Conmutador (eléctrico)

Un conmutador es un interruptor eléctrico rotatorio presente en ciertos tipos de motores y generadores eléctricos que invierte periódicamente la dirección de la corriente entre el rotor y el circuito externo. Consiste en un cilindro compuesto por múltiples segmentos de contacto metálicos en la armadura giratoria de la máquina. Dos o más contactos eléctricos, denominados escobillas , fabricados con un material conductor blando como el carbono , presionan contra el conmutador, estableciendo un contacto deslizante con los segmentos sucesivos del mismo a medida que gira. Los devanados (bobinas de alambre) de la armadura están conectados a los segmentos del conmutador.

Los conmutadores se utilizan en máquinas de corriente continua (CC): dinamos (generadores de CC) y muchos motores de CC , así como motores universales . En un motor, el conmutador aplica corriente eléctrica a los devanados. Al invertir la dirección de la corriente en los devanados giratorios en cada media vuelta, se produce una fuerza de rotación constante ( par ). En un generador, el conmutador toma la corriente generada en los devanados, invirtiendo la dirección de la corriente en cada media vuelta, sirviendo como rectificador mecánico para convertir la corriente alterna de los devanados en corriente continua unidireccional en el circuito de carga externo. La primera máquina de corriente continua con conmutador, la dinamo , fue construida por Hippolyte Pixii en 1832, basándose en una sugerencia de André-Marie Ampère .

Los conmutadores son relativamente ineficientes y, además, requieren mantenimiento periódico, como el reemplazo de las escobillas. Por lo tanto, el uso de máquinas con conmutador está disminuyendo y están siendo reemplazadas por máquinas de corriente alterna (CA) y, en los últimos años, por motores de corriente continua (CC) sin escobillas que utilizan interruptores semiconductores .

Un conmutador consta de un conjunto de barras de contacto fijadas al eje giratorio de una máquina y conectadas a los devanados del inducido. A medida que el eje gira, el conmutador invierte el flujo de corriente en un devanado. En un devanado de inducido simple, cuando el eje ha completado media vuelta, el devanado queda conectado de manera que la corriente fluye a través de él en la dirección opuesta a la inicial. En un motor, la corriente del inducido provoca que el campo magnético fijo ejerza una fuerza de rotación, o par , sobre el devanado para hacerlo girar. En un generador, el par mecánico aplicado al eje mantiene el movimiento del devanado del inducido a través del campo magnético estacionario, induciendo una corriente en el devanado. Tanto en el caso del motor como del generador, el conmutador invierte periódicamente la dirección del flujo de corriente a través del devanado para que el flujo de corriente en el circuito externo a la máquina continúe en una sola dirección.

Un conmutador consta de un conjunto de segmentos de cobre , fijados alrededor de la circunferencia de la máquina giratoria o rotor, y un conjunto de escobillas con resorte fijadas al bastidor fijo de la máquina. Dos o más escobillas fijas se conectan al circuito externo, ya sea una fuente de corriente para un motor o una carga para un generador.

Los segmentos del conmutador están conectados a las bobinas del inducido, y el número de bobinas (y de segmentos del conmutador) depende de la velocidad y la tensión de la máquina. Los motores grandes pueden tener cientos de segmentos. Cada segmento conductor del conmutador está aislado de los segmentos adyacentes. La mica se utilizaba en las primeras máquinas y todavía se utiliza en las máquinas grandes. Se utilizan muchos otros materiales aislantes para aislar máquinas más pequeñas; los plásticos, por ejemplo, permiten la fabricación rápida de un aislante. Los segmentos se fijan al eje mediante una cola de milano en los bordes o en la parte inferior de cada segmento. Unas cuñas aislantes alrededor del perímetro de cada segmento se presionan para que el conmutador mantenga su estabilidad mecánica en todo su rango de funcionamiento normal.

En los motores de pequeños electrodomésticos y herramientas, los segmentos suelen estar fijados permanentemente mediante engaste y no se pueden extraer. Cuando el motor falla, se desecha y se reemplaza. En máquinas industriales de gran tamaño (con potencias que van desde varios kilovatios hasta miles de kilovatios), resulta económico reemplazar los segmentos dañados individualmente, por lo que se puede desenroscar la cuña del extremo y extraer y reemplazar los segmentos por separado.

La sustitución de los segmentos de cobre y mica se conoce comúnmente como "relleno". Los conmutadores rellenables con cola de milano son la construcción más común para conmutadores industriales de mayor tamaño, pero también pueden construirse con bandas externas de fibra de vidrio (construcción con bandas de vidrio) o anillos de acero forjado (construcción con anillos de contracción de acero externos e internos).

Los conmutadores desechables moldeados, comunes en los motores de corriente continua pequeños, se están volviendo cada vez más frecuentes en los motores eléctricos de mayor tamaño. Estos conmutadores no son reparables y deben reemplazarse si se dañan.

Además de los métodos habituales de calentamiento, torsión y tonelaje para el curado de conmutadores, algunas aplicaciones de conmutadores de alto rendimiento requieren un proceso de "curado por giro" más costoso y específico, o pruebas de giro a alta velocidad, para garantizar la estabilidad de los segmentos individuales y prevenir el desgaste prematuro de las escobillas de carbón. Estos requisitos son comunes en aplicaciones de tracción, militares, aeroespaciales, nucleares, mineras y de alta velocidad, donde la falla de sujeción y la protrusión de segmentos o aislamiento pueden tener graves consecuencias negativas.

La fricción entre los segmentos y las escobillas acaba provocando desgaste en ambas superficies. Las escobillas de carbón, al ser de un material más blando, se desgastan más rápido y pueden diseñarse para reemplazarse fácilmente sin desmontar la máquina. Las antiguas escobillas de cobre provocaban un mayor desgaste en el conmutador, causando con el tiempo surcos profundos y muescas en la superficie.

En motores pequeños (de menos de un kilovatio), el conmutador no está diseñado para ser reparado durante la vida útil del dispositivo. En equipos industriales de gran tamaño, el conmutador puede ser reacondicionado con abrasivos, o bien, el rotor puede desmontarse de la carcasa, montarse en un torno de metal de gran tamaño y el conmutador puede reacondicionarse reduciéndolo a un diámetro menor. Los equipos más grandes pueden incluir un accesorio de torneado directamente sobre el conmutador.

Las primeras máquinas utilizaban escobillas de alambre de cobre para hacer contacto con la superficie del conmutador. Sin embargo, estas escobillas de metal duro tendían a rayar y desgastar los segmentos lisos del conmutador, lo que eventualmente requería su reacondicionamiento. A medida que las escobillas de cobre se desgastaban, el polvo y los fragmentos de las mismas podían acumularse entre los segmentos del conmutador, provocando cortocircuitos y reduciendo la eficiencia del dispositivo. Las mallas o gasas de alambre de cobre fino proporcionaban un mejor contacto con la superficie y menor desgaste de los segmentos, pero las escobillas de gasa eran más caras que las de tira o alambre de cobre.

Las máquinas rotativas modernas con conmutador utilizan casi exclusivamente escobillas de carbón, a las que se les puede añadir polvo de cobre para mejorar la conductividad. Las escobillas de cobre metálico se encuentran en motores de juguete o muy pequeños, como el que se muestra arriba, y en algunos motores que funcionan de forma intermitente, como los motores de arranque de los automóviles.

Los motores y generadores sufren un fenómeno conocido como «reacción de armadura», uno de cuyos efectos es modificar la posición en la que idealmente debería producirse la inversión de la corriente a través de los devanados al variar la carga. Las primeras máquinas tenían las escobillas montadas en un anillo provisto de un asa. Durante el funcionamiento, era necesario ajustar la posición del anillo de las escobillas para modificar la conmutación y minimizar las chispas en las mismas. Este proceso se conocía como «balanceo de las escobillas».

Se realizaron diversos avances para automatizar el proceso de ajuste de la conmutación y minimizar las chispas en las escobillas. Uno de ellos fue el desarrollo de «escobillas de alta resistencia», fabricadas con una mezcla de polvo de cobre y carbono. ^{[ 3 ]} Aunque se las describía como escobillas de alta resistencia, su resistencia era del orden de los miliohmios, y su valor exacto dependía del tamaño y la función de la máquina. Además, la escobilla de alta resistencia no tenía la forma de una escobilla convencional, sino que consistía en un bloque de carbono con una superficie curva que se adaptaba a la forma del conmutador.

La escobilla de alta resistencia o de carbón se fabrica con un tamaño suficientemente grande como para ser significativamente más ancha que el segmento aislante que abarca (y en máquinas grandes, a menudo puede abarcar dos segmentos aislantes). Como resultado, a medida que el segmento del conmutador pasa por debajo de la escobilla, la corriente que llega a ella disminuye de forma más gradual que en el caso de las escobillas de cobre puro, donde el contacto se interrumpía bruscamente. De forma similar, el segmento que entra en contacto con la escobilla experimenta un aumento gradual de la corriente. Por lo tanto, aunque la corriente que pasa a través de la escobilla era más o menos constante, la corriente instantánea que llega a los dos segmentos del conmutador era proporcional al área relativa en contacto con la escobilla.

La introducción de las escobillas de carbón tuvo efectos secundarios beneficiosos. Las escobillas de carbón tienden a desgastarse de manera más uniforme que las de cobre, y el carbón blando causa mucho menos daño a los segmentos del conmutador. Se producen menos chispas con el carbón en comparación con el cobre, y a medida que el carbón se desgasta, su mayor resistencia reduce los problemas derivados de la acumulación de polvo en los segmentos del conmutador.

La proporción de cobre y carbono puede modificarse para un propósito específico. Las escobillas con mayor contenido de cobre funcionan mejor con voltajes muy bajos y corrientes altas, mientras que las escobillas con mayor contenido de carbono son mejores para voltajes altos y corrientes bajas. Las escobillas con alto contenido de cobre suelen soportar de 150 a 200 amperios por pulgada cuadrada de superficie de contacto, mientras que las de mayor contenido de carbono solo soportan de 40 a 70 amperios por pulgada cuadrada. La mayor resistencia del carbono también produce una mayor caída de voltaje de 0,8 a 1,0 voltios por contacto, o de 1,6 a 2,0 voltios a través del conmutador. ^{[ 4 ]}

Portacepillos

Normalmente, se utiliza un resorte con la escobilla para mantener un contacto constante con el conmutador. A medida que la escobilla y el conmutador se desgastan, el resorte empuja la escobilla hacia abajo, en dirección al conmutador. Con el tiempo, la escobilla se desgasta tanto que el contacto constante ya no es posible o deja de estar bien sujeta en el portaescobillas, por lo que debe reemplazarse.

Es habitual que un cable de alimentación flexible se conecte directamente a la escobilla, ya que la corriente que fluye a través del muelle de soporte provocaría un calentamiento que podría conllevar una pérdida de temple del metal y una pérdida de la tensión del muelle.

Cuando un motor o generador conmutado consume más energía de la que una sola escobilla puede conducir, se monta un conjunto de varios portaescobillas en paralelo sobre la superficie del conmutador, que es de gran tamaño. Este conjunto distribuye la corriente uniformemente entre todas las escobillas y permite a un operario cuidadoso retirar una escobilla defectuosa y sustituirla por una nueva, incluso mientras la máquina sigue funcionando a plena potencia y bajo carga.

Actualmente, los equipos conmutados de alta potencia y alta corriente son poco comunes, debido al diseño menos complejo de los generadores de corriente alterna, que permite que una bobina de campo giratoria de baja corriente y alto voltaje energice bobinas de estator de posición fija y alta corriente. Esto posibilita el uso de escobillas individuales muy pequeñas en el diseño del alternador . En este caso, los contactos giratorios son anillos continuos, denominados anillos colectores , y no se produce ninguna conmutación.

Los dispositivos modernos que utilizan escobillas de carbón suelen tener un diseño que no requiere mantenimiento ni ajustes durante toda su vida útil. Para ello, emplean una ranura fija para la escobilla y un conjunto combinado de escobilla, resorte y cable que encaja en dicha ranura. La escobilla desgastada se extrae y se inserta una nueva.

Ángulo de contacto del cepillo

Los distintos tipos de escobillas hacen contacto con el conmutador de diferentes maneras. Debido a que las escobillas de cobre tienen la misma dureza que los segmentos del conmutador, el rotor no puede girar hacia atrás contra los extremos de las escobillas de cobre sin que este se clave en los segmentos y cause daños graves. Por consiguiente, las escobillas de cobre laminadas o en tira solo hacen contacto tangencial con el conmutador, mientras que las de malla y alambre de cobre utilizan un ángulo de contacto inclinado, tocando con su borde los segmentos de un conmutador que solo puede girar en una dirección.

La suavidad de las escobillas de carbón permite un contacto radial directo con el conmutador sin dañar los segmentos, facilitando así la inversión del sentido de giro del rotor, sin necesidad de reorientar los portaescobillas para el funcionamiento en sentido contrario. Aunque nunca se invierte su sentido de giro, los motores de electrodomésticos comunes que utilizan rotores bobinados, conmutadores y escobillas cuentan con escobillas de contacto radial. En el caso de un portaescobillas de carbón de reacción, las escobillas pueden estar inclinadas en sentido contrario al conmutador, de modo que este último tienda a ejercer presión sobre el carbón para lograr un contacto firme.

El punto de contacto donde la escobilla toca el conmutador se denomina plano de conmutación . Para conducir suficiente corriente hacia o desde el conmutador, el área de contacto de la escobilla no es una línea delgada, sino una zona rectangular que abarca los segmentos. Normalmente, la escobilla es lo suficientemente ancha como para cubrir 2,5 segmentos del conmutador. Esto significa que dos segmentos adyacentes quedan conectados eléctricamente cuando la escobilla entra en contacto con ambos.

Rotación de las escobillas para la distorsión del campo del estator

La mayoría de las introducciones al diseño de motores y generadores comienzan con un dispositivo simple de dos polos, con las escobillas dispuestas en un ángulo perfecto de 90 grados con respecto al campo. Este modelo ideal es útil como punto de partida para comprender cómo interactúan los campos, pero no refleja el funcionamiento real de un motor o generador.

En un motor o generador real, el campo alrededor del rotor nunca es perfectamente uniforme. En cambio, la rotación del rotor induce efectos de campo que arrastran y distorsionan las líneas magnéticas del estator exterior no giratorio.

Cuanto más rápido gira el rotor, mayor es el grado de distorsión del campo. Dado que un motor o generador funciona con la máxima eficiencia cuando el campo del rotor forma un ángulo recto con el campo del estator, es necesario retrasar o adelantar la posición de las escobillas para que el campo del rotor quede en la posición correcta y forme un ángulo recto con el campo distorsionado.

Estos efectos de campo se invierten al cambiar el sentido de giro. Por lo tanto, resulta difícil construir una dinamo conmutada reversible eficiente, ya que para obtener la máxima intensidad de campo es necesario desplazar las escobillas al lado opuesto del plano neutro normal. Estos efectos pueden mitigarse mediante un devanado de compensación en la cara del polo de campo que transporta la corriente de la armadura.

El efecto puede considerarse análogo al avance de encendido en un motor de combustión interna. Generalmente, una dinamo diseñada para funcionar a una velocidad fija determinada tendrá sus escobillas fijas permanentemente para alinear el campo y lograr la máxima eficiencia a esa velocidad. ^{[ 12 ]}

Compensación adicional por autoinducción

Autoinducción: Los campos magnéticos de cada bobina de alambre se unen y se combinan para crear un campo magnético que se resiste a los cambios en la corriente, lo que puede compararse con la inercia de la corriente.

En las bobinas del rotor, incluso después de que se haya alcanzado la escobilla, las corrientes tienden a seguir fluyendo durante un breve instante, lo que resulta en una pérdida de energía en forma de calor debido a que la escobilla abarca varios segmentos del conmutador y la corriente se cortocircuita a través de los segmentos.

La resistencia espuria es un aumento aparente de la resistencia en el devanado del inducido, que es proporcional a la velocidad del inducido y se debe al retraso de la corriente.

Para minimizar las chispas en las escobillas causadas por este cortocircuito, estas se adelantan unos grados más, incluso más allá del avance necesario para corregir las distorsiones del campo. Esto desplaza ligeramente el devanado del rotor que está conmutando hacia adelante, dentro del campo del estator, cuyas líneas magnéticas tienen dirección opuesta y se oponen al campo del estator. Este campo opuesto ayuda a invertir la corriente autoinducida retardada en el estator.

Por lo tanto, incluso para un rotor que está en reposo y que inicialmente no requiere compensación por las distorsiones del campo giratorio, las escobillas aún deben avanzarse más allá del ángulo perfecto de 90 grados, como se enseña en tantos libros de texto para principiantes, para compensar la autoinducción.

Aunque los motores de corriente continua y las dinamos dominaron la industria en el pasado, las desventajas del conmutador han provocado una disminución en el uso de máquinas conmutadas durante el último siglo. Estas desventajas son:

• La fricción por deslizamiento entre las escobillas y el conmutador consume energía, lo que puede ser significativo en una máquina de baja potencia.
• Debido a la fricción, las escobillas y los segmentos de cobre del conmutador se desgastan, generando polvo. En pequeños electrodomésticos como herramientas eléctricas y aparatos, las escobillas pueden durar tanto como el producto, pero las máquinas más grandes requieren el reemplazo regular de las escobillas y el reacondicionamiento ocasional del conmutador. Por lo tanto, las máquinas con conmutador no se utilizan en aplicaciones con baja emisión de partículas o en entornos sellados, ni en equipos que deban funcionar durante largos períodos sin mantenimiento.
• La resistencia del contacto deslizante entre la escobilla y el conmutador provoca una caída de tensión denominada «caída de escobilla». Esta caída puede alcanzar varios voltios, lo que puede ocasionar grandes pérdidas de potencia en máquinas de baja tensión y alta corriente. Los motores de corriente alterna, que no utilizan conmutadores, son mucho más eficientes.
• Existe un límite para la densidad de corriente y el voltaje máximos que se pueden conmutar con un conmutador. Las máquinas de corriente continua muy grandes, por ejemplo, con una potencia nominal superior a varios megavatios, no pueden construirse con conmutadores. Los motores y generadores más grandes son todos máquinas de corriente alterna.
• La acción de conmutación del conmutador provoca chispas en los contactos, lo que supone un riesgo de incendio en atmósferas explosivas y genera interferencias electromagnéticas .

Con la amplia disponibilidad de corriente alterna, los motores de CC han sido reemplazados por motores síncronos o de inducción de CA más eficientes . En los últimos años, gracias a la disponibilidad generalizada de semiconductores de potencia , en muchas aplicaciones restantes los motores de CC conmutados han sido reemplazados por motores de corriente continua sin escobillas . Estos no tienen conmutador; en su lugar, la dirección de la corriente se conmuta electrónicamente. Un sensor registra la posición del rotor y los interruptores semiconductores, como los transistores, invierten la corriente. La vida útil de estas máquinas es mucho mayor, limitada principalmente por el desgaste de los cojinetes.

Se trata de motores monofásicos de corriente alterna con un par de arranque superior al que se podía obtener con bobinados de arranque de fase dividida, antes de que los condensadores de arranque de alta capacitancia (electrolíticos no polares y de corriente relativamente alta) se volvieran prácticos. Cuentan con un estator bobinado convencional, como cualquier motor de inducción, pero el rotor bobinado es muy similar al de un conmutador convencional. Las escobillas, situadas una frente a la otra, están conectadas entre sí (no a un circuito externo), y la acción del transformador induce corrientes en el rotor que generan par por repulsión.

Una variante, que destaca por su velocidad ajustable, funciona continuamente con las escobillas en contacto, mientras que otra utiliza la repulsión únicamente para un par de arranque elevado y, en algunos casos, levanta las escobillas una vez que el motor alcanza la velocidad suficiente. En este último caso, todos los segmentos del conmutador también están conectados entre sí antes de que el motor alcance la velocidad de funcionamiento.

Una vez alcanzada la velocidad de rotación, los devanados del rotor se vuelven funcionalmente equivalentes a la estructura de jaula de ardilla de un motor de inducción convencional, y el motor funciona como tal. ^{[ 14 ]}

Los conmutadores se utilizaban como simples interruptores de avance-apagado-retroceso para experimentos eléctricos en laboratorios de física. Existen dos tipos históricos bien conocidos: ^{[ 15 ]}

• Armadura (ingeniería eléctrica)
• Sistema de recogida de suelos (FPU)
• Puente H
• Anillo deslizante
• Interruptor inversor
• Interruptor giratorio
• Transformador rotativo
• Conmutador giratorio de mercurio
• Motor sin escobillas

• Elihu Thomson - Patente estadounidense 242,488 - Conmutadores para máquinas eléctricas de dinamo - 7 de junio de 1881.
• Henry Jacobs - Patente estadounidense 246,612 - Conmutador para máquinas magnetoeléctricas - 6 de septiembre de 1881.
• Frank B. Rae y Clarence L. Healy - Patente estadounidense 294,270 - Conmutador para máquinas eléctricas de dinamo o magneto - 26 de febrero de 1884.
• Nikola Tesla - Patente estadounidense 334.823 - Conmutador para máquinas eléctricas de dinamo - 26 de enero de 1886.
• Thomas E. Adams - Patente estadounidense 340,537 - Conmutador para máquinas dinamoeléctricas - 27 de abril de 1886.
• Nikola Tesla - Patente estadounidense 382.845 - Conmutador para máquinas eléctricas de dinamo - 15 de mayo de 1888.

• " Conmutador y escobillas en un motor de CC ". HyperPhysics, Física y Astronomía, Universidad Estatal de Georgia.
• " Serie PM sobre conmutación por retroalimentación de servomotores sin escobillas – Parte 1: Alineación de la conmutación: por qué es importante." Mitchell Electronics.
• " Serie PM sobre conmutación por retroalimentación de servomotores sin escobillas – Parte 2: Alineación de la conmutación: cómo se logra." Mitchell Electronics.