Un conmutador es un interruptor eléctrico giratorio en ciertos tipos de motores eléctricos y generadores eléctricos que invierte periódicamente la dirección de la corriente entre el rotor y el circuito externo. Consiste en un cilindro compuesto por múltiples segmentos de contacto metálicos en la armadura giratoria de la máquina. Dos o más contactos eléctricos llamados " escobillas " hechos de un material conductor blando como el carbón presionan contra el conmutador, haciendo contacto deslizante con segmentos sucesivos del conmutador a medida que gira. Los devanados (bobinas de alambre) de la armadura están conectados a los segmentos del conmutador.
Los conmutadores se utilizan en máquinas de corriente continua (CC): dinamos (generadores de CC) y muchos motores de CC , así como motores universales . En un motor, el conmutador aplica corriente eléctrica a los devanados. Al invertir la dirección de la corriente en los devanados giratorios cada media vuelta, se produce una fuerza de rotación constante ( par ). En un generador, el conmutador toma la corriente generada en los devanados, invirtiendo la dirección de la corriente con cada media vuelta, sirviendo como un rectificador mecánico para convertir la corriente alterna de los devanados en corriente continua unidireccional en el circuito de carga externo. La primera máquina de tipo conmutador de corriente continua, la dinamo , fue construida por Hippolyte Pixii en 1832, basándose en una sugerencia de André-Marie Ampère .
Los conmutadores son relativamente ineficientes y también requieren un mantenimiento periódico, como el reemplazo de las escobillas. Por lo tanto, el uso de máquinas conmutadas está disminuyendo, siendo reemplazadas por máquinas de corriente alterna (CA) y, en los últimos años, por motores de CC sin escobillas que utilizan interruptores semiconductores .
Un conmutador consta de un conjunto de barras de contacto fijadas al eje giratorio de una máquina y conectadas a los devanados del inducido. A medida que el eje gira, el conmutador invierte el flujo de corriente en un devanado. Para un devanado de armadura simple, cuando el eje ha dado media vuelta completa, el devanado ahora está conectado de modo que la corriente fluya a través de él en la dirección opuesta a la inicial. En un motor, la corriente del inducido hace que el campo magnético fijo ejerza una fuerza de rotación, o un par , sobre el devanado para hacerlo girar. En un generador, el par mecánico aplicado al eje mantiene el movimiento del devanado de la armadura a través del campo magnético estacionario, induciendo una corriente en el devanado. Tanto en el caso del motor como del generador, el conmutador invierte periódicamente la dirección del flujo de corriente a través del devanado de modo que el flujo de corriente en el circuito externo a la máquina continúa en una sola dirección.
Los conmutadores prácticos tienen al menos tres segmentos de contacto, para evitar un punto "muerto" donde dos escobillas unen simultáneamente sólo dos segmentos del conmutador. Las escobillas se hacen más anchas que el espacio aislado para garantizar que estén siempre en contacto con la bobina del inducido. Para conmutadores con al menos tres segmentos, aunque el rotor puede potencialmente detenerse en una posición donde dos segmentos del conmutador tocan una escobilla, esto solo desenergiza uno de los brazos del rotor mientras que los demás seguirán funcionando correctamente. Con los brazos del rotor restantes, un motor puede producir suficiente par para comenzar a hacer girar el rotor y un generador puede proporcionar energía útil a un circuito externo.
Un conmutador consta de un conjunto de segmentos de cobre , fijados alrededor de la parte de la circunferencia de la máquina giratoria, o rotor, y un conjunto de escobillas accionadas por resorte fijadas al bastidor estacionario de la máquina. Dos o más escobillas fijas se conectan al circuito externo, ya sea una fuente de corriente para un motor o una carga para un generador.
Los segmentos del conmutador están conectados a las bobinas de la armadura, y el número de bobinas (y segmentos del conmutador) depende de la velocidad y el voltaje de la máquina. Los motores grandes pueden tener cientos de segmentos. Cada segmento conductor del conmutador está aislado de los segmentos adyacentes. La mica se utilizó en las primeras máquinas y todavía se utiliza en máquinas grandes. Se utilizan muchos otros materiales aislantes para aislar máquinas más pequeñas; Los plásticos permiten, por ejemplo, fabricar rápidamente un aislante. Los segmentos se sujetan al eje mediante una forma de cola de milano en los bordes o la parte inferior de cada segmento. Se presionan cuñas aislantes alrededor del perímetro de cada segmento para que el conmutador mantenga su estabilidad mecánica durante todo su rango de funcionamiento normal.
En motores de herramientas y electrodomésticos pequeños, los segmentos generalmente están engarzados permanentemente en su lugar y no se pueden quitar. Cuando el motor falla, se descarta y se reemplaza. En máquinas industriales grandes (por ejemplo, de varios kilovatios a miles de kilovatios de potencia) es económico reemplazar segmentos individuales dañados, por lo que se puede desenroscar la cuña del extremo y quitar y reemplazar los segmentos individuales.
Reemplazar los segmentos de cobre y mica se denomina comúnmente "recarga". Los conmutadores en cola de milano recargables son la construcción más común de los conmutadores de tipo industrial más grandes, pero los conmutadores recargables también se pueden construir usando bandas externas hechas de fibra de vidrio (construcción con bandas de vidrio) o anillos de acero forjado (construcción tipo anillo retráctil de acero externo y construcción tipo anillo retráctil de acero interno). ).
Los conmutadores desechables de tipo moldeado que se encuentran comúnmente en motores de CC más pequeños se están volviendo cada vez más comunes en motores eléctricos más grandes. Los conmutadores de tipo moldeado no se pueden reparar y deben reemplazarse si están dañados.
Además de los métodos comúnmente utilizados de calor, torsión y tonelaje para curar los conmutadores, algunas aplicaciones de conmutadores de alto rendimiento requieren un proceso de "curado por giro" más costoso y específico o una prueba de giro a alta velocidad para garantizar la estabilidad de los segmentos individuales y evitar cambios prematuros. Desgaste de las escobillas de carbón. Estos requisitos son comunes en aplicaciones de tracción, militares, aeroespaciales, nucleares, mineras y de alta velocidad, donde las fallas de sujeción y la protrusión de un segmento o aislamiento pueden tener consecuencias negativas graves.
La fricción entre los segmentos y las escobillas acaba provocando desgaste en ambas superficies. Las escobillas de carbón, al estar hechas de un material más blando, se desgastan más rápidamente y pueden estar diseñadas para ser reemplazadas fácilmente sin desmontar la máquina. Las escobillas de cobre más antiguas causaban más desgaste en el conmutador, provocando ranuras profundas y muescas en la superficie con el tiempo.
El conmutador de motores pequeños (por ejemplo, de menos de un kilovatio) no está diseñado para ser reparado durante la vida útil del dispositivo. En equipos industriales grandes, se puede revestir el conmutador con abrasivos, o se puede quitar el rotor del marco, montarlo en un torno de metal grande y revestir el conmutador cortándolo a un diámetro más pequeño. El equipo más grande puede incluir un accesorio de torneado directamente sobre el conmutador.
Las primeras máquinas utilizaban cepillos hechos de hilos de alambre de cobre para hacer contacto con la superficie del conmutador. Sin embargo, estos cepillos de metal duro tendían a rayar y ranurar los segmentos lisos del conmutador, lo que eventualmente requirió una repavimentación del conmutador. A medida que las escobillas de cobre se desgastaban, el polvo y los trozos de las escobillas podían acumularse entre los segmentos del conmutador, cortocircuitándolos y reduciendo la eficiencia del dispositivo. La malla o gasa de alambre de cobre fino proporcionaba un mejor contacto con la superficie con menos desgaste del segmento, pero los cepillos de gasa eran más caros que los cepillos de alambre o de tiras de cobre.
Las máquinas rotativas modernas con conmutadores utilizan casi exclusivamente escobillas de carbón, a las que se les puede mezclar polvo de cobre para mejorar la conductividad. Las escobillas de cobre metálico se pueden encontrar en motores de juguete o muy pequeños, como el que se ilustra arriba, y en algunos motores que solo funcionan de manera muy intermitente, como los motores de arranque de automóviles.
Los motores y generadores sufren un fenómeno conocido como "reacción de armadura", uno de cuyos efectos es cambiar la posición en la que idealmente debería tener lugar la inversión de corriente a través de los devanados a medida que varía la carga. Las primeras máquinas tenían los cepillos montados en un anillo provisto de un mango. Durante la operación, fue necesario ajustar la posición del anillo de las escobillas para ajustar la conmutación y minimizar las chispas en las escobillas. Este proceso se conocía como "mecer los cepillos".
Se llevaron a cabo varios desarrollos para automatizar el proceso de ajuste de la conmutación y minimizar las chispas en las escobillas. Uno de ellos fue el desarrollo de los "cepillos de alta resistencia", o cepillos fabricados con una mezcla de polvo de cobre y carbón. [3] Aunque se describen como cepillos de alta resistencia, la resistencia de dicho cepillo era del orden de miliohmios, y el valor exacto dependía del tamaño y la función de la máquina. Además, la escobilla de alta resistencia no se construyó como una escobilla sino en forma de bloque de carbón con una cara curva para coincidir con la forma del conmutador.
La escobilla de carbón o de alta resistencia se hace lo suficientemente grande como para que sea significativamente más ancha que el segmento aislante que abarca (y en máquinas grandes a menudo puede abarcar dos segmentos aislantes). El resultado de esto es que a medida que el segmento del conmutador pasa por debajo de la escobilla, la corriente que pasa hacia ella desciende más suavemente que en el caso de las escobillas de cobre puro donde el contacto se rompió repentinamente. De manera similar, el segmento que entra en contacto con la escobilla sufre un aumento similar de la corriente. Así, aunque la corriente que pasaba a través de la escobilla era más o menos constante, la corriente instantánea que pasaba a los dos segmentos del conmutador era proporcional al área relativa en contacto con la escobilla.
La introducción de la escobilla de carbón tuvo efectos secundarios convenientes. Las escobillas de carbón tienden a desgastarse de manera más uniforme que las de cobre y el carbón blando causa mucho menos daño a los segmentos del conmutador. Hay menos chispas con el carbón en comparación con el cobre y, a medida que el carbón se desgasta, la mayor resistencia del carbón genera menos problemas por la acumulación de polvo en los segmentos del conmutador.
La proporción de cobre a carbono se puede cambiar para un propósito particular. Las escobillas con mayor contenido de cobre funcionan mejor con voltajes muy bajos y alta corriente, mientras que las escobillas con mayor contenido de carbono son mejores para alto voltaje y baja corriente. Las escobillas con alto contenido de cobre suelen transportar de 150 a 200 amperios por pulgada cuadrada de superficie de contacto, mientras que las de mayor contenido de carbono solo transportan de 40 a 70 amperios por pulgada cuadrada. La mayor resistencia del carbono también da como resultado una mayor caída de voltaje de 0,8 a 1,0 voltios por contacto, o de 1,6 a 2,0 voltios a través del conmutador. [4]
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Normalmente se utiliza un resorte con la escobilla para mantener un contacto constante con el conmutador. A medida que la escobilla y el conmutador se desgastan, el resorte empuja constantemente la escobilla hacia el conmutador. Con el tiempo, el cepillo se desgasta lo suficientemente pequeño y delgado como para que ya no sea posible un contacto estable o ya no se sujeta firmemente en el portaescobillas, por lo que es necesario reemplazar el cepillo.
Es común que un cable de alimentación flexible esté conectado directamente a la escobilla, porque la corriente que fluye a través del resorte de soporte causaría calentamiento, lo que puede provocar una pérdida del temple del metal y una pérdida de la tensión del resorte.
Cuando un motor o generador conmutado utiliza más energía de la que una sola escobilla es capaz de conducir, se monta un conjunto de varios portaescobillas en paralelo a lo largo de la superficie del conmutador de gran tamaño. Este soporte paralelo distribuye la corriente de manera uniforme entre todos los cepillos y permite a un operador cuidadoso quitar un cepillo defectuoso y reemplazarlo por uno nuevo, incluso cuando la máquina continúa girando a plena potencia y bajo carga.
Los equipos conmutados de alta potencia y alta corriente son ahora poco comunes, debido al diseño menos complejo de los generadores de corriente alterna que permiten que una bobina de campo giratorio de baja corriente y alto voltaje energice bobinas de estator de posición fija de alta corriente. Esto permite el uso de escobillas singulares muy pequeñas en el diseño del alternador . En este caso, los contactos giratorios son anillos continuos, llamados anillos colectores , y no se produce ninguna conmutación.
Los dispositivos modernos que utilizan escobillas de carbón generalmente tienen un diseño libre de mantenimiento que no requiere ajuste durante la vida útil del dispositivo, utilizando una ranura para portaescobillas de posición fija y un conjunto combinado de cepillo, resorte y cable que encaja en la ranura. Se retira el cepillo desgastado y se inserta un cepillo nuevo.
Los diferentes tipos de escobillas hacen contacto con el conmutador de diferentes maneras. Debido a que las escobillas de cobre tienen la misma dureza que los segmentos del conmutador, el rotor no puede girar hacia atrás contra los extremos de las escobillas de cobre sin que el cobre se clave en los segmentos y cause daños graves. En consecuencia, las escobillas de cobre en tiras/laminadas solo hacen contacto tangencial con el conmutador, mientras que las escobillas de alambre y de malla de cobre utilizan un ángulo de contacto inclinado que toca su borde a través de los segmentos de un conmutador que puede girar en una sola dirección.
La suavidad de las escobillas de carbón permite un contacto final radial directo con el conmutador sin dañar los segmentos, lo que permite invertir fácilmente la dirección del rotor, sin la necesidad de reorientar los portaescobillas para operar en la dirección opuesta. Aunque nunca se invierten, los motores de electrodomésticos comunes que utilizan rotores bobinados, conmutadores y escobillas tienen escobillas de contacto radial. En el caso de un portaescobillas de carbón de tipo reactivo, las escobillas de carbón pueden estar inclinadas en sentido inverso con el conmutador de modo que el conmutador tienda a empujar contra el carbón para lograr un contacto firme.
El punto de contacto donde una escobilla toca el conmutador se denomina plano de conmutación . Para conducir suficiente corriente hacia o desde el conmutador, el área de contacto de las escobillas no es una línea delgada sino un parche rectangular a través de los segmentos. Normalmente, la escobilla es lo suficientemente ancha como para abarcar 2,5 segmentos del conmutador. Esto significa que dos segmentos adyacentes están conectados eléctricamente por el cepillo cuando hace contacto con ambos.
La mayoría de las introducciones al diseño de motores y generadores comienzan con un dispositivo simple de dos polos con las escobillas dispuestas en un ángulo perfecto de 90 grados con respecto al campo. Este ideal es útil como punto de partida para comprender cómo interactúan los campos, pero no es así como funciona un motor o generador en la práctica real.
En un motor o generador real, el campo alrededor del rotor nunca es perfectamente uniforme. En cambio, la rotación del rotor induce efectos de campo que arrastran y distorsionan las líneas magnéticas del estator exterior no giratorio.
Cuanto más rápido gira el rotor, mayor es el grado de distorsión del campo. Debido a que un motor o generador opera de manera más eficiente con el campo del rotor en ángulo recto con respecto al campo del estator, es necesario retrasar o avanzar la posición de las escobillas para colocar el campo del rotor en la posición correcta para que esté en ángulo recto con el campo distorsionado. .
Estos efectos de campo se invierten cuando se invierte la dirección de giro. Por lo tanto, es difícil construir una dinamo conmutada reversible eficiente, ya que para obtener la mayor intensidad de campo es necesario mover las escobillas al lado opuesto del plano neutro normal. Estos efectos pueden mitigarse mediante un devanado de compensación en la cara del polo de campo que transporta corriente de armadura.
Se puede considerar que el efecto es análogo al avance del tiempo en un motor de combustión interna. Generalmente, una dinamo que ha sido diseñada para funcionar a una determinada velocidad fija tendrá sus escobillas permanentemente fijas para alinear el campo para lograr la mayor eficiencia a esa velocidad. [12]
Autoinducción: los campos magnéticos en cada bobina de cable se unen y combinan para crear un campo magnético que resiste los cambios en la corriente, lo que puede compararse con la corriente que tiene inercia.
En las bobinas del rotor, incluso después de que se ha alcanzado la escobilla, las corrientes tienden a continuar fluyendo durante un breve momento, lo que resulta en un desperdicio de energía en forma de calor debido a que la escobilla se extiende a lo largo de varios segmentos del conmutador y la corriente cortocircuita a través de los segmentos.
La resistencia espuria es un aumento aparente en la resistencia en el devanado de la armadura, que es proporcional a la velocidad de la armadura y se debe al retraso de la corriente.
Para minimizar las chispas en las escobillas debido a este cortocircuito, las escobillas se avanzan unos grados más aún, más allá del avance debido a las distorsiones de campo. Esto mueve el devanado del rotor en conmutación ligeramente hacia adelante, hacia el campo del estator, que tiene líneas magnéticas en dirección opuesta y que se oponen al campo en el estator. Este campo opuesto ayuda a invertir la corriente autoinductora en retraso en el estator.
Entonces, incluso para un rotor que está en reposo e inicialmente no requiere compensación por las distorsiones del campo giratorio, las escobillas aún deben avanzar más allá del ángulo perfecto de 90 grados, como se enseña en tantos libros de texto para principiantes, para compensar la autoinducción.
Los dispositivos modernos de motores y generadores con conmutadores pueden contrarrestar la reacción del inducido mediante el uso de interpolos , que son pequeñas bobinas de campo y piezas polares ubicadas aproximadamente a medio camino entre los polos primarios del estator.
Al aplicar un campo variable dinámico a los interpolos a medida que cambia la carga, las RPM o la dirección de rotación del dispositivo, es posible equilibrar las distorsiones del campo debido a la reacción de la armadura de modo que la posición de las escobillas pueda permanecer fija y se minimicen las chispas en los segmentos. . [14]
Aunque los motores de corriente continua y las dinamos alguna vez dominaron la industria, las desventajas del conmutador han provocado una disminución en el uso de máquinas conmutadas en el último siglo. Estas desventajas son:
Con la amplia disponibilidad de corriente alterna, los motores de CC han sido reemplazados por motores de inducción o síncronos de CA más eficientes . En los últimos años, con la disponibilidad generalizada de semiconductores de potencia , en muchas aplicaciones restantes los motores de CC conmutados han sido reemplazados por " motores de corriente continua sin escobillas ". Estos no tienen conmutador; en cambio, la dirección de la corriente se cambia electrónicamente. Un sensor realiza un seguimiento de la posición del rotor y los interruptores semiconductores, como los transistores, invierten la corriente. La vida útil de estas máquinas es mucho más larga y está limitada principalmente por el desgaste de los rodamientos.
Estos son motores monofásicos de CA únicamente con un par de arranque más alto que el que se podría obtener con devanados de arranque de fase dividida, antes de que los condensadores de arranque de alta capacitancia (no polares, electrolíticos de corriente relativamente alta) se volvieran prácticos. Tienen un estator bobinado convencional como cualquier motor de inducción, pero el rotor bobinado es muy parecido al de un conmutador convencional. Las escobillas opuestas entre sí están conectadas entre sí (no a un circuito externo) y la acción del transformador induce corrientes en el rotor que desarrollan torque por repulsión.
Una variedad, que se destaca por tener una velocidad ajustable, funciona continuamente con las escobillas en contacto, mientras que otra usa la repulsión solo para un par de arranque alto y en algunos casos levanta las escobillas una vez que el motor está funcionando lo suficientemente rápido. En el último caso, todos los segmentos del conmutador también se conectan entre sí, antes de que el motor alcance la velocidad de funcionamiento.
Una vez que alcanzan velocidad, los devanados del rotor se vuelven funcionalmente equivalentes a la estructura de jaula de ardilla de un motor de inducción convencional, y el motor funciona como tal. [15]
Los conmutadores se utilizaron como simples interruptores de avance y retroceso para experimentos eléctricos en laboratorios de física. Hay dos tipos históricos bien conocidos: [16]
Es similar en diseño a los conmutadores utilizados en motores y dinamos. Generalmente se construía con latón y marfil (más tarde ebonita ). [17]
Este consistía en un bloque de madera o ebonita con cuatro pozos, que contenían mercurio , que estaban conectados entre sí mediante cables de cobre . La salida se tomaba de un par de alambres de cobre curvos que se movía para sumergirlos en uno u otro par de pozos de mercurio. [18] En lugar de mercurio, se podrían utilizar líquidos iónicos u otros metales líquidos .