Un metadino es una máquina eléctrica de corriente continua con dos pares de cepillos . Se puede utilizar como amplificador o transformador rotatorio . Es similar a una tercera dinamo de escobillas, pero tiene bobinados adicionales de regulador o "variador". También es similar a un amplidyne excepto que este último tiene un devanado de compensación que contrarresta completamente el efecto del flujo producido por la corriente de carga . La descripción técnica es "una máquina de corriente continua de campo cruzado diseñada para utilizar la reacción del inducido ". Un metadino puede convertir un voltaje constante entrada en una salida de voltaje variable de corriente constante.
Historia
La palabra metadyne se deriva de las palabras griegas para conversión de poder. [1] Si bien se cree que el nombre fue acuñado por Joseph Maximus Pestarini (en italiano Giuseppe Massimo Pestarini) en un artículo que presentó al Concurso Internacional Montefiore en Lieja , Bélgica en 1928, el tipo de máquina que describió había sido conocido desde la década de 1880. La primera patente británica conocida para un generador de campo cruzado de corriente continua fue obtenida por AI Gravier de París en 1882, y E. Rosenberg obtuvo dos patentes más en 1904 y 1907. [2] Rosenberg se convirtió más tarde en el ingeniero eléctrico jefe. para Metropolitan-Vickers , y su máquina produjo un campo cruzado aplicando un cortocircuito a un juego adicional de cepillos. [3] M. Osnos examinó los arreglos prácticos para varias de estas máquinas en 1907, [4] y en el mismo año, Felton y Guilleaume obtuvieron una patente británica, número 26.607, que describía devanados auxiliares, devanados de inducido y conmutadores múltiples, aunque todo en términos bastante generales. También indicó que podrían usarse para transformar un voltaje constante en una corriente constante. [2] Otras patentes fueron obtenidas antes de 1910 por Mather & Platt , Brown Boverei y Bruce Peebles . [5]
Pestarini trabajó en el desarrollo de la teoría de tales máquinas entre 1922 y 1930, aunque se concentró en sus características estáticas, más que en sus características dinámicas. [4] Contribuyó con tres artículos sobre el tema a la Revue Générale de l'Electricité en 1930, [5] que incluían algunas aplicaciones prácticas. El principal fue el uso de la salida de corriente constante para el control de motores de tracción en vehículos eléctricos y la operación de grúas, áreas en las que tenía cierta experiencia práctica, luego de ensayos en conjunto con la empresa Alsthom en Francia. [6] En 1930, hizo un viaje a Gran Bretaña y la compañía Metropolitan-Vickers tomó sus ideas y desarrolló un sistema de trabajo. [4] A diferencia de la solución de Rosenberg, Pestarini, quien más tarde se convirtió en profesor en el Instituto Electrotécnico Nazionale Galileo Ferraris en Turín , conectó las escobillas adicionales a una fuente externa para producir un transformador metadino. [3] La máquina funcionaba como un amplificador de voltaje a corriente porque el flujo generado por la corriente a la carga se oponía al flujo en el circuito de control. [4] El trabajo de desarrollo en Metropolitan-Vickers en la década de 1930 fue dirigido por Arnold Tustin , y la compañía poseía las patentes británicas del Metadyne. [7]
Pestarini también visitó los Estados Unidos en 1930, aunque no hay constancia del uso del sistema allí. Los ingenieros de General Electric , liderados por Ernst Alexanderson , estaban interesados, pero modificaron el diseño mediante la adición de un devanado de compensación, que contrarrestó el efecto del flujo producido por la corriente de carga. Esto convirtió la máquina de un amplificador de voltaje a corriente en un amplificador de voltaje a voltaje, y llamaron a la nueva variante Amplidyne . Los costos de desarrollo fueron financiados en gran parte por contratos navales estadounidenses para el desarrollo de estabilizadores verticales, que se utilizaron para mejorar la puntería y el disparo de armas de fuego en los barcos. [4] Durante el mismo período, Macfarlane Engineering Company, que tenía su sede en Glasgow, desarrolló una variante de la máquina de campo cruzado de forma bastante independiente, a la que llamaron Magnicon . [8]
Pestarini presentó una patente sobre la máquina metadina en Francia el 14 de enero de 1932 y la presentó a la Oficina de Patentes de los Estados Unidos a finales de año, el 23 de diciembre. La patente estadounidense fue otorgada el 30 de enero de 1934. [9] Presentó una segunda patente estadounidense para una máquina mejorada en noviembre de 1946, que fue otorgada el 10 de junio de 1952. [10]
Operación
El diagrama muestra tres disposiciones de una máquina metadina. En todos los casos, se han omitido los devanados de compensación para mayor claridad. La primera disposición representa una máquina de campo cruzado de un ciclo. En una máquina de CC normal, el efecto de la corriente de excitación genera un flujo (A1), que a su vez genera un flujo en cuadratura que forma ángulo recto con el flujo de excitación. Al conectar las escobillas de cuadratura juntas, se produce corriente en el inducido y el flujo que esto produce (A2) está nuevamente en ángulo recto con el eje de cuadratura, lo que da como resultado una reacción del inducido que se opone directamente a la excitación original. Esta característica es fundamental para la máquina y no depende de su sentido de giro. Cuando la reacción del inducido se compensa parcialmente mediante un devanado de compensación, la parte no compensada de la reacción del inducido actúa de esta manera. [11] A medida que aumenta la corriente de salida, suprime el efecto de la excitación, hasta que alcanza un estado en el que hay suficiente excitación para mantener la corriente. Cualquier aumento adicional eliminaría el flujo que sostiene su funcionamiento, y la corriente se mantiene independientemente de la resistencia de la carga o de la fuerza contraelectromotriz producida por ella. La máquina actúa así como un generador de corriente constante, donde la corriente es proporcional a la excitación. [12]
El segundo diagrama muestra una máquina sin devanado de excitación, pero en cambio, un voltaje constante está conectado a las escobillas en cuadratura. Esto produce un flujo similar al producido por la rotación del inducido en el flujo de excitación en el primer ejemplo. El funcionamiento de la máquina es, por tanto, muy similar, con la corriente de salida aumentando hasta que el flujo que produce casi contrarresta el flujo generado por la tensión aplicada. Tustin ha demostrado que la potencia de entrada y salida es la misma, por lo que la máquina transforma la entrada de voltaje constante en una salida de corriente constante. Al igual que con el generador metadino, el transformador Metadino puede compensarse parcialmente y seguirá funcionando como un dispositivo de corriente constante hasta que la compensación supere el 97 por ciento. [13]
El tercer diagrama muestra un metadino conectado a dos motores separados, y esta disposición se usaba a menudo para el control de motores de tracción en trenes eléctricos. Conectarlos de esta manera reduce la carga efectiva en el Metadyne y permite instalar una máquina más pequeña. El Metadyne actúa como un "refuerzo positivo o negativo". Si Vcc es el voltaje de suministro y V 2 es el voltaje de salida del Metadyne, entonces el voltaje total a través de la carga puede variar de 0 a 2 · Vcc, ya que V 2 varía entre −Vcc y + Vcc. Aunque el sistema es propenso a que las corrientes en las dos mitades de la carga se desequilibren, esto puede corregirse mediante la provisión de devanados en serie adicionales, que actúan como una resistencia adicional del circuito. [14]
Generador Rosenberg
El generador Rosenberg es muy similar al generador Metadyne, tanto en su construcción como en su conexión eléctrica. Generalmente no tiene un devanado de compensación, por lo que toda la reacción del inducido se opone a la excitación inicial. Las partes del circuito magnético normalmente no están laminadas, lo que crea retrasos entre las excitaciones y los flujos, pero las máquinas se utilizan en aplicaciones donde una respuesta rápida no es esencial. Su uso predominante ha sido en trenes, donde son impulsados por ejes y se utilizan para proporcionar iluminación y carga de baterías. [15] Un generador impulsado por eje está sujeto a velocidades variables y cambios en el sentido de rotación, pero las características de la máquina le permiten producir energía útil a velocidades muy bajas. A velocidades lentas, el voltaje de salida aumenta con el cuadrado de la velocidad, pero el circuito magnético pronto se satura, lo que resulta en aumentos mucho más pequeños a medida que aumenta la velocidad. Cuando se usa en circuitos que incluyen baterías cargadas desde la salida, normalmente se requiere un rectificador o un corte de corriente inversa para evitar la descarga de las baterías a través del generador a velocidades muy bajas o cuando el tren se detiene. [dieciséis]
Magnicon
El Magnicon, desarrollado por Macfarlane's en Escocia, es similar al Metadyne, pero mientras que este último tiene un bobinado de armadura de dos polos, el Magnicon tiene un bobinado de vuelta de cuatro polos, y a veces se lo conoce como Metadyne con un tono corto. bobinado del inducido. Se han suministrado para operar polipastos y cabrestantes en barcos. [17] El estator de un Magnicon tiene cuatro proyecciones polares, espaciadas a 90 grados, y un par de ellas está excitado. El par de escobillas que están en el mismo eje que los polos excitados están en cortocircuito, lo que genera una gran corriente. La fuerza magnetomotriz (MMF) de esta corriente actúa sobre los polos no excitados, creando un flujo de trabajo (Φ) y la tensión de salida. Al igual que con un Metadyne de paso completo, la reacción del inducido de la corriente de salida está desfasada 90 grados y, por lo tanto, se opone a la excitación original. [18] Las ventajas sobre el Metadyne normal son que el número de bobinas excitadoras y compensadoras se reduce a la mitad a dos cada una por ciclo, y el paso más corto de las bobinas da como resultado menos voladizo en los extremos de los devanados. Sin embargo, el diseño crea corrientes inactivas en el inducido, que resultan en pérdidas, y en máquinas más grandes, donde se requieren interpolos, cada interpolar debe estar equipado con dos bobinas, una para cada uno de los circuitos de escobillas. Tustin argumenta que hay pocas ventajas del Magnicon sobre el Metadyne para las máquinas más pequeñas, y para las máquinas más grandes, que requieren la instalación de polos, no se ha llevado a cabo un análisis suficiente para emitir un juicio. [19]
Usos
Los metadinos se han utilizado para controlar la puntería de grandes cañones y para el control de la velocidad en trenes eléctricos , en particular en el metro de Londres O y P Stock . Han sido reemplazados por dispositivos de estado sólido .
Control de tracción
A principios de la década de 1930, el metro de Londres conocía el desarrollo del equipo metadino que tenía lugar en Metropolitan-Vickers y el potencial de frenado regenerativo que proporcionaba. Antes de comprometerse con un sistema no probado, construyeron un tren de prueba, convirtiendo seis vagones construidos originalmente entre 1904 y 1907 para el Ferrocarril Metropolitano . El trabajo se llevó a cabo en Acton Works en 1934. Como una sola unidad metadina podía usarse para controlar cuatro motores, y cada automóvil tenía dos motores, se formaron en unidades de dos automóviles, con una cabina de conducción en los extremos exteriores. Al acoplar las unidades, se podrían realizar pruebas de un tren de dos, cuatro y seis vagones. La unidad metadina pesaba alrededor de 3 toneladas y constaba de tres máquinas rotativas, un excitador, un regulador y la máquina metadina propiamente dicha, que estaban unidas mecánicamente. Eléctricamente, el suministro de tracción se alimentaba a la máquina y la salida alimentaba los motores, sin necesidad de resistencias de arranque. [20]
El tren de prueba corrió durante gran parte de 1935 y 1936, y se probó en casi todas las vías electrificadas de la línea Metropolitan y la línea District . Una vez que se demostró que el concepto era confiable, el tren también se utilizó en el servicio de pasajeros. Además del frenado regenerativo, la aceleración resultó ser particularmente suave. Cuando se tomó la decisión de proceder con el nuevo sistema en las existencias O y P, se desmanteló el tren de prueba y se montó el equipo en tres locomotoras en batería [20] construidas por Gloucester Railway Carriage and Wagon Company , que formaban parte de un lote de nueve vehículos suministrado entre 1936 y 1938. El equipo era particularmente adecuado para locomotoras de batería, ya que la falta de resistencias de arranque reducía la cantidad de energía desperdiciada al arrancar y parar con frecuencia. A velocidades lentas, los sistemas de control convencionales a menudo se sobrecalentaban, pero las locomotoras equipadas con metadina podían arrastrar trenes de 100 toneladas para largas distancias a velocidades tan bajas como 3 mph (4,8 km / h) sin problemas. Sin embargo, la complejidad del equipo y la dificultad de mantener la máquina metadina hicieron que las locomotoras no se utilizaran lo suficiente y se retiraron para su desguace en 1977. [21]
La producción principal de O Stock consistió en 116 automóviles, que se formaron en 58 unidades de dos automóviles. Las pruebas comenzaron con una formación de cuatro coches en la línea District entre High Street Kensington y Putney Bridge en septiembre de 1937, y una formación de seis coches comenzó a trabajar en la línea de Hammersmith en enero de 1938. Hubo algunos problemas técnicos, causados por las demandas planteadas. en el sistema de suministro de energía cuando arrancó un tren de seis automóviles, y la cantidad de energía que dicho tren intentó devolver al sistema cuando se usaron los frenos regenerativos. Esto se mitigó en parte ordenando 58 vagones remolques más y convirtiendo cada unidad de dos vagones en una unidad de tres vagones insertando un vagón remolque en la formación. Luego se encargó un lote de P Stock, para reemplazar los trenes de la línea Metropolitana. Aunque las unidades de O y P Stock podían acoplarse, las unidades metadinas en particular no eran las mismas y no podían intercambiarse entre las construcciones. A principios de la década de 1950, esto era una seria desventaja, cuando ocurrieron una serie de fallas que requirieron reparaciones extensivas. Se tomó la decisión de retirar el equipo y reemplazarlo con un sistema de motor de leva neumático (PCM), utilizando controladores de repuesto del stock de tubos de 1938. El primer tren convertido entró en servicio el 31 de marzo de 1955, y el stock fue redesignado en CO / CP Stock, ya que contenía vagones de ambos lotes. Todo el equipo metadino fue reemplazado posteriormente. [22]
A pesar de las deficiencias que llevaron a su desaparición, el sistema metadino introducido en 1936 en los trenes O Stock fue el primero en el mundo en proporcionar frenado regenerativo en una unidad múltiple eléctrica. La aceleración era más suave que en un tren que cambiaba las resistencias de arranque, y al frenar, la unidad metadina devolvía energía a las vías, que podían ser utilizadas por otros trenes si era necesario. Sin embargo, las condiciones no siempre eran ideales y las subestaciones no estaban realmente diseñadas para hacer frente a la regeneración, lo que significaba que a menudo el tren cambiaba a frenado reostático , donde la potencia se disipaba en un banco de resistencias. El peso del equipo también fue un serio inconveniente. [1]
Control de armas
En el período inmediatamente anterior a la Segunda Guerra Mundial , hubo un interés creciente en los controles de armas accionados por motor, aunque las autoridades militares estaban nerviosas de introducir un sistema complejo que tendría que mantenerse en el campo. Sin embargo, con el aumento de la velocidad de los aviones, la necesidad de permitir que los reflectores, los cañones antiaéreos y los cañones navales se movieran cada vez más rápido para seguir su movimiento significaba que alguna forma de control motorizado era esencial. Los ingenieros se enfrentaron al problema de hacer que un equipo pesado, como una pistola en su carro de montaje, rastreara una señal de entrada de manera suave y precisa, con muy poco retraso entre los cambios en la entrada y la posición real de la pistola. montar. El arma debía apuntar al objetivo en todo momento y moverse a la velocidad correcta para seguir así. [23]
Un operador humano anticipa errores y también puede compensar retrasos conocidos en el funcionamiento del sistema. Se había logrado imitar este comportamiento para señales electrónicas y sistemas electromecánicos de baja potencia, pero el control de armas estaba en una escala completamente diferente, con maquinaria que pesaba toneladas y tenía una inercia significativa que necesitaba moverse a velocidades de hasta 30 grados por segundo, y aceleraciones. de 10 grados por segundo 2 . En 1937, el Almirantazgo había hecho un pedido al Metropolitan Vickers de un sistema de control para un cañón Pom-Pom de ocho cañones . Pestarini había desarrollado un sistema similar para la marina italiana. El diseño original utilizaba un solo Metadyne para suministrar una corriente constante a las armaduras de los motores montados en varias pistolas. Luego, cada uno se controló ajustando manualmente la corriente de campo. Tustin, quien hizo la mayor parte del trabajo de diseño, encontró que el sistema tenía una constante de tiempo grande, debido a la inductancia de los devanados de campo. Para mejorar su respuesta, suministró a los devanados de campo una corriente constante y utilizó un Metadyne parcialmente compensado para controlar la corriente del inducido de cada motor. Tustin comparó los sistemas de control de Ward Leonard , Metadynes y Amplidynes, y aceptó que cada uno tenía sus méritos, pero favoreció al Metadyne, del cual tenía varios años de experiencia por su uso en el control de tracción. [7]
Ver también
- Unidad de velocidad ajustable
- Amplidyne
- Motor eléctrico DC cepillado
- Motor eléctrico
- Control de velocidad electrónico
- Controlador del motor
- Motor-generador
Referencias
Notas
- ↑ a b Bruce , 1970 , pág. 165
- ↑ a b Tustin , 1952 , p. 163
- ↑ a b Dummelow , 1949 , pág. 156
- ↑ a b c d e Bennett , 1993 , p. 10
- ↑ a b Tustin , 1952 , p. 300
- ^ Tustin 1952 , págs.163-164.
- ↑ a b Bennett , 1993 , p. 131
- ^ Tustin 1952 , p. 164
- ^ "Patente US1945447 - Control de motores eléctricos" . Oficina de Patentes de Estados Unidos . Consultado el 10 de marzo de 2013 .
- ^ "Patente US1945447 - Motor Metadyne" . Oficina de Patentes de Estados Unidos . Consultado el 10 de marzo de 2013 .
- ^ Tustin 1952 , p. 179.
- ^ Tustin 1952 , págs. 180-181.
- ^ Tustin 1952 , págs. 181-182.
- ^ Tustin 1952 , págs. 182-183.
- ^ Tustin 1952 , págs. 183-184.
- ^ Tustin 1952 , págs. 185-186.
- ^ Tustin 1952 , p. 187.
- ^ Tustin 1952 , págs. 189-190.
- ^ Tustin 1952 , págs. 190-191.
- ↑ a b Bruce , 1970 , págs. 134-135.
- ^ Bruce 1987 , p. 30
- ^ Bruce 1970 , págs. 135-136.
- ^ Bennett 1993 , págs. 130-131.
Bibliografía
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- Bruce, J. Graeme (1970). Cocine al vapor a plata . Ejecutivo de Transporte de Londres. ISBN 978-0-85329-012-4.
- Bruce, J. Graeme (1987). Los caballos de batalla del metro de Londres . Transporte de capital. ISBN 978-0-904711-87-5.
- Duffy, MC (2000-2001). "El metadino en tracción ferroviaria". Transacciones de la Sociedad Newcomen . 72 (2): 235–264. doi : 10.1080 / 03720187.2000.12023614 . S2CID 114688257 .
- Dummelow, John (1949). Metropolitan-Vickers Electrical Co.Ltd., 1899-1949 . Metropolitan-Vickers. Archivado desde el original el 4 de marzo de 2016.
- Tustin, A (1952). Máquinas de corriente continua para sistemas de control . E. y FN Spon.