En una máquina de corriente continua, las escobillas de carbono siempre se colocan en el eje neutro magnético. En condiciones de ausencia de carga, el eje neutro magnético coincide con el eje neutro geométrico. Ahora, cuando la máquina está cargada, el flujo de la armadura se dirige a lo largo del eje interpolar (el eje entre los polos magnéticos) y tiene forma de onda triangular. Esto resulta en un flujo de corriente de inducido dirigido a lo largo del eje de la escobilla y causa una magnetización cruzada del campo principal. Este efecto de magnetización cruzada da lugar a la concentración del flujo en la punta del polo de arrastre en la acción del generador y en la punta del polo principal en la acción del motor.
La reacción de la armadura es el efecto del flujo de la armadura en el principal flujo. En el caso de un Motor de corriente continua el flujo resultante se refuerza en el poste principal y se debilita en las puntas de los postes de arrastre.
¿Qué es la punta del poste de dirección y la punta del poste de arrastre?
La punta del poste desde donde los conductores de la armadura entran en influencia se llama punta líder y la otra punta opuesta en dirección a ella será la punta de arrastre. Por ejemplo, en la figura anterior si el motor gira en el sentido de las agujas del reloj, entonces para el Polo Norte, la punta inferior es la punta guía y para el Polo Sur la punta superior es la punta guía. Si se invierte el movimiento (en el caso del generador), las puntas se intercambian. Debido a la magnetización cruzada, el eje neutro magnético en la carga, cambia a lo largo de la dirección de rotación en Generador de corriente continua y opuesto a la dirección de rotación en Motor de corriente continua. Si las escobillas permanecen en sus posiciones anteriores, entonces la emf trasera en caso de motor o la f.e.m. generada en caso de generador se reduciría y la conmutación se acompañaría de fuertes chispas. Esto se debe a que la conmutación se produce en las bobinas situadas en las escobillas solamente, y la bobina que se somete a la conmutación se encuentra bajo la influencia del polo alternativo (cambia su ubicación del polo norte al polo sur o viceversa). Por lo tanto, la dirección de actual cambia de +i a i o viceversa en un pequeño lapso de tiempo. Esto induce una magnitud muy alta de reactancia voltaje (L di/dt) en la bobina que emerge en forma de energía térmica junto con las chispas, dañando así los cepillos y el segmento del conmutador. Para reducir los efectos adversos mencionados anteriormente y mejorar el rendimiento de las máquinas, se utilizan los siguientes métodos:
Cambio de cepillo
Una solución natural al problema parece ser el desplazamiento de los cepillos a lo largo de la dirección de rotación en la acción del generador y en contra de la dirección de rotación en la acción del motor, lo que resultaría en una reducción del flujo de la brecha de aire. Esto reduciría el voltaje inducido en el generador y aumentaría la velocidad en el motor. La desmagnetización mmf (fuerza magneto motriz) así producida viene dada por:
Dónde,
Ia = corriente de armadura,
Z = número total de conductores,
P = número total de polos,
= desplazamiento angular de las escobillas de carbono (en grados eléctricos).
El cambio de cepillos tiene serias limitaciones, por lo que los cepillos tienen que ser cambiados a una nueva posición cada vez que la carga cambia o la dirección de rotación cambia o el modo de operación cambia. En vista de esto, el desplazamiento de los cepillos está limitado sólo a máquinas muy pequeñas. Aquí también, los cepillos se fijan en una posición que corresponde a su carga normal y al modo de funcionamiento. Debido a estas limitaciones, este método no es generalmente preferido.
Polo Interno
La limitación del desplazamiento de la brocha ha llevado al uso de interpolos en casi todas las máquinas de corriente continua de tamaño mediano y grande. Los interpolos son polos largos pero estrechos situados en el eje interpolar. Tienen la polaridad del polo siguiente (que viene a continuación en la secuencia de rotación) en la acción del generador y el polo siguiente (que ha pasado por detrás en la secuencia de rotación) en la acción del motor. El polo interpolar está diseñado para neutralizar la reacción de la armadura mmf en el eje interpolar. Dado que los interpolos están conectados en serie con la armadura, el cambio de dirección de actual en la armadura cambia la dirección del interpolar.
Esto se debe a que la dirección de la reacción de la armadura mmf está en el eje interpolar. También proporciona un voltaje de conmutación para la bobina que se somete a la conmutación, de tal manera que el voltaje de conmutación neutraliza completamente el voltaje de la reactancia (L di/dt). Por lo tanto, no se producen chispazos.
Los bobinados interpolares se mantienen siempre en serie con la armadura, por lo que el bobinado interpolar lleva la corriente de la armadura; por lo tanto funciona satisfactoriamente independientemente de la carga, la dirección de rotación o el modo de funcionamiento. Los polos interpolares se estrechan para asegurar que influyan sólo en la bobina sometida a conmutación y que su efecto no se extienda a las demás bobinas. La base de los interpolos se hace más ancha para evitar la saturación y mejorar la respuesta.
Bobinado de compensación
El problema de la conmutación no es el único problema en las máquinas de DC. En cargas pesadas, la reacción de la armadura de magnetización cruzada puede causar muy alta flujo densidad en la punta del poste de arrastre en la acción del generador y la punta del poste de arrastre en la acción del motor.
En consecuencia, la bobina situada bajo esta punta puede desarrollar un voltaje inducido lo suficientemente alto como para causar un destello entre los segmentos adyacentes asociados del conmutador, en particular, porque esta bobina está físicamente cerca de la zona de conmutación (en los cepillos) donde la temperatura del aire podría ser ya alta debido al proceso de conmutación.
Este destello puede extenderse a los segmentos vecinos del conmutador, llevando finalmente a un fuego completo sobre la superficie del conmutador de maleza a maleza. Además, cuando la máquina está sujeta a cargas que fluctúan rápidamente, entonces el voltaje L di/dt, que aparece a través de los segmentos de colectores adyacentes puede alcanzar un valor lo suficientemente alto como para causar un flash over entre los segmentos de colectores adyacentes. Esto comenzaría desde el centro del polo, ya que la bobina que está debajo de él posee la máxima inductancia. Esto puede causar de nuevo un incendio similar al descrito anteriormente. Este problema es más agudo mientras la carga disminuye en la acción generadora y aumenta en la acción motora ya que entonces, la f.e.m. inducida y el voltaje L di/dt se apoyarán mutuamente. Los problemas anteriores se resuelven mediante el uso de un bobinado de compensación.
El devanado de compensación consiste en conductores incrustados en la cara del polo que corren paralelos al eje y llevan una corriente de armadura en dirección opuesta a la dirección de la corriente en los conductores de la armadura bajo ese arco de polo. Con la compensación completa el campo principal se restablece. Esto también reduce los circuitos de inducido inductor y mejora la respuesta del sistema. La compensación de las funciones de bobinado funciona satisfactoriamente independientemente de la carga, la dirección de rotación y el modo de funcionamiento. Obviamente es una ayuda en la conmutación ya que el devanado interpolar se libera de su deber de compensar la armadura mmf bajo el arco del polo.
Compensando los grandes inconvenientes de los bobinados:
- En las grandes máquinas sujetas a grandes sobrecargas o taponamientos
- En motores pequeños sujetos a una inversión repentina y una alta aceleración.
NOTA:
- El efecto de reacción de la armadura de magnetización cruzada es causado principalmente por los conductores de la armadura que se encuentran bajo el arco polar. Con cargas elevadas, este efecto de reacción de la armadura puede causar una densidad de flujo excesiva en la punta del polo de arrastre (en el generador) y en la punta del polo de arrastre (en el motor). Debido a la saturación en la zapata del polo, el aumento de la densidad de flujo puede ser menor que la reducción de la densidad de flujo en la sección restante de la zapata del polo. Esto resultaría en última instancia en una reducción neta de flujo por cada polo. Este fenómeno se conoce como el efecto desmagnetizador de la reacción de la armadura de magnetización cruzada, que se compensa además con el uso de bobinas compensadoras.
- Las bobinas interpolares y las bobinas de compensación están conectadas en serie con la el arrollamiento de la armadura pero en los lados opuestos con respecto a la armadura.
- El deber principal del devanado interpolar es mejorar el proceso de conmutación, y el del devanado de compensación es compensar el aumento o la disminución del flujo neto de la brecha de aire, es decir, mantener su valor constante.
