celda de conmutación es la estructura básica en electrónica de potencia . Está compuesto por un interruptor electrónico (hoy un semiconductor de alta potencia , no un interruptor mecánico) y un diodo. Tradicionalmente se lo denominaba chopper , pero dado que cambiar las fuentes de alimentación se convirtió en una forma importante de conversión de energía, este nuevo término se ha vuelto más popular.
El propósito de la celda de conmutación es "cortar" la corriente continua en corriente alterna de onda cuadrada . Esto se hace para que se pueda usar un inductor y un condensador en un circuito LC para cambiar el voltaje. En teoría, este es un proceso sin pérdidas, y en la práctica se logran de manera rutinaria eficiencias superiores al 80-90%. La salida generalmente se ejecuta a través de un filtro para producir energía CC limpia. Al controlar los tiempos de encendido y apagado (el ciclo de trabajo ) del interruptor en la celda de conmutación, se puede regular el voltaje de salida .
Este principio básico es el núcleo de la mayoría de las fuentes de alimentación modernas, desde pequeños convertidores DC-DC en dispositivos portátiles hasta enormes estaciones de conmutación para la transmisión de energía DC de alto voltaje .
Conexión de dos elementos de potencia [ editar ]
Una celda de conmutación conecta dos elementos de energía, a menudo denominados fuentes, aunque pueden producir o absorber energía.
Existen algunos requisitos para conectar fuentes de alimentación. Las configuraciones imposibles se enumeran en la figura 1. Básicamente son:
- una fuente de voltaje no puede estar en corto, ya que el cortocircuito impondría un voltaje cero que contradeciría el voltaje generado por la fuente;
- de manera idéntica, una fuente de corriente no puede colocarse en un circuito abierto;
- dos (o más) fuentes de voltaje no pueden conectarse en paralelo, ya que cada una de ellas trataría de imponer el voltaje en el circuito;
- dos (o más) fuentes de corriente no se pueden conectar en serie, ya que cada una de ellas intentaría imponer la corriente en el bucle.
Esto se aplica a las fuentes clásicas (batería, generador), pero también a condensadores e inductores: en una escala de tiempo pequeña, un condensador es idéntico a una fuente de voltaje y un inductor a una fuente de corriente. Conectar dos condensadores con diferente nivel de voltaje en paralelo corresponde, por lo tanto, a conectar dos fuentes de voltaje, una de las conexiones prohibidas de la figura 1.
La figura 2 ilustra la pobre eficiencia de tal conexión. Un condensador se carga a un voltaje V y se conecta a un condensador con la misma capacidad, pero descargado.
Antes de la conexión, la energía en el circuito es , y la cantidad de cargas Q es igual a , donde U es la energía potencial.
Una vez realizada la conexión, la cantidad de cargas es constante y la capacitancia total es . Por lo tanto, el voltaje a través de las capacitancias es. La energía en el circuito es entonces. Por lo tanto, la mitad de la energía se ha disipado durante la conexión.
Lo mismo se aplica con las conexiones en serie de dos inductancias. El flujo magnético () permanece constante antes y después de la conmutación. Como la inductancia total después de la conmutación es 2L, la corriente se convierte en(ver figura 2). La energía antes de la conmutación es. Después es. Aquí nuevamente, la mitad de la energía se disipa durante la conmutación.
Como resultado, se puede ver que una celda de conmutación solo puede conectar una fuente de voltaje a una fuente de corriente (y viceversa). Sin embargo, utilizando inductores y condensadores, es posible transformar el comportamiento de una fuente: por ejemplo, se pueden conectar dos fuentes de voltaje a través de un convertidor si usa un inductor para transferir energía.
La estructura de una celda de conmutación [ editar ]
Como se dijo anteriormente, una celda de conmutación debe colocarse entre una fuente de voltaje y una fuente de corriente. Dependiendo del estado de la célula, ambas fuentes están conectadas o aisladas. Cuando está aislada, la fuente de corriente debe estar en corto, ya que es imposible que se cree una corriente en un circuito abierto. El esquema básico de una celda de conmutación se da por lo tanto en la figura 3 (arriba). Utiliza dos interruptores con estados opuestos: en la configuración representada en la figura 3, ambas fuentes están aisladas y la fuente actual está en cortocircuito. Cuando el interruptor superior está encendido (y el interruptor inferior está apagado), ambas fuentes están conectadas.
En realidad, es imposible tener una sincronización perfecta entre los interruptores. En un momento durante la conmutación, estarían tanto encendidos (acortando la fuente de voltaje) como apagados (dejando la fuente de corriente en un circuito abierto). Es por eso que uno de los interruptores tiene que ser reemplazado por un diodo. Un diodo es un dispositivo de conmutación natural, es decir, su estado está controlado por el propio circuito. Se encenderá o apagará en el momento exacto en que tiene que hacerlo. La consecuencia de usar un diodo en una celda de conmutación es que lo hace unidireccional (ver figura 3). Se puede construir una celda bidireccional, pero es básicamente equivalente a dos celdas unidireccionales conectadas en paralelo.
La celda de conmutación en convertidores [ editar ]
La celda de conmutación se puede encontrar en cualquier convertidor electrónico de potencia . En la figura 4 se dan algunos ejemplos. Como se puede ver, una "fuente de corriente" (en realidad un bucle que contiene una inductancia) siempre está conectada entre el punto medio y una de las conexiones externas de la celda de conmutación, mientras que una fuente de voltaje ( o un condensador, o una conexión en serie de fuente de voltaje y condensador) siempre está conectado a las dos conexiones externas.
Un conmutador es un interruptor eléctrico giratorio en ciertos tipos de motores eléctricos y generadores eléctricos que periódicamente invierte la dirección de la corriente entre el rotor y el circuito externo. Consiste en un cilindro compuesto por múltiples segmentos de contacto de metal en la armadura giratoria de la máquina. Dos o más contactos eléctricos llamados " cepillos " hechos de un material conductor suave como la prensa de carbón contra el conmutador, haciendo contacto deslizante con segmentos sucesivos del conmutador a medida que gira. Los devanados (bobinas de alambre) en 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 actual en los devanados rotativos cada media vuelta, se produce una fuerza de rotación constante ( par ). En un generador, el conmutador selecciona 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 externa. La primera máquina de tipo conmutador de corriente continua, la dinamo , fue construida por Hippolyte Pixii en 1832, según una sugerencia de André-Marie Ampère .
Los conmutadores son relativamente ineficientes y también requieren mantenimiento periódico, como el reemplazo del cepillo. Por lo tanto, las máquinas conmutadas están disminuyendo en uso, siendo reemplazadas por máquinas de corriente alterna (CA), y en los últimos años por motores CC sin escobillas que usan interruptores semiconductores .
Principio de funcionamiento [ editar ]
Un conmutador consiste en 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 el sentido opuesto a la dirección inicial. En un motor, la corriente del inducido hace que el campo magnético fijo ejerza una fuerza de rotación o un par, en 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, lo que induce 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 para que el flujo de corriente en el circuito externo a la máquina continúe en una sola dirección.
El conmutador práctico más simple [ editar ]
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Los conmutadores prácticos tienen al menos tres segmentos de contacto, para evitar un punto "muerto" donde dos cepillos conectan simultáneamente solo dos segmentos del conmutador. Los cepillos se hacen más anchos que el espacio aislado, para garantizar que los cepillos siempre estén en contacto con una bobina de armadura. Para los conmutadores con al menos tres segmentos, aunque el rotor puede detenerse potencialmente en una posición en la que dos segmentos del conmutador tocan un cepillo, esto solo desactiva uno de los brazos del rotor mientras que los otros seguirán funcionando correctamente. Con los brazos restantes del rotor, un motor puede producir un par suficiente para comenzar a girar el rotor, y un generador puede proporcionar energía útil a un circuito externo.
Construcción de anillo / segmento [ editar ]
Un conmutador consiste en un conjunto de segmentos de cobre , fijados alrededor de la parte de la circunferencia de la máquina rotativa, o el rotor, y un conjunto de cepillos accionados por resorte fijados al marco estacionario de la máquina. Dos o más cepillos fijos 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 segmentos adyacentes. La mica se usó en máquinas antiguas y todavía se usa en máquinas grandes. Muchos otros materiales aislantes se utilizan para aislar máquinas más pequeñas; los plásticos permiten la fabricación rápida de un aislante, por ejemplo. Los segmentos se sostienen sobre el eje usando una forma de cola de milano en los bordes o la parte inferior de cada segmento. Las cuñas aislantes alrededor del perímetro de cada segmento se presionan para que el conmutador mantenga su estabilidad mecánica en todo su rango de funcionamiento normal.
En pequeños electrodomésticos y motores de herramientas, los segmentos suelen estar engarzados permanentemente en su lugar y no se pueden quitar. Cuando el motor falla, se descarta y se reemplaza. En máquinas industriales grandes (digamos, desde varios kilovatios hasta miles de kilovatios en clasificación) es económico reemplazar segmentos dañados individuales, por lo que la cuña final se puede desenroscar y se pueden quitar y reemplazar segmentos individuales. Reemplazar los segmentos de cobre y mica se conoce comúnmente como "rellenado". Los conmutadores recargables con cola de milano son la construcción más común de los conmutadores de tipo industrial más grandes, pero los conmutadores recargables también pueden construirse utilizando bandas externas hechas de fibra de vidrio (construcción con banda de vidrio) o anillos de acero forjado (construcción de tipo de anillo de contracción de acero externo y construcción de tipo de anillo de contracción de acero interno ) Desechable, Los conmutadores de tipo moldeado que se encuentran comúnmente en motores de CC más pequeños son cada vez más comunes en motores eléctricos más grandes. Los conmutadores de tipo moldeado no son reparables y deben reemplazarse si están dañados. Además de los métodos comúnmente utilizados de calor, torque y tonelaje de los conmutadores de condimentación, algunas aplicaciones de conmutadores de alto rendimiento requieren un proceso de "condimentación por rotación" más costoso y específico o pruebas de rotación por exceso de velocidad para garantizar la estabilidad de los segmentos individuales y evitar prematuros Desgaste de las escobillas de carbón. Dichos requisitos son comunes en aplicaciones de tracción, militares, aeroespaciales, nucleares, mineras y de alta velocidad, en las que la falla prematura puede tener graves consecuencias negativas. Los conmutadores de tipo moldeado no son reparables y deben reemplazarse si están dañados. Además de los métodos comúnmente utilizados de calor, torque y tonelaje de los conmutadores de condimentación, algunas aplicaciones de conmutadores de alto rendimiento requieren un proceso de "condimentación por rotación" más costoso y específico o pruebas de rotación por exceso de velocidad para garantizar la estabilidad de los segmentos individuales y evitar prematuros Desgaste de las escobillas de carbón. Dichos requisitos son comunes en aplicaciones de tracción, militares, aeroespaciales, nucleares, mineras y de alta velocidad, en las que la falla prematura puede tener graves consecuencias negativas. Los conmutadores de tipo moldeado no son reparables y deben reemplazarse si están dañados. Además de los métodos comúnmente utilizados de calor, torque y tonelaje de los conmutadores de condimentación, algunas aplicaciones de conmutadores de alto rendimiento requieren un proceso de "condimentación por rotación" más costoso y específico o pruebas de rotación por exceso de velocidad para garantizar la estabilidad de los segmentos individuales y evitar prematuros Desgaste de las escobillas de carbón. Dichos requisitos son comunes en aplicaciones de tracción, militares, aeroespaciales, nucleares, mineras y de alta velocidad, en las que la falla prematura puede tener graves consecuencias negativas. proceso o prueba de velocidad excesiva para garantizar la estabilidad de los segmentos individuales y evitar el desgaste prematuro de las escobillas de carbón. Dichos requisitos son comunes en aplicaciones de tracción, militares, aeroespaciales, nucleares, mineras y de alta velocidad, en las que la falla prematura puede tener graves consecuencias negativas. proceso o prueba de velocidad excesiva para garantizar la estabilidad de los segmentos individuales y evitar el desgaste prematuro de las escobillas de carbón. Dichos requisitos son comunes en aplicaciones de tracción, militares, aeroespaciales, nucleares, mineras y de alta velocidad, en las que la falla prematura puede tener graves consecuencias negativas.
La fricción entre los segmentos y los cepillos eventualmente causa desgaste en ambas superficies. Las escobillas de carbón, que están hechas de un material más blando, se desgastan más rápido y pueden diseñarse para reemplazarse fácilmente sin desmontar la máquina. Los cepillos de cobre más viejos causaron más desgaste al conmutador, lo que causó un profundo surco y muescas en la superficie con el tiempo. El conmutador en motores pequeños (digamos, menos de un kilovatio de potencia) no está diseñado para repararse durante la vida útil del dispositivo. En equipos industriales grandes, el conmutador puede volver a la superficie con abrasivos, o el rotor puede retirarse del bastidor, montarse en un torno de metal grande , y el conmutador volver a la superficie cortándolo a un diámetro más pequeño. El equipo más grande puede incluir un accesorio de giro del torno directamente sobre el conmutador.
Construcción de pincel [ editar ]
Las primeras máquinas usaban cepillos hechos de hilos de alambre de cobre para contactar la superficie del conmutador. Sin embargo, estos cepillos de metal duro tendieron a rayar y ranurar los segmentos lisos del conmutador, lo que eventualmente requirió la renovación del revestimiento del conmutador. A medida que las escobillas de cobre se desgastaban, el polvo y las piezas de la escobilla podían colarse entre los segmentos del conmutador, acortarlos y reducir la eficiencia del dispositivo. La fina malla de alambre de cobre o gasa proporcionó 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 cobre.
Las máquinas rotativas modernas con conmutadores utilizan casi exclusivamente escobillas de carbón, que pueden tener polvo de cobre mezclado para mejorar la conductividad. Los cepillos metálicos de cobre 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 automotrices.
Los motores y generadores sufren de un fenómeno conocido como 'reacción de armadura', uno de cuyos efectos es cambiar la posición en la que la inversión de corriente a través de los devanados debería tener lugar idealmente 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 del cepillo para ajustar la conmutación y minimizar las chispas en los cepillos. Este proceso se conocía como 'balancear los pinceles'.
Se llevaron a cabo varios desarrollos para automatizar el proceso de ajuste de la conmutación y minimizar las chispas en los cepillos. Uno de ellos fue el desarrollo de 'cepillos de alta resistencia', o cepillos hechos de una mezcla de polvo de cobre y carbón. [3] Aunque se describe como cepillos de alta resistencia, la resistencia de dicho cepillo era del orden de miliohmios, el valor exacto dependía del tamaño y la función de la máquina. Además, el cepillo de alta resistencia no se construyó como un cepillo sino en forma de un bloque de carbón con una cara curva para que coincida con la forma del conmutador.
La alta resistencia o escobilla de carbón 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 del cepillo, la corriente que pasa hacia él disminuye más suavemente que en el caso de los cepillos de cobre puro donde el contacto se rompió repentinamente. Del mismo modo, el segmento que entra en contacto con el cepillo tiene un aumento similar de la corriente. Así, aunque la corriente que pasa a través del cepillo era más o menos constante, la corriente instantánea que pasaba a los dos segmentos del conmutador era proporcional al área relativa en contacto con el cepillo.
La introducción del cepillo de carbón tuvo efectos secundarios convenientes. Las escobillas de carbón tienden a desgastarse de manera más uniforme que las escobillas de cobre, y el carbón blando causa mucho menos daño a los segmentos del conmutador. Hay menos chispas con el carbono en comparación con el cobre, y a medida que el carbono se desgasta, la mayor resistencia del carbono resulta en menos problemas del polvo que se acumula en los segmentos del conmutador.
La relación de cobre a carbono se puede cambiar para un propósito particular. Los cepillos con mayor contenido de cobre funcionan mejor con voltajes muy bajos y alta corriente, mientras que los cepillos con mayor contenido de carbono son mejores para alto voltaje y baja corriente. Las escobillas de alto contenido de cobre generalmente transportan de 150 a 200 amperios por pulgada cuadrada de superficie de contacto, mientras que un mayor contenido de carbono solo transporta 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 1.6 a 2.0 voltios a través del conmutador. [4]
Portaescobillas [ editar ]
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Por lo general, se usa un resorte con el cepillo para mantener un contacto constante con el conmutador. A medida que el cepillo y el conmutador se desgastan, el resorte empuja constantemente el cepillo hacia el conmutador. Finalmente, el cepillo se desgasta lo suficientemente pequeño y delgado como para que el contacto estable ya no sea posible o ya no se sostenga de forma segura en el portaescobillas, por lo que debe reemplazarse.
Es común que un cable de alimentación flexible se conecte directamente al cepillo, porque la corriente que fluye a través del resorte de soporte provocaría un calentamiento, lo que podría provocar una pérdida de temple del metal y una pérdida de la tensión del resorte.
Cuando un motor o generador conmutado utiliza más potencia de la que puede conducir un único cepillo, se monta un conjunto de varios portaescobillas en paralelo a través de la superficie del conmutador muy grande. Este soporte paralelo distribuye la corriente de manera uniforme a través de todos los cepillos, y permite que un operador cuidadoso quite un cepillo defectuoso y lo reemplace por uno nuevo, incluso cuando la máquina continúa girando a plena potencia y bajo carga.
El equipo conmutado de alta potencia y alta corriente ahora es poco común, debido al diseño menos complejo de generadores de corriente alterna que permite una bobina de campo giratorio de alta tensión y baja corriente para energizar bobinas de estator de posición fija de alta corriente. Esto permite el uso de cepillos singulares muy pequeños en el diseño del alternador . En este caso, los contactos giratorios son anillos continuos, llamados anillos deslizantes , y no se produce ningún cambio.
Los dispositivos modernos que usan escobillas de carbón generalmente tienen un diseño libre de mantenimiento que no requiere ajuste durante la vida útil del dispositivo, usando una ranura de soporte de escobillas de posición fija y un conjunto combinado de cepillo-resorte-cable que encaja en la ranura. Se saca el cepillo gastado y se inserta un cepillo nuevo.
Ángulo de contacto del pincel [ editar ]
Los diferentes tipos de pincel 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 girarse hacia atrás contra los extremos de las escobillas de cobre sin que el cobre cava en los segmentos y causa daños graves. En consecuencia, los cepillos de cobre en láminas / laminados solo hacen contacto tangencial con el conmutador, mientras que los cepillos de malla y 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 el contacto directo del extremo radial con el conmutador sin dañar los segmentos, lo que permite una fácil inversión de la dirección del rotor, sin la necesidad de reorientar los portaescobillas para que funcionen en la dirección opuesta. Aunque nunca se invierten, los motores de electrodomésticos comunes que usan rotores enrollados, conmutadores y cepillos tienen cepillos de contacto radial. En el caso de un portaescobillas de carbón de tipo reacción, las escobillas de carbón pueden estar inclinadas inversamente con el conmutador para que el conmutador tienda a presionar contra el carbón para un contacto firme.
El plano de conmutación [ editar ]
El punto de contacto donde un cepillo toca el conmutador se denomina plano de conmutación . Para conducir suficiente corriente hacia o desde el conmutador, el área de contacto del cepillo no es una línea delgada sino un parche rectangular a través de los segmentos. Por lo general, el cepillo es lo suficientemente ancho 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.
Compensación por distorsión del campo del estator [ editar ]
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La precisión objetiva de esta sección puede verse comprometida debido a información desactualizada . ( Agosto de 2012 )
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La mayoría de las introducciones al diseño de motores y generadores comienzan con un dispositivo simple de dos polos con los cepillos dispuestos en un ángulo perfecto de 90 grados desde el campo. Este ideal es útil como punto de partida para comprender cómo interactúan los campos, pero no es cómo funciona un motor o generador en la práctica real.
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| A la izquierda hay un ejemplo exagerado de cómo el rotor distorsiona el campo. [9] A la derecha, las limaduras de hierro muestran el campo distorsionado a través del rotor. [10] | |
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 no giratorio externo.
Cuanto más rápido gira el rotor, mayor es este grado de distorsión de campo. Debido a que un motor o generador funciona de manera más eficiente con el campo del rotor en ángulo recto con el campo del estator, es necesario retrasar o avanzar la posición del cepillo para colocar el campo del rotor en la posición correcta para estar 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 los cepillos al lado opuesto del plano neutral normal. Estos efectos pueden mitigarse mediante un devanado de compensación en la cara del poste de campo que transporta corriente de armadura.
El efecto puede considerarse análogo al avance de tiempo en un motor de combustión interna. En general, una dinamo que se ha diseñado para funcionar a una determinada velocidad fija tendrá sus cepillos fijos de forma permanente para alinear el campo y lograr la mayor eficiencia a esa velocidad. [12]
Compensación adicional por autoinducción [ editar ]
Autoinducción: los campos magnéticos en cada bobina de alambre se unen y se combinan para crear un campo magnético que resiste los cambios en la corriente, que puede compararse con la corriente que tiene inercia.
En las bobinas del rotor, incluso después de que se ha alcanzado el cepillo, las corrientes tienden a seguir fluyendo durante un breve momento, lo que produce una energía desperdiciada como calor debido al cepillo que atraviesa varios segmentos del conmutador y el cortocircuito actual a través del 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 pocos grados más allá del avance de las distorsiones de campo. Esto mueve el devanado del rotor que experimenta la conmutación ligeramente hacia adelante en el campo del estator que tiene líneas magnéticas en la dirección opuesta y que se oponen al campo en el estator. Este campo opuesto ayuda a revertir la corriente autoinductora retrasada en el estator.
Entonces, incluso para un rotor que está en reposo y que inicialmente no requiere compensación por las distorsiones del campo de giro, los cepillos 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.
Limitaciones y alternativas [ editar ]
Aunque los motores de corriente continua y las dinamos alguna vez dominaron la industria, las desventajas del conmutador han causado una disminución en el uso de máquinas conmutadas en el siglo pasado. Estas desventajas son:
- La fricción deslizante entre los cepillos y el conmutador consume energía, que puede ser importante en una máquina de baja potencia.
- Debido a la fricción, los cepillos y los segmentos de cobre del conmutador se desgastan, creando polvo. En productos de consumo pequeños, como herramientas eléctricas y electrodomésticos, los cepillos pueden durar tanto como el producto, pero las máquinas más grandes requieren el reemplazo regular de los cepillos y el repavimentado ocasional del conmutador. Por lo tanto, las máquinas conmutadas no se utilizan en aplicaciones con bajo nivel de partículas o selladas o en equipos que deben funcionar durante largos períodos sin mantenimiento.
- La resistencia del contacto deslizante entre el cepillo y el conmutador provoca una caída de voltaje llamada "caída del cepillo". Esto puede ser de varios voltios, por lo que puede causar grandes pérdidas de energía en máquinas de baja tensión y alta corriente. Los motores de corriente alterna, que no usan conmutadores, son mucho más eficientes.
- Existe un límite para la máxima densidad de corriente y voltaje que se puede cambiar con un conmutador. Máquinas de corriente continua muy grandes, por ejemplo, más de varios megavatios de potencia, no se pueden construir con conmutadores. Los motores y generadores más grandes son todas máquinas de corriente alterna.
- La acción de conmutación del conmutador provoca chispas en los contactos, presenta un peligro de incendio en atmósferas explosivas y genera interferencia electromagnética .
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 amplia disponibilidad 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 un conmutador; en cambio, la dirección de la corriente se conmuta electrónicamente. Un sensor realiza un seguimiento de la posición del rotor y los interruptores semiconductores, como los transistores, invierten la corriente. La vida operativa de estas máquinas es mucho más larga, limitada principalmente por el desgaste de los rodamientos.
Motores de inducción de repulsión [ editar ]
Estos son motores monofásicos de solo CA con un par de arranque más alto que el que se podría obtener con bobinados de arranque de fase dividida, antes de que los capacitores de arranque de alta capacitancia (no polar, electrolítica de corriente relativamente alta) se volvieran prácticos. Tienen un estator bobinado convencional como con cualquier motor de inducción, pero el rotor bobinado es muy parecido a un conmutador convencional. Los cepillos opuestos entre sí están conectados entre sí (no a un circuito externo), y la acción del transformador induce corrientes en el rotor que desarrollan torque por repulsión.
Una variedad, notable por tener una velocidad ajustable, funciona continuamente con las escobillas en contacto, mientras que otra usa la repulsión solo para un alto par de arranque 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 están conectados entre sí, antes de que el motor alcance la velocidad de funcionamiento.
Una vez a velocidad, los devanados del rotor se vuelven funcionalmente equivalentes a la estructura de la jaula de ardilla de un motor de inducción convencional, y el motor funciona como tal. [14]
Conmutadores de laboratorio [ editar ]
Los conmutadores se utilizaron como simples interruptores de avance-apagado-retroceso para experimentos eléctricos en laboratorios de física. Hay dos tipos históricos bien conocidos: [15]
Conmutador Ruhmkorff [ editar ]
Esto es similar en diseño a los conmutadores utilizados en motores y dinamos. Fue construido generalmente de latón y marfil (más tarde ebonita ). [dieciséis]
Conmutador Pohl [ editar ]
Este consistía en un bloque de madera o ebonita con cuatro pozos, que contenían mercurio , que estaban interconectados por alambres de cobre . La salida se tomó de un par de alambres de cobre curvos que se movieron para sumergirse en uno u otro par de pozos de mercurio. [17] En lugar de mercurio, podrían usarse líquidos iónicos u otros metales líquidos .
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