La conmutatriz rotativa o convertidor rotativo es una máquina eléctrica rotativa que actúa como un rectificador o inversor de tipo mecánico. Se utilizaba para convertir corriente alterna en corriente continua y viceversa antes de la llegada de la rectificación de estado sólido con el avance de la electrónica de potencia. Fueron usadas comúnmente para proporcionar corriente continua para usos comerciales, industriales y sobre todo para la electrificación de los ferrocarriles. Como la gran mayoría de las máquinas eléctricas, es reversible y también puede funcionar como generador, dínamo o motor.
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.*
Aplicaciones Los sistemas de tracción eléctrica hasta hace muy poco sólo utilizaban corriente continua.Electrificación Metro de Madrid. pues antes era más fácil de regular la velocidad, arranque y frenado de los motores de DC que de los de AC. Un uso típico de los convertidores de AC/DC eran la electrificación ferroviaria, donde la energía eléctrica de la red era AC pero los trenes estaban diseñados para funcionar a DC. Antes de la invención de los rectificadores de vapor de mercurioRectificador estático de vapor de mercurio suministrado por la empresa suiza “Brown-Boveri” y sustituido por conmutatrices rotativas. o los rectificadores de alta potencia basados en semiconductores, esta conversión solo era posible usando motores-generadores o conmutatrices rotativas. Así mismo, la mayoría de procesos electroquímicos utiliza corriente continua de alta intensidad, como la galvanización o electrodeposición.
Obsolescencia Las conmutatrices rotativas AC a DC fueron hechas obsoletas por los rectificadores de vapor de mercurio en la década de 1930 (aunque volvieron cuando se descubrieron los efectos dañinos de este gas), y más tarde por los rectificadores sólidos de semiconductores hacia los 60.Payne, Christopher (2002). New York's Forgotten Substations: The power behind the Subway. Princeton Architectural Press ISBN 978-1568983554.
Comparados con los rectificadores rotativos, los rectificadores de vapor de mercurio y sólidos no necesitaban mantenimiento diario ni sincronización manual para su operación en paralelo, ni por ello personal cualificado, y además proporcionaban corriente continua más limpia y estable.
Principio de funcionamiento thumb|400px|Conexiones simplificadas de una conmutatriz rotativa bipolar de tipo Dinamo de Gramme. Transforma AC monofásica a DC. (En una máquina real, el convertidor tiene rotor bobinado y usa un campo multipolar.)Hawkins Electrical Guide, 2nd Ed. 1917, p. 1459, fig. 2034
thumb|400px|Conexiones simplificadas de una conmutatriz rotativa de AC bifásica a DC, donde la segunda fase está conectada a 90° respecto la primera.Hawkins Electrical Guide, 2nd Ed. 1917, p. 1460, fig. 2035
thumb|400px|Conexiones simplificadas de una conmutatriz rotativa de AC trifásica, donde las fases están separadas por 120° en el conmutador.Hawkins Electrical Guide, 2nd Ed. 1917, p. 1461, fig. 2036
Un convertidor rotativo o conmutatriz puede ser visto como un motor-generador, donde las dos máquinas en vez de estar unidas por el eje, comparten la misma armadura y bobinados. La conmutatriz basa su funcionamiento en que un bobinado de corriente continua puede suministrar un sistema de fuerzas electromotrices alternas y viceversa.
Básicamente una conmutatriz consiste en un generador de DC o dinamo bipolar con un juego de anillos rozantes conectados a su devanado a intervalos separados uniformemente.
Si al bobinado de una dinamo bipolar se le realizan tres tomas separadas a 120° geométricos (que corresponderán a 120° eléctricos por ser bipolar) 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 120° eléctricos y tendrán el mismo valor eficaz obteniendo un sistema trifásico de corriente alterna. En cada fase, el valor máximo corresponderá al momento en el que 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 de tres tomas se hacen seis se obtiene un sistema hexafásico. Estas tomas se realizan a sendos anillos rozantes.
Si por los anillos rozantes se conecta a una red trifásica (o hexafásica), la comutatriz se comporta como un motor síncrono y por su colector de delgas se extrae corriente continua: dentro de una sola máquina se produce la transformación de AC a DC. Energizando los bobinados con corriente AC, esta se comporta como motor síncrono de AC. La rotación de estas bobinas energizadas excita las bobinas estacionarias produciendo parte de la corriente DC. La otra parte es corriente alterna que entra por los anillos rozantes, y que es rectificada a DC por el conmutador giratorio(escobillas y colector de delgas). Esto hace a la conmutatriz rotativa una ingeniosa máquina, siendo una dinamo híbrida y un convertidor síncrono. Usada de esta manera se suele llamar convertidor rotativo síncrono, dinamo convertidor o convertidor síncrono. Los anillos rozantes permiten a la máquina trabajar como alternador (ver Formas de utilización). El dispositivo puede invertir su funcionamiento y aplicando corriente continua a los bobinados hacer girar la máquina y generar AC.
Una forma de visualizar lo que ocurre dentro de un convertidor rotativo AC-a-DC es imaginar un interruptor rotativo operado por un motor que está sincronizado con la red eléctrica. Este interruptor rectificaría la AC sin necesidad de campo magnético. Una conmutatriz es más compleja que este sencillo caso, porque genera prácticamente corriente continua en vez de la corriente continua 'pulsante' en forma de sinusoide que resultaría de este interruptor inversor, pero la analogía puede que sea útil para entender que el convertidor evita transformar toda la energía eléctrica a mecánica, y de nuevo a eléctrica.
Así pues, se deduce que la ventaja respecto a un conjunto motor-generador es que parte de la energía eléctrica fluye directamente de la entrada a la salida, siendo este aparato mucho más compacto que su homólogo de igual potencia.
Formas de utilización La conmutariz rotativa puede funcionar de siete formas diferentes. Como dinamo. Si se hace girar el rotor (inducido), se obtiene corriente continua por el colector de delgas. Como alternador. Si se hace girar el rotor (inducido), se obtiene corriente alterna por el sistema de anillos rozantes. Como generador polimórfico. Como puede verse, puede obtenerse a la vez, de una sola máquina, corriente alterna por los anillos rozantes y corriente continua por el colector de delgas. Como motor de corriente continua. Si se aplica tensión continua en el colector de delgas la máquina girará como un motor de corriente continua, y podría obtenerse AC de los anillos rozantes. Si se hace funciona como 7. Como motor síncrono. Si se aplica corriente alterna por los anillos rozantes, y la máquina es arrancada por medios externos hasta velocidad de sincronismo con la red de AC, la máquina continuará girando por sí misma sincronizada con la AC como un motor síncrono. Podría obtenerse DC por el conmutador. Usada de esta manera sería 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. 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.
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 las 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, puede 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 número de fases y el paso de tomas en número selecciones es de:
Donde: Y = paso de tomas en número de selecciones. S = número de secciones. p = pares de polos. q = fases.
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. Cuando 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.
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 funcionara 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 conmutratriz es mayor que la obtenida si la hacemos trabajar como dinamo. La potencia útil de una conmutatriz obedece a la fórmula:
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 hexafásico en relación con 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 hexafásicos que en trifásicos la construcción de estas máquinas es, normalmente, hexafásica.
Relación de tensiones Las tensiones de las líneas de continua y alterna de una conmutatriz guardan una relación directa entre ellas. Esta relación depende del número de fases tomadas del inducido.
Conmutatriz monofásica Si hacemos trabajar a una conmutatriz monofásica en modo de generador bimórfico y tenemos dos puntos de conexión en el inducido, U y X, situados a 180° 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 escobillas 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:
Donde: