domingo, 25 de junio de 2017

Tiempo de conmutación en pequeños motores DC

Figura-1:      Sección transversal del devanado bipolar de un motor de anillo de gramme.

Para ilustrar el proceso de conmutación de un motor DC, clásicamente se ha utilizado el devanado en anillo de gramme (figura 1); donde las espiras conforman un arrollamiento en anillo que a su vez constituye la armadura del inducido. Aunque este motor quedó obsoleto desde hace mucho tiempo, ilustra convenientemente los modernos devanados. La cantidad de elementos o bobinas que, como mínimo, son cortocircuitadas simultáneamente por las escobillas es 2p (p número de polos; independientemente del tipo de arrollamiento utilizado).

En un motor de anillo de gramme (funcionando como generador) la corriente alterna que fluye por las bobinas del estator, es convertida a corriente continua al pasar de las delgas del conmutador (en continuo movimiento) hacia las escobillas (siempre estacionarias). La conmutación es un proceso de alternancia de la corriente en el devanado del inducido. 

Cuando la armadura comienza a girar y una bobina se sitúa debajo de unos de los polos de los imanes permanentes (por ejemplo, el N). La corriente fluye a través de los terminales de esa bobina en dirección hacia el conmutador. Si el conmutador se mueve de izquierda a derecha, en términos relativos las escobillas se moverán de derecha a izquierda. 

En la posición inicial (t0 =0), una de las escobillas estará conectada a la delga b del conmutador (figura 2-i); la corriente total que fluye por la escobilla tendrá valor Ic. Si consideramos el ancho de la delga igual al ancho de la escobilla, las corrientes que fluyen por los terminales de las bobinas B y C, tienen valor Ic/2.

Un tiempo después de t=0, debido al giro, la escobilla inicia el contacto con la delga próxima a, la corriente del inducido fluye a través de dos caminos hacia las delgas a y b (en cortocircuito por la escobilla, figura 2-ii); en esa condición la corriente total recogida por las escobillas continúa con igual valor Ic. En la medida que se incrementa el área de contacto entre la escobilla y la delga a, disminuye en la misma proporción el área de contacto entre la escobilla y la delga b; el flujo de corriente simultáneamente aumente desde a y disminuye desde b (figura 2-ii). Cuando el área de contacto es igual tanto para la delga a como para la b, fluye una corriente del mismo valor (Ic/2) desde ambos terminales de la bobina (figura 2-iii). Cuando el área de contacto entre la escobilla y la delga b disminuye aún más (un diferencial más), entonces la corriente a través de la bobina B cambia su dirección y empieza a fluir hacia la izquierda (figura 2-iv); la corriente que fluye hacia las escobillas tiene valor total Ic.

Finalmente, cuando la escobilla está en contacto pleno con la delga a (figura 2-v) (completamente desconectada de la delga b, entonces la corriente Ic fluye desde la bobina B en sentido contrario a las agujas del reloj, el cortocircuito se ha eliminado; la corriente en las escobillas conserva su valor Ic (para: t = tf).
El número de bobinas en serie en el devanado del inducido-anillo de gramme (figura 1), es directamente proporcional al valor del potencial en los extremos de las escobillas(F.E.M.); entre más bobinas se conecten en serie, más constante será el potencial generado.

En general, en los modernos devanados (incluyendo los pequeños motores DC de imanes permanentes: mDCip), la inversión o alternabilidad de la corriente en las bobinas (la conmutación), depende del tiempo de conmutación Tc, el cual a su vez depende de la velocidad angular y masa del inducido, del diámetro, diseño y configuración del conmutador; entre otros. Esos parámetros caracterizan al tiempo de conmutación, y son claves para entender el método sugerido para procesar el tren de pulsos de polaridad alternada generados en el conmutador.

En los motores tipo mDCip, no se cortocircuitan las delgas como en el motor de anillo de gramme, si no que se invierte la polaridad de los terminales de las bobinas (las delgas) antes del contacto con el conmutador; debido a que están simétricamente centradas, y los contactos de las bobinas alternan su polaridad dependiendo de polo magnético que las afecte. A pesar de esta sustancial diferencia en la mecánica de la conmutación, el análisis de la alternancia de las corrientes en interior de los conductores de las bobinas y de la estabilidad de la corriente y tensión en las escobillas; no difiere del anteriormente comentado para el motor de anillo de gramme. A diferencia del motor de anillo, en los modernos inducidos las bobinas se ubican de manera que el cuerpo del inducido no haga sombra a ninguna parte de la bobina (ya que fue el motivo del abandono del diseño de Zénobe Gramme de 1871). Actualmente las bobinas inductoras se ubican acopladas en planos tangentes curvados alrededor del exterior del inducido, de forma que todas las espiras que conforman las bobinas intercepten campos magnéticos de iguales o parecidas magnitudes; y las corrientes en ellas varíen con dependencia del ángulo de giro del rotor.

A fin de poder analizar los efectos de la inversión de la corriente en la bobina y las circunstancias temporales de los sucesos; es necesario conocer el período de conmutación tf – t0 = Tc.

Figura 2.- Proceso de conmutación en el motor de anillo de gramme. Considerando el ancho de la escobilla igual al ancho de la delga; en el conmutador. Al comienzo de la conmutación, la corriente Ic/2 en la bobina B, se suma a la corriente Ic/2 de la bobina C; unidas por la delga b conectada a la escobilla b por donde fluirá una corriente Ic. Luego del movimiento de la armadura (diestro) el proceso finaliza cuando la escobilla contacta la delga a (como en v); y se repite el proceso. La escobilla en todos los pasos del proceso mantiene una corriente de valor Ic




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