Conmutación en máquinas de corriente continua: diseño para escobillas silenciosas, no solo para formas de onda limpias
La conmutación en una máquina de corriente continua no es más que una inversión de corriente sincronizada lo suficientemente bien como para que las escobillas permanezcan silenciosas, el cobre permanezca plano y el par motor sea predecible. Cuando esa sincronización falla, la gente dice que “el motor está defectuoso” o que “la corriente continua está obsoleta”, pero muy a menudo se trata simplemente de una conmutación que nunca se adaptó al funcionamiento real de la máquina.
Índice
Lo que realmente te aporta la conmutación (una vez que ya conoces la teoría)
Ya conoces la definición: el conmutador y las escobillas convierten las corrientes alternas de los conductores del inducido en una corriente terminal unidireccional en un generador, y mantienen la corriente del inducido alineada con el campo en un motor. En ese sentido, el conmutador es un rectificador mecánico en los generadores y un inversor mecánico en los motores, pero la función subyacente es la misma: invertir la corriente en una bobina mientras está cortocircuitada por la escobilla, sin dejar que la inductancia contraataque con tanta fuerza que provoque chispas.
La documentación suele quedarse ahí. En máquinas reales, la conmutación también es un problema de gestión del espacio de aire, un problema térmico en el contacto deslizante y un problema de compatibilidad entre la forma de onda del accionamiento y la geometría del conmutador. Ahí es donde “funciona sobre el papel” se aleja de “funciona todo el año sin polvo de escobillas por todas partes”.”
Conmutación ideal frente a conmutación real
La conmutación ideal es una situación casi aburrida. Durante el breve intervalo en el que una bobina se encuentra bajo un cepillo y sus dos segmentos están en cortocircuito, la corriente en esa bobina pasa suavemente de +Ia a −Ia. Pasa por cero exactamente en el plano medio y termina la inversión antes de que el borde posterior del cepillo abandone el segmento saliente. Sin chispas, sin pérdidas adicionales de cobre, sin calentamiento inesperado.
La realidad sigue añadiendo pequeñas desviaciones. La reacción del inducido aleja el eje neutro magnético del neutro geométrico. La saturación hace que ese desplazamiento dependa de la carga. El accionamiento inyecta ondulaciones en la corriente del inducido. El contacto de las escobillas y la película del conmutador no son idénticos de un segmento a otro. Cada uno de estos factores desplaza ligeramente la tensión de reactancia inducida fuera de la dirección “óptima”, por lo que la corriente en la bobina en cortocircuito es más lenta o más rápida de lo esperado. Se trata de una sobrecomutación y una subcomutación, pero en las máquinas se percibe como colores, sonidos y patrones superficiales, y no como esas líneas rectas y nítidas de una pizarra.
Por eso los textos de diseño repiten constantemente que se consigue una buena conmutación cuando las escobillas se colocan a lo largo del eje neutro magnético real para el punto de funcionamiento previsto, y no solo a lo largo del neutro mecánico.
Cómo se ve y se oye la conmutación en los cepillos
Si ignora las formas de onda y solo se coloca delante de la máquina, la conmutación se manifiesta primero en la interfaz entre la escobilla y el conmutador. Los fabricantes y los talleres de reparación suelen clasificar las chispas en niveles aproximados, desde 0 (sin chispas visibles) hasta pequeños destellos amarillos intermitentes, pasando por un fuego continuo alrededor de la periferia del conmutador.
A menudo es aceptable un brillo azul muy tenue, casi invisible, a la carga nominal. Las “colas” naranjas distintivas que siguen a las escobillas significan que la corriente se niega a abandonar un segmento limpiamente cuando pasa el borde de la escobilla. Una sola zona de chispas intensas una vez por revolución apunta a un problema geométrico o de contacto local, no a un problema de diseño global. Estas señales visuales son rudimentarias, pero son más rápidas que cualquier osciloscopio si se está recorriendo la planta.
Escuchar ofrece otra perspectiva. Una zona de conmutación saludable tiende a producir un ruido suave y constante, similar al roce de un cepillo. Cuando la inversión de corriente lucha contra la inductancia, se produce un crujido más irregular y un sonido más áspero. No es nada romántico, solo es energía que se descarga en un pequeño volumen de grafito y cobre en muy poco tiempo.
El intervalo de conmutación como espacio de diseño
Si eliminamos todos los detalles del dibujo, el intervalo de conmutación es simplemente esto: una bobina con inductancia L, que transporta corriente que debe invertir en el tiempo tc, mientras que sus terminales están unidos a través de una resistencia de escobilla que está parcialmente bajo su control. También tiene un pequeño voltaje “auxiliar” procedente de los polos intermedios o de las escobillas desplazadas, y un voltaje perturbador procedente del campo de reacción del inducido.
Los libros de texto denominan «tensión de reactancia» a la tensión opuesta inducida. Rara vez se calcula explícitamente en el trabajo diario, pero se nota cuando una máquina que parecía funcionar bien sin carga de repente se vuelve ruidosa a plena corriente. El aumento de la resistencia de las escobillas (carbón en lugar de cobre, grados específicos, presión de contacto) alarga la forma de onda de la corriente y amortigua lo peor de esa tensión inducida.
Los polos intermedios y los devanados compensadores funcionan desde el otro lado: inyectan un pequeño voltaje a través de la bobina en cortocircuito que ayuda a que la corriente vaya donde se desea durante la conmutación. En conjunto, estas medidas son los “mandos” estándar que se utilizan para que la conmutación sea aceptable en las máquinas de producción, y aparecen en todas las fuentes serias sobre la mejora de la conmutación.
Una tabla práctica: lo que ves frente a lo que probablemente está sucediendo
Aquí hay una forma concisa de relacionar lo que se inspecciona en el conmutador con las posibles causas y comprobaciones rápidas. Es intencionadamente aproximada; el objetivo es obligarle a pensar en términos de conmutación, no solo en términos de “este motor está defectuoso”.
| Síntoma en el conmutador y las escobillas | Probable causa eléctrica relacionada con la conmutación. | Probable factor mecánico o ambiental contribuyente | Comprobaciones rápidas que realmente ayudan |
|---|---|---|---|
| Brillo azul muy tenue a la carga nominal, sin colas visibles, conmutador con color uniforme. | La inversión de corriente casi completa dentro del periodo de conmutación, tensión de reactancia moderada, interpoles y resistencia de las escobillas dimensionados de forma sensata. | Conmutador redondo, buen socavado de mica, grado de cepillo correcto, soportes alineados. | Mida la ondulación de la corriente del inducido, compruebe la temperatura de las escobillas y la tasa de desgaste durante un turno completo, en lugar de realizar solo una prueba breve. |
| Pequeñas chispas naranjas en el borde posterior de los cepillos, más intensas con cargas elevadas. | Conmutación tardía: la corriente sigue siendo alta en la bobina saliente cuando el segmento abandona el cepillo, la reacción del inducido cambia a neutro. | Cepillos ligeramente desviados del neutro magnético real con esa carga, ligera rugosidad del conmutador, presión del resorte marginal. | Mueva el armazón del cepillo unos pocos grados eléctricos en ambas direcciones y observe el cambio, compruebe la polaridad de la interpolación y el espacio de aire mediante pruebas estándar. |
| Fuertes chispas alrededor de casi toda la circunferencia, oscureciendo rápidamente el cobre. | Sobrecarga o subcarga grave, a menudo provocada por una ondulación excesiva del inducido o por polos intermedios de tamaño incorrecto, y en ocasiones por una conexión incorrecta del campo. | Cepillos desgastados o desiguales, película del conmutador contaminada, puntos altos en los segmentos, refrigeración deficiente que aumenta la resistencia de contacto. | Verificar el suministro o la forma de onda del motor, comprobar las conexiones de campo con respecto a la placa de características, medir la desviación del conmutador, comprobar la calidad de las escobillas con respecto a los documentos de diseño. |
| Chispa localizada en una pequeña región angular, repitiéndose una vez por revolución. | Diferencia local en el voltaje de conmutación en algunas bobinas, a menudo debido a una bobina o segmento abierto o de alta resistencia. | Segmento del conmutador alto o bajo, contaminación local (aceite, polvo), escobilla dañada. | Ilumine el conmutador para identificar el segmento, realice una prueba barra a barra, inspeccione si hay daños mecánicos o contaminación en esa ubicación. |
| Pocas chispas visibles, pero gran desgaste de las escobillas y película oscura con rayas. | La conmutación es aceptable desde el punto de vista eléctrico, pero la química de la película es deficiente; la densidad de corriente o la humedad empujan a los cepillos fuera de su zona de confort. | Calidad incorrecta del cepillo para la tarea, rugosidad a nivel micro, vibración, condiciones ambientales inadecuadas. | Revise las recomendaciones sobre el grado de las escobillas, ajuste la presión del muelle, compruebe la vibración y el estado de los cojinetes, considere un ligero cambio en la densidad de corriente de las escobillas. |
Nada de esto sustituye a las mediciones, pero mantiene la discusión específica. Dejas de decir “hace chispas” y empiezas a decir “hace chispas tarde con una carga elevada y el neutro no del todo correcto”.”
Las palancas clásicas: resistencia, voltaje y compensación
La mayoría de las referencias agrupan los métodos de mejora en tres categorías: conmutación por resistencia, conmutación por tensión o EMF y bobinados de compensación.
La conmutación de resistencia depende principalmente del material del cepillo y las condiciones de contacto. Los cepillos de carbono y grafito añaden resistencia en la ruta en cortocircuito, lo que ayuda a reducir la corriente de forma más lineal durante el intervalo de conmutación. Esto tiene un coste adicional en forma de pérdida de cobre y calentamiento del cepillo, por lo que hay que hacer una concesión: “sin chispas a cualquier precio” no es un objetivo realista. La presión del cepillo, el acabado de la superficie y la película influyen en la resistencia efectiva en ambas direcciones durante el funcionamiento.
La conmutación por tensión o EMF utiliza una tensión auxiliar para impulsar la inversión de la corriente. Esto se puede conseguir desplazando físicamente las escobillas ligeramente hacia delante o hacia atrás en la dirección de rotación, o utilizando interpoles bobinados en serie con el inducido. El desplazamiento de las escobillas es sencillo y ajustable, pero tiende a ser correcto solo en un punto de carga. Los interpoles son más caros de fabricar, pero mantienen la conmutación bajo control en un rango de corriente más amplio, especialmente en máquinas de mayor tamaño.
Los devanados compensadores están integrados en las caras de los polos y transportan la corriente del inducido, cancelando gran parte de la reacción del inducido en la región de los polos. La idea no es estética, sino mantener el flujo en la zona de conmutación más cercano a lo que se supuso al elegir la posición de la escobilla y la fuerza entre polos. Esto cobra mayor relevancia en máquinas con cargas pesadas y campos de inducido fuertes, en las que el usuario espera un comportamiento constante desde la carga ligera hasta la sobrecarga.
Plano neutro, reacción de la armadura y por qué “configurarlo una vez” no es suficiente
Sin carga, el eje neutro magnético se sitúa aproximadamente en línea con el neutro geométrico. A medida que aumenta la corriente del inducido, el campo del inducido distorsiona el campo principal y desplaza el neutro. Si fija los portacepillos en su lugar basándose en una prueba sin carga y luego no vuelve a tocarlos, estará diseñando para una condición incorrecta.
Una buena práctica en muchas plantas es colocar los cepillos cerca del punto neutro que corresponde a un punto de funcionamiento realista, normalmente en la corriente nominal o cerca de ella, y no en el par cero. Los interpoles ayudan entonces a aplanar el comportamiento, de modo que el funcionamiento con carga ligera siga siendo aceptable. Si no hay interpoles, se ve obligado a transigir, y la máquina puede inclinarse ligeramente hacia una mejor conmutación con carga baja o con carga alta, pero no ambas.
La saturación añade otra complicación: el desplazamiento del campo con la corriente no es lineal, por lo que la posición neutra puede no moverse de forma sencilla con la carga. Esta es una de las razones por las que dos máquinas con placas de características nominalmente idénticas pueden comportarse de forma diferente cuando alguien rebobina silenciosamente el campo o cambia la construcción de los polos sin reajustar el esquema de conmutación.
Accionamientos modernos, máquinas antiguas
La mayoría de los debates clásicos sobre conmutación dan por sentado silenciosamente una fuente de alimentación de CC rígida. Hoy en día, muchas máquinas se alimentan mediante rectificadores o accionamientos chopper con una ondulación significativa y un di/dt elevado. La corriente del inducido es ahora una forma de onda escalonada o rica en ondulaciones, en lugar de un valor casi constante. Esto agita mucho la conmutación, porque la tensión de reactancia en la bobina en cortocircuito es proporcional a di/dt.
Los accionamientos de CC con tiristores, por ejemplo, son bien conocidos por empeorar las chispas del conmutador si la máquina se diseñó para un suministro más suave. Los ingenieros intentan entonces solucionar el síntoma cambiando las escobillas o realizando pequeños trabajos mecánicos, cuando el núcleo del problema es la calidad del suministro. Los inductores suavizadores, el control cuidadoso del ángulo de disparo o una topología de accionamiento diferente a veces ayudan más que otra ronda de giro del conmutador.
Cuando se observa que una máquina que funcionaba bien en el banco de pruebas funciona mal en la unidad instalada, esta discrepancia entre la forma de onda del inducido prevista y la real suele ser una de las principales causas sospechosas.
Pensar en los fallos de conmutación como un diseñador, no solo como un técnico de reparación
Muchos informes de campo e incluso algunos artículos tratan el daño del conmutador como un resultado aleatorio. En realidad, está relacionado con decisiones de diseño bastante comunes: densidad de corriente en la escobilla, anchura del segmento frente a anchura de la escobilla, materiales, refrigeración, tipo de accionamiento y la agresividad con la que se neutraliza la reacción del inducido.
Si piensas como un diseñador mientras resuelves problemas, las preguntas cambian un poco. En lugar de preguntar solo “qué está roto”, preguntas “¿qué suposición sobre la conmutación se incorporó a esta máquina y el usuario está respetando esa suposición?”. Quizás estaba pensada para una corriente casi constante, pero se está sometiendo a ciclos intensos. Quizás los interpoles se dimensionaron para una dirección de rotación, pero la aplicación se invierte constantemente. Quizás el entrehierro ha cambiado después de una reparación mecánica, desplazando el neutro lo suficiente como para estropear su cuidadosa sincronización.
Esto también explica por qué una máquina puede funcionar durante años y luego empezar a producir chispas sin que se produzca ningún cambio eléctrico evidente. El desgaste mecánico y los pequeños desplazamientos de alineación erosionan gradualmente las condiciones que antes proporcionaban una conmutación aceptable. Cuando alguien gira el conmutador sin volver a comprobar la geometría de las escobillas o la posición neutra, elimina la “memoria” de la antigua condición de funcionamiento estable.
Un resumen breve y sincero
Si dejamos de lado la jerga técnica, la conmutación en una máquina de corriente continua se reduce a esta secuencia: se le pide a una pequeña bobina inductiva que invierta su corriente en muy poco tiempo mientras está en cortocircuito a través de una escobilla, y se intenta evitar que ese proceso erosione el cobre y el carbono más rápido de lo que la empresa puede tolerar. La documentación oficial describe las formas de onda y los diagramas fasoriales. El trabajo real consiste en elegir el material de la escobilla, la posición, los polos intermedios, los devanados de compensación y la calidad del suministro, de modo que esas formas de onda aparezcan realmente en el metal, y no solo en un cuaderno.
Una vez que se ve la conmutación de esta manera, las trazas de cepillo y el color del conmutador dejan de ser síntomas misteriosos. Se convierten en una medida aproximada, pero sorprendentemente fiable, de cómo sus supuestos de diseño están sobreviviendo al contacto con ciclos de trabajo reales, condiciones ambientales y accionamientos que rara vez se comportan como fuentes de tensión ideales.
