Conmutación

FRANCISCO J. LOPEZ VAZQUEZ (ING. MECATRÓNICA) CATEDRATICO: ING. FRANCISCO R. GÓMEZ DÍAZ

CONMUTACIÓN

La conmutación es el proceso de convertir los voltajes y corrientes ac producidos en un rotor de una
máquina dc en voltajes y corrientes de sus terminales.Ésta es la parte más critica del diseño y
operación de cualquier maquina de dc.

El objeto del conmutador y sus escobillas asociadas es:

1. En el caso de un generador, cambiar la corriente alterna que se genera a corriente directa
externa; o bien, en el caso de un motor, cambiar la corriente directa, que se aplica externamente, en
corriente alterna cuando se mueven los conductores pasando alternativamente bajo polos opuestos,
para producir la rotación en el mismo sentido.

2. Lograr una transferencia de corriente entre una armadura móvil y las escobillas estacionarias.

Se muestra el paso de la corriente entre las bobinas, los segmentos o barras del conmutador y una
escobilla, para el caso de un generador de cd. Este generador en especial tiene un devanado de
armadura que produce dos trayectorias, es decir, un devanado imbricado símplex de dos polos, o
uno símplex ondulado con cualquier número par de polos Las bobinas conectadas en serie de la
trayectoria 1 y la 2 llevan la FEM inducida y la corriente q e toma la carga hacia la escobilla positiva.
Así las bobinas de la trayectoria 2 conducen corriente que entra a la escobilla positiva en el
segmento b del conmutador, y las bobinas de la trayectoria 1 conducen corriente en la dirección
opuesta, que entra a la escobilla positiva en el segmento e del conmutador. Durante un corto
periodo, una bobina dada en la trayectoria 2, que conduzca corriente en una dirección después de
pasar por la conmutación y la escobilla, se transforma en una bobina conectada en serie en la


trayectoria 1, conduciendo corriente en la dirección contraria. La bobina x en la figura 5-8 está
conectada a los segmentos a y b del conmutador y por tanto conduce la FEM completa de la
trayectoria, así como la corriente de a a b, 1a-b.

Instantes de conmutación:
El instante t1(a) : La bobina x es ahora la última de la serie que conduce la FEM de la trayectoria
completa y la corriente de la trayectoria 2 a la escobilla positiva, y la dirección de su corriente sigue
siendo l a _b como se acaba de indicar y como se muestra en la figura 5-10 en el tiempo t1.

El instante t2 (figura 5-9b): La bobina x, cuyos lados todavía están experimentando,un cambio de
eslabonamientos de flujo en las extremidades polares de entrada de un polo N y uno S
respectivamente está en cortocircuito parcial por la escobilla positiva, que origina una corriente


circulante a través de las escobillas, los segmentos o delgas a y b, y la bobina x en la dirección que
se indica. La corriente de la trayectoria 2 comienza a entrar a la escobilla a través del segmento a,
reduciendo la trayectoria de corriente en la bobina x, como se muestra en la figura 5-10.

El instante t3 (figura 5-9c): Ahora la bobina x está en cortocircuito completo por la escobilla
positiva. Debido al cortocircuito de! Instante anterior, todavía conduce algo de corriente porque de
acuerdo con la ley de Lenz, se produce una FEM de autoinducción que se opone al decaimiento de
la corriente en la bobina, conforme a una disminución exponencial de la corriente en un circuito con
una resistencia y una inductancia. Por tanto, la corriente que pasa sigue estando en la misma
dirección sostenida por la FEM de autoinducción.

El instante t4 (figura 5-9d): La corriente de la trayectoria 2 pasa a la escobilla positiva a través de la
delga o segmento a, y la corriente de la trayectoria 1 pasa a la escobilla positiva a través de la delga
b. Las FEM de las trayectorias son iguales y opuestas en la bobina x y por consiguiente, no pasa
corriente en la bobina x. Sin embargo, nótese que hay menos resistencia entre el conmutador y la
escobilla en la delga a que en la b. como se muestra en la figura 5-9d.

El instante t5 (figura 5-9e): La resistencia relativamente alta entre la delga b y la escobilla hará que
la corriente de la trayectoria 1 pase por la bobina x y la delga la escobilla positiva. Como la escobilla
todavía cortocircuita a las delgas a y b, se establecerá una pequeña circulación de corriente en la
bobina x en la dirección contraria, como se muestra en la figura 5-9e y en la figura 5-10 en t5.
Anteriormente la corriente en la bobina x era en el sentido contrario al de las manecillas del reloj y
ahora la corriente de cortocircuito tiene el sentido contrario, es decir, l b-a.

El instante t6 (figura 5-9f): Ahora la bobina x conduce toda la corriente de la trayectoria 1, lb-a en
dirección contraria, como se muestra en la figura 5-9f y la Figura 5-10, y seguirá así hasta que
alcance una escobilla negativa. En ella se llevará a cabo el mismo proceso, salvo que la corriente
entrará en el conmutador en lugar de salir de él.


Maquina sencilla de cuatro espiras y dos polos.


Esta maquina tiene cuatro espiras completas, incrustadas en ranuras labradas en el acero laminado
de este rotor.Las caras polares de la máquina son curvas para proveer un ancho uniforme del
entrehierro y dar una densidad de flujo uniforme en todo punto situado bajo las caras.

Las cuatro espiras de la máquina están dispuestas de manera especial. El lado de cada espira que
no aparece marcado con ”comilla’’ corresponde al alambre que queda mas afuera en cada ranura,
mientras que el lado de cada espira marcado con “comilla’’ corresponde al alamabre ubicado en la
parte más interna de la ranura directamente opuesta. La conexión de los devanados se muestra en
la figura 8-7b).La espira 1 se tiende entre los segmentos de conmutación a y b, la espira 2 entre los
segmentos b y c y asi sucesivamente atravéz del rotor.

En el instante mostrado en la figura 8-7 los lados 1,2,3` y 4` estan bajo la cara polar norte mientras
que los lados 1`,2`,3 y 4 estan bajo las caras sur polares.

Si el voltaje inducido en cada lado de una esprira es llamado ₑ=vBl, entonces el voltaje total de las
escobillas de la maquina es: E=4e wt=0


CONEXIONES DE LOS DIFERENTES DEVANADO.

En las máquinas de reales existen varias formas de conectar las espiras del rotor alo que se llama
armadura o inducido, a sus segmentos de conmutación.Estas diferentes conexiones afectan el
número de caminos de corriente en paralelo dentro del rotor, el voltaje de salida del rotor y el número
y posisión de las escibillas sobre los segmentos de conmutación.

La distancia (en numero de segmentos) entre los segmentos de conmutación a los cuales se
conectan los dos extremos de una bobina, se llama paso de colector y si el final de una bobina (o un
conjunto de bobinas para construcción ondulada)esta conectado a un segmento de colector situado
delante de aquel en el cual está conectado su comienzo, el devanado se llama devanado regresivo.

TIPOS DE DEVANDO:

Devanado simple (símplex) de rotor es un devanado,único,completo,cerrado sobre el rotor.

Devanado doble(dúplex) de rotor es aquel que consta de dos grupos completos e independientes de
devandos de rotor.Si un motor tiene devanado dúplex, entonces cada uno de los devanados será
asociado a cada dos segmento de conmutación,uno de los devanados estara conectado a los
segmentos 1,3,7 y el otro devanado estara conectado a los segmentos 2,4,6.

Devanado triple(tríplex) tendrá tres grupos completos e independientes de devanados; cada uno de
los cuales estará conectado a cada tercer segmento de conmutación del rotor.

Los devanados del inducido se clasifican de acuerdo con la secuencia de sus conexiones a los
segmentos de conmutación.

DEVANADO IMBRICADO.

Es el tipo mas sencillo ed construcción de devanados en las máquinas dc modernas es el devanado
sencillo en serie o devanado imbricado.Consiste en la conexión de una o mas vueltas de alambre
con los dos extremos de cada bobina a segmentos de conmutacián adyacente.Si el final de la bobina
está conectado al siguiente segmento adyacente al segmento al cual esta conectado su comienzo el
devanado es un devanado imbricado progresivo.Si el final de la bobina esta conectado al segmento
de conmutación anterior adyacente al segmento al cual esta conectado su comienzo,el devanado
imbricado regresivo.


Devanado imbricado progresivo(izquierda), regresivo(derecha).

Máquina de dos polos con un devanado imbricado.


Una caracteristica de los devanados imbricados esque tiene muchas trayectorias de corriente en
paralelo a través de la máquina como polos en ella.El hecho de que haya x trayectorias de corriente
requiere tambien que haya tantas escobillas como polos en la máquina para que exista donde
conectar tosas esas trayectorias de corriente.como se muestra en esta figura.

Existe un motor de 4 trayectorias de corriente atraves de rotor cada una de igual voltaje.El hecho de
que haya tantas trayectorias de corriente en paralelo en una máquina multipolar, permite que el
devanado imbricado sea la elección ideal para máquinas de bajo voltaje y altas corrientes.La división
de corrientes permite que el tamaño de los conductores individuales del rotor permanezcan
razonablemente pequeño, aunque la corriente total sea muy grande.


Una desventaja de que existan muchas trayectorias en paralelo y que tenga un uso prolongado
atraves de la máquina, esque se produce un desgaste en los rodamientos y los alambres inferiores
estan más cercanos a sus caras polares que los alambres superiores, como consecuencia el voltaje
en las trayectorias de corriente que involucran alambres situados bajo las caras polares de la parte
inferior de la máquina es mayor que en las trayectorias cuyos alambres estan bajo las caras polares
de la parte superior.

Ejemplo.Máquina con seis polos.

El problema de las corrientes circulantes dentro de las trayectorias en paralelo de la máquina con
cuatro o mas polos no puede ser resuelto por completo pero se puede reducir un poco mediante
compensadores o devanados de compensación.Los compensadores son barras localizadas en el
rotor de la máquina dc de devanado imbricado para unir puntos del mismo nivel de voltaje de las
diferentes trayectorias en palarelo.Con esto se pretende que las corrientes fluyan dentro de
pequeñas secciones unidas en la máquinas y no atraves de las escobillas.Las corrientes circulantes
corrigen de modo parcial el desequilibrio de flujo que las ocasiona.


Forma pictorica


Puntos clave del devanado imbricado

l. Siempre hay tantas trayectorias paralelas como el producto de la multiplicidad por el número de
polos, o sea a = mP.
2. Cada trayectoria, en cualquier instante, contiene un grupo de bobinas en serie, que se calculan
mediante N e/a, siendo Nc el número total de bobinas en la armadura.
3. La corriente que conduce cada bobina de armadura se calcula con la relación l/a, en la que 1 es la
corriente total en la terminal de armadura, bien sea la que entra o la que sale de la armadura.
4. El devanado necesita de tantas escobillas como polos existan.

Ejemplo de trayectoria en un generador y motor con devanado imbricado.


DEVANADO ONDULADO
El devanado serie u ondulado es una forma alternativa para conectar las bobinas del rotor a los
segmentos de conmutación. El devanado ondulado tiene básicamente el mismo aspecto
trapezoidal en lo que es el cuerpo de la bobina, y la diferencia está en que sus extremos quedan
separados.

Máquina sencilla de cuatro polos con devanado ondulado.

En la imagen se muestra una máquina de cuatro polos con devanado ondulado simple, en que cada
segunda bobina del rotor se conecta al segmento de colector posterior adyacente a aquel segmento
en el cual se conectó el comienzo de la primera,se observa que hay dos bobinas en serie entre
segmentos de conmutación adyacentes.El terminal de la segunda bobina puede ser conectado al
segmento,bien sea adelante o atrás del segmento al cual se ha conectado el comienzo de la primera
bobina.

Si la segunda bobina esta conectada al segmento anterior de la primera bobina, el devanado es
progresivo; si esta conectado al segmento posterior a la primer bobina, es regresivo.En un devanado
ondulado simplex, hay solo dos trayectorias de corriente y C/2 o la mitad del devanado en cada
trayectorias de corriente.En está máquina las escobillas estaran separadas una de otro aún paso
polar completo.

Donde C es el numero de bobinas del rotor y P es el numero de polos de la maquina.el signo (+)es progresivo y (-)
regresivo.


Los devanados ondulados son adecuados en la construcción de máquinas dc de alto voltaje,puesto
que el número de bobinas en serie permiten formar un alto voltaje con más facilidad que los
devanados imbricados.Un devanado multiple es aquel que tiene multiples grupos independientes de
devanados ondulados en el rotor.

El número de trayectorias de corriente en un devanado ondulado multiple es :

Ejemplo de devanado ondulado en armadura de dínamo de cd.


Puntos clave de devanado ondulado.

1.El número de trayectorias en la armadura es el doble de la multiplicidad, siendo independiente del
número de polos, o sea que a = 2m.

2. Cada trayectoria, en cualquier instante, contiene un grupo de bobinas en serie,que se calculan
mediante N/a, al igual que para el devanado imbricado.

3. La corriente que conduce cada bobina de armadura es igual a la corriente total de armadura
dividida entre el número de trayectorias, o sea l/a, también al igual que para el devanado ondulado.

4. El devanado ondulado sólo necesita de dos escobillas, independientemente del número de polos.
En algunas dínamos 'de gran tamaño, se pueden usar tantos conjuntos de escobillas como polos
existan, para reducir la corriente manejada por escobilla.

DEVANADO PATA DE RANA

El devanado pata de rana o devanado
autocompensador recibe su nombre de la forma de sus
bobinas ,consiste en la combinación de un devanado
imbricado y un devanado ondulado.

En un devanado imbricado normal, los compensadores
están conectados en puntos de igual voltaje de los
devandado.Los devanados ondulados se extienden
entre puntos de igual voltaje bajo caras polares
sucesivas de las misma polaridad, la cuales son los
mismo sítios que unen los compensadores.El devando
en cuestión combina un devanado imbricado con uno
ondulado, de modo que los devanados ondulados
pueden funcionar como compensadores para el
devanado imbricado.

El número de trayectorias de corriente presente en un
devanado pata de rana es:

Donde P es el numero de polos de la máquina y m lap es el múltiplo del devanado imbricado.


ECUACIONES DE VOLTAJE INTERNO GENERADO Y PAR INDUCIDO EN MÁQUINAS DE DC
REALES.

¿Cuánto voltaje produce una máquina dc real?El voltaje inducido en cualquier máquina depende de
tres factores:

1; El flujo ø en la máquina.
2 ;La velocidad ω del motor de la máquina.
3 ;Una constante que depende de la construcción de la máquina.

¿Cómo puede determinarse el voltaje en los devanados del rotor de una máquina real? El voltaje de
salida del inducido de una máquina real es igual al numero de conductores por trayectoria de
corriente multiplicado por el voltaje en cada conductor.

El voltaje en cualquier conductor individual bajo las caras polares es:

Donde Z es el número total de conductores y a es el número de trayectorias de corriente.La
velocidad del rotor se puede expresar como v=rω donde r es el radio:

Este voltaje puede expresarse en otra forma al notar que el flujo de un polo es igual a la densidad de
flujo bajo polo por el área del polo:


Si hay P polos en la máquina , entonces la porción de área asociada a cada polo es el área total A
dividida por el número de polos P:

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