Fonaments i Tipus de Màquines Elèctriques: Motors, Generadors i Transformadors

Màquina Elèctrica: Definició i Classificació

Conjunt de mecanismes i dispositius capaços de produir, transformar o aprofitar l'energia elèctrica.

Tipus principals de màquines elèctriques

• Generadors: Transformen l'energia mecànica en energia elèctrica.
• Motors: Transformen l'energia elèctrica en energia mecànica.
• Transformadors: Varien les característiques de l'energia elèctrica per facilitar-ne el transport i la distribució.

Pèrdues d'Energia en Màquines Elèctriques

• Pèrdues magnètiques: Es produeixen en el circuit magnètic, a causa del cicle d'histèresi i dels corrents paràsits.
• Pèrdues elèctriques: Es produeixen en els circuits elèctrics i en les seves connexions.
• Pèrdues mecàniques: Són provocades pels fregaments i per la ventilació dels enrotllaments.

Conceptes de Potència

• Potència absorbida: És la que se subministra a la màquina per al seu funcionament.
• Potència perduda: És la potència provocada per les pèrdues d'energia.
• Potència útil: És la que subministra la màquina.
• Potència nominal: És la màxima potència útil que pot proporcionar de manera permanent sense que l'escalfament sobrepassi el valor límit a partir del qual es poden deteriorar els seus aïllaments.

Principi General de Funcionament

Tot conductor que es mou dins d'un camp magnètic tallant les línies de força engendra una Força Electromotriu (FEM) Induïda.

Dinamos (Generadors de Corrent Continu - CC)

Generadors de CC. El seu induït forçosament està en el rotor, necessiten col·lector, funcionen dins d'uns marges de velocitat i poden ser autoexcitades.

Components de la Dinamo

Estàtor

• Pols inductors: Dissenyats per repartir uniformement el camp magnètic.
• Bobinatge inductor: Bobines d'excitació dels pols principals.
• Culata: Serveix per tancar el circuit magnètic i per subjectar els pols.

Rotor

• Nucli de l'induït: Cilindre per reduir les pèrdues de ferro.
• Bobinatge induït: Format per espires de coure distribuïdes a les ranures del nucli.
• Col·lector: Cilindre format per segments de coure aïllats elèctricament.
• Escombretes: Peces de carbó-grafit que mantenen el contacte elèctric amb el col·lector.
• Coixinets: Serveixen de suport.

Tipus d'Excitació de les Dinamos

• Excitació en sèrie: L'induït i l'inductor estan connectats en sèrie.
• Excitació derivació (Shunt): L'induït i l'inductor estan connectats en paral·lel.
• Excitació composta (Compound): L'enrotllament inductor està dividit en dues parts, una connectada en sèrie amb l'induït i l'altra en derivació.

Alternadors (Generadors de Corrent Altern - CA)

Generadors de CA. L'induït pot estar a l'estator o al rotor (normalment a l'estator), necessita anells fregadissos, ha de funcionar a la velocitat de sincronisme i necessita una excitatriu per alimentar l'inductor. Estan formats per l'estàtor (on es troba el nucli de l'induït) i el rotor.

Tipus de Rotor de l'Alternador

• De pols sortits: S'utilitza en els alternadors multipolars accionats per turbines hidràuliques o per motors tèrmics.
• De pols llisos (o cilíndrics): Utilitzats en màquines bipolars, tetrapolars i hexapolars, accionades per turbines de vapor i de gas.

Motors Elèctrics de Corrent Continu (CC)

Convertidors electromecànics que transformen energia elèctrica en energia mecànica. Es fonamenten en la reversibilitat del fenomen de la inducció, que es defineix així: si un conductor situat dins d'un camp magnètic és recorregut per un corrent, és sotmès a una força que l'intenta desplaçar fora del camp.

Tipus de Motors de CC

• Motor d'excitació independent: Permet una bona regulació de la velocitat.
• Motor en sèrie: Té una bona regulació de velocitat i un parell d'engegada molt bo, però és molt inestable.
• Motor shunt (derivació): El parell d'engegada és bo, té una gran estabilitat i autoregula la velocitat.
• Motor compound (compost): Presenta un parell d'engegada superior al shunt i un marge de variació de velocitat també superior.

Motors de Corrent Altern (CA)

Tipus de Rotors en Motors de CA

• Rotor de gàbia d'esquirol: Es construeix amb barres de coure amb els extrems curtcircuitats amb anells del mateix material.
• Rotor bobinat: Porta un bobinatge trifàsic de fil de coure, connectat en estrella. Els tres extrems lliures es connecten a tres anells de bronze i, mitjançant les escombretes, es tanca el circuit amb unes resistències que constitueixen el reòstat d'engegada.

Anàlisi de la Corba Característica (Punts Clau)

• Punt A (Engegada): Correspon al moment d'engegar. La velocitat del motor és 0 i s'obté un parell d'engegada superior al parell nominal.
• Punt n_s (Sincronisme): Correspon a la velocitat de sincronisme. El motor no pot funcionar en aquestes condicions, ja que el rotor no estaria sotmès a variació de flux, per tant, no generaria corrent induït i, en conseqüència, tampoc generaria parell.
• Punt D (Buit): Correspon al funcionament en buit. El parell és molt petit, però suficient per vèncer les resistències mecàniques de fregament del motor.
• Punt C (Nominal): Correspon al funcionament nominal del motor. El parell útil que subministra el motor és igual que el parell resistent que ofereix la càrrega.
• Punt K (Crític): Correspon a la velocitat crítica, en què el motor subministra el parell màxim.

Transformadors Elèctrics

Màquina estàtica que permet variar el voltatge i la intensitat del corrent altern (CA).

Principi de Funcionament del Transformador

El transformador es fonamenta en els fenòmens d'inducció electromagnètica, que es produeixen en els conductors estàtics sotmesos a la variació del flux per l'acció d'un camp magnètic creat per un corrent variable.

En connectar l'enrotllament primari a una xarxa CA, s'estableix un flux variable en el circuit magnètic, que indueix una FEM en el primari i una FEM en el secundari. D'aquesta manera, el primari es comporta com un receptor (rep l'energia de la xarxa elèctrica) i el secundari com un generador (alimenta el circuit d'utilització).

Diferència entre Transformador Ideal i Real

• Transformadors Reals: Els circuits elèctrics tenen resistència òhmica, hi ha dispersió del flux en els circuits magnètics i tenen pèrdues per histèresi. És a dir, presenten pèrdues del coure i del ferro.
• Transformador Ideal: Es considera que no hi ha pèrdues.