Qué es la conmutación: principio de funcionamiento, efectos en las máquinas de CC

En nuestra vida diaria, el uso de máquinas de CC para nuestras necesidades diarias se ha convertido en algo común. La máquina DC es un dispositivo de conversión de energía que realiza conversiones electromecánicas. Hay dos tipos de máquinas de CC: motores de CC y generadores de CC. Los motores de CC convierten la corriente eléctrica directa en movimiento mecánico, mientras que los generadores de CC convierten el movimiento mecánico en corriente continua. ¡Pero el problema es que la corriente generada en un generador de CC es corriente alterna pero la salida del generador es CC! De la misma manera, el principio del motor es aplicable cuando la corriente en la bobina alterna, pero la potencia aplicada a un motor DC es continua. Entonces, ¿cómo funcionan estas máquinas? La respuesta a esta maravilla es el pequeño dispositivo llamado "Switch".

¿Qué es el cambio?

La conmutación en las máquinas de CC es el proceso mediante el cual se produce la inversión de corriente. En el generador de CC, este proceso se utiliza para convertir la corriente alterna inducida en los conductores en una salida de CC. En los motores de CC, la conmutación se utiliza para invertir las direcciones de la corriente de CC antes de que se aplique a las bobinas del motor.

¿Cómo se lleva a cabo el proceso de cambio?

El dispositivo llamado Conmutador ayuda en este proceso. Veamos cómo funciona un motor de CC para comprender el proceso de conmutación. El principio básico sobre el que funciona un motor es la inducción electromagnética. Cuando la corriente pasa a través de un conductor, produce líneas de campo magnético a su alrededor. También sabemos que cuando el norte magnético y el sur magnético se enfrentan, las líneas de fuerza magnéticas se mueven desde el imán del Polo Norte hasta el imán del Polo Sur, como se muestra en la siguiente figura.

Cuando el conductor con un campo magnético inducido a su alrededor se coloca en el camino de estas líneas de fuerza magnéticas, bloquea su camino. Así, estas líneas magnéticas intentan eliminar este obstáculo moviéndolo hacia arriba o hacia abajo según la dirección de la corriente en el conductor. Esto da lugar a un efecto motor.

Cuando una bobina electromagnética se coloca entre dos imanes con el norte mirando hacia el sur de otro imán, las líneas magnéticas mueven la bobina hacia arriba cuando la corriente va en una dirección y hacia abajo cuando la corriente en la bobina va en la dirección opuesta. Esto crea el movimiento giratorio de la bobina. Para cambiar la dirección de la corriente en la bobina, se unen dos metales en forma de media luna a cada extremo de la bobina llamados Conmutador. Los cepillos metálicos se colocan con un extremo unido a la batería y el otro extremo conectado a los interruptores.

Conmutación en la máquina de CC

Cada bobina de armadura contiene dos conmutadores unidos a su extremo. Para la transformación de corriente, los segmentos del conmutador y las escobillas deben mantener un contacto en movimiento continuo. Para lograr valores de salida más grandes, se utilizan bobinas múltiples en las máquinas de CC. Entonces, en lugar de un par, tenemos varios pares de segmentos de interruptores.

La bobina se cortocircuita durante un tiempo muy breve con escobillas. Este período se denomina período de conmutación. Considere un motor de CC en el que el ancho de las barras del conmutador es igual al ancho de las escobillas. Sea Ia la corriente que circula por el conductor. Sean a, b, c los segmentos del conmutador del motor. La inversión de corriente en la bobina, es decir, el proceso de conmutación, puede entenderse siguiendo los pasos que se indican a continuación.

Post-1

Deje que la armadura comience a girar, luego el cepillo se mueve sobre los segmentos del conmutador. Considere la primera posición del contacto del conmutador de escobillas en el segmento b como se muestra arriba. Como el ancho del conmutador es igual al ancho de la escobilla, en la posición anterior las superficies totales del conmutador y la escobilla están en contacto entre sí. La corriente total transportada por el segmento colector en la escobilla en esta posición será 2Ia.

Posición-2

Ahora la armadura gira hacia la derecha y la escobilla entra en contacto con la barra a. En esta posición, la corriente total conducida será 2Ia, pero la corriente en la bobina cambia. Aquí la corriente fluye a través de dos caminos A y B. 3/4 del 2Ia proviene de la bobina B y el 1/4 restante proviene de la bobina A. Cuando se aplica KCL a los segmentos a y b, la corriente a través de la bobina B se reduce a Ia/2 y la corriente tomada del segmento a es Ia/2.

post-3

En esta posición, la mitad del cepillo, una superficie está en contacto con el segmento a y la otra mitad está en contacto con el segmento b. Como la corriente total consumida por la escobilla es 2Ia, la corriente Ia pasa a través de la bobina A e Ia pasa a través de la bobina B. Usando KCL, podemos observar que la corriente en la bobina B será cero.

Posición-4

En esta posición, un cuarto de la superficie del cepillo estará en contacto con el segmento b y tres cuartos con el segmento a. Aquí la corriente consumida a través de la bobina B es – Ia/2. Aquí podemos observar que la corriente en la bobina B se invierte.

Posición-5

En esta posición, la escobilla está en pleno contacto con el segmento ay la corriente de la bobina B es Ia pero es opuesta a la dirección de corriente de la posición 1. Por lo tanto, el proceso de conmutación está completo para el segmento b.

Efectos del cambio

El cálculo se denomina conmutación ideal cuando la inversión de corriente se completa al final del período de conmutación. Si la inversión de corriente se completa durante el período de conmutación, se producen chispas en el contacto de las escobillas y se produce un sobrecalentamiento que daña la superficie del conmutador. Esta falla se llama Máquina mal conmutada.

Para prevenir este tipo de fallas, existen tres tipos de métodos de mejora de la conmutación.

• Resistencia de conmutación.
• Conmutación EMF.
• Devanado de compensación.

Conmutación de resistencia

Para resolver el problema de la conmutación incorrecta, se aplica el método de conmutación de resistencia. En este método, las escobillas de cobre de menor resistencia se reemplazan por escobillas de carbón de mayor resistencia. La resistencia aumenta al disminuir el área de la sección transversal. Así, la resistencia del segmento trasero del conmutador aumenta a medida que la escobilla se mueve hacia el segmento delantero. Por lo tanto, el segmento frontal es el más favorecido para el camino de la corriente y una gran corriente toma el camino proporcionado por el segmento frontal para llegar a la escobilla. Esto se puede entender bien mirando nuestra figura a continuación.

En la figura anterior, la corriente en la bobina 3 puede tomar dos caminos. Ruta 1 de la bobina 3 a la bobina 2 y segmento b. La ruta 2 de la bobina 2 cortocircuitada, luego la bobina 1 y el segmento a. Cuando se utilizan escobillas de cobre, la corriente fluirá a través de la ruta 1 debido a la menor resistencia que ofrece la ruta. Pero cuando se usan escobillas de carbón, la corriente prefiere el camino 2 porque a medida que disminuye el área de contacto entre la escobilla y el segmento, la resistencia aumenta. Esto detiene la inversión de corriente temprana y evita que se produzcan chispas en la máquina de CC.

Conmutación EMF

La propiedad de inducción de la bobina es una de las razones de la lenta inversión de corriente durante el proceso de conmutación. Este problema se puede resolver neutralizando el voltaje de reactancia producido por la bobina al producir la fuerza electromotriz inversa en la bobina de cortocircuito durante el período de conmutación. Esta conmutación EMF también se conoce como conmutación de voltaje.

Esto se puede hacer por dos métodos.

• Por el método de cambio de pincel.
• Mediante el uso de polos de conmutación.

En el método de movimiento de escobillas, las escobillas se mueven hacia adelante para el generador de CC y hacia atrás en el motor de CC. Esto establece el flujo en la zona neutral. Cuando la bobina de conmutación corta el flujo, se induce un pequeño voltaje. Como la posición del cepillo debe cambiarse para cada variación de carga, rara vez se prefiere este método.

En el segundo método, se utilizan polos de conmutación. Estos son los pequeños polos magnéticos colocados entre los polos principales montados en el estator de la máquina. Estos se fijan en serie con la armadura. Como la corriente de carga provoca una EMF inversa, estos polos de conmutación neutralizan la posición del campo magnético.

Sin estos polos del interruptor, las ranuras del interruptor no permanecerían alineadas con las partes ideales del campo magnético cuando la posición del campo magnético cambia debido a la fuerza electromagnética inversa. Durante el período de conmutación, estos polos del interruptor inducen una fuerza electromagnética en la bobina de cortocircuito que se opone a la tensión de reactancia y proporciona una conmutación sin chispas.

La polaridad de los polos de conmutación es la misma que la del polo principal ubicado al lado del generador, mientras que la polaridad de los polos de conmutación es opuesta a los polos principales del motor.

aprender acerca el interruptor hemos encontrado que este pequeño dispositivo juega un papel importante en el buen funcionamiento de las máquinas de corriente continua. No solo como convertidor de corriente, sino también para el funcionamiento seguro de máquinas sin daños por chispas, los interruptores son dispositivos muy útiles. Pero con el creciente desarrollo de la tecnología, los interruptores son reemplazados por nuevas tecnologías. ¿Puedes nombrar la nueva técnica que ha reemplazado a los coleccionistas en los últimos días?