Conmutatriz

Conmutatriz

La conmutatriz es una máquina eléctrica rotativa que sirve para transformar energía eléctrica de una clase en otra de clase diferente. También puede funcionar como generador, dínamo o motor. Su utilización principal es la conversión de corriente alterna en corriente continua y viceversa.

La conmutatriz dispone en su inducido de un colector de delgas por el cual se alimenta o da corriente continua y ¡de un conjunto de anillos rozantes para la toma de corriente alterna. El inducido de una conmutatriz es la parte giratoria de la máquina. Su bobinado, estudiado desde la parte del colector de delgas, corresponde al de una máquina de corriente continua, mientras que desde la parte de los anillos rozantes, a un bobinado cerrado de corriente alterna.[1]

Contenido

Principio de funcionamiento

La conmutatriz basa su funcionamiento en que un bobinado de corriente continua puede suministrar un sistema de fuerzas electromotrices alternas y viceversa.

Si al bobinado de una dinamo bipolar se le realizan tres tomas situadas a 120º geométricos (que corresponderan a 120º eléctricos) la una de la otra (las nombramos U, V y W) cuando el inducido gire se generará en cada una de las tomas una fuerza electromotriz sinusoidal. Cada una de estas fuerzas electromotrices estarán separadas 120º eléctricos y tendrán el mismo valor eficaz obteniendo un sistema trifásco de corriente alterna, En cada fase, el valor máximo correspondera cuando el punto medio de su bobinado se ubique en la línea del eje de los polos y será de valor nulo cuando se sitúe en la línea neutra, si en vez tres tomas se hacen seis se obtiene un sistema exafásico. Estas tomas se conectan a sendos anillos rozantes.

Si por los anillos rozantes se conecta a una red trifásica (exafásica) la comutatriz se comporta como un motor síncrono y por su conexión de delgas genera corriente continua.[1]

Formas de utilización

La conmutariz puede funcionar de siete formas diferentes.

  1. Como dinamo. Si se hace girar el rotor, el inducido, se obtiene corriente continua por el colector de delgas.
  2. Como alternador. Si se hace girar el rotor, el inducido, se obtiene corriente alterna por el sistema de anillos rozantes.
  3. Como generador polimórfico. Si se hace girar puede obtenerse a la vez corriente alterna por lo anillos rozantes y corriente continua por el colector de delgas.
  4. Como motor de corriente continua. Si se aplica tensión continua en el colectro de delgas la máquina gira.
  5. Como motor síncrono. Si se palica corriente alterna por los anillos rozantes la máquina gira.
  6. Conmutatriz directa. Se alimenta con corriente alterna por los anillos rozantes y se obtiene corriente continua por el colector de delgas. Transforma corriente alterna en corriente continua.
  7. Conmutatriz inversa. Se alimenta con corriente continua por el colector de delgas y, funcionando como un motor Shunt, cede corriente alterna por los anillos rozantes. Transforma corriente continua en alterna.

La utilización normal de la máquina es la de conversión de corriente alterna en corriente continua, haciendo trabajar a la conmutatriz de forma directa.[1]

Bobinados

Al trabajar estas máquinas con corriente alterna y continua, el bobinado inducido debe cumplir con las condiciones de ambos casos. En cuanto a las características de un bobinado de corriente continua, este debe ser rotórico y cerrado con un paso lo más próximo posible a la distancia diametral. En cuanto a las características para corriente alterna es necesario que las tomas para los anillos rozantes estén dispuestas de tal forma que la fuerzas electromotrices correspondientes a cada anillo sean iguales y su fase sea igual al ángulo característico del sistema. El inducido, al igual que en una dinamo, pude ser ondulado o imbricado.

En un bobinado imbricado cada anillo se conecta a un número de tomas igual al número de pares de polos que tenga la máquina. El número de tomas de tensión alterna de la máquina es igual al producto del número de pares de polos por el números de fases y el paso de tomas en número selecciones es de:

(2) Y=\frac{S}{p  q}

Donde:

Y = paso de tomas en número de selecciones.
S = número de secciones.
p = pares de polos.
q = fases.[1]

Intensidad de corriente en el inducido

La intensidad que recorre el inducido de una conmutatriz depende de la forma de utilización de la misma.

  • Cuando funciona como una máquina de corriente continua, una dinamo o un motor, la intensidad por el inducido es prácticamente constante con el sentido cambiante en cada conmutación.
  • Cunado trabaja como máquina de corriente alterna, motor síncrono o alternador, la intensidad de corriente por el inducido es alterna.
  • Cuando trabaja como generador bimórfico (generando CC y CA simultáneamente) la intensidad es alterna teniendo un valor instantáneo igual a la suma de los componentes de CC y CA en cada instante.
  • Cuando trabaja como convertidor en cualquiera de los dos modos, el valor de la corriente que recorre el inducido es, en cada instante, el valor de las diferencias de las corrientes continua y alterna en ese instante.[1]

Potencia de una conmutatriz

Cuando una conmutatriz funciona como máquina convertidora la corriente continua que circula por el inducido es menor a la que circularía si funcionará como dinamo. De este hecho se deducen dos cosas, que la máquina se calienta menos cuando funciona como conmutatriz que cuando lo hace como dinamo y que el rendimiento es mayor. Por ello la potencia útil que se obtiene con la comutratriz es mayor que la obtenida si la hacemos trabajar como dinamo. La potencia útil de una conmutatriz obedece a la fórmula:

(2) {P_{k}}={P_{d}}\cdot{K_{p}}

Donde:

Pk = potencia útil de la conmutatriz.
Pd = potencia útil de la dinamo
Kp = coeficiente de potencia.

Kp varía con el número de fases y con el factor de potencia. Sus valores para un sistema trifásico y exafásico en relación a un factor de potencia de 1 y de 0,8 es el siguiente:

Número de fases q cos φ = 1 cos φ = 0,8
3 Kp = 1,25 Kp = 1,61
6 Kp = 0,85 Kp = 0,95

AL ser el valor de Kp mayor en sistemas exafásicos que en trifásicos la construcción de estas máquinas es, normalmente, exafásica.[1]

Relación de tensiones

Las tensiones de las líneas de continua y alterna de una conmutariz guardan una relación directa entre ellas. Esta relación depende del número de fases tomadas del inducido.[1]

Conmutatriz monofásica

Si hacemos trabajar a una conmutatriz monofásica en modo de de generador bimórfico y tenemos dos puntos de conexión en e inducido, U y X, situados a 180º entre sí y conectados a sendos anillos colectores y hacemos girar el inducido dentro del campo magnético creado por los polos obtenemos una corriente alterna sinusoidal cuyo valor de pico corresponde a cuando los bornes están en la línea neutra teórica del campo magnético que corresponde a donde están situadas las escobilla A y B. En este punto el valor instantáneo de la tensión alterna coincide con el valor de la continua. Como el valor eficaz de una tensión sinusoidal es su valor máximo por raíz cuadrada de dos tenemos que:

E0 = Ec
 E_1= \frac{E_c}{\sqrt 2}

Donde:

  • E1 = Valor eficaz de la tensión alterna.
  • E0 = Valor máximo de la tensión alterna.
  • Ec = Valor de la tensión continua.

Lo que se expresa de la siguiente forma El valor eficaz de la tensión alterna que existe entre los bormes correspondete a los anillos de una conmutatriz monofásica es {\sqrt 2} veces menor que el valor de la tensión continua que se desee tener los bornes de las escobillas.[1]

Conmutatriz polifásica

Si en el bobinado inducido de una conmutatriz de realizan tres tomas U, V y W entres puntos separados 120º tendremos una comnutatriz trifásica con las fases conectadas en triángulo cerrado. De la misma forma se pueden realizar seis tomas separadas 60º entre sí, así se obtendrá una conmutatriz exafásica con seis fases conectadas en un exágono cerrado.

Como el número de espiras en serie por fase es menor en las conmutatrices polifásicas que en las monofásicas el valor de la fuerza electromotriz también es menor. El valor eficaz de la fuerza electromotriz es proporcional al arco abarcado por cada fase. El valor eficaz será el valor máximo partido la raíz de 2 por el seno de la mitad del ángulo de la fase, esto se expresa de la siguiente forma:

E_f = \frac{E_c}{\sqrt 2}\cdot sen \frac {a} {2}

Como el ángulo α es el total de los 360 grados de la circunferencia dividido por el número de fases entonces

 E_f = \frac{E_c}{\sqrt 2}\cdot sen \frac{180}{q}

Lo que se expresa como el valor eficaz de la tensión alterna existente en los bornes de los anillos rrozantes de una conmutatriz polifásica es igual al valor de la tensión continua dividido por la raíz cuadrada de dos y multiplicado por el seno del ángulo mitad del caraterístico de sistema polifásico.

Relación de tensiones mt

Se denomina relación de tensiones mt al cociente de dividir el valor efeicaz de la tensión alterna entre el valor de la tensió continua, se expresa así:

m_f = \frac{E_f}{E_c}

Si en esta formula se sustituye Ef > por su equivalente obtenemos que:

m_f = \frac{sen \frac{180}{q}}{E_c}

Donde:

  • Ef = Valor eficaz de la tensión alterna.
  • Ec = Valor de la tensión continua.
  • mf = Relación de tensiones.
  • q = Número de fases.

Para los valores de mt para un sistema trifásico es de 0,612 y para uno exafásico es de 0,354.[1]

Relación de corrientes

La relación entre el valor eficaz de la intensidad de corriente alterna y el valor constante de la intensidad de corriente continua en una conmutatriz que trabaje en modo directo se calcula partiendo de las potencias. La potencia útil, Pc, de una conmutatriz en corriente continua es:

P_c = {E_c}\cdot  {I_c}

La potencia activa, Pa, que ha de absorber de la línea de alimentación alterna en referencia al rendimiento de la máquina será:

P_a = \frac { {E_c}\cdot{I_c}}{R}

Si efectuamos el cálculo de la potencia absorbida por la máquina en referencia a los valores de la tensión alterna tendremos que la potencia activa, Pa, será la tensión eficaz, Ef, por la intensidad eficaz, If, por el número de fases, q, y por el factor de potencia, cos φ. Esto se expresa de la siguiente manera:

P_a = q \cdot {E_f} \cdot{I_f}\cdot {cos {f}}

Igualando ambas expresiones y sustituyendo el valor eficaz de la tensión alterna por su expresión para que todo quede en treminos de intensidad tendremos, si despejamos If la siguiente expresión:

I_f = {I_c} \cdot {\frac {\sqrt 2} {{q} \cdot{sen \frac {180}{q} }\cdot {cos f} \cdot {R} } }

En el estudio de la conmutatriz interesa saber la intensidad eficaz de la corriente en la línea de alimentación. Para esté cálculo hay que tener en cuenta en que sistema de corriente alterna trabaja la conmutatriz, en un sistema polífásico se debe tener el cuenta las fases del mismo y el ángulo característico. Si el sistema es trifásico las fases se conectan en triángulo y si es exafásico, en exágono. El valor eficaz es la suma vectorial de la corriente de cada fase. El valor eficaz de la corriente en la línea es:

I_L = {2} \cdot  {I_f} \cdot {sen \frac {a}{2} }

Si se sustituyen If y sen α/2 por sus expresiones y simplificamos obtenemos la expresión de la intensidad de corriente en la línea alterna en función de la corriente en la línea de continua. Como era de esperar, la corriente en la línea de alimentación alterna crece según la que se demanda en la línea de continua disminuye el rendimiento y el factor de potencia.

I_L = {I_c} \cdot {\frac {2 \sqrt 2}{q}} \cdot {\frac {1}{{cos f} \cdot {R}}}


Relación de intensidad, mf

La relación de intensidad, mf, es el coeficiente que resulta de dividir el valor eficaz de la intensidad de la línea de corriente alterna, IL, entre el valor constante de la corriente de continua, Ic. Su expresión es:

m_f = \frac {I_L}{I:c}

Si se sustituye IL por su expresión y simplificamos obtenemos la siguiente fórmula:

m_f = {\frac {\sqrt 2}{q}} \cdot {\frac {1} {cos f  \cdot R}}

La relación de intensidad dependiendo de las fases queda:

  • Sistema trifásico;
m_f =  \frac {0,943} {cos f  \cdot R}


  • Sistema exafásico;
m_f = \frac {0,472} {cos f  \cdot R} [1]

Arranque de una conmutatriz

De los diferentes modos de trabajo que una conmutatriz puede realizar el normalmente utilizado es el modo de conmutatriz directa, convirtiendo corriente alterna en corriente continua. En este modo de trabajo hay que hacer girar la máquina inicialmente. Para ello hay dos métodos, uno utilizar un motor externo a la misma que la arrastre hasta la velocidad de giro establecida y otro arrancar la máquina como un motor asíncrono.[1]

Arranque con motor auxiliar

Se arranca como si fuera un motor síncrono, arrastrándolo mediante un motor auxiliar que asíncrono, bien de rotor bobinado, bien sincronizado.[1]

Arranque como motor asíncrono

El sistema polar debe ir provisto de un bobinado amortiguador. El flujo giratorio que se crea mediante el bobinado de la armadura produce corrinetes inducidas en las barras del bobinado amortiguador comenzando la parte rotórica a girar hasta alcanzar una velocidad próxima a la velocidad de sincronísmo. Cuando esto ocurra se cierra el circuito inductor haciendo que el rotor alcance la velocidad de sincronismo.

Este modo de arranque es muy delicado y hay que hacerlo con cuidado. Mientras no se alcanza la velocidad síncrona en bormes de las escobillas aparece una tensión alterna lo que obliga a tener que cerrar el interruptor que alimenta el inductor cuando el sentido de la corriente sea el correcto para la excitación.

Regulación de tensión y factor de potencia

En una conmutatriz que trabaja en modo directo el valor de la tensión de continua en bornes de las escobilla depende del valor de la tensión alterna con la que se introduce por los anillos rozantes. la regulación de la tensión continua se realiza mediante la regulación de la alterna. La regulación de la tensión alterna se puede realizar con un transformador con varias salidas, con inductancias puestas en serie o con un regulador de inducción que permite regulaciones en un amplio margen de valores.

La conmutatriz vista desde el lado de alterna es un motor síncrono por lo que la variación del factor de potencia se realiza igual que en un motor de este tipo. Cuando se varia la intensidad de la corriente de excitación, varia el flujo polar y con él el factor de potencia.[1]

Referencias

  1. a b c d e f g h i j k l m *Rapp Ocariz, Jesús (1960). Tratado práctico de electrotécnia. deposito legal BI-423-1960. 

Enlaces externos


Wikimedia foundation. 2010.

Mira otros diccionarios:

  • conmutatriz — (De conmutar). f. Electr. Máquina que convierte la corriente alterna en continua, o viceversa …   Diccionario de la lengua española

  • conmutatriz — ► sustantivo femenino ELECTRICIDAD Aparato eléctrico que convierte la corriente alterna en continua y viceversa. IRREG. plural conmutatrices * * * conmutatriz (de «conmutar») f. Electr. Aparato con que se cambia la corriente alterna en continua o …   Enciclopedia Universal

  • Rectificador — ► adjetivo 1 Que rectifica. ► sustantivo masculino 2 ELECTRICIDAD Aparato que transforma la corriente alterna en corriente continua. ► sustantivo 3 MECÁNICA Persona que ajusta piezas mecánicas. * * * rectificador, a 1 adj. y n. Se aplica al que o …   Enciclopedia Universal

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