PROBLEMAS
DE CONMUTACIÓN EN MÁQUINAS DE C.C.
La
reacción del inducido
La distorsión del flujo magnético en una máquina
c.c. en la medida que la carga se va incrementando se denomina REACCIÓN DEL
INDUCIDO, y es consecuencia de la interacción resultante entre el campo
magnético de excitación (estátor) y el originado por el devanado del inducido
(rotor) al circular por éste una corriente.
Figura 9: Reacción del inducido
Esquema de la reacción del inducido
Figura 10: Esquema de la reacción del
inducido
Leyenda de la figura 10:
(1) Máquina en vacío (sin reacción de inducido)
Cuando la máquina trabaja en vacío, solamente
actúa el devanado de excitación de los polos del estátor. La f.m.m. producida
por el devanado de excitación es constante y máxima debajo de cada polo y
decrece rápidamente en el espacio interpolar hasta hacerse cero en el plano
neutro magnético.
Figura 11: Curva de inducción
magnética en vacío
Teóricamente, la curva de la inducción magnética
debería tener una amplitud constante y de diferente signo debajo de cada polo y
ser nula en el espacio interpolar, pero debido a los flujos de dispersión que
aparecen en los cuernos polares se obtiene una forma ligeramente trapezoidal.
(2) Campo debido a la corriente en el inducido
Por el hecho de circular una corriente por las
bobinas del inducido se genera una f.m.m. que dará lugar a un campo magnético
tal como indica la figura 12.
Figura 12: Campo debido a la
corriente en el inducido
(3) Conexión de una carga (distorsión por la reacción
del inducido)
El efecto de conectar una carga al circuito
inducido del motor, provoca que circule una corriente por el mismo que
producirá un campo magnético propio que se combinará con el campo magnético de
excitación de la máquina. La distorsión del flujo magnético en una máquina de c.c.
en la medida en que la carga se va incrementando se denomina reacción del
inducido.
Figura 13: Curva de inducción
magnética en carga
(4) Superposición de las curvas de inducción
mostrando el efecto de la reacción de inducido
Figura 14: Flujo y fuerza
magnetomotriz frente a las caras polares en una
máquina de c.c. En aquellos lugares
donde las fuerzas magnetomotrices
se restan, el flujo sigue de cerca a
la fuerza magnetomotriz neta en el
hierro; pero en aquellos puntos en
donde las fuerzas magnetomotrices
se suman, la saturación limita el
flujo presente. Nótese también que el
punto neutro del rotor se ha
desplazado.
Problemas
que origina la reacción de inducido
1.- Provoca el
desplazamiento del plano neutro magnético donde se sitúan las escobillas
En las figuras
15, 16, 17, 18 y 19 se representa la evolución de la reacción del inducido en
un generador de c.c.
Figura 15: Inicialmente, el flujo del
polo está
uniformemente distribuido y el plano
neutro
magnético es vertical
Figura 16: Efecto del entrehierro en
la distribución
del flujo frente al polo
Figura 17: Campo magnético que
resulta en el
inducido cuando se conecta una carga
a la máquina.
Figura 18: Se muestran los flujos,
tanto del rotor como
de los polos, indicando los puntos en
donde tales flujos
se suman o se restan.
Figura 19: Flujo resultante frente a
los polos. El plano
neutro se ha desplazado en la
dirección del movimiento.
Cuando la máquina trabaja en vacío, el plano
neutro magnético coincide con el plano neutro geométrico o plano medio entre
polos.
Sin embargo, cuando circula corriente por el
inducido hay desplazamiento respecto el centro geométrico que depende de si la
máquina trabaja con motor o generador:
o
Si la
máquina actúa como generador, el plano neutro magnético se desplaza en la
dirección de la rotación.
o
Si la
máquina actúa como motor, el plano neutro magnético se desplaza en la dirección
opuesta a la rotación.
Si las escobillas se han situado en el plano
neutro magnético para cortocircuitar los conductores que en vacío no tienen la
f.e.m. inducida, al conectar una carga a la máquina se producirán fuertes
chispas en las escobillas ya que los conductores que ahora se cortocircuitan si
tienen una f.e.m. debido al desplazamiento que se produce en el plano neutro
por la reacción de inducido.
2.- Aumenta la
inducción en la mitad de un polo y lo disminuye en la otra mitad.
3.- Disminuye el
flujo principal.
4.- Determina
una caída de tensión.
5.- Aumenta las
pérdidas en el hierro.
6.- Aumenta la
tensión entre delgas continuas en el colector, originando chispas en el propio
colector.
7.- La reducción
del flujo comporta una disminución de la fuerza electromotriz inducida.
Soluciones:
Desplazamiento
de las escobillas
Se utiliza para reducir las chispas de las
escobillas, causados por el desplazamiento del plano neutro y los efectos
provocados por el golpe inductivo L · di/dt .
No es una solución total pues tiene varios
inconvenientes asociados:
- El plano neutro se mueve con cada cambio de carga y la dirección del desplazamiento cambia de sentido cuando la máquina funciona como motor o como generador. Esto obliga a que alguien ajuste las escobillas en cada cambio de carga.
- Desplazar las escobillas puede reducir las chispas, pero agrava el efecto de debilitamiento de flujo en la reacción de inducido de la máquina.
Hoy en día este método sólo se usa en máquinas
muy pequeñas que giran siempre en la misma dirección y solamente se hace porque
las mejores soluciones al problema sencillamente no son económicas para motores
tan pequeños.
Polos
de conmutación o interpolos
Permiten eliminar totalmente las chispas de las
escobillas, tanto debido al desplazamiento de la línea neutra (reacción de
inducido) como por motivo del golpe inductivo durante la conmutación.
Los polos de conmutación son pequeños núcleos que
se colocan en la línea neutra teórica, que van provistos de un devanado que se
conecta en serie con el inducido y que producen un campo magnético opuesto al
de la reacción de inducido.
Figura 20: Disposición de los polos
de conmutación
Estos polos no modifican en ninguna otra forma el
funcionamiento de la máquina, porque son tan pequeños que sólo afectan a los
pocos conductores sometidos a la conmutación.
Proceso de actuación de los polos de conmutación
Figura 21: Proceso de actuación de
los polos de conmutación
Si la carga aumenta, la corriente del rotor
aumenta, el plano neutro se desplaza y los efectos del golpe inductivo se
incrementan. Sin embargo, el aumento de carga también produce que el flujo del
polo auxiliar también crezca, produciendo un voltaje mayor en los conductores
que van en sentido contrario al voltaje originado por el desplazamiento del
plano neutro. El resultado neto es que sus efectos se anulan para una amplia
gama de cargas.
Los polos de conmutación trabajan tanto para el
funcionamiento de motores como de generadores, puesto que cuando la máquina
cambia de conmutación cambian de dirección; por tanto, los efectos de voltaje
se siguen anulando.
Polaridad del flujo en los polos de conmutación
Las polaridades de los polos de conmutación deben
ser tales que induzcan voltajes en las bobinas que están en conmutación, en un
sentido que ayuda a la inversión de la corriente. La regla de la mano derecha y
el sentido de rotación determinan la polaridad de los polos de conmutación.
En el caso de un GENERADOR, el plano neutro se
desplaza en la dirección de la rotación. Esto significa que los conductores
sujetos a conmutación tienen la misma polaridad de voltaje que la de los polos
que acaban de dejar. Para contrarrestar este voltaje, los polos de conmutación
deben tener flujo contrario, que es el del flujo que sigue.
Es un generador, los polos auxiliares deben tener
la misma polaridad que el siguiente polo principal que se acerca.
En un MOTOR, el plano neutro se desplaza en
dirección contraria al sentido de la rotación y los conductores que van a ser
objeto de conmutación tienen el mismo flujo que el polo al que se están
aproximando. Con objeto de contrarrestar este voltaje, los polos auxiliares
deben tener la misma polaridad que el polo anterior.
En un motor, los polos auxiliares deben tener la
misma polaridad que el polo polar anterior.
Devanados
de compensación
Permiten cancelar completamente la reacción del
inducido y con ello el efecto de desplazamiento del flujo magnético resultante
y las chispas asociadas a éste.
Este tipo de devanados consiste en la incorporación
de bobinas en ranuras talladas en las caras de las expansiones polares. Estos
quedan paralelos a los conductores del rotor y se conectan en serie con las
bobinas del rotor de forma que generan un flujo magnético que compensa
completamente el flujo del inducido, independientemente de la carga aplicada.
Como consecuencia, la f.m.m. neta resultante será
justamente la f.m.m. debida a los polos de excitación para cualquier carga.
Los devanados de compensación son extremadamente
caros, y sólo se les emplea en máquinas con un rendimiento de naturaleza
extremadamente exigente.
Atención!
Cualquier motor que use devanados de compensación
debe usar además, polos de conmutación, puesto que las bobinas de compensación
no eliminan los efectos provocados por el golpe inductivo. No obstante, los
polos de conmutación no tienen que ser tan fuertes, ya que están cancelando
solamente los voltajes L · di/dt de las bobinas y no los voltajes que se deben
al desplazamiento del plano neutro.
Figura 22: Efecto de las bobinas de
compensación en una máquina de c.c.
Chispas
de conmutación (El golpe inductivo)
Cuando un segmento del colector se pone en
cortocircuito con las escobillas, la corriente que fluye por él debe cambiar de
sentido, este cambio se produce de forma muy rápida, lo que da lugar a una
variación di/dt. Aún con una pequeña inductancia en el circuito, se inducirá en
el segmento colector en cortocircuito un golpe de voltaje inductivo muy
significativo V=L·di/dt
Proceso de conmutación
Figura 23: Proceso de conmutación
Consecuencias
Este voltaje origina problemas de chisporroteo en
las escobillas parecidos a los que causa el desplazamiento del plano neutro por
la reacción de inducido.
Soluciones
Las mismas soluciones indicadas en el apartado: Problemas que origina la reacción del inducido.
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