EL CONMUTADOR

¿Qué es un conmutador?

Conmutador Eléctrico. Un conmutador es un interruptor eléctrico rotativo en ciertos tipos de motores eléctricos y generadores eléctricos que periódicamente cambia la dirección de la corriente entre la armadura y el circuito externo.

Un conmutador, es una característica común en máquinas rotativas de corriente continua. Al revertir el sentido de la corriente en la bobina en movimiento de la armadura de un motor, una fuerza constante rotativa (torque) es producido. De manera similar, en un generador, revirtiendo la conexión de la bobina al circuito externo provee de corriente directa unidireccional al circuito externo. La primera máquina de corriente directa con conmutador fue creada por Hippolyte Pixii en 1832, basado en una sugerencia de André-Marie Ampère.

MOTOR DE CC

La máquina de corriente continua se inicia describiendo a partir de sus componentes más significativos.

Los elementos básicos son:

·         Inductor

·         Inducido

·         Escobillas

·         Culata o carcasa

·         Entrehierro

·         Cojinetes

Figura 3: Cuadro de aspectos constructivos.

Inductor: se le llama también campo porque es la parte fija de la máquina. Se encarga de producir y conducir el flujo magnético.

A su vez consta de los siguientes elementos:

Pieza polar: es la que sujeta a la culata o yugo de la máquina, incluye al núcleo y su expansión.

Yugo: es necesario para cerrar el circuito magnético de la máquina; generalmente está constituido por hierro fundido o acero.

Núcleo: es parte del circuito magnético de la máquina junto con los polos, las expansiones polares, el entrehierro, inducido y la culata, y en él se hallan los devanados inductores.

Polos: están fabricados de acero y silicio laminado. Las láminas del polo no se encuentran aisladas entre sí debido a que el flujo principal no varía con el tiempo.

Expansiones polares: es la parte más ancha de la pieza polar, se encuentra cerca del inducido (armadura) de la máquina.

Devanado Inductor: está formado por el conjunto de espiras que, en número prefijado para cada tipo de máquina, producirá el flujo magnético cuando circule la corriente eléctrica.

Inducido: El inducido constituye el otro elemento fundamental de la máquina. Se denomina también armadura por ser la parte giratoria de la misma. Y consta a su vez de: núcleo del inducido, devanado inducido y colector.

Núcleo del inducido: está formado por un cilindro de chapas magnéticas que están construidas, generalmente, de acero laminado con un 2% de silicio para mejorar las pérdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o armadura de la máquina disponen de ranuras en las que se alojan los hilos de cobre del devanado inducido.

Devanado Inducido: se encuentra conectado al circuito exterior de la máquina a través del colector, y siendo en el donde se produce la transformación de la energía.

Colector: es un conjunto de láminas de cobre, llamadas delgas, aisladas entre si y conectadas a las secciones del devanado de la armadura. Sobre las delgas se deslizan las escobillas.

Escobillas: son fabricadas generalmente de carbón o de granito se encuentran en un porta - escobillas y se unen al borde del inducido mediante un conductor flexible.

Cojinetes: sirven de apoyo al eje del rotor de la máquina.

Entrehierro: es el espacio existente entre la parte fija y la parte móvil de la máquina, es decir, entre el armadura y las expansiones polares, evitándose así el rozamiento entre ambos.

FUNCIONAMIENTO

Las máquinas de corriente continua pueden trabajar como motor o generador. Las bases de su funcionamiento se cimentan en los siguientes principios (generador electromagnético):

• Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo magnético se mueve de tal forma que corta las líneas de flujo magnético, se genera en él una fuerza electromotriz (fem).
• Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor situado dentro de un campo magnético, se produce una fuerza mecánica que tiende a mover al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.

Figura 4: Generación de una fem.

En los devanados del inducido de la máquina, inducirá una f.e.m. en los conductores del núcleo al ser cruzados por el flujo del estator como consecuencia del giro del rotor.

El eje que forma la alineación de las escobillas es la línea neutra que indica las posiciones en las que se produce la inversión de la fuerza electromotriz (f.e.m.) en las bobinas del inducido al pasar las espiras correspondientes de uno a otro polo del campo magnético inducido.

En los inducidos en anillo, el número de circuitos derivados coincide con el número de polos y escobillas.

Para el funcionamiento de esta máquina como generador o como motor, el paso de corriente continua por los conductores del inducido provoca en el rotor un par electromagnético que tiene un carácter resistente para el trabajo como generador y un carácter de motor cuando la máquina mueve una carga mecánica.

Para calcular la magnitud de ese par consideraremos la corriente total del inducido y la f.e.m. del mismo de manera que:

Este par será resistente en el caso de transformación de energía mecánica en eléctrica (generador), y de rotación en el caso de un motor.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR:

Figura 5: funcionamiento de un motor

Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor con tendencia a alinear ambos campos magnéticos, el propio de la bobina y el externo.

COMPORTAMIENTO DE LA CORRIENTE

De acuerdo con lo estudiado, una corriente circulando por el estator o campo de una máquina de C.C. produce un flujo magnético φc que permite la generación de una tensión en el inducido, Ea, cuya magnitud depende del valor de la corriente de campo y de la velocidad de giro del eje. Si los bornes del rotor (armadura) son conectados a una carga eléctrica, una corriente circulará por la armadura de la máquina (Ia) generando un flujo magnético φa. Este flujo de armadura se suma al flujo magnético producido por el campo, produciendo un efecto denominado reacción de armadura o reacción de inducido.

La reacción de armadura afecta el desempeño de la máquina de C.C. tanto en el voltaje inducido como en el proceso de conmutación que ocurre en el colector. Por una parte, la reacción de armadura cambia la distribución del flujo magnético en el entrehierro, existiendo zonas en que la resultante total de flujo (φTotal = φc+ φa) es de mayor magnitud que la componente de flujo de campo y otras en que la magnitud es notoriamente menor.

La figura 5.10(a) muestra la distribución del flujo magnético en el entrehierro cuando la corriente por la armadura es nula. En este caso, la forma de la distribución se explica por la geometría de las cabezas o caras polares. La figura 5.10(b) muestra cómo varía la distribución del flujo magnético por efecto de la reacción de armadura.

Es importante notar que, en aquellas zonas donde las magnitudes de los flujo de armadura y campo se suman (φTotal > φ c), la resultante total de flujo hace que el núcleo se sature, aumentando las pérdidas en el fierro por concepto de calentamiento, corrientes parásitas, etc.

Asimismo, existen zonas donde las magnitudes de los flujos de campo y armadura se restan, por lo cual, el flujo magnético total es menor que el flujo de campo (φTotal < φc) y consecuentemente, el valor del voltaje inducido disminuye, empeorando la eficiencia de la máquina.