Màquines Elèctriques: Tipus, Funcionament i Característiques

Màquines Elèctriques

Les màquines elèctriques són un conjunt de mecanismes i dispositius capaços de produir, aprofitar o transformar l'energia elèctrica. Es classifiquen en tres grups:

• Generadors: Transformen energia mecànica (Em) en energia elèctrica (Ee).
• Motors: Transformen energia elèctrica (Ee) en energia mecànica (Em).
• Transformadors: Modifiquen les característiques de l'energia elèctrica (Ee) per facilitar-ne l'ús i el transport.

Anàlisi de Màquines Elèctriques

Les màquines elèctriques es poden analitzar segons dos criteris:

• Segons la constitució electromagnètica: Totes les màquines tenen un circuit magnètic heterogeni i dos circuits elèctrics: l'inductor (circuit magnètic principal) i l'induït (sotmès al camp magnètic principal).
• Segons el funcionament mecànic:
  • Rotatives: Tenen una part que gira sobre si mateixa (motors i generadors).
  • Estàtiques: No tenen parts mòbils (transformadors).

Pèrdues d'Energia a les Màquines Elèctriques

Les màquines elèctriques experimenten petites pèrdues d'energia, principalment en forma d'energia tèrmica. Aquestes pèrdues es poden classificar en:

• Magnètiques: Anomenades pèrdues del ferro, degudes al cicle d'histèresi i als corrents paràsits o de Foucault.
• Elèctriques: Anomenades pèrdues del coure, degudes a l'efecte Joule.
• Mecàniques: Causades pel fregament, la ventilació o la refrigeració dels enrotllaments.

Potència i Règim de Funcionament

• Potència absorbida: Potència total que consumeix la màquina. És proporcionada per una màquina motriu (generadors) o una xarxa d'alimentació (motors i transformadors).
• Pèrdues: Suma de les pèrdues magnètiques i elèctriques (transformadors), a les quals s'afegeixen les pèrdues mecàniques (motors).
• Potència útil: Potència que subministra la màquina a la xarxa elèctrica a través dels borns (generador), la que proporciona a l'eix (motor) o la que subministra a la xarxa que alimenta (transformador).
• Potència nominal: Potència útil màxima que pot proporcionar la màquina de forma permanent sense superar el límit de deteriorament. Està determinada pel fabricant en una placa de característiques. Si se supera la potència nominal, la màquina treballa en sobrecàrrega.

Generadors Elèctrics

Els generadors elèctrics són convertidors electromecànics que transformen l'energia mecànica del rotor en energia elèctrica, subministrada a través dels borns.

Principi de Funcionament

El principi de funcionament es basa en la inducció magnètica: un conductor que talla les línies de força d'un camp magnètic genera una força electromotriu (FEM) induïda. Si se substitueixen els anells d'un generador de corrent altern (CA) per dos semicilindres aïllats elèctricament que giren solidaris amb l'espira, en canviar el sentit de la FEM, canvien els cilindres de contacte exterior, obtenint-se corrent polsant. Amb un grup d'espires connectades a un col·lector de lamel·les, s'obté un generador de corrent continu.

Dinamos

Les dinamos són generadors de corrent continu (CC) i van ser els primers a ser utilitzats. Són màquines reversibles (poden funcionar com a generadors i com a motors). Permeten una fàcil regulació del gir del rotor, però actualment són poc utilitzades.

Parts de la Dinamo

La dinamo consta de dues parts bàsiques separades per l'entreferro: l'estator i el rotor.

Estator

• Pols inductors: Reparteixen uniformement el camp magnètic. Són imants o electroimants. Sempre hi ha un nombre parell de pols. S'utilitzen pols auxiliars en màquines de mitjana i gran potència per canviar el sentit de gir.
• Bobinatge inductor: Bobines d'excitació dels pols principals situades al voltant dels nuclis. Fetes de coure o alumini i cobertes per un aïllant elèctric.
• Culata: Tanca el circuit magnètic i subjecta els pols. Està feta de material ferromagnètic.

Rotor

Part giratòria de la màquina que, en variar el flux, genera una FEM induïda. Conté el sistema induït, solidari a l'eix de la màquina.

• Nucli de l'induït: Cilindre de xapa magnètica que redueix les pèrdues.
• Bobinatge induït: Format per espires de coure distribuïdes pel nucli.
• Col·lector: Cilindre solidari a l'eix, format per lamel·les aïllades elèctricament.
• Escombretes: Peces de grafit o metall que extreuen el corrent continu cap a l'exterior a través de la caixa de borns.
• Cixinets: Permeten el gir de l'eix de la màquina.

Tipus d'Excitació

• Màquines d'excitació independent: No hi ha connexió entre l'inductor i l'induït. El circuit interior és alimentat per una font de CC exterior.
• Màquines autoexcitades: Inductor i induït connectats elèctricament. Poden ser:
  • Excitació sèrie: Mateixa intensitat.
  • Excitació derivació: Connectats en paral·lel.
  • Excitació composta: Dividit en una part en sèrie i una en paral·lel.

Totes les màquines disposen d'una caixa de borns. Per estudiar el comportament de les dinamos, cal tenir en compte:

• Estabilitat de funcionament: Si augmenta la tensió, disminueix la tensió als seus borns.
• Tensió en borns: Tensió subministrada a la línia (constant).
• Corbes característiques: Condicions de funcionament de la dinamo.

Alternadors

Els alternadors són generadors de corrent altern (CA), sovint trifàsics. La majoria són màquines de CA síncrones (velocitat sincronitzada) i relacionada amb el nombre de pols de la màquina. Estan formats per un rotor i un estator.

• Estator: És fix i al seu interior hi ha el nucli induït on s'enrotllen els conductors de l'enrotllament.
• Rotor: Part mòbil que conté el sistema inductor i els anells de fregament solidaris a l'eix de la màquina. Té dues formes constructives característiques:
  • Rotor de pols sortints: En alternadors multipolars i màquines de velocitat lenta. Els inductors estan a la llanda.
  • Rotor de pols llisos: En màquines bipolar, tetrapolars i hexapolars, accionades per turboalternadors. Els conductors de l'inductor es col·loquen en ranures mecanitzades al rotor.

Els alternadors necessiten una font de CC i, per això, el rotor acobla una excitatriu.

Motors Elèctrics

Els motors elèctrics són convertidors electromecànics que transformen l'energia elèctrica en energia mecànica, que subministren a partir de l'eix del motor. Es fonamenten en el fenomen de la reversibilitat: un conductor situat en un camp magnètic està sotmès a una força que l'intenta desplaçar (Llei de Laplace). A la perifèria dels motors, es creen parells de força per la disposició constructiva.

Motors de Corrent Continu

Transformen l'energia elèctrica als borns (en forma de CC) en energia mecànica que cedeixen a l'eix. Els motors de CC tenen la mateixa constitució que una dinamo. Si s'aplica una tensió a les escombretes, circularà corrent per l'espira, i el camp magnètic exercirà una força sobre ella. El sentit de la força es determina per la llei de la mà esquerra, de manera que se'n genera una d'igual en sentit contrari, que fan girar l'espira sobre el seu eix. L'espira girarà sempre en el mateix sentit a causa de l'acció del parell.

Comportament dels Motors de CC

Característiques:

• Sentit de gir
• Força contraelectromotriu
• Parell motor
• Intensitat del motor
• Intensitat d'arrencada (molt elevada)
• Parell d'engegada
• Velocitat de gir (fàcil regulació)
• Estabilitat de funcionament (un motor és estable quan augmenta la velocitat i es redueix el parell, i a l'inrevés, aconseguint un equilibri)
• Potència interna del motor
• Potència absorbida
• Potència útil
• Parell intern
• Parell útil
• Rendiment del motor

Corbes Característiques

Hi ha tres famílies de corbes que permeten estudiar el comportament del motor:

• n = f(I) amb parell = constant
• parell = f(I) amb n = constant
• parell = f(n) amb I = constant

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: El parell d'engegada és bo, té una gran estabilitat i autoregula la velocitat.
• Motor compound: Presenta un parell d'engegada superior al shunt i un marge de variació de velocitat també superior.

Motors de Corrent Altern (CA)

Els rotors dels motors de CA poden ser de dos tipus:

• De gàbia d'esquirol: Es construeix amb barres de coure amb els extrems curtcircuitats amb anells del mateix material.
• 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.

Gràfic de Funcionament d'un Motor de CA

• Punt A: 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: 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: Correspon al funcionament en buit. El parell és molt petit, però suficient per vèncer les resistències mecàniques de fregament del motor.
• Punt C: Correspon al funcionament nominal del motor. El parell útil que subministra el motor és igual al parell resistent que ofereix la càrrega.
• Punt K: Correspon a la velocitat crítica, en què el motor ens subministra el parell màxim.

Transformadors

Un transformador és una màquina estàtica que permet variar el voltatge i la intensitat del corrent altern.

Principi de Funcionament

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

Diferència entre Transformador Ideal i Real

En els transformadors reals, els circuits elèctrics tenen resistència òhmica, en els circuits magnètics hi ha dispersió del flux i tenen pèrdues per histèresi, és a dir, tenen pèrdues del coure i del ferro. En canvi, en l'ideal es considera que no hi ha pèrdues.