Electromagnetisme: Fonaments de Transformadors i Motors Elèctrics

Fonaments de l'Electromagnetisme

La base del funcionament dels transformadors i dels motors elèctrics es troba en l'electromagnetisme.

A continuació estudiarem alguns conceptes bàsics que ens ajudaran a comprendre millor el funcionament d’aquests equips.

Conceptes Magnètics Bàsics

Imant i Tipus d'Imants

• IMANT: Un imant és un cos que té la propietat d’atreure el ferro.
• TIPUS D’IMANTS:
  • Imants permanents (naturals).
  • Electroimants (artificials): Constituïts a base d’un fil situat sobre un material adequat (material ferromagnètic). Funcionen com a imants quan hi circula intensitat.

Pols d'un Imant

• Són els punts d’un imant on l’atracció del ferro es manifesta de forma més important.
• Cada imant té dos pols: Nord (N) i Sud (S).
• Els pols del mateix signe es repel·leixen i els de signe contrari s’atrauen.

Generació de Camp Magnètic

Si per un conductor es fa circular una corrent elèctrica, al seu voltant es genera un camp magnètic.

Inducció Electromagnètica

És el fenomen que origina la producció d’una força electromotriu (voltatge) en un cos sotmés a un camp magnètic variable.

En el cas d’un cable elèctric s’indueix una corrent elèctrica.

Nota: S’aconsegueix canviant la tensió d’alimentació.

El Transformador Elèctric

Un transformador és una màquina electromagnètica que permet augmentar o disminuir la tensió en un circuit elèctric de corrent alterna, mantenint la freqüència.

Característiques del Transformador

• Potència entrada = Potència de sortida.
• El grau d’augment/disminució de la tensió és fix i està determinat per la seva construcció.

Construcció i Principi de Funcionament

• Estan formats per dues bobines, devanat primari (p) i secundari (s), unides a un material ferromagnètic.
• La relació de transformació ($N_p/N_s$) determina l’augment o disminució de la tensió.
• El transformador es basa en el principi de la inducció electromagnètica: el camp magnètic generat en el primari indueix la tensió en el secundari.

Els transformadors s’utilitzen per poder transportar l’energia de forma eficient des dels punts de generació fins als punts de consum i minimitzar les pèrdues.

Potència i Pèrdues

Fórmules relacionades amb la potència:

• $P = V imes I$
• $P_{ ext{pèrdues}} = I^2 imes R$ (Efecte Joule)

Motor de Corrent Continu (Motor CC)

Definició i Característiques

Màquina que converteix l’energia elèctrica en mecànica (moviment rotatiu).

• Permet un control precís i fàcil de la velocitat, parell i posició.
• Històricament ha estat molt utilitzat fins l’ús àmpli dels sistemes electrònics.
• Presenten problemes de manteniment.

Estructura del Motor CC

Té una part fixa (estator) on es genera el camp magnètic (imant) i una part mòbil (rotor) per on circula la intensitat.

Generació del Camp Magnètic

• En motors de baixa potència, el camp magnètic es genera habitualment per imants permanents.
• En motors de certa potència, el camp magnètic es crea fent passar una corrent contínua a través d’un cable (enrotllament de camp o d’excitació).

Subministrament al Rotor

El sistema que permet subministrar tensió al rotor (enrotllament d’induït o d’armadura) mentre es mou s’anomena i està format per les escombretes i el col·lector de delgues.

Problemes de Manteniment i Solucions

Les escombretes representen el principal problema de manteniment dels motors de CC.

Per resoldre aquest problema es fan servir a vegades motors sense escombretes, on un sistema electrònic s’encarrega de fer la mateixa funció.

Control del Motor CC

Control de Paràmetres

• Velocitat: És proporcional a la tensió aplicada a l’enrotllament d’induït o d’armadura.
• Direcció de gir: Es pot canviar canviant el sentit de la intensitat que circula per l’enrotllament d’induït o d’armadura, o per l’enrotllament de camp o d’excitació.
• Parell: És proporcional a la intensitat que circula per l’enrotllament d’induït o d’armadura.

Definicions de Potència i Parell

• Parell: És la força que és capaç d’exercir un motor en cada gir.
• Potència: $P = 0.1047 imes T imes n$ (on $T$ és el parell i $n$ és la velocitat en RPM).