Diferencia entre conmutador y rectificador
Ambos conmutador y rectificador fuerzan la corriente en una dirección preferida, pero se encuentran en capas diferentes de un sistema. Un conmutador forma parte de la propia máquina giratoria, sincronizado con su ángulo mecánico, mientras que un rectificador es una etapa de conversión independiente que se encuentra en la ruta de alimentación y procesa cualquier corriente alterna que se le suministre. A veces se solapan en su función, pero casi nunca se solapan en cuanto al diseño que se realiza a su alrededor.
Índice
Un modelo mental rápido
Empecemos por esto: todos los inducidos de los generadores de corriente continua convencionales producen una tensión alterna interna. El conmutador es un interruptor giratorio que mantiene las bobinas reconectadas a las escobillas, de modo que, visto desde los terminales, la salida parece unidireccional. En ese sentido, se comporta como un rectificador mecánico, integrado en el rotor y sincronizado por el eje.
Por otro lado, un rectificador es cualquier dispositivo o circuito que toma una entrada de CA y produce una salida de CC, normalmente utilizando elementos que prefieren naturalmente una dirección de corriente: diodos, tiristores, puentes de transistores, etc.
Así que ambos “enderezan” la corriente. Uno lo hace moviendo segmentos de cobre bajo cepillos fijos. El otro lo hace con uniones estáticas e impulsos de control.
Lo que cada uno es en realidad
El conmutador es un cilindro segmentado montado en el eje del rotor, con cada segmento conectado a una parte del devanado del inducido. Unos cepillos fijos presionan este cilindro, recogiendo o alimentando corriente. A medida que gira el rotor, los segmentos sucesivos entran en contacto con los cepillos, lo que invierte la conexión de cada bobina a cada terminal. Esa inversión periódica, bloqueada en la posición mecánica, mantiene el par en un motor de corriente continua aproximadamente unidireccional y la corriente externa en un generador de corriente continua aproximadamente unidireccional.
El rectificador no está vinculado en absoluto a la posición del eje. Es solo un circuito: puede ser un solo diodo para media onda, un puente con cuatro diodos para onda completa, o un puente de tiristores de seis o doce pulsos en una estación de CAHC. Su conmutación es eléctrica, no mecánica, y viene determinada por la forma de onda de CA y las características del dispositivo o los pulsos de disparo.
Así que un conmutador literalmente se desplaza sobre el rotor. Un rectificador simplemente se coloca donde el diseño térmico y la disposición lo requieran.
Comparación lado a lado
Aquí está la comparación de alto nivel que la mayoría de las explicaciones simplistas omiten.
| Aspecto | Conmutador | Rectificador |
|---|---|---|
| Naturaleza física | Interruptor electromecánico giratorio: segmentos de cobre en el eje más escobillas de carbón (o similares). | Circuito estático que utiliza diodos, tiristores, transistores o dispositivos unidireccionales similares. |
| Dónde vive | Integrado en el rotor de motores y generadores de corriente continua (y motores universales). | Etapa separada en la ruta de alimentación: puente a nivel de placa, módulo o bahía de convertidor. |
| Trabajo principal | Invierte periódicamente las conexiones entre las bobinas del inducido y el circuito externo, de modo que la corriente externa permanece unidireccional y la dirección del par sigue siendo útil. Actúa como un rectificador mecánico dentro de las máquinas de corriente continua. | Convierte la corriente alterna en sus terminales de entrada en corriente continua en sus terminales de salida bloqueando una polaridad o dirigiéndola, a menudo alimentando un filtro o un bus de corriente continua. |
| Lo que “ve” | Campo electromagnético interno de la armadura en una máquina, estrechamente acoplado a la posición del rotor y al campo. | Tensión secundaria de línea o transformador, a menudo sin conocimiento del sistema mecánico. |
| Mecanismo de control | El instante de conmutación viene determinado por la geometría: posición de la escobilla, número de segmentos y ángulo del eje. Ajuste fino mediante desplazamiento de la escobilla, interpoles, etc. | El control (si lo hay) es electrónico: impulsos de puerta en rectificadores de tiristores/IGBT, estrategias de modulación, controladores digitales. |
| Opciones de modelado de forma de onda | Limitado. Se puede mejorar la conmutación, pero el patrón básico de ondulación sigue el número de polos/segmentos del conmutador. | Extremadamente flexible con rectificadores activos modernos: puede moldear la corriente, el factor de potencia, los armónicos y el flujo bidireccional. |
| Pérdidas y estrés | Caída del cepillo, fricción, resistencia del segmento de cobre, formación de arcos eléctricos. El desgaste térmico y mecánico se producen en el mismo lugar. | Principalmente pérdidas por conducción y conmutación en semiconductores, además de pérdidas magnéticas y de filtro; sin contactos deslizantes. |
| Fiabilidad y mantenimiento | Desgaste de los cepillos y la superficie del conmutador; es necesario inspeccionarlos, limpiarlos y repavimentarlos en máquinas más grandes. Las chispas pueden ser un problema en atmósferas polvorientas o explosivas. | A menudo se considera que no necesita mantenimiento hasta que falla; su vida útil está determinada por los ciclos de temperatura, los eventos de sobretensión y el envejecimiento del aislamiento. |
| Escala de potencia | Práctico hasta potencias moderadas; las máquinas de CC muy grandes son poco frecuentes porque la conmutación se vuelve difícil y arriesgada. | Escalas que van desde cargadores de teléfonos de milivatios hasta estaciones convertidoras HVDC de gigavatios que utilizan convertidores conmutados por línea o de fuente de tensión. |
| Uso moderno típico | Motores de corriente continua pequeños/medianos, motores universales en herramientas y electrodomésticos, algunos sistemas de tracción antiguos. | Fuentes de alimentación CA a CC, enlaces CC, transmisión HVDC, accionamientos de motor, cargadores, prácticamente cualquier lugar donde se vea “entrada CA, salida CC”. |
La tabla oculta un punto silencioso: uno de ellos está desapareciendo gradualmente de los nuevos diseños. No es el rectificador.
“¿No es un conmutador simplemente un rectificador?”
Dentro de un generador de corriente continua clásico, sí, en un sentido estrictamente funcional. El devanado del inducido produce una tensión alterna interna; el conmutador invierte las conexiones para que la tensión en las escobillas no se invierta, lo que da como resultado una salida unidireccional. Eso es rectificación por conmutación mecánica.
Pero esa definición es demasiado restrictiva para el uso que los ingenieros hacen de estas palabras en su día a día.
Cuando hoy en día se habla de “rectificador”, normalmente se hace referencia a un bloque convertidor CA-CC independiente, a menudo fabricado con semiconductores, que puede incluir control y corrección del factor de potencia. No está limitado por la geometría del rotor. Se puede rediseñar o sustituir sin tocar el eje de la máquina. Puede funcionar de forma bidireccional en un accionamiento regenerativo.
Cuando se habla de “conmutador”, normalmente se hace referencia a una estructura mecánica específica de un motor/generador de corriente continua o universal que debe soportar el desgaste, los arcos eléctricos y la desalineación, y que está estrechamente relacionada con el diseño del campo, la disposición del devanado del inducido y la ondulación del par. El hecho de que también rectifique es casi incidental en comparación con su función de mantener el par y la dirección de la corriente alineados con el campo.
Entonces, sí: todos los conmutadores de las máquinas de corriente continua implementan la rectificación. No: en el lenguaje moderno de la electrónica de potencia, no es lo que llamamos un “rectificador”.
Perspectiva de diseño: donde cada imagen sigue teniendo sentido
Si está diseñando cualquier dispositivo alimentado por la red eléctrica o por un transformador de alta frecuencia, lo mejor es utilizar un rectificador semiconductor. Los módulos puente son baratos, compactos y eficientes, y se adaptan desde pequeños adaptadores de pared hasta grandes frontales en accionamientos industriales. En los niveles de transmisión, los convertidores de tiristores y VSC dominan cualquier enlace de CC importante, ya que los contactos deslizantes y los arcos del conmutador no tienen cabida en esos voltajes y potencias.
El conmutador sobrevive en un conjunto más reducido de nichos. Herramientas manuales, aspiradoras, algunos motores de pequeños electrodomésticos: el motor universal clásico sigue ofreciendo una buena relación potencia-peso a bajo coste, y los conmutadores fabricados en serie son aceptables en estos casos. En los motores de arranque de automóviles y en algunos sistemas de tracción antiguos, los conmutadores siguen utilizándose porque la plataforma se construyó en torno a ellos. Pero siempre que los diseñadores pueden permitirse la electrónica, las máquinas de CC sin escobillas con conmutación electrónica y rectificadores de semiconductores suelen ganar en eficiencia, ruido y vida útil.
También hay ideas híbridas en la investigación, donde los rectificadores mecánicos que usan estructuras tipo conmutador se combinan con generadores triboeléctricos u otros generadores nuevos. Incluso ahí, la línea entre “conmutador” y “rectificador” tiene más que ver con la implementación que con cómo se ve la forma de onda de la corriente.
Control, conmutación y formas de onda
La sincronización del conmutador se establece en cobre y carbono. Si cambia la posición de la escobilla o añade polos intermedios, ajustará la superposición de la conmutación, el comportamiento de las chispas y la ondulación del par, pero seguirá estando sujeto al ciclo mecánico. La calidad de la forma de onda depende del número de polos, el número de segmentos del conmutador y la corriente de carga. Para solucionar un problema de conmutación, normalmente es necesario pulir, limpiar y, tal vez, rebobinar.
Los rectificadores, especialmente los controlados, son más maleables. Un puente de tiristores de seis impulsos en un esquema HVDC ajusta su ángulo de disparo para controlar el voltaje de CC y el flujo de potencia, y un front-end VSC puede moldear su corriente casi arbitrariamente dentro de las clasificaciones del dispositivo. Los armónicos, el factor de potencia y la respuesta dinámica se convierten en cuestiones de firmware tanto como en cuestiones de hardware.
Esa diferencia es importante cuando se depura un sistema. Los fallos mecánicos de conmutación suelen manifestarse en forma de arcos eléctricos, desgaste de las escobillas, decoloración de las barras del conmutador y calentamiento local. Los problemas con los rectificadores suelen manifestarse en forma de formas de onda anormales, alta temperatura del dispositivo, disparos molestos o ruido acústico procedente de los componentes magnéticos. El objetivo es el mismo, pero el lenguaje de los fallos es diferente.
Cómo cambia esto tu esquema mental
Considerar el conmutador como “parte de la máquina” y el rectificador como “parte de la cadena de conversión” permite tomar decisiones de diseño más claras.
Si su problema es “Tengo CA y necesito un bus CC”, entonces se encuentra en el ámbito de los rectificadores. La elección de la topología, las pérdidas por conducción, los filtros, las interferencias electromagnéticas y los algoritmos de control son el verdadero trabajo.
Si su problema es “Tengo una máquina universal o de corriente continua con escobillas y me preocupan el par, la vida útil o el mantenimiento”, entonces se encuentra en el ámbito de los conmutadores. La calidad de las escobillas, la presión del resorte, el acabado de la superficie, los polos de conmutación y la sutil interacción entre la distorsión del campo y la posición de las escobillas comienzan a ser importantes.
Ambos objetos imponen un comportamiento unidireccional en la corriente. Uno lo hace haciendo girar cobre bajo grafito. El otro lo hace incorporando la física de las uniones PN y los interruptores controlados por compuerta en un bloque estático. Tratarlos como si fueran lo mismo oculta la mayor parte de lo que hace que los diseños reales tengan éxito o fracasen.
