Mike Howell, PE
Especialista de Soporte Técnico de EASA

A diferencia de sus homólogos de CA, las máquinas de CC no tienen campos magnéticos rotativos. Más bien, existen ejes de campo magnético fijos para el campo (eje directo) y la armadura (eje en cuadratura). Aunque la armadura esté girando, el eje del campo magnético de la armadura está fijo gracias a la conmutación, lo que permite que la dirección de la corriente en un conductor de la armadura cambie a medida que pasa debajo de un polo de campo principal al siguiente.

Esto se ve en la Figura 1, donde todos los conductores de la armadura en el lado derecho del eje de armadura (marcados con ×) tienen una corriente que fluye hacia la página y todos los conductores de la armadura en el lado izquierdo del eje de la armadura (marcados con ●) tienen una corriente que fluye fuera de la página. Si la armadura estuviera girando en sentido antihorario, el conductor que se muestra en la posición "a" experimentaría una inversión de corriente al moverse a la posición "b". El eje de la armadura que se muestra también coincide con el plano neutro mecánico, ya que está directamente entre los polos del campo principal N y S. Idealmente, cuando un conductor se mueve de “a” a “b”, la bobina cortocircuitará o pasará por alto la bobina en un punto donde tenga cero voltios, evitando corrientes dañinas y chispas en las escobillas. Desafortunadamente, en la práctica rara vez existen situaciones ideales.

Para demostrar la función de los interpolos y los devanados de compensación, usaremos la máquina de CC modelada en la Figura 2. Esta es una máquina de 2 polos e incluye armadura, campo principal, interpolos y devanados de compensación. Las máquinas prácticas con todos estos bobinados tienen generalmente 4 o más polos. Se presentarán varias simulaciones con diferentes combinaciones de los devanados energizados y el campo magnético resultante.

Reacción de Armadura
La corriente en los conductores de la armadura produce un campo magnético que distorsiona el campo magnético producido por el devanado de campo. La distorsión se eleva al aumentar la carga (corriente de armadura) y se llama reacción de armadura. Debido a la reacción de armadura surgen dos problemas en las máquinas de CC: El primero, es un cambio en la posición del plano neutro magnético, que comúnmente llamamos posición neutra de las escobillas o simplemente plano neutro, que es la posición donde los conductores de la armadura quedan exactamente paralelos al flujo del campo principal, de modo que el voltaje inducido en las bobinas es cero. Cuando el plano neutro se desplaza debido a la reacción de armadura, se mueve en la dirección de rotación de un generador y en dirección opuesta a la que gira un motor. El problema con este cambio es que las escobillas ahora cortocircuitarán los conductores con voltaje a través de ellos y esto provocará chispas en las escobillas. Cambiar las escobillas a un “neutro de trabajo” solo es útil si la carga es constante porque el ángulo de cambio del plano neutro magnético cambiará si cambia la corriente de armadura.

El segundo problema debido a la reacción de armadura se llama debilitamiento del flujo o debilitamiento de campo. La densidad de flujo en la mayoría de los polos del campo principal está cerca del punto de saturación del acero laminado del polo. Esto significa que cualquier reducción en la fuerza magnetomotriz (FMM), o amperios-vueltas, causará una disminución mayor en el flujo que la que el mismo incremento en FMM lo aumentaría. Por ejemplo, una reducción del 10% de la FMM podría dar como resultado una reducción del 12% en el flujo, mientras que un aumento del 10% de la FMM podría causar solo un aumento del 5% en el flujo. Cuando la corriente de armadura es significativa, la distorsión resultante suma FMM a un lado del polo y la resta al otro lado. Esto provoca un pequeño aumento del flujo en el lado aditivo y una mayor disminución del flujo en el lado sustractivo. El resultado neto es que disminuye el flujo total por polo. En los generadores, esto reduce el voltaje generado para una carga determinada. En los motores, el debilitamiento del campo aumenta la velocidad. Si la carga del motor incrementa con la velocidad, el efecto puede ser significativo porque este aumento provocará un mayor debilitamiento del campo y se produciría un ciclo que podría provocar un descontrol.

La Figura 3 muestra la simulación del modelo del campo magnético producido por el devanado de armadura, el devanado de campo y por los devanados de armadura + campo. Esto demuestra claramente tanto el desplazamiento del plano neutro magnético como el debilitamiento del flujo de los polos principales.

Voltajes L di/dt
Además de la reacción de armadura, otro efecto significativo relacionado con la conmutación es el llamado voltaje L di/dt o voltaje de autoinducción. La bobina de armadura que se está conmutando tiene una inductancia. El voltaje (V) a través de un inductor es igual a la inductancia de la bobina (L) multiplicada por el cambio de corriente (di) dividida por el cambio de tiempo (dt). Es decir, V = L di/dt. Dado que la bobina pasará por la zona de conmutación en un tiempo muy corto (milisegundos) y el cambio de corriente será el doble de la corriente de carga (debido a la distancia del valor positivo al valor negativo), incluso un valor pequeño de inductancia puede resultar en un voltaje generado significativo, a veces denominado patada inductiva, que provoca chispas en las escobillas.

¿Cómo pueden ayudar los interpolos?
Si cualquier voltaje que de otro modo estaría presente en los conductores sometidos a conmutación se puede reducir a cero, se eliminarían las chispas en las escobillas producidas por ese voltaje. Los interpolos (o polos de conmutación) se colocan directamente a través del entrehierro de los conductores que se están conmutando y se conectan en serie con el devanado de armadura, pero con polaridad opuesta. Además, con respecto a la dirección de rotación, los interpolos deben tener la misma polaridad que el siguiente polo principal en un generador y la misma polaridad que el polo principal anterior en un motor. Si los interpolos están diseñados y/o ajustados adecuadamente, se pueden eliminar las chispas de las escobillas resultantes de los voltajes L di/ dt o los voltajes por el cambio del plano neutro magnético. A diferencia de los polos del campo principal, los interpolos suelen estar diseñados para funcionar muy por debajo de la saturación magnética, de modo que su fuerza varía linealmente con la carga.

La Figura 4 muestra la simulación del modelo del campo magnético producido por la armadura + interpolos con polaridad correcta, la armadura + interpolos con polaridad invertida y la armadura + interpolos + campos. Tenga en cuenta que para la armadura + interpolos con polaridad correcta, el campo magnético resultante se elimina completamente de la región interpolar. Con la polaridad interpolar invertida, la cantidad de flujo presente en la región interpolar es incluso mayor de lo que sería sin interpolos; Esto es evidente cuando se producen chispas intensas al aplicar carga a un motor mal conectado. Con la armadura + interpolos + campos, tenga en cuenta que el campo resultante todavía está distorsionado pero los interpolos eliminan el flujo en la región interpolar.

Por lo tanto, los interpolos no corrigen el problema de debilitamiento de flujo debido a la distorsión del campo en los polos principales. Para la mayoría de los motores pequeños y medianos de uso general, esta condición y sus resultados simplemente se aceptan. Para máquinas de CC más grandes con ciclos de trabajo severos, el debilitamiento de flujo es un problema grave si no se corrige. Un ejemplo de esto podría ser un gran laminador donde el sentido de giro de la máquina se invierte con frecuencia y rapidez. Estas fuertes sobretensiones pueden provocar descargas eléctricas entre las escobillas positivas y negativas debido a una grave distorsión del campo.

¿Cómo pueden ayudar los devanados de compensación?

Los conductores del devanado de compensación se colocan en ranuras en la cara del polo principal con polaridad opuesta a los conductores de la armadura frente a ese polo. Al igual que los interpolos, los devanados de compensación están en serie con la armadura. Si se diseña correctamente, la FMM del devanado de compensación es igual y opuesta a la FMM de la armadura, eliminando la distorsión del campo. La Figura 5 muestra el modelo de simulación del campo magnético producido por la armadura + interpolos + campos + devanados de compensación. Ahora no hay flujo en la región interpolar y se elimina la distorsión del campo. Por lo tanto, se han mitigado los efectos de la reacción de la armadura y los voltajes L di/dt.

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