fundir la superficie del colector.

• Debilitamiento de Campo (Por la reacción del inducido)

Para dar explicación a este efecto es necesario conocer que la mayoría de maquinas operan a densidades de flujo cercanas a su punto de saturación, esto repercute en el aumento o disminución del flujo dependiendo de la ubicación en el motor:

Si observamos el estator, específicamente las caras polares, aquí ocurre un incremento del flujo magnetico, esto se debe a que a la fuerza magneto motriz del rotor se adiciona a la fuerza magneto motriz del polo, en cambio por otro lado se presenta una gran disminución del flujo en los sitios superficiales polares donde la fuerza magneto motriz del rotor se resta con la fuerza magntomotriz del polo. Y teniendo en cuenta estos dos efectos el resultado final es la disminución del flujo promedio total bajo la cara polar completa

Como conclusión final el debilitamiento del flujo magnético afecta tanto a motores como a generadores, en los generadores como resultado la tensión entregada disminuye, pero en el caso de los motores, las consecuencias son más drásticas, si el flujo magnetico disminuye aumenta su velocidad como pudimos verlo en el laboratorio, en el caso del motor tipo shunt. Es importante tener en cuenta que en motores de tipo derivación dc, este debilitamiento del flujo magnetico puede producir un desvocamiento tal que la maquina puede llegar a desarmarse o desconectarse de la linea de potencia.

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