¿Qué ocurre si el conmutador de un motor de corriente continua está dañado o funciona mal?
Si el conmutador no es saludable, el motor deja de comportarse como una máquina de par estable y comienza a actuar como un generador de arco ruidoso, resistivo y parcialmente aleatorio. La corriente se desplaza a lugares incorrectos, algunas barras se calientan, las escobillas se desgastan rápidamente, el aislamiento envejece rápidamente y, tras un tiempo de funcionamiento suficiente, el motor activa la protección, se quema o daña lo que lo alimenta. Esa es la historia en pocas palabras.
Índice
1. ¿Qué “daño” causa realmente un conmutador?
Ya conoces la función teórica del conmutador, así que omite los conceptos básicos y fíjate en qué cambia cuando la superficie deja de ser uniforme.
Un conmutador desgastado, picado o rugoso rompe el contacto deslizante limpio del que dependen las escobillas. En lugar de un área de contacto casi constante, se obtiene una zona de contacto que se contrae y se expande a medida que gira el rotor. Eso significa pulsos de densidad de corriente. La densidad de corriente pulsada significa calentamiento local, pequeños arcos en el borde posterior de la escobilla y más cobre y carbono lanzados al aire.
Las ranuras, las marcas o la decoloración intensa son signos tempranos y visibles de este problema. Indican que algunos segmentos transportan más corriente, o la transportan de forma más intensa, que otros. Es posible que por ahora siga obteniendo el par nominal, pero a cambio está pagando con un aumento del calor y un mayor desgaste de las escobillas por hora.
Si el conmutador está desalineado mecánicamente, la situación pasa de ser desordenada a inestable. La presión de contacto de la escobilla alterna a medida que pasan los puntos altos y bajos, por lo que la escobilla “rebota” y se arquea más en cada revolución. Ese rebote astilla los bordes, rompe los resortes y, a veces, rompe la propia escobilla.
En casos extremos, el daño abre el camino para una combustión instantánea: el arco ya no permanece dentro de una pequeña zona debajo del cepillo, sino que se extiende a través de múltiples barras o incluso a lo largo de toda la circunferencia, provocando un cortocircuito momentáneo en grandes partes del devanado. Es entonces cuando la falla del conmutador se convierte en un evento, y no solo en una nota de mantenimiento.
2. Comportamiento eléctrico una vez que el conmutador se ve comprometido.
Desde el punto de vista del circuito, un conmutador defectuoso se manifiesta principalmente en forma de ruido, calor y corriente incorrecta en el momento inadecuado.
Lo primero que suele cambiar es la corriente de funcionamiento. El mal contacto y la mayor resistencia en determinados segmentos obligan al motor a consumir más corriente para desarrollar el mismo par. Esa corriente adicional no es “corriente de par útil”, sino que gran parte de ella es simplemente pérdida I²R en barras, escobillas y cables. La eficiencia disminuye, a veces de forma bastante acusada, aunque la carga indicada en la placa de características no haya cambiado.
A continuación vienen los arcos eléctricos y el ruido eléctrico. Cuando las escobillas pasan por barras picadas, sucias o irregulares, el espacio se abre y se cierra rápidamente, creando pequeños arcos frecuentes. Esos arcos producen interferencias electromagnéticas, ruido de radio y chispas visibles. También expulsan polvo de cobre y carbono al espacio de aire, que se deposita entre las barras y a través del aislamiento, creando lentamente vías conductoras que nunca se pretendieron que existieran.
En daños más graves, los segmentos adyacentes del conmutador comienzan a compartir corriente debido a la contaminación o a las trazas de carbono. Esto desvía parcialmente el patrón de conmutación para el que se diseñó el motor, desplazando la corriente a bobinas que deberían estar apagadas o casi apagadas en ese ángulo del rotor. Ahora, la ondulación del par aumenta y algunas bobinas reciben una corriente RMS más alta de la que fueron diseñadas, incluso con el mismo suministro.
Si el problema evoluciona hasta provocar una combustión instantánea, el panorama eléctrico es sencillo y desagradable: un cortocircuito entre las escobillas, un pico de corriente brusco y, por lo general, la activación del dispositivo de protección o del fusible. El aislamiento puede perforarse en un solo evento.
3. Síntomas mecánicos y de rendimiento que no se pueden ignorar.
En el lado del eje, un conmutador dañado se manifiesta principalmente como inconsistencia.
El par, que debería ser relativamente suave en una máquina multipolar, comienza a “latir”. Se nota una oscilación de velocidad en accionamientos con cargas ligeras o una ondulación mayor de lo habitual en la corriente de línea en aplicaciones de velocidad fija. En los sistemas de bucle cerrado, los controladores de velocidad o posición pueden comenzar a trabajar más, con correcciones más agresivas sin una causa externa aparente.
La vibración y el ruido suelen aumentar junto con el daño del conmutador. En algunos casos, se trata simplemente del traqueteo de las escobillas sobre una superficie ovalada o mal acabada. En otros casos, se trata de un fenómeno electromagnético: la corriente y el par irregulares crean una perturbación repetitiva una vez por revolución o una vez por patrón del conmutador. En motores pequeños, esto puede pasar desapercibido; en máquinas grandes, puede ser evidente incluso a distancia.
El calor es un síntoma silencioso. Es posible tener un motor que “suena bien”, pero que se calienta notablemente más debido a las pérdidas resistivas adicionales en la interfaz y en las bobinas sobrecargadas. A menos que alguien esté observando las tendencias de temperatura, esto puede continuar durante mucho tiempo y acortar silenciosamente la vida útil del aislamiento.
Al final, el rendimiento es evidente: el motor se vuelve poco fiable al arrancar, más lento al acelerar, incapaz de transportar su carga nominal sin fallar y, finalmente, incapaz de funcionar sin producir chispas intensas.
4. De pequeñas cicatrices al fracaso: una progresión práctica
En la práctica, los problemas con los conmutadores rara vez pasan directamente de “parece estar bien” a “catastrófico”. Por lo general, se sigue una secuencia que se parece aproximadamente a esta, aunque cada máquina tiene sus propias peculiaridades.
Primero se observa un cambio estético: una película ligeramente irregular, marcas tenues donde pasan los cepillos, un poco más de polvo de lo habitual. No se trata de un fallo, sino de que la máquina le está indicando que sus condiciones de conmutación han cambiado.
A continuación, aparecen características mecánicas definidas: ranuras a lo largo de la dirección de rotación, estrías, bandas oscuras localizadas o manchas que permanecen después de la limpieza. En esta etapa, el par motor puede seguir siendo aceptable, pero la tasa de desgaste se acelera. La vida útil del cepillo se acorta y las condiciones de contacto se vuelven inestables.
Si se ignora esto, aparecen problemas geométricos. El conmutador se desgasta o desarrolla barras altas, ya sea por un desgaste desigual, contaminación o efectos térmicos. Ahora la presión de contacto varía según el ángulo, y el conjunto de cepillos experimenta fuerzas alternas para las que no fue diseñado. Se producen roturas de resortes, roturas de cepillos y arcos eléctricos ruidosos.
Más allá de eso, comienzan los daños estructurales: segmentos levantados, elevadores agrietados o puntos quemados donde los arcos han permanecido demasiado tiempo en un mismo lugar. Una vez que se llega a esta etapa, el motor corre un riesgo real de incendio y daños graves en el inducido durante el funcionamiento.
5. Mapeo rápido: daños visibles frente a lo que realmente ocurre
A continuación se presenta una forma concisa de pensar en las condiciones observables del conmutador y lo que realmente significan para la máquina.
| Condición visible en el conmutador | Efecto eléctrico dentro del motor | Lo que suele hacer el motor | Riesgo si sigues corriendo |
|---|---|---|---|
| Ligera decoloración y una película uniforme y suave. | La resistencia de contacto es ligeramente superior, pero está distribuida de manera uniforme, y el reparto de corriente entre los segmentos sigue siendo aceptable. | Funciona casi con normalidad, quizá un poco más caliente; el desgaste de las escobillas es ligeramente superior al ideal, pero el comportamiento es estable. | Riesgo bajo a corto plazo; a largo plazo, estás acortando la vida útil del cepillo y del conmutador más rápido de lo necesario. |
| Ranuras estrechas o marcas siguiendo la dirección de rotación. | La densidad de corriente se concentra en los bordes elevados, lo que favorece la formación de arcos eléctricos localizados y una mayor producción de polvo. | Sonido ligeramente más áspero, aumento moderado de las chispas, vida útil de los cepillos menos predecible entre series. | Riesgo medio; la calidad y la eficiencia de la forma de onda se degradan y la máquina se está volviendo inestable si no se corrige. |
| Superficie ovalada o barras altas | La fuerza de contacto varía con el ángulo; los cepillos rebotan y se producen arcos cada vez que un punto alto pasa por debajo del cepillo. | Ruido audible, chispas visibles, astillamiento frecuente de las escobillas o fallos en los resortes, mayor vibración. | Alto riesgo; un incidente mecánico o una sobrecarga pueden provocar un incendio o un fallo repentino de las escobillas. |
| Segmentos quemados o muy oscurecidos, a veces en parches. | Los arcos repetidos han aumentado la resistencia y dañado el aislamiento alrededor de barras específicas; la corriente se conmuta mal en esas bobinas. | Notable fluctuación del par, olor a quemado cerca de la máquina, desconexiones más frecuentes bajo carga. | Alto y en aumento; el motor ya se encuentra en modo de fallo y puede dañar los devanados o la electrónica de potencia si se mantiene en servicio. |
| Segmentos del conmutador sueltos o levantados | La conexión entre el devanado y la barra está comprometida; algunas bobinas transportan corriente de forma intermitente o no transportan corriente, mientras que otras transportan demasiada. | Arranques difíciles, chispas intensas, rechazo ocasional a arrancar o paradas repentinas. | Muy alto; esta es una situación en la que hay que dejar de correr inmediatamente si se quiere evitar una reparación importante del inducido o su sustitución. |
| Polvo de carbono y cobre acumulado entre las barras. | Las vías conductoras eluden el aislamiento previsto, creando cortocircuitos parciales entre segmentos. | Chispas aleatorias y erráticas, calentamiento con carga baja y, en ocasiones, disparos inexplicables o funcionamiento molesto de los fusibles. | Muy alto; la máquina es propensa a sufrir descargas eléctricas y puede fallar drásticamente ante una perturbación rutinaria. |
Esto está deliberadamente comprimido. En la práctica, se pueden ver combinaciones de estos estados en el mismo rotor.
6. Repercusiones a nivel del sistema alrededor del motor
Un conmutador dañado rara vez solo se daña a sí mismo.
Por el lado del suministro, el aumento del consumo de corriente y los transitorios frecuentes hacen que los dispositivos de protección trabajen más. Los contactores, disyuntores y fusibles registran más eventos similares a picos de corriente, con mayor frecuencia. Los cables y terminales se calientan más de lo que deberían para la carga nominal, especialmente en instalaciones antiguas donde los márgenes ya eran reducidos.
La electrónica de accionamiento también se ve afectada. Los accionamientos de CC de estado sólido o los rectificadores frontales experimentan una mayor corriente de ondulación, bordes dv/dt y di/dt más pronunciados y más perturbaciones de fuerza contraelectromotriz debido a una conmutación irregular. Dependiendo del diseño, esto puede manifestarse en forma de disparos molestos, requisitos de reducción de potencia o fallos prematuros de semiconductores y componentes de filtro. A nivel de toda la planta, las interferencias electromagnéticas provocadas por chispas intensas pueden perturbar los instrumentos cercanos, especialmente los sensores analógicos, los sistemas de radio y las líneas de comunicación mal blindadas. Se manifiesta en forma de picos extraños en las tendencias o de comportamiento aleatorio en los equipos que comparten la misma fuente de alimentación o bandeja.
Por lo tanto, un conmutador dañado no es solo un problema de un componente. Se convierte en un problema de calidad y fiabilidad de la energía para el hardware circundante.
7. ¿Qué suele fallar primero cuando se abusa de la suerte?
Si sigues funcionando con un conmutador defectuoso, algo tiene que fallar. A menudo, no es el conmutador en sí lo que falla primero, al menos no de forma visible.
Las escobillas suelen ser las primeras víctimas evidentes. Se desgastan rápidamente, se astillan o se glasifican. A medida que se deterioran, los arcos eléctricos se intensifican, lo que acelera aún más el desgaste del conmutador. En este punto, alguien podría pensar que el motor tiene un “problema con las escobillas”, cuando la causa principal es la geometría o la contaminación de la superficie del conmutador.
Lo siguiente es el aislamiento alrededor del conmutador y en las primeras vueltas del devanado del inducido. El calentamiento local repetido, el alto dv/dt de los arcos y la contaminación debilitan el barniz y el aislamiento de las ranuras. Finalmente, aparece una falla entre espiras o entre barras. Cuando se inspecciona la máquina más tarde, a menudo se encuentran áreas quemadas exactamente donde la conmutación había sido deficiente durante mucho tiempo.
El daño mecánico al cuerpo del conmutador suele ser el final: segmentos sueltos, soporte agrietado, elevadores levantados. Una vez que aparecen, el motor falla rápidamente o se retira del servicio rápidamente porque los síntomas son ahora demasiado evidentes como para ignorarlos.
8. Cómo suelen reaccionar los técnicos con experiencia
En los talleres y plantas reales, nadie dispone de un presupuesto o tiempo ilimitados, por lo que las decisiones sobre un conmutador dañado suelen tomarse por niveles.
Si la inspección solo muestra problemas en la película y marcas ligeras, lo habitual es limpiar, acondicionar las escobillas, quizá pulir ligeramente el conmutador y, a continuación, supervisar. El objetivo es restablecer unas condiciones más cercanas a las que espera el motor sin realizar trabajos invasivos.
Si hay ranuras, marcas o una ligera deformación, el procedimiento habitual es más mecánico: girar el conmutador para restaurar la redondez, recortar la mica si es necesario y colocar nuevas escobillas adaptadas a la nueva superficie. Este es también el momento en el que la gente empieza a hacer preguntas difíciles sobre la carga, la alineación y el entorno que ha provocado el desgaste.
Una vez que hay segmentos levantados, barras quemadas o evidencia de repetidos flashover, el motor pasa a la zona de “reparación mayor o sustitución”. El rebobinado del inducido, la sustitución del conmutador o la sustitución completa del motor se convierten en opciones realistas, y la decisión depende del tamaño del bastidor, la antigüedad y la importancia de la aplicación.
A través de todo esto, la regla tácita es simple: un motor de corriente continua es tan confiable como su conmutación. Si el conmutador se ve comprometido, el resto del diseño puede ser perfecto y el motor seguirá comportándose como una solución temporal.
9. Una breve conclusión para tener en cuenta
Si desea una versión resumida para sus propias notas, podría ser la siguiente: un conmutador dañado convierte el par motor de corriente continua limpia en una mezcla de calor adicional, corriente inestable y riesgo creciente de descarga eléctrica, y suele hacerlo mucho antes de que el motor se detenga realmente.
Todo lo demás que mides o reparas es solo ese hecho manifestándose de diferentes maneras.
