Un metadino es una máquina eléctrica de corriente continua con dos pares de escobillas . Se puede utilizar como amplificador o transformador rotativo . Es similar a una dinamo de tercer cepillo pero tiene devanados reguladores o "variadores" adicionales. También es similar a un amplidino excepto que este último tiene un devanado compensador que contrarresta completamente 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 que significan conversión de poder. [1] Si bien se cree que el nombre fue acuñado por Joseph Maximus Pestarini ( idioma italiano, Giuseppe Massimo Pestarini) en un artículo que presentó al Concurso Internacional Montefiore en Lieja , Bélgica , en 1928, el tipo de máquina que describía había sido conocido 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 E. Rosenberg obtuvo dos patentes más en 1904 y 1907. [2] Rosenberg más tarde se convirtió en el ingeniero eléctrico jefe para Metropolitan-Vickers , y su máquina produjo un campo cruzado aplicando un cortocircuito a un juego adicional de cepillos. [3] M. Osnos examinó las disposiciones prácticas de 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 armadura y conmutadores múltiples, aunque todo 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, más que en 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. El 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, tras realizar pruebas en colaboración con la empresa Alsthom en Francia. [6] En 1930, hizo un viaje a Gran Bretaña y la empresa Metropolitan-Vickers tomó sus ideas y desarrolló un sistema de trabajo. [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 un suministro externo para producir un transformador metadino. [3] La máquina funcionó como un amplificador de voltaje a corriente porque el flujo generado por la corriente a 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 empresa poseía las patentes británicas del Metadyne. [7]
Pestarini también visitó Estados Unidos en 1930, aunque no hay constancia de que el sistema se utilizara allí. Los ingenieros de General Electric , liderados por Ernst Alexanderson , se interesaron, pero modificaron el diseño añadiendo un devanado de compensación, que contrarrestaba el efecto del flujo producido por la corriente de carga. Esto convirtió la máquina de un amplificador de voltaje a corriente a un amplificador de voltaje a voltaje, y llamaron a la nueva variante Amplidyne . Los costes de desarrollo se financiaron en gran medida con contratos navales estadounidenses para el desarrollo de estabilizadores verticales, que se utilizaron 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 de forma bastante independiente una variante de la máquina de campo cruzado, a la que llamaron Magnicon . [8]
Pestarini presentó una patente sobre 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 transversal 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 ángulo recto con el flujo de excitación. Al conectar las escobillas de cuadratura entre sí, se produce corriente en la armadura, y el flujo que esto produce (A2) vuelve a formar ángulo recto con el eje de cuadratura, lo que da como resultado una reacción de la armadura que es directamente opuesta a la excitación original. Esta característica es fundamental para la máquina y no depende de su sentido de rotación. Cuando la reacción del inducido se compensa parcialmente mediante un devanado de compensación, la parte no compensada de la reacción del inducido 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 sostiene su funcionamiento, y la corriente se mantiene independientemente de la resistencia de la carga o de la contrafem 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 devanado de excitación, sino que se conecta 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 en el primer ejemplo. Por lo tanto, el funcionamiento de la máquina es muy similar: 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 es la misma, 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 Metadyne puede compensarse 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 usaba a menudo para el control de motores de tracción en trenes eléctricos. Conectarlos de esta manera reduce la carga efectiva en Metadyne y permite instalar una máquina más pequeña. El Metadyne actúa como un "refuerzo positivo o negativo". Si Vcc es el voltaje de suministro y V 2 es el voltaje de salida del Metadyne, entonces el voltaje total a través de la carga puede variar de 0 a 2·Vcc, ya que V 2 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 proporcionando devanados en serie adicionales, que actúan como una resistencia adicional del circuito. [14]
El generador Rosenberg es muy similar al generador Metadyne, tanto en su construcción como en su conexión eléctrica. Generalmente no tiene devanado de compensación, de modo que toda la reacción del inducido se opone a la excitación inicial. Normalmente, las partes del circuito magnético 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 cargar baterías. [15] Un generador accionado por eje 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 lentas, el voltaje de salida aumenta con el cuadrado de la velocidad, pero el circuito magnético pronto se satura, lo que produce aumentos mucho menores a medida que aumenta la velocidad. Cuando se utiliza en circuitos que incluyen baterías cargadas desde la salida, normalmente se requiere un rectificador o un interruptor de corriente inversa para evitar la descarga de las baterías a través del generador a velocidades muy bajas o cuando el tren se detiene. [dieciséis]
El Magnicon, desarrollado por Macfarlane en Escocia, es similar al Metadyne, pero mientras que este último tiene un devanado de armadura de dos polos, el Magnicon tiene un devanado de vuelta de cuatro polos y, a veces, se lo conoce como Metadyne con un tono corto. devanado de armadura. 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 excitada. El par de escobillas que están en el mismo eje que los polos excitados están en cortocircuito, lo que genera una gran corriente. La fuerza magnetomotriz (MMF) 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 armadura 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 menos salientes en los extremos de los devanados. Sin embargo, el diseño crea corrientes inactivas en la armadura, que provocan 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 las escobillas. Tustin argumentó que hay poca ventaja 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 grandes y para el control de velocidad en trenes eléctricos , en particular el Metro de Londres O y P Stock . Han sido reemplazados por dispositivos de estado sólido .
A principios de la década de 1930, el metro de Londres estaba al tanto del desarrollo del equipo metadino que se estaba llevando a cabo en Metropolitan-Vickers y del potencial de frenado regenerativo que proporcionaba. Antes de comprometerse con un sistema no probado, construyeron un tren de prueba, transformando seis vagones construidos originalmente entre 1904 y 1907 para el Ferrocarril Metropolitano . El trabajo se llevó a cabo en Acton Works en 1934. Dado que una sola unidad metadina se podía usar para controlar cuatro motores y cada automóvil tenía dos motores, se formaron unidades de dos automóviles, con una cabina de conducción en los extremos exteriores. Acoplando las unidades se podrían realizar pruebas de un tren de dos, cuatro y seis vagones. La unidad metadina pesaba alrededor de 3 toneladas y constaba de tres máquinas rotativas, un excitador, un regulador y la propia máquina metadina, que estaban unidas mecánicamente. Eléctricamente, el suministro de tracción se alimentaba a la máquina y la salida alimentaba los motores, sin necesidad de resistencias de arranque. [20]
El tren de prueba funcionó durante gran parte de 1935 y 1936, y se probó en casi todas las vías electrificadas de la línea Metropolitana y la línea District . Una vez que se demostró que el concepto era fiable, el tren también se utilizó en el servicio de pasajeros. Además del frenado regenerativo, la aceleración resultó ser particularmente suave. Cuando se tomó la decisión de proceder con el nuevo sistema en las existencias 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 especialmente adecuado para locomotoras de batería, ya que la falta de resistencias de arranque reducía la cantidad de energía desperdiciada al arrancar y parar con frecuencia. A velocidades lentas, los sistemas de control convencionales a menudo se sobrecalentaban, pero las locomotoras equipadas con metadina podían arrastrar trenes que pesaban 100 toneladas durante largas distancias a velocidades tan bajas como 4,8 km/h (3 mph) 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 fueron retiradas para desguace en 1977. [21]
La producción principal de O Stock consistió en 116 automóviles, que se dividieron en 58 unidades de dos automóviles. Las pruebas comenzaron con una formación de cuatro coches en la línea District entre High Street Kensington y Putney Bridge en septiembre de 1937, y una formación de seis coches empezó a trabajar en la línea Hammersmith en enero de 1938. Hubo algunos problemas técnicos, causados por las demandas planteadas. sobre el sistema de suministro de energía cuando arrancó un tren de seis vagones, y la cantidad de energía que dicho tren intentó devolver al sistema cuando se utilizaron los frenos regenerativos. Esto se mitigó parcialmente ordenando 58 vagones de remolque más y convirtiendo cada unidad de dos vagones en una unidad de tres, insertando un vagón de remolque en la formación. Luego se encargó un lote de P Stock para sustituir los trenes de la línea Metropolitana. Aunque las unidades O y P Stock se podían acoplar entre sí, las unidades metadinas en particular no eran las mismas y no se podían intercambiar entre las construcciones. A principios de la década de 1950, esto se convirtió en una seria desventaja, cuando se produjeron una serie de fallas que requirieron reparaciones extensas. Se tomó la decisión de retirar el equipo y reemplazarlo con un sistema de motor de leva neumático (PCM), utilizando controladores de repuesto del stock de tubos de 1938. El primer tren convertido entró en servicio el 31 de marzo de 1955 y el stock fue redesignado como Stock CO/CP, ya que contenía vagones de ambos lotes. Posteriormente se reemplazó todo el equipo metadino. [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 en el 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 podría ser utilizada por otros trenes si fuera 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 potencia se disipaba en un banco de resistencia. El peso del equipo también fue un serio inconveniente. [1]
En el período inmediatamente anterior a la Segunda Guerra Mundial , hubo un interés creciente en los controles de armas accionadas mecánicamente, aunque las autoridades militares estaban nerviosas ante la idea de introducir un sistema complejo que tendría que mantenerse en el campo. Sin embargo, con la velocidad cada vez mayor de los aviones, la necesidad de permitir que los reflectores, los cañones antiaéreos y los cañones navales de doble propósito se movieran cada vez más rápido para seguir su movimiento significaba que alguna forma de control motorizado era esencial. Los ingenieros se enfrentaron al problema de hacer que un equipo pesado, como un arma 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 arma. montar. El arma debía apuntar al objetivo en todo momento y moverse a la velocidad correcta para permanecer así. [23]
Un operador humano anticipa errores y también puede compensar 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 armas 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 de 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 único Metadyne para suministrar una corriente constante a las armaduras de los motores montados en varios cañones. Luego, cada uno fue controlado 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 a los devanados de campo una corriente constante 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 ventajas, pero favoreció el Metadyne, del cual tenía varios años de experiencia en su uso en control de tracción. [7]