Un metadino es una máquina eléctrica de corriente continua con dos pares de escobillas . Puede utilizarse como amplificador o transformador rotatorio . Es similar a un dinamo de tres escobillas , pero tiene bobinados reguladores o "variadores" adicionales. También es similar a un amplidino, excepto que este último tiene un bobinado compensador que contrarresta por completo el efecto del flujo producido por la corriente de carga . La descripción técnica es "una máquina de corriente continua de campo cruzado diseñada para utilizar la reacción del inducido ". Un metadino puede convertir una entrada de voltaje constante en una salida de voltaje variable y corriente constante.
La palabra metadina se deriva de las palabras griegas para conversión de potencia. [1] Aunque se cree que el nombre fue acuñado por Joseph Maximus Pestarini ( en italiano Giuseppe Massimo Pestarini) en un artículo que presentó al Concurso Internacional Montefiore en Lieja , Bélgica en 1928, el tipo de máquina que describía se conocía desde la década de 1880. La primera patente británica conocida para un generador de campo cruzado de corriente continua fue obtenida por AI Gravier de París en 1882, y otras dos patentes fueron obtenidas por E. Rosenberg en 1904 y 1907. [2] Rosenberg más tarde se convirtió en el ingeniero eléctrico jefe de Metropolitan-Vickers , y su máquina produjo un campo cruzado aplicando un cortocircuito a un conjunto adicional de escobillas. [3] M. Osnos estudió los arreglos prácticos para varias de estas máquinas en 1907, [4] y en el mismo año, Felton y Guilleaume obtuvieron una patente británica, número 26.607, que describía devanados auxiliares, devanados de inducido y conmutadores múltiples, aunque todos en términos bastante generales. También indicó que podrían usarse para transformar un voltaje constante en una corriente constante. [2] Otras patentes fueron obtenidas antes de 1910 por Mather & Platt , Brown Boverei y Bruce Peebles . [5]
Pestarini trabajó en el desarrollo de la teoría de tales máquinas entre 1922 y 1930, aunque se concentró en sus características estáticas, en lugar de sus características dinámicas. [4] Contribuyó con tres artículos sobre el tema a la Revue Générale de l'Electricité en 1930, [5] que incluían algunas aplicaciones prácticas. La principal fue el uso de la salida de corriente constante para el control de motores de tracción en vehículos eléctricos y el funcionamiento de grúas, áreas en las que tenía cierta experiencia práctica, después de ensayos en conjunto con la compañía Alsthom en Francia. [6] En 1930, hizo un viaje a Gran Bretaña, y la compañía Metropolitan-Vickers tomó sus ideas y desarrolló un sistema funcional. [4] A diferencia de la solución de Rosenberg, Pestarini, quien más tarde se convirtió en profesor en el Istituto elettrotecnico nazionale Galileo Ferraris en Turín , conectó las escobillas adicionales a una fuente externa para producir un metadino transformador. [3] La máquina funcionaba como un amplificador de voltaje a corriente porque el flujo generado por la corriente en la carga se oponía al flujo en el circuito de control. [4] El trabajo de desarrollo en Metropolitan-Vickers en la década de 1930 fue dirigido por Arnold Tustin , y la compañía poseía las patentes británicas para Metadyne. [7]
Pestarini también visitó los Estados Unidos en 1930, aunque no hay registro de que el sistema se utilizara allí. Los ingenieros de General Electric , dirigidos por Ernst Alexanderson , estaban interesados, pero modificaron el diseño añadiendo un devanado compensador, que contrarrestaba el efecto del flujo producido por la corriente de carga. Esto convirtió a la máquina de un amplificador de tensión a corriente en un amplificador de tensión a tensión, y llamaron a la nueva variante Amplidyne . Los costes de desarrollo fueron financiados en gran parte por contratos navales estadounidenses para el desarrollo de estabilizadores verticales, que se utilizaban para mejorar la puntería y el disparo de los cañones en los barcos. [4] Durante el mismo período, la Macfarlane Engineering Company, con sede en Glasgow, desarrolló una variante de la máquina de campo cruzado de forma bastante independiente, a la que llamaron Magnicon . [ 8]
Pestarini presentó una patente para la máquina metadina en Francia el 14 de enero de 1932 y la presentó a la Oficina de Patentes de los Estados Unidos a finales de ese año, el 23 de diciembre. La patente estadounidense fue concedida el 30 de enero de 1934. [9] Presentó una segunda patente estadounidense para una máquina mejorada en noviembre de 1946, que fue concedida el 10 de junio de 1952. [10]
El diagrama muestra tres disposiciones de una máquina metadina. En todos los casos, se han omitido los devanados de compensación para mayor claridad. La primera disposición representa una máquina de campo cruzado de un ciclo. En una máquina de CC normal, el efecto de la corriente de excitación genera un flujo (A1), que a su vez genera un flujo en cuadratura que forma un ángulo recto con respecto al flujo de excitación. Al conectar las escobillas en cuadratura, se produce corriente en la armadura, y el flujo que esto produce (A2) forma nuevamente un ángulo recto con respecto al eje de cuadratura, lo que da como resultado una reacción de la armadura que se opone directamente a la excitación original. Esta característica es fundamental para la máquina y no depende de su dirección de rotación. Cuando la reacción de la armadura se compensa parcialmente con un devanado de compensación, la parte no compensada de la reacción de la armadura actúa de esta manera. [11] A medida que aumenta la corriente de salida, suprime el efecto de la excitación, hasta que alcanza un estado en el que hay suficiente excitación para mantener la corriente. Cualquier aumento adicional eliminaría el flujo que sustenta su funcionamiento, y la corriente se mantiene independientemente de la resistencia de la carga o de la fuerza contraelectromotriz producida por ella. La máquina actúa así como un generador de corriente constante, donde la corriente es proporcional a la excitación. [12]
El segundo diagrama muestra una máquina sin bobinado de excitación, pero en su lugar se aplica un voltaje constante a las escobillas en cuadratura. Esto produce un flujo similar al producido por la rotación de la armadura en el flujo de excitación del primer ejemplo. El funcionamiento de la máquina es, por tanto, muy similar, ya que la corriente de salida aumenta hasta que el flujo que produce casi contrarresta el flujo generado por el voltaje aplicado. Tustin ha demostrado que la potencia de entrada y de salida son las mismas, por lo que la máquina transforma la entrada de voltaje constante en una salida de corriente constante. Al igual que con el generador metadino, el transformador metadino se puede compensar parcialmente y seguirá funcionando como un dispositivo de corriente constante hasta que la compensación supere el 97 por ciento. [13]
El tercer diagrama muestra un metadino conectado a dos motores separados, y esta disposición se utilizaba a menudo para el control de motores de tracción en trenes eléctricos. Conectarlos de esta manera reduce la carga efectiva en el metadino y permite instalar una máquina más pequeña. El metadino actúa como un "amplificador positivo o negativo". Si Vcc es el voltaje de suministro y V2 es el voltaje de salida del metadino, entonces el voltaje total a través de la carga puede variar de 0 a 2 Vcc, ya que V2 varía entre −Vcc y +Vcc. Aunque el sistema es propenso a que las corrientes en las dos mitades de la carga se desequilibren, esto se puede corregir mediante la provisión de bobinados en serie adicionales, que actúan como una resistencia de circuito adicional. [14]
El generador Rosenberg es muy similar al generador Metadyne, tanto en su construcción como en su conexión eléctrica. Generalmente no tiene un devanado de compensación, de modo que toda la reacción del inducido se opone a la excitación inicial. Partes del circuito magnético normalmente no están laminadas, lo que crea retrasos entre excitaciones y flujos, pero las máquinas se utilizan en aplicaciones donde una respuesta rápida no es esencial. Su uso predominante ha sido en trenes, donde son impulsados por ejes, y se utilizan para proporcionar iluminación y la carga de baterías. [15] Un generador impulsado por ejes está sujeto a velocidades variables y cambios en la dirección de rotación, pero las características de la máquina le permiten producir energía útil hasta velocidades muy bajas. A velocidades bajas, el voltaje de salida aumenta con el cuadrado de la velocidad, pero el circuito magnético pronto se satura, lo que resulta en aumentos mucho menores a medida que aumenta la velocidad. Cuando se utilizan en circuitos que incluyen baterías cargadas desde la salida, normalmente se requiere un rectificador o un corte de corriente inversa para evitar la descarga de las baterías a través del generador a velocidades muy bajas, o cuando el tren se detiene. [16]
El Magnicon, desarrollado por Macfarlane's en Escocia, es similar al Metadyne, pero mientras que este último tiene un devanado de inducido de dos polos, el Magnicon tiene un devanado de solapa de cuatro polos y, a veces, se lo conoce como Metadyne con un devanado de inducido de paso corto. Se han suministrado para operar polipastos y cabrestantes en barcos. [17] El estator de un Magnicon tiene cuatro proyecciones polares, espaciadas a 90 grados, y un par de ellas está excitado. El par de escobillas que están en el mismo eje que los polos excitados están en cortocircuito, lo que da como resultado una gran corriente. La fuerza magnetomotriz (FMM) de esta corriente actúa sobre los polos no excitados, creando un flujo de trabajo (Φ) y el voltaje de salida. Al igual que con un Metadyne de paso completo, la reacción de inducido de la corriente de salida está desfasada 90 grados y, por lo tanto, se opone a la excitación original. [18] Las ventajas sobre el Metadyne normal son que el número de bobinas de excitación y compensación se reduce a la mitad, a dos cada una por ciclo, y el paso más corto de las bobinas da como resultado un menor saliente en los extremos de los devanados. Sin embargo, el diseño crea corrientes de reposo en la armadura, que resultan en pérdidas, y en máquinas más grandes, donde se requieren interpolos, cada interpolo debe estar equipado con dos bobinas, una para cada uno de los circuitos de escobillas. Tustin argumentó que hay pocas ventajas del Magnicon sobre el Metadyne para máquinas más pequeñas, y para máquinas más grandes, que requieren la instalación de interpolos, no se ha realizado un análisis suficiente para emitir un juicio. [19]
Los metadinos se han utilizado para controlar la puntería de armas de gran calibre y para controlar la velocidad en trenes eléctricos , en particular en las líneas O y P del metro de Londres . Han sido reemplazados por dispositivos de estado sólido .
A principios de los años 30, el metro de Londres era consciente del desarrollo del equipo metadino que se estaba llevando a cabo en Metropolitan-Vickers y del potencial de frenado regenerativo que ofrecía. Antes de comprometerse con un sistema no probado, construyeron un tren de prueba, convirtiendo seis vagones construidos originalmente entre 1904 y 1907 para el Metropolitan Railway . El trabajo se llevó a cabo en Acton Works en 1934. Dado que una sola unidad metadina podía usarse para controlar cuatro motores, y cada vagón motor tenía dos motores, se formaron unidades de dos vagones, con una cabina de conducción en los extremos exteriores. Al acoplar las unidades entre sí, se pudieron realizar pruebas de un tren de dos, cuatro y seis vagones. La unidad metadina pesaba unas 3 toneladas y constaba de tres máquinas rotativas, un excitador, un regulador y la máquina metadina propiamente dicha, que estaban conectadas mecánicamente. Eléctricamente, la alimentación de tracción se alimentaba a la máquina y la salida alimentaba los motores, sin necesidad de resistencias de arranque. [20]
El tren de pruebas funcionó durante gran parte de 1935 y 1936, y se probó en casi todas las vías electrificadas de la línea Metropolitan y la línea District . Una vez que se demostró que el concepto era confiable, el tren también se utilizó en el servicio de pasajeros. Además del frenado regenerativo, se descubrió que la aceleración era particularmente suave. Cuando se tomó la decisión de continuar con el nuevo sistema en el material rodante O y P, se desmanteló el tren de pruebas y se instaló el equipo en tres locomotoras de batería [20] construidas por Gloucester Railway Carriage and Wagon Company , que formaban parte de un lote de nueve vehículos suministrados entre 1936 y 1938. El equipo era particularmente adecuado para locomotoras de batería, ya que la falta de resistencias de arranque reducía la cantidad de energía desperdiciada al arrancar y detenerse con frecuencia. A bajas velocidades, los sistemas de control convencionales solían sobrecalentarse, pero las locomotoras equipadas con metadina podían tirar de trenes de 100 toneladas durante largas distancias a velocidades de hasta 4,8 km/h sin problemas. Sin embargo, la complejidad del equipo y la dificultad de mantenimiento de la máquina metadina hicieron que las locomotoras no se utilizaran lo suficiente y se retiraron para su desguace en 1977. [21]
La producción principal de la locomotora O Stock consistió en 116 vagones de motor, que se agruparon en 58 unidades de dos vagones. Las pruebas comenzaron con una formación de cuatro vagones en la línea District entre High Street Kensington y Putney Bridge en septiembre de 1937, y una formación de seis vagones comenzó a funcionar en la línea Hammersmith en enero de 1938. Hubo algunos problemas técnicos, causados por las demandas impuestas al sistema de suministro de energía cuando un tren de seis vagones de motor se puso en marcha, y la cantidad de energía que dicho tren intentó devolver al sistema cuando se utilizaron los frenos regenerativos. Esto se mitigó parcialmente pidiendo otros 58 vagones de remolque y convirtiendo cada unidad de dos vagones en una unidad de tres vagones, insertando un vagón de remolque en la formación. Luego se pidió un lote de locomotoras P Stock, para reemplazar los trenes en la línea Metropolitan. Aunque las unidades O y P Stock podían acoplarse entre sí, las unidades de metadino en particular no eran las mismas y no podían intercambiarse entre las construcciones. A principios de los años 50, esto se convirtió en una seria desventaja, ya que se produjeron una serie de fallos que requirieron reparaciones extensas. Se tomó la decisión de retirar el equipo y reemplazarlo por un sistema de motor de leva neumático (PCM), utilizando controladores de repuesto del material rodante de 1938. El primer tren reconvertido entró en servicio el 31 de marzo de 1955, y el material rodante fue rebautizado como material rodante CO/CP, ya que contenía vagones de ambos lotes. Todo el equipo del metadino fue reemplazado posteriormente. [22]
A pesar de las deficiencias que llevaron a su desaparición, el sistema metadino introducido en 1936 en los trenes O Stock fue el primero del mundo en proporcionar frenado regenerativo en una unidad múltiple eléctrica. La aceleración era más suave que en un tren que cambiaba las resistencias de arranque y, al frenar, la unidad metadina devolvía energía a las vías, que podía ser utilizada por otros trenes si era necesario. Sin embargo, las condiciones no siempre eran ideales y las subestaciones no estaban realmente diseñadas para hacer frente a la regeneración, lo que significaba que a menudo el tren cambiaba al frenado reostático , donde la energía se disipaba en un banco de resistencias. El peso del equipo también era un serio inconveniente. [1]
En el período inmediatamente anterior a la Segunda Guerra Mundial , hubo un creciente interés en los controles de armas accionados a motor, aunque las autoridades militares estaban nerviosas por la introducción de un sistema complejo que tendría que ser mantenido en el campo. Sin embargo, con la creciente velocidad de las aeronaves, la necesidad de permitir que los reflectores, los cañones antiaéreos y los cañones navales de doble propósito se movieran cada vez más rápido para rastrear su movimiento significó que alguna forma de control motorizado era esencial. Los ingenieros se enfrentaron al problema de hacer que una pieza pesada de equipo, como un cañón en su carro de montaje, rastreara una señal de entrada de manera suave y precisa, con muy poco retraso entre los cambios en la entrada y la posición real del montaje del cañón. El cañón necesitaba estar apuntado al objetivo en todo momento y moverse a la velocidad correcta para permanecer así. [23]
Un operador humano anticipa los errores y también puede compensar los retrasos conocidos en el funcionamiento del sistema. Se había logrado imitar este comportamiento para señales electrónicas y sistemas electromecánicos de baja potencia, pero el control de los cañones estaba en una escala completamente diferente, con maquinaria que pesaba toneladas y tenía una inercia significativa que necesitaba moverse a velocidades de hasta 30 grados por segundo y aceleraciones de 10 grados por segundo 2 . En 1937, el Almirantazgo había realizado un pedido a Metropolitan Vickers para un sistema de control para un cañón Pom-Pom de ocho cañones . Pestarini había desarrollado un sistema similar para la marina italiana. El diseño original utilizaba un solo Metadyne para suministrar una corriente constante a las armaduras de los motores montados en varios cañones. Luego, cada uno se controlaba ajustando manualmente la corriente de campo. Tustin, quien hizo la mayor parte del trabajo de diseño, descubrió que el sistema tenía una constante de tiempo grande, debido a la inductancia de los devanados de campo. Para mejorar su respuesta, suministró una corriente constante a los devanados de campo y utilizó un Metadyne parcialmente compensado para controlar la corriente de armadura de cada motor. Tustin comparó los sistemas de control de Ward Leonard , Metadynes y Amplidynes, y aceptó que cada uno tenía sus méritos, pero se inclinó por el Metadyne, del que tenía varios años de experiencia gracias a su uso en el control de tracción. [7]