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7.4 Problemas de conmutación en las máquinas reales 327 chispas en las escobillas de la máquina, lo que da como resultado los mismos problemas de arco que causa el desplazamiento del plano neutro. Soluciones a los problemas de conmutación Se han desarrollado tres técnicas para corregir parcial o totalmente el problema de la reacción del inducido y de los voltajes L di/dt: 1. Desplazamiento de las escobillas. 2. Polos o interpolos de conmutación. 3. Devanados de compensación. A continuación se explica cada una de estas técnicas, junto con sus ventajas y desventajas. DESPLAZAMIENTO DE LAS ESCOBILLAS Históricamente, los primeros intentos para mejorar el proceso de conmutación en las máquinas de cd reales comenzó mediante el intento de eliminar la producción de chispas en las escobillas generadas por los efectos del desplazamiento del plano neutro y por L di/dt. La primera técnica que ingeniaron los diseñadores de máquinas fue muy simple: si se desplaza el plano neutro de una máquina, ¿por qué no desplazar también las escobillas para que no se produzcan chispas? Parecía una buena idea, pero hay varios problemas asociados con ella. Para comenzar, el plano neutro se mueve con cada cambio en la carga y la dirección del desplazamiento se invierte cuando la máquina cambia de motor a generador. Por lo tanto, alguien tenía que ajustar las escobillas cada vez que cambiaba la carga en la máquina. Adicionalmente, el desplazamiento de las escobillas puede controlar la generación de chispas, pero agrava el efecto de debilitamiento del flujo de la reacción del inducido en la máquina. Esto se demuestra por dos efectos: 1. La fuerza magnetomotriz del rotor ahora tiene un componente vectorial que se opone a la fuerza magnetomotriz de los polos (véase la figura 7-27). 2. El cambio en la distribución de la corriente del inducido provoca que el flujo se acumule más en las partes saturadas de las caras polares. Otra técnica que se utilizaba, que difiere ligeramente de la anterior, era fijar las escobillas en una posición determinada (por decir, una que no provocara chispas a dos tercios de la condición de plena carga). En este caso el motor sacaba chispas en vacío y también un poco a plena carga, pero si pasaba la mayoría de su vida útil operando a alrededor de dos tercios de plena carga, se minimizaba la generación de chispas. Claro que este tipo de máquina no se podía utilizar como generador puesto que producía demasiadas chispas. En 1910 la técnica de desplazar las escobillas para controlar la generación de chispas ya era obsoleta. Hoy día el desplazamiento de escobillas sólo se utiliza en máquinas muy pequeñas que sólo operan como motor. Esto se debe a que las soluciones que dan mejores resultados son muy costosas en el caso de los motores pequeños. POLOS DE CONMUTACIÓN O INTERPOLOS Debido a las desventajas de la técnica anterior, y en especial por la necesidad de que una persona ajustara la posición de las escobillas de las máquinas conforme cambiaran las cargas, se desarrolló otra solución para el problema de la generación de chispas en las escobillas. La idea básica de esta técnica es que el voltaje en los alambres en proceso de conmutación puede ser cero, y entonces no habría chispas en las escobillas. Para lograr este objetivo, se colocan polos pequeños, llamados polos de conmutación o interpolos, en el punto medio entre los polos principales. Dichos polos de conmutación se ubican directamente sobre los conductores en conmutación. Si se suministra un flujo desde los polos de conmutación, se puede cancelar por completo el voltaje en las bobinas en proceso de conmutación. Si la cancelación es exacta, entonces no se generan chispas en las escobillas. Los polos de conmutación no cambian en ningún otro sentido la operación de la máquina, debido a que son tan pequeños que sólo afectan los pocos conductores a punto de entrar en el proceso de conmutación. Nótese que no se ve afectada la reacción del inducido bajo las caras polares principales, puesto que los efectos de los polos de conmutación no llegan tan lejos. Esto quiere decir que los polos de conmutación no afectan el debilitamiento del flujo en la máquina.
328 CAPÍTULO 7 Fundamentos de máquinas de corriente directa (cd) Nuevo plano neutro Escobillas Nuevo plano neutro Plano neutro anterior Plano neutro anterior R R N P S N P S Fuerza magnetomotriz neta net Fuerza magnetomotriz del rotor R Nueva fuerza magnetomotriz neta net Fuerza magnetomotriz neta original R P P a) b) FIGURA 7-27 a) Fuerza magnetomotriz neta de una máquina de cd con escobillas en el plano vertical. b) Fuerza magnetomotriz neta de una máquina de cd con escobillas sobre el plano neutro ya desplazado. Nótese que ahora hay un componente de la fuerza magnetomotriz del inducido directamente en sentido opuesto a la fuerza magnetomotriz de los polos y que se reduce la fuerza magnetomotriz neta en la máquina. ¿Cómo se logra la cancelación del voltaje en los segmentos del conmutador de todas las cargas posibles? Simplemente conectando los devanados interpolares en serie con los devanados del rotor, como se muestra en la figura 7-28. Conforme se incrementa la carga y se incrementa la corriente en el rotor, los efectos de la magnitud del desplazamiento del plano neutro y del tamaño de L di/dt también se incrementan. Estos dos efectos aumentan el voltaje en los conductores en proceso de con- I A – N + – S V T + FIGURA 7-28 Máquina de cd con interpolos. I A
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