CONMUTACIÓN Norberto A. Lemozy 1 INTRODUCCIÓN La producción de chispas entre las escobillas y las delgas del colector es una característica inherente a las máquinas a colector, tanto de corriente continua como de corriente alterna y, también, una debilidad de las mismas ya que la presencia de esas chispas atentan contra la vida útil, principalmente del colector, que es una pieza compleja y costosa de repara o cambiar. Si bien la producción de chispas entre las escobillas y el colector se debe principalmente a fenómenos electromagnéticos, también se puede deber a factores mecánicos, originados por una construcción no muy esmerada, mal mantenimiento o a desgastes naturales. En el presente capítulo se estudiarán principalmente los aspectos electromagnéticos y su corrección. En las máquinas a colector se entiende por “conmutación” al proceso por el cual se invierte el sentido de circulación de las corrientes en las bobinas del inducido que pasan por el eje magnético determinado por las mismas escobillas, el que generalmente coincide con el eje transversal de la máquina. El proceso de la conmutación de las corrientes en las bobinas es un fenómeno de tipo transitorio, que involucra muchas variables, y su estudio no es sencillo; por otra parte si el problema no está bien resuelto, la máquina operará con producción de chispas lo que, como ya se dijo, reducirá drásticamente la vida útil del colector. Por el contrario, en las máquinas de corriente continua, bien diseñadas y construidas, la conmutación se realiza prácticamente sin producción de chispas dentro de todo el rango de operación la misma. En las máquinas de corriente alterna, el proceso de conmutación es más complejo y no se logran resultados tan favorables como en las máquinas de corriente continua. Esa es una de las razones del uso más limitado de esos motores, y que en la actualidad se encuentra prácticamente reducido al de los motores monofásicos de pequeña potencia, denominados “universales”. La conmutación en las máquinas de corriente alterna no será analizada en el presente capítulo.
2 RESEÑA HISTÓRICA En 1832 Hippolyte Pixii inventa un conmutador mecánico que permitió transformar la corriente alterna que producía su generador de imán giratorio, en una corriente pulsante, unidireccional y sentó las bases de los generadores de corriente continua. Más adelante, en 1867, los ingleses Sir William Fothergill Cooke y Sir Charles Wheatstone reemplazaron los imanes por electroimanes más potentes. Circa 1870 tanto el italiano Antonio Pacinotti como el francés Zénobe Théophile Gramme, desarrollaron el inducido de anillo con un colector y escobillas semejantes a los actuales y comercializaron las primeras máquinas de corriente continua. Posteriormente, en 1872, Friedrich Franz von Hefner Altenek desarrolló el actualmente usado inducido de tambor en el que se tiene un mejor aprovechamiento de las bobinas. Las primeras escobillas eran un conjunto de finos filamentos metálicos agrupados como si fueran una brocha de afeitar o como una escoba (de donde proviene su nombre), pero no resultaron prácticas porque los alambres se recalentaban, se rompían fácilmente, producían muchas chispas y desgastaban al colector. Para hacerlas más duraderas y menos agresivas fueron reemplazadas por elementos conductores sólidos. Las primeras “escobillas sólidas” eran
1
metálicas, pero el elevado coeficiente de fricción con el metal de los anillos rozantes o de las delgas, producía mucho desgaste y continuaban las chispas. Para reducir el coeficiente de fricción se empleó carbón amorfo, lo que también redujo las indeseadas chispas. Luego se agregó al carbón amorfo una variedad alotrópica: el grafito de muy baja fricción y no buen conductor. Las escobillas actuales poseen distintas proporciones de carbón amorfo, grafito, elementos aglutinantes y, en algunos casos, agregados metálicos, en general cobre. Según sea la proporción de estos elementos, se tienen escobillas de distintos “grados” adecuadas para distintas aplicaciones. Ya en las primeras máquinas de corriente continua, en los albores de las aplicaciones de la energía eléctrica, tratando de resolver el problema de las chispas, se observó que cambiando la posición de las escobillas, se podían reducir las chispas. Por eso las primeras máquinas de corriente continua tenían un mecanismo, de accionamiento manual, para mover todo el sistema de escobillas y ubicarlas en la posición donde se tenían menos chispas, pero como esa posición depende de la carga y del sentido de giro, había que moverlas muy frecuentemente y era inaplicable en los motores que cambian el sentido de rotación. Afortunadamente, y como se verá más adelante, con el estudio del problema se llegó a conocerlo detalladamente e implementar las soluciones prácticas y muy eficientes que se utilizan en la actualidad.
3 PROCESO DE CONMUTACIÓN La cantidad de elementos o bobinas que, como mínimo, son cortocircuitadas simultáneamente por las escobillas es 2 p ( p pares de polos), independientemente del tipo de arrollamiento. En los arrollamientos imbricados, cada escobilla cortocircuita a una bobina, figura 1. En los arrollamientos ondulados, con dos escobillas, figura 2, cada escobilla cortocircuita p bobinas y si, como es habitual, se dispone de una escobilla por polo, por las conexiones externas de las escobillas de la misma polaridad, cada bobina es cortocircuitada a través de dos escobillas.
v
N S N S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Fig. 1. Bobinas cortocircuitadas en un arrollamiento imbricado.
2
v
N S N S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Fig 2. Bobinas cortocircuitadas en un arrollamiento ondulado con dos escobillas. Para analizar el proceso de conmutación de la corriente, en la figura 3 se muestra una bobina de un arrollamiento imbricado, en tres instantes sucesivos. A fin de simplificar el problema, en esta primera parte del análisis se considera el ancho de la escobilla be menor que el ancho de la delga bc , luego se verá que en la mayoría de los casos las escobillas apoyan en más de una delga. En el instante t = 0, figura 3.a, va a comenzar la conmutación, en (b) se está produciendo y en (c), para el instante t = T c, la conmutación terminó.
t=0
0 < t < Tc
i=I
I i1 = 2I v
I
2
b e
I
i1
i2 = 0
1
i
I v
t = Tc
i1 = 0
i2
1
2
i = -I
I v
I i2 = 2I
1
2
b c I e = 2I
I e = 2I
(a)
(b)
I e = 2I (c)
Fig. 3. Proceso de conmutación. Al comienzo de la conmutación la corriente i en la bobina estudiada, tiene el valor I y el sentido es hacia la izquierda, al finalizar la conmutación, dicha corriente tiene el mismo valor I pero está dirigida hacia la derecha. A fin de poder analizar los efectos de la inversión de la corriente en la bobina, se debe conocer la variación de la misma entre los instantes t = 0 y t = T c . El tiempo de conmutación T c vale:
3
T c
=
be v
[s]
(1)
Donde: be : Ancho de la escobilla [m]. v : Velocidad tangencial en la superficie del colector [m/s], de valor: v = Ω ⋅ r c
(2)
: Velocidad angular [1/s]. r c : Radio del colector [m]. Ω
Este tiempo de conmutación es muy breve y depende de las dimensiones y la velocidad de la máquina, pero en general, es menor al milisegundo. En las máquinas de corriente continua, y debido a la conmutación, las corrientes en las bobinas del inducido varían en una forma trapezoidal, como se muestra en la figura 4.
i T
I
t
I Tc Figura 4. Corriente en una bobina. La frecuencia de las conmutaciones f c es función de la cantidad de polos 2 p y de la velocidad de rotación n [rpm] y está alrededor de los cincuenta Hertz, es decir, un tiempo entre conmutaciones T de 10 milisegundos. n 1 f c = p = 60 2T (3) 60 T = 2 pn
4 CIRCUITO DE CONMUTACIÓN Como ya se mencionó, primero se estudiará el caso más sencillo en el que las escobillas son más angostas que las delgas, y luego el más frecuente en que las escobillas son más anchas que las delgas. En la figura 3.b se puede observar un circuito cerrado formado por la bobina, sus conexiones, las delgas y la escobilla; y en el mismo se puede plantear la segunda ley de Kirchhoff, para lo cual se toman los sentidos indicados en la figura 5.
4
i I
I ex ea ec ef
v
i2
i1 1
2 u1
u2 S1
S2
Borde de fuga
Borde de ataque
I e = 2I
Fig. 5. Circuito de conmutación, sentidos adoptados. En la malla formada se cumple: u2
− u1 +
∑ r ⋅ i = e
x
− ec + ea ± e f
(4)
Donde: u1 : u2 : Σr ⋅ i : e x : ec : ea : e f :
Caída de tensión en el contacto entre la escobilla y la delga 1. Caída de tensión en el contacto entre la escobilla y la delga 2. Caídas de tensión en las resistencias del circuito. Tensión de reactancia. Tensión inducida por el polo auxiliar. Tensión inducida por el flujo transversal de la armadura. Tensión inducida por el flujo de excitación.
Como ya se estudió, la conducción de corriente entre las escobillas y las delgas de un colector, o en un anillo rozante, se hace principalmente a través del aire, altamente ionizado, que se encuentra entre las irregularidades de la superficie de las escobillas y del metal de las delgas del colector o anillo y, por lo tanto, la caída de tensión no es lineal. En la figura 6 se muestra la variación típica de esa caída de tensión en función de la densidad de corriente J .
Ue 1V
0
J
Fig. 6. Caída de tensión en una escobilla.
5
Como se puede ver en la figura 6, en la zona de trabajo la caída de tensión tiende a hacerse constante y, para el tipo de escobillas empleadas en las máquinas de corriente continua, esa caída es de aproximadamente 1 V. Las resistencias involucradas en el circuito son: la propia de la bobina, las de las conexiones, las de las delgas y las del cuerpo de la escobilla. La denominada “tensión de reactancia” es la tensión inducida por la variación de corriente a través de la inductancia de dispersión l de la bobina en estudio, con sus respectivas conexiones, y en las inductancias mutuas M k de esa bobina con otras, en las que la corriente también está variando por la conmutación. Esta tensión es de la forma: e x
= l
di dt
+
∑ M
k
dik dt
(5)
Donde el subíndice k identifica a las otras bobinas que están conmutando. Por ejemplo en una máquina de cuatro polos con un arrollamiento de inducido de doble capa y bobinas diametrales, figura 7, están conmutando simultáneamente por lo menos cuatro bobinas y, sólo por el hecho de estar compartiendo las ranuras existirán las inductancias mutuas M 12 y M 14.
q S
N i
q
1
2
4
3
N
q
S q
Fig. 7. Bobinas conmutando en una máquina de cuatro polos. El sentido de esta tensión de reactancia es el de oponerse a la variación de la corriente i en la bobina estudiada. Más adelante se analiza sus efectos y como se la reduce. Cuando no existen polos auxiliares, la reacción de armadura desplaza la línea neutra magnética y, si el eje determinado por las escobillas coincide con el transversal, en las bobinas cortocircuitadas por las escobillas, que son las que están conmutando, se inducirán tensiones de rotación ea debido a que el campo magnético no es nulo en esa zona. La corriente producida por ea también trata de mantener la corriente en la bobina y se opone a la inversión de la misma. Al colocar los polos auxiliares, éstos anulan el campo magnético en la zona interpolar y esa tensión desaparece. Si el eje determinado por las escobillas coincide con el transversal, las bobinas que están conmutando concatenan el máximo flujo de excitación y por lo tanto en ellas no se inducen tensiones de rotación, ya que el flujo es constante y su derivada nula; pero si las escobillas se
6
encuentran en otra posición, aparecerán tensiones inducidas por rotación e f cuyo sentido dependerá de hacia donde se encuentran corridas las escobillas. Como ya se mencionó, primitivamente se aprovechó esa tensión para compensar a las otras tensiones inducidas, pero esa no era una buena solución. En la mayoría de las máquinas actuales, salvo las de muy pequeña potencia, se colocan polos auxiliares y las escobillas están fijas, determinando un eje coincidente con el transversal, por lo tanto no aparecen las tensiones ea ni e f . Más adelante se analiza cómo la tensión rotación producida por los polos auxiliares ec puede compensar a la tensión de reactancia e x que es de transformación.
5 CURVA DE CONMUTACIÓN A fin de establecer las magnitudes que definen el transitorio de conmutación, se analiza una posible curva de variación de la corriente i en la bobina cuya conmutación se está estudiando, figura 8.
i I α2
i2
i
Ie t
t 0
Tc i1
-I
α1
Tc - t
t Tc
Fig. 8. Corriente en la bobina que está conmutando. Las corrientes valen: i1 = I + i i2 = I − i I e = 2 ⋅ I = cte.
(6)
Estas corrientes se encuentran indicadas en la figura 8. Las superficies de contacto de la escobilla con la delga 1, S 1, y con la delga 2, S 2, son funciones lineales del tiempo y valen: S 1 S 2
=
=
T c
− t
T c t T c
⋅ S e
⋅ S e
para 0 ≤ t ≤ T c
Donde S e es la sección de toda la escobilla: S e
7
=
S 1 + S 2 .
(7)
Con las corrientes y las secciones se pueden determinar las densidades de corriente J en ambos lados de las escobillas: T T i i J 1 = 1 = c ⋅ 1 = c ⋅ tg α 1 S 1 S e T c − t S e (8) T c i2 T c i2 J 2 = = ⋅ = ⋅ tg α 2 S 2 S e t S e O sea que para un punto cualquiera de la curva, correspondiente al instante t las tangentes de los ángulos α 1 y α 2 definen las densidades de corriente en ambos lados de la escobilla, las que como se ve, pueden variar a medida que avanza la conmutación, dependiendo de la forma de la curva. En el ejemplo mostrado en la figura 8, la densidad de corriente es relativamente baja en el “borde de ataque” o de entrada de la escobilla y va creciendo hacia el “borde de fuga” o de salida.
5.1 Conmutación Lineal Si la máquina se encuentra perfectamente compensada, el segundo miembro de la ecuación (4) será nulo en todo momento y, si además, se desprecian las caídas resistivas, resulta:
u2
− u1 = 0
⇒ u1
= u2
(9)
Si las caídas de tensión en ambos lados de la escobilla son iguales durante la conmutación, significa que también lo serán las densidades de corrientes J 1 = J 2 y los ángulos α 1 = α 2 de la figura 8, para lo cual la curva se tiene que transformar en una recta, como se muestra en la figura 9 y la inversión de la corriente se produce en T c/2.
i I α2
Tc
t
2
0
Tc α1
-I Fig. 9. Conmutación lineal. La conmutación lineal, a densidad de corriente constante, es la que permite el mejor aprovechamiento de la escobilla y, si esa densidad de corriente es tal que las caídas de tensión u1 y u2 son menores a 1 V, toda la conmutación se hará prácticamente sin chispas. Esta forma de conmutación es a la que se trata de llegar en el diseño de la máquina.
8
5.2 Efecto de las Resistencias Las resistencias del circuito de conmutación, detalladas más arriba, modifican ligeramente la forma de la curva de conmutación. Una conmutación lineal se modifica como se muestra en la figura 10. i
I
Tc
t
2
0
Tc
-I
Fig. 10. Efecto de las resistencias. Si bien el efecto no es muy pronunciado, aumentan las densidades de corriente en los bordes de ataque y de fuga de la escobilla.
5.3 Efecto de la Tensión de Reactancia Como ya se mencionó la tensión de reactancia, debida a las inductancias del circuito, se oponen a la variación de la corriente en la bobina y retrasa el momento en que esa corriente cambia de signo. Por ese motivo se dice que la conmutación está “retrasada”, la curva de la figura 6 muestra una conmutación ligeramente retrasada. Cuando la conmutación se retrasa, aumenta la densidad de corriente en el borde de fuga de la escobilla, y se pueden producir chispas en esa zona, figura 11a. Cuando el retraso es severo, la conmutación se puede prolongar más allá del tiempo T c con formación de arcos, como se muestra en la figura 11b, lo que resultaría muy perjudicial para el colector. La corriente durante la conmutación se vuelve irregular por la presencia del arco, como se muestra aproximadamente en la figura 12.
0 < t < Tc
v
1
t > Tc
v
2
Chispas
1
2
Arcos (a)
(b)
Fig. 11. Arcos en el borde de fuga.
9
i I
t 0
Tc
-I Fig. 12. Conmutación en presencia de arcos.
6 REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN DE REACTANCIA Ante los efectos nocivos de la tensión de reactancia, conviene reducirla lo más posible, y tratar de compensarla. Para reducir la tensión de reactancia (5) se siguen varias estrategias de diseño.
6.1 Reducción del Número de Espiras Como tanto la inductancia de dispersión l como las inductancias mutuas M dependen del cuadrado del número de espiras, reduciendo la cantidad de espiras de las bobinas, se mejora la conmutación. En la mayoría de las máquinas de corriente continua de mediana y gran potencia, todas las bobinas tienen una sola espira por bobina. La contra de este procedimiento es que se aumenta la cantidad de bobinas y de delgas en el colector, ( B = C ), y obliga a utilizar más de dos lados de bobina por ranura (u > 2) lo que aumenta las inductancias mutuas.
6.2 Ranuras Abiertas Otra forma de reducir el flujo de dispersión de ranura y, consecuentemente, la inductancia de dispersión y las inductancias mutuas, es utilizando ranuras abiertas, figura 13, que por otra parte son necesarias cuando las bobinas son rígidas como es lo habitual.
Fig. 13. Ranuras abiertas.
6.3 Arrollamientos Escalonados Cuando se tiene u > 2 se puede reducir el acoplamiento magnético entre las bobinas, y en consecuencia las inductancias mutuas, haciendo las bobinas de distinto paso para que uno de sus lados termine en una ranura adyacente, a estos arrollamientos se los denomina “escalonados”. En la figura 14 se muestran algunas bobinas de un arrollamiento normal, con u = 4, donde se puede observar que los lados de dos bobinas sucesivas quedan, en ambas capas, uno al lado del
10
otro. Mientras que en el arrollamiento escalonado de la figura 15 se puede observar que en la capa inferior los lados de esas bobinas quedan en ranuras diferentes, lo que reduce el acoplamiento magnético entre las mismas.
Fig. 14. Arrollamiento normal con u = 4.
Fig. 15. Arrollamiento escalonado con u = 4. Los arrollamientos escalonados son más complejos de construir que los normales y, por lo tanto más costosos.
6.4 Aumento del Ancho de las Escobillas Para reducir la tensión de reactancia se pueden reducir las derivadas de las corrientes respecto al tiempo, para lo cual hay que aumentar el tiempo de conmutación T c, lo que se puede hacer aumentando el ancho de las escobillas, pero este procedimiento también aumenta la cantidad de bobinas que están conmutando simultáneamente y la cantidad de términos de la sumatoria de la ecuación (5). En la práctica las escobillas tienen un ancho de 2 a 3 veces el ancho de las delgas.
7 FORMA DE LA TENSIÓN DE REACTANCIA La forma de variación en el tiempo de la tensión de reactancia es aproximadamente escalonada y se puede obtener analizando los términos de la ecuación (5). A fin de evaluar las derivadas de las corrientes, lo habitual es suponer que la conmutación será lineal y, por lo tanto las derivadas serán constantes, figura 16.
i I Tc 0
t
-I -ex
0
Tc
t
Fig. 16. Corriente en la bobina y su derivada. A modo de ejemplo se considera la tensión de reactancia que se produciría en un arrollamiento normal con escobillas de ancho be = 2,5 bc, figura 17. Dado el ancho de la escobilla, el tiempo de
11
conmutación T c será 2,5 veces el tiempo que se tarda, en la superficie del colector, en desplazarse la distancia correspondiente a una delga T D T c
=
=
2,5 bc
v
M 23
M 13 I v
be
i1
i2
=
v
l 3
2,5 T D
M 43
i3
(10)
M 53 I i5
i4
b c
I e = 2I
b e = 2,5 bc
Fig. 17. Inductancias. A continuación se analiza la tensión de reactancia inducida en la bobina 3 de la figura 17 y se supone que: M 13 = M 53 < M 23 = M 43 < l 3 (11) Cada T D segundos comienza a conmutar una bobina y la conmutación dura T c, entonces cada una de las componentes de la tensión de reactancia serán rectángulos separados T D y con amplitud correspondiente a la respectiva M o l figura 18.
Tc M 13 d i 1 /d t TD M 23 d i 2 /d t l 3 d i 3 /d t M 43 d i 4 /d t M 53 d i 5 /d t -e x
0
t Fig. 18. Tensión de reactancia.
Por los supuestos establecidos en (11) la forma de variación de la tensión de reactancia resulta simétrica, pero no siempre es así, por ejemplo en los arrollamientos escalonados. 12
8 COMPENSACIÓN DE LA TENSIÓN DE REACTANCIA Con los procedimientos mencionados, la tensión de reactancia se puede reducir pero no anular, por lo tanto la conmutación indefectiblemente se atrasará, con el consiguiente aumento de la densidad de corriente en el borde de fuga de las escobillas. Si la máquina es de pequeña potencia, se pueden sobredimensionar las escobillas para que esa densidad de corriente no sea muy alta y las caídas de tensión no superen el volt, con lo que prácticamente no habrá chispas; pero si la máquina es de mediana o gran potencia, el procedimiento no es aconsejable porque con escobillas sobredimensionadas se agranda el colector que es una pieza compleja, costosa y delicada. Como ya se mencionó, la primer solución adoptada fue la de mover todo el sistema de escobillas a una posición donde la componente e f compensase, de la mejor forma posible, a la tensión de reactancia y al campo de armadura que producía la tensión ea, pero esa posición no es fija sino que depende de la carga. Además si la máquina es un motor, que invierte su sentido de giro, habría que desplazar las escobillas en el sentido contrario lo que resultaría muy engorroso. Con la introducción de los polos auxiliares, ese procedimiento ha sido totalmente descartado.
8.1 Los Polos Auxiliares La mejor forma de compensar el campo transversal de la reacción de inducido, para evitar el corrimiento de la línea neutra magnética y la tensión de reactancia, es por medio de los polos auxiliares, ubicados en los ejes transversales de la máquina. Si bien es posible colocar la mitad de polos auxiliares que polos principales tiene la máquina, lo normal es colocarlos en igual cantidad. Los polos auxiliares deberían producir un campo magnético que induzca en los lados de las bobinas que están conmutando y por rotación, una tensión de igual variación temporal que la tensión escalonada de reactancia, lo que resulta imposible, pero se puede aproximar bastante. En la figura 19 se muestra una posible tensión ec para compensar a la tensión e x mostrada en la figura 18. D ec (θ ) = 2 N b ⋅ Baux (θ ) ⋅ l ⋅ v = 2 N b ⋅ Baux (θ ) ⋅ l ⋅ Ω = e x (t ) (12) 2 θ = Ω ⋅ t Donde: θ :
Posición angular. N b : Número de espiras de la bobina. Baux : Inducción magnética en el entrehierro producida por el polo auxiliar [T]. l : Longitud del lado de bobina [m]. v: Velocidad tangencial [m/s]. Ω : Velocidad angular del inducido [1/s]. D: Diámetro del inducido [m].
-e x ec
u 1 -u 2 ec
0
θ=Ω
Fig. 19. Tensiones de reactancia e x y de compensación ec. 13
t
Para obtener la forma deseada de la tensión ec se debe ajustar el campo magnético producido por el polo auxiliar, conformando el extremo del mismo y su entrehierro. Si las diferencias entre ambas tensiones no superan el valor admitido por las escobillas, del orden de 1 V, no se producirán chispas y la conmutación será “negra”. Esta es la razón por la cual las escobillas “electrografíticas” de gran caída de tensión, usadas en las máquinas a colector, favorecen la conmutación, en particular en las de corriente alterna donde el problema es más serio aún.
8.2 Influencia de la Corriente de Armadura Al variar el estado de carga de la máquina, varía la corriente de armadura y en consecuencia las derivadas de la tensión de reactancia. Para conmutación lineal, figura 9: di dt
= tg α 1 =
tg α 2
=
2 I
=
T c
2 I 2 I = Ω ⋅ r c be be v
(13)
Es decir que las derivadas son proporcionales a las corrientes I , que son una fracción constante de la corriente de armadura I a . Por otra parte si los polos auxiliares se conectan en serie sustractiva con el inducido, figura 20, la inducción Baux que los mismos producen, y si no se saturan, será proporcional a corriente de armadura.
Ia
A
B H G Fig. 20. Conexión de los polos auxiliares. Quiere decir que, mientras los polos auxiliares no se saturen, la tensión ec producida por los mismos variará con la corriente de armadura de la misma forma que lo hace la tensión de reactancia e x y la máquinas conmutará correctamente, independientemente de la carga. Para que los polos auxiliares no se saturen, se los hace de la sección apropiada y, a veces se deja un entrehierro adicional entre los mismos y la carcasa de la máquina.
8.3 Influencia de la Velocidad. Al variar la velocidad de rotación de la máquina, también varían las derivadas de la tensión de reactancia, las que dependen linealmente de Ω , ecuación (13), pero también la tensión de rotación inducida por los polos auxiliares depende linealmente de la velocidad de giro, ecuación (12); por lo tanto la compensación se da todas las velocidades.
8.4 Conmutación Adelantada Si la fuerza magnetomotriz que generan los polos auxiliares es mayor de la necesaria, se “adelanta” la conmutación, figura 21, lo que aumenta la densidad de corriente en el borde de
14
ataque y la disminuye en el borde de fuga. Algunos autores recomiendan una conmutación ligeramente adelantada, pero la tendencia actual es hacia la conmutación lineal, a densidad de corriente constante.
i
I
Tc
t
2
0
Tc
-I Fig. 21. Conmutación adelantada.
8.5 Determinación Experimental de la Forma de Conmutación Midiendo la caída de tensión en distintas partes del contacto entre las escobillas y el colector, se puede determinar si la conmutación está retrasada, adelantada o si es lineal. Para ello se debe disponer de un voltímetro de corriente continua de bajo alcance y medir, con las precauciones del caso, mientras la máquina está funcionando con carga, la diferencia de potencial entre la escobilla y el colector, en diferentes lugares del arco de contacto, figura 22.
u
V X
Ω Fig. 22. Medición de la caída de tensión en el contacto de las escobillas. En la figura 23 se muestran distintas formas posibles de las curvas resultantes.
u
Retrasada Lineal Adelantada
0
b e
x
Fig. 23. Curvas resultantes para distintas conmutaciones. 15
9 OTROS FACTORES QUE AFECTAN A LA CONMUTACIÓN Además de los fenómenos electromagnéticos analizados más arriba, existen otros factores que pueden dar lugar a chispas entre las escobillas y las delgas del colector, aún en máquinas originalmente bien diseñadas y que funcionan dentro de sus condiciones nominales, como ser:
9.1 Del colector a) Estar deformado y no ser cilíndrico. b) Estar gastado o rayado por el rozamiento con las escobillas. c) Estar erosionado por las chispas. d) Estar sucio. e) No estar rebajados los separadores de mica. f) Las delgas no tienen sus cantos fresados. En la figura 24 se muestran algunas delgas de un colector con sus cantos fresados y los separadores de mica rebajados.
Delga
Fresado
Mica Fig. 24. Terminación de las delgas y de la mica. Los colectores nuevos o recién pulidos, presentan una superficie brillante y ligeramente rojiza, pero luego de un cierto uso, la zona de contacto con las escobillas se va oscureciendo por la formación de una “pátina” principalmente de oxido de cobre. Contrariamente a lo que se podría suponer, esa pátina favorece la conmutación y, a menos que esté rayada o erosionada, no es aconsejable su remoción.
9.2 De las escobillas a) No ser del tipo adecuado. b) No asentar bien sobre el colector. c) No tener la presión adecuada. d) No moverse con libertad dentro del portaescobillas. e) Estar flojas. f) No estar bien posicionadas. g) Conexiones flojas.
9.3 Del arrollamiento a) Espiras cortocircuitadas. b) Conexiones a las delgas desoldadas. c) Polos auxiliares mal conectados.
9.4 Climáticas a) Muy baja humedad ambiente. b) Muy baja temperatura. Como se puede apreciar la mayoría de las causas anteriores son problemas de mantenimiento y se pueden evitar tomando las precauciones del caso. 16
10 BIBLIOGRAFÍA M. Liwschitz Garik y C. C. Whipple: “Máquinas de Corriente Continua” Editorial CECSA, 1972. M. Kostenko y L. Piotrovsky: “Máquinas Eléctricas” Tomo I, Editorial Montaner Simon, S.A., 1968. J. Hindmarsh: “Máquinas Eléctricas y sus Aplicaciones” Editorial URMO S.A.1975, National Carbon Co. Inc.: “Carbon, Graphite and Metal-Graphite Brushes” Edited by W. C. Kalb 1946. M. S. Say & E. O. Taylor: “Direct Current Machines” Pitman International Text, 1980. A. E. Clayton: “The Performance and Design of Direct Current Machines”, Second edition, Pitman, 1949 A. S. Langsdorf: “Principles of Direct Current Maquines” Sixth edition, McGraw Hill 1959.
Ing. Norberto A. Lemozy 2010
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