¿Qué función tiene un conmutador en un generador de corriente continua?

En un generador de corriente continua, el conmutador toma cualquier voltaje alterno desordenado que producen las bobinas del inducido y cambia silenciosamente las conexiones para que la salida en los terminales siempre empuje la corriente en una sola dirección. Al mismo tiempo, limita el tamaño que puede tener la máquina, la velocidad a la que puede girar, la limpieza de la forma de onda y la cantidad de mantenimiento que se debe realizar. Esa es toda la historia en una sola línea, aunque suene demasiado compacta.

Respuesta rápida, sin la palabrería de los libros de texto.

La documentación oficial suele limitarse a decir: “el conmutador es un rectificador mecánico que convierte la corriente alterna generada internamente en corriente continua en la salida”. Eso es correcto. Los segmentos de cobre están conectados a las bobinas del inducido, las escobillas se encuentran en la parte superior y, a medida que gira el rotor, los segmentos intercambian el lado del circuito externo al que está conectada cada bobina. Así, la tensión inducida en cada bobina alterna, pero la dirección de la corriente en el circuito externo no.

Ese es el núcleo funcional: la inversión periódica de las conexiones de las bobinas para que la corriente externa siga siendo unidireccional, lo que proporciona corriente continua pulsante en lugar de corriente alterna pura en los terminales del generador.

Pero esa descripción es solo el punto de partida. El conmutador es también el cuello de botella, el causante de problemas y el elemento que, silenciosamente, establece la mitad de las reglas de diseño de un generador de corriente continua.

¿Qué ocurre realmente durante la conmutación?

Piensa en una bobina activa situada debajo de un polo. A medida que gira, su campo electromagnético inducido cambia de signo cuando cruza la zona neutra. Bien. Ahora añade un segmento de conmutador para cada bobina y presiona un cepillo contra ellos. Durante un breve intervalo angular, el cepillo cubre dos segmentos adyacentes. En ese instante, esa bobina en particular se cortocircuita a través del cepillo, y su corriente debe invertirse mientras aún está cortando el flujo. Ese breve periodo es el proceso de conmutación real.

Si la conmutación fuera ideal, la corriente en esa bobina en cortocircuito aumentaría suavemente de +I a −I durante ese breve lapso de tiempo. En realidad, la bobina tiene inductancia, la reacción del inducido distorsiona el campo y la corriente no cambia justo cuando se le indica. De ahí provienen las chispas. Normalmente lo solucionamos con interpoles y bobinados de compensación, pero la raíz del problema está en la geometría del conmutador y la sincronización entre la rotación y la posición de la escobilla.

Por lo tanto, el conmutador no solo “convierte la corriente alterna en continua”. Impone un programa sobre cuándo se permite a cada bobina invertir la corriente, y el resto de la máquina está diseñado para que ese programa sea viable.

¿Por qué un generador de corriente continua sin conmutador se convierte simplemente en una máquina de corriente alterna?

Retire el conmutador y sustitúyalo por dos anillos colectores lisos. Ahora cada extremo del devanado principal del inducido va a un anillo, las escobillas se deslizan sobre ellos y el circuito externo simplemente ve la misma corriente alterna que se induce en el interior. Eso es un alternador. La única gran diferencia es que el conmutador divide el devanado en muchos segmentos y redirige las conexiones de la bobina cada media vuelta, de modo que la salida externa es siempre de una sola polaridad.

Desde el punto de vista del sistema, el conmutador es la razón por la que se puede cargar directamente un bus de CC o una batería desde un eje mecánico sin necesidad de un rectificador electrónico. Si se elimina, se necesitan diodos o componentes electrónicos de potencia. Si se vuelve a añadir, de repente hay que volver a utilizar escobillas, lo que genera polvo y requiere un mantenimiento regular.

Lo que realmente hace el conmutador, más allá de la definición de una línea

La respuesta habitual de una sola frase oculta varios trabajos distintos que dependen de esos segmentos de cobre. Es más fácil verlos uno al lado del otro.

Una vez que se observa la máquina a través de esa mesa, el conmutador deja de ser un pequeño detalle de cobre y se convierte en la restricción central.

Opciones de diseño en torno al conmutador que rara vez se discuten

En teoría, se pueden seguir añadiendo segmentos y bobinas para obtener una corriente continua cada vez más suave. El limitador no es la matemática, sino el cobre, el aislamiento y el aire.

En primer lugar, existe un voltaje máximo permitido por segmento. Si es demasiado alto, se produce una descarga eléctrica entre las barras adyacentes, especialmente cuando la superficie está sucia o el aire es húmedo. Los diseñadores dividen el voltaje terminal deseado por un número seguro de voltios por segmento y obtienen un número mínimo de barras. Por eso los generadores de CC de alto voltaje se vuelven rápidamente incómodos: el conmutador se ensancha, se multiplican los cepillos y el coste aumenta.

En segundo lugar, el ancho de la escobilla frente al paso entre segmentos establece la ventana de conmutación. La escobilla suele abarcar más de un segmento, de modo que cuando una bobina se desconecta, otra se conecta, lo que da lugar a un solapamiento. Si es demasiado estrecha, se producen zonas muertas y un contacto deficiente; si es demasiado ancha, se cortocircuitan demasiados segmentos a la vez y se sobrecargan las bobinas cortocircuitadas.

En tercer lugar, la velocidad superficial es determinante para el éxito o el fracaso de toda la idea. A altas velocidades del eje, la velocidad relativa entre el cepillo y la placa de cobre aumenta la tasa de desgaste e intensifica la formación de arcos eléctricos. Esa es una de las principales razones por las que las máquinas modernas más grandes se estandarizan en diseños de CA o en CC sin escobillas con conmutación por semiconductores. El interruptor mecánico simplemente no se adapta bien.

Todas esas decisiones entran dentro de “lo que hace el conmutador”, ya que su geometría las impone.

Cómo el conmutador da forma a la salida de CC

Imaginemos un conmutador muy sencillo, de dos segmentos. La tensión de salida es básicamente una onda sinusoidal rectificada, solo positiva, con intervalos profundos. Si añadimos más bobinas y más segmentos distribuidos alrededor de la circunferencia, ocurre algo diferente: mientras la salida de una bobina desciende, la de otra asciende, y el conmutador une esas tensiones instantáneas en un patrón escalonado con intervalos más pequeños.

Por eso los pequeños generadores para aficionados tienen ondulaciones visibles, mientras que los generadores industriales de CC cuidadosamente diseñados se acercan a una línea bastante estable en un medidor, incluso sin filtros. El conmutador, al coordinar qué bobinas se conectan en cada momento, actúa casi como un multiplexor analógico rudimentario.

Por lo tanto, cuando decimos que el conmutador “convierte la corriente alterna en corriente continua”, estamos ocultando el hecho de que también realiza una especie de promedio por división de tiempo de muchas pequeñas fuentes alternas distribuidas alrededor del rotor.

Conmutador, escobillas y plano neutro

Ya conoce la regla: las escobillas deben situarse en el eje neutro magnético para que, durante la conmutación, la bobina en cortocircuito no corte idealmente ningún flujo neto, minimizando la fuerza electromotriz inducida y simplificando la inversión de corriente. En un generador real con carga, la reacción del inducido empuja ese eje neutro. Dejar las escobillas en la posición teórica produce chispas.

La mayoría de las máquinas modernas solucionan este problema con polos auxiliares: pequeños polos auxiliares conectados en serie con el inducido que producen un campo correctivo justo en la zona de conmutación. Ese campo adicional cancela la reacción del inducido localmente, arrastrando el plano neutro efectivo de vuelta al lugar donde se encuentran realmente las escobillas.

Parece un detalle magnético en un dibujo, pero en realidad es otra parte de “lo que hace el conmutador”. Te obliga a prestar atención a dónde, en el espacio, se te permite invertir la corriente sin ejercer una tensión excesiva sobre el cobre y el carbono.

Conmutador frente a anillos colectores en una sola vista

Desde fuera, ambos componentes son simplemente anillos brillantes con cepillos. Dentro de la máquina, sus funciones son muy diferentes.

Un anillo colector es una pieza metálica continua y sin segmentos. Simplemente transporta corriente alterna (o continua) desde un elemento giratorio a un circuito fijo sin alterar su forma de onda. Un conmutador se divide intencionadamente en segmentos aislados y se conecta a diferentes partes del devanado del inducido, de modo que la rotación redirige automáticamente esas conexiones.

Por lo tanto, si se pregunta “¿por qué no utilizar anillos colectores en un generador de corriente continua y luego resolver el resto electrónicamente?”, básicamente está describiendo un alternador moderno más un rectificador. La industria ya ha respondido a esa pregunta: para potencias nominales mayores y velocidades más altas, suele ser más sencillo sustituir el conmutador por anillos lisos y dejar que los dispositivos de estado sólido se encarguen de la conmutación.

El generador de corriente continua tradicional mantiene la conmutación mecánica. Esa es su característica definitoria.

Modos de fallo: lo que dicen sobre el trabajo del conmutador

Si observas los problemas comunes en el campo, podrás deducir las responsabilidades del conmutador.

Las chispas intensas y las barras quemadas suelen significar que la conmutación está tardando demasiado o se está produciendo en la zona magnética incorrecta. Quizás las escobillas se hayan desgastado y hayan adquirido una forma extraña, quizás los polos estén mal ajustados, quizás haya un cortocircuito que aumente la inductancia en una bobina local.

El cobre ranurado o estriado suele deberse al material del cepillo y a la presión. Si es demasiado duro, el cobre se desgasta. Si es demasiado blando, el propio cepillo se erosiona rápidamente, llenando la máquina de polvo de carbón. En ambos casos, la interfaz deslizante que hace posible la conmutación se ve afectada.

El colorido irregular o la pátina en los segmentos a veces indican un reparto desigual de la corriente entre las vías paralelas. Esto nos remite a cómo están conectadas las bobinas del inducido a las barras del conmutador y cómo distribuye el flujo el circuito magnético.

En otras palabras, cada síntoma de mantenimiento es en realidad un pequeño informe sobre el rendimiento del conmutador en cuanto a su función de conmutación y recolección de corriente.

Donde los conmutadores aún tienen sentido

A pesar del auge de las máquinas sin escobillas y los rectificadores de semiconductores, los generadores de CC conmutados siguen estando presentes en nichos específicos: unidades portátiles de baja tensión, sistemas industriales heredados, algunos laboratorios de formación, aplicaciones especializadas en las que basta con una fuente de CC mecánica sencilla y se aceptan sus inconvenientes.

Su ventaja competitiva no es la sofisticación, sino la simplicidad. Entrada del eje, rectificación mecánica en el conmutador, salida de CC. Sin componentes electrónicos en la ruta de alimentación. Solo cobre, carbono y acero sincronizados para que cada bobina transfiera su corriente en el ángulo adecuado.