Màquines Elèctriques: Tipus, Funcionament i Pèrdues

Màquines Elèctriques Estàtiques

Transformadors

Els transformadors no tenen parts mòbils; només transfereixen energia elèctrica entre circuits.

• De mesura o protecció: de tensió, d'intensitat.
• De potència:
  • Monofàsics: Transformadors, Autotransformadors.
  • Trifàsics: Transformadors, Autotransformadors.

Màquines Elèctriques Rotatives

Les màquines rotatives tenen moviment i generen o utilitzen energia elèctrica.

Corrent Continu (CC)

• D'excitació independent
• Autoexcitades: Derivació, Sèrie, Compound, D'imants permanents.

Corrent Altern (CA)

• Màquines síncrones:

  • Grans generadors síncrons trifàsics (centenes o milers de MW)
  • Servomotors síncrons (brushless): de 0,1 kW a 100 kW
  • Servomotors pas a pas

• Màquines asíncrones (d'inducció):

  • Rotor en curtcircuit (molt comuns)
  • Rotor bobinat
  • Generadors per a aerogeneradors

Especials

• Motors universals: petits motors de CC que poden funcionar amb CA.

Potències en una Màquina Elèctrica

Una màquina elèctrica realitza una conversió d'energia:

• Motor: transforma potència elèctrica (Pa) en potència mecànica (Pu) a l'eix.
• Generador: transforma potència mecànica (Pa) en potència elèctrica (Pu).
• Transformador: transforma potència elèctrica en potència elèctrica, però amb diferent tensió.

Pèrdues i Rendiment

La potència absorbida (Pa) és la que entra a la màquina. La potència útil (Pu) és la que surt (la que fa feina útil). Les pèrdues (Pp) són la diferència entre les dues, que es converteix en calor i eleva la temperatura de la màquina.

Rendiment (η)

El rendiment mesura l'eficiència de la conversió d'energia.

Origen de les Pèrdues en Màquines Elèctriques

Les pèrdues en una màquina elèctrica es poden dividir en quatre tipus principals:

1. Pèrdues en el coure (PCu) – Pèrdues elèctriques

   Es produeixen quan circula corrent pels debanaments (efecte Joule). Fórmula: PCu = ΣRj · ij². Depenen del quadrat del corrent (o de la densitat de corrent J²).

   • J (densitat de corrent):
   • Màquines petites: fins a 5 A/mm²
   • Màquines grans: fins a 3 A/mm²

2. Pèrdues en el ferro (PFe) – Pèrdues magnètiques

   Ocasionades per canvis en el flux magnètic:

   • PH: per la histèresi
   • PF: per les corrents de Foucault

   Fórmula: PFe = PH + PF. Per reduir les pèrdues, s'utilitza acer al silici (alta permeabilitat i baixa pèrdua). Els nuclis són de xapes fines aïllades (0,3 – 0,5 mm), no massissos.

3. Pèrdues mecàniques (Pm)

   Causades pel moviment de la màquina:

   • Pμ: fregament de l'eix amb coixinets i escombretes
   • Pv: fricció de l'aire (ventilador de refrigeració)

   Fórmula: Pm = Pμ + Pv. Només existeixen en màquines rotatives, no en transformadors.

4. Pèrdues addicionals

   Difícils de calcular amb precisió. Causes:

   • Distribució no uniforme del corrent dins del conductor.
   • Camps magnètics harmònics.
   • Pulsacions del flux magnètic pel foradat.

Escalfament i Refredament

Les pèrdues internes generen calor, fent que la temperatura de la màquina pugi. A mesura que puja la temperatura, la màquina dissipa més calor cap a l'exterior. S'arriba a l'equilibri tèrmic quan la calor generada és igual a la calor dissipada. La potència màxima d'una màquina està limitada per la temperatura màxima que poden suportar els materials aïllants.

Sistemes de Refrigeració

1. Màquines petites:

   Porten un ventilador a l'eix que fa circular l'aire ambient. Tenen aletes per augmentar la superfície d'intercanvi de calor.

2. Màquines grans:

   Usen sistemes de refrigeració en cicle tancat:

   • Refrigerant primari (aire o gas).
   • Refrigerant secundari (aigua) refredat per bescanviadors de calor.
   • Circulació forçada: ventiladors (gas) o bombes (líquid).

3. Refrigeració interna avançada:

   Conductors buits: el refrigerant circula per dins dels conductors. Es millora molt l'evacuació de calor i s'evita la resistència tèrmica dels aïllaments.

Potència Nominal i Assignada

• Potència nominal: És la màxima potència que pot subministrar la màquina de manera segura en condicions normals:
  • < 1000 m d'altitud
  • ≤ 40 °C de temperatura ambient
  • En règim continu (servei S1)
  • Tensions equilibrades i amb poc contingut harmònic.
• Potència assignada: És la potència garantida pel fabricant, sota les mateixes condicions ambientals. Ha d'anar acompanyada del tipus de servei que s'especifica.

Com s'indica el servei:

• Numèricament (si la càrrega varia de forma coneguda)
• Gràficament (amb corbes)
• Amb un dels 10 serveis tipus de la norma (ex: S1, S2…)

Si no es diu res, se suposa servei S1 (continu).

Plena Càrrega i Sobrecàrrega

• Plena càrrega: quan la màquina treballa amb totes les magnituds al seu valor assignat.
• Sobrecàrrega: quan la potència subministrada supera la potència assignada.

Constitució de les Màquines de Corrent Continu

1. Circuit Magnètic

Estator (part fixa):

• Culata: Carcassa metàl·lica que tanca el circuit magnètic.
• Nucli polar: Part central dels pols inductors, sobre els quals s'enrotllen les bobines.
• Expansió polar: Extensió del nucli per dirigir millor el flux magnètic.
• Pols auxiliars (de commutació): Situats a la línia neutra, redueixen la distorsió del camp magnètic (reacció d'induït).
• Expansió del pol auxiliar: Amplia la zona d'actuació del pol de commutació.

Rotor (part mòbil):

• Nucli de l'induït: Tambor cilíndric format per làmines de xapa, on es col·loquen les bobines del rotor.

2. Circuit Elèctric

Inductor (camp magnètic fix):

• Enrotllament d'excitació: Bobines grans situades als pols de l'estator. Generen el camp magnètic principal. Nombre de bobines = nombre de pols.
• Debanament de compensació: Compensa la reacció de l'induït. Situat a la sabata del pol inductor i connectat en sèrie amb l'induït.

Induït (part giratòria):

• Enrotllament d'induït: Bobines distribuïdes al rotor. Generen o reben tensió elèctrica segons si és generador o motor.

Commutació:

• Col·lector (de lamel·les): Làmines de coure aïllades entre si, que connecten elèctricament l'induït amb l'exterior. Fa de rectificador mecànic.
• Escombretes: Peces de grafit que contacten amb el col·lector. Transmeten el corrent entre l'induït i el circuit extern.
• Debanament de commutació (auxiliar): Connectat en sèrie amb l'induït, genera un camp local que facilita la commutació.

3. Funcionament de la Commutació

• Línia neutra: Zona entre dos pols consecutius on els efectes magnètics són nuls. Les escombretes s'han de col·locar en aquesta línia per minimitzar espurnes.
• Reacció de l'induït: Amb càrrega, el camp de l'induït distorsiona el camp principal → desplaça la línia neutra. Els pols auxiliars i debanaments de compensació corregeixen aquest desplaçament.

Manteniment i Seguretat

L'escombreta és l'element que més desgast pateix → cal substituir-la sovint. Accedir-hi mai amb la màquina en funcionament per seguretat. Disposa de portaescombretes per facilitar el manteniment.

Resum Visual de Components Principals

• Culata: Suporta l'estator i tanca el circuit magnètic.
• Nucli/expansió polar: Conducció del flux magnètic.
• Enrotllament d'excitació: Generació del camp magnètic (estator).
• Nucli de l'induït + enrotllament: Genera/rep energia elèctrica (rotor).
• Col·lector + escombretes: Commutació i connexió amb el circuit exterior.
• Pols auxiliars + debanaments: Correcció de la reacció d'induït.

Tipus de Connexió entre Debanaments en Màquines de Corrent Continu

Les màquines de CC poden classificar-se segons com es connecten els debanaments (induït i inductor) entre si. Aquesta connexió determina el comportament elèctric i dinàmic de la màquina (tant en motors com en generadors).

1. Màquina Sèrie

   • Connexió: L'induït i l'inductor es connecten en sèrie.
   • Característiques: Tots dos debanaments comparteixen el mateix corrent. Elevat parell d'arrencada. La velocitat varia molt amb la càrrega.
   • Aplicacions: Motors de tracció, grues, ascensors (on es necessita molt parell inicial).

2. Màquina Shunt (o Derivació)

   • Connexió: L'induït i l'inductor es connecten en paral·lel.
   • Característiques: El debanament inductor rep una tensió constant. Bona regulació de velocitat. Parell d'arrencada més baix.
   • Aplicacions: Sistemes on es necessita velocitat constant, com ventiladors, bombes, etc.

3. Màquina Composta (Compound)

   • Connexió: Té dos debanaments d'excitació: un en sèrie amb l'induït i un altre en paral·lel (shunt) amb la tensió de la màquina.
   • Tipus:
     • Long compound: L'excitació en sèrie reforça la del shunt.
     • Short compound: El debanament sèrie només compensa la caiguda de tensió.
     • Diferencial: El debanament sèrie contraresta el camp del shunt (no gaire habitual).
   • Característiques: Millor estabilitat que la màquina sèrie. Bon comportament amb càrregues variables.
   • Aplicacions: Xarxes elèctriques, instal·lacions industrials amb càrrega canviant.

4. Màquina d'Excitació Independent

   • Connexió: L'inductor s'alimenta des d'una font externa independent.
   • Característiques: Control total del flux magnètic. Permet regular la tensió de sortida en generadors.
   • Aplicacions: Sistemes de regulació precisa, laboratoris, equips de prova.

Notes sobre Connexions i Borns

Les màquines autoexcitades (sèrie, shunt, compound) disposen de ponts de connexió a la caixa de borns, que poden ser fixos o muntats pel tècnic. En general:

• Màquines simples (sèrie, shunt, independent): 4 borns.
• Màquines compound: 6 borns per separar el debanament sèrie i el de derivació.

Els circuits auxiliars (de compensació i de commutació) sempre estan en sèrie amb l'induït, encara que físicament es trobin a l'estator.

Tipus de Debanaments Segons Connexió al Col·lector

1. Debanament Imbricat (en paral·lel)

   Connecta cada bobina a lamel·les properes del col·lector. Hi ha múltiples camins paral·lels pel corrent.

   • Avantatges: més suau i estable amb càrrega variable.
   • Aplicació: màquines de baixa tensió i alt corrent.

2. Debanament Ondulat (en sèrie)

   Connecta bobines a lamel·les més separades, recorrent tot el col·lector en forma d'onada. Només hi ha dos camins pel corrent (un per sentit de rotació).

   • Avantatges: tensió més elevada per al mateix nombre de bobines.
   • Aplicació: màquines d'alta tensió i baixa intensitat.

Màquines de Corrent Continu (CC)

Tipus de Pèrdues

• Pèrdues mecàniques (Pm): Produïdes pel fregament de peces mòbils i el flux d'aire de refrigeració. Estan relacionades amb el moviment del rotor.
• Pèrdues magnètiques (PFe): També conegudes com a pèrdues en el ferro. Són causades per la histèresi i les corrents de Foucault dins del nucli magnètic.
• Pèrdues elèctriques (PCu): Són les pèrdues per efecte Joule als debanaments, tant al de l'inductor (PCu1) com al de l'induït (PCu2).

Potència i Rendiment

• Potència útil (Pu): És la potència real aprofitable per l'usuari.
• Rendiment (η): És la relació entre la potència útil i la potència absorbida.

Equació Elèctrica de l'Induït

Generador de CC:

La fem generada és superior a la tensió als borns. La diferència es deu a la resistència i a la caiguda a les escombretes.

Motor de CC:

En aquest cas EEE és una força contraelectromotriu (fcem) i és inferior a ViViVi. Quan el motor treballa en buit, si augmenta la càrrega, baixa la velocitat i la fcem, puja el corrent i el parell.

Intensitat d'Arrencada:

Quan el motor està aturat, la fcem és zero. Aquesta intensitat inicial és molt elevada, ja que RiRiRi és molt baixa.

Màquines de Corrent Altern (CA)

Funcionament Bàsic

Una espira girant en un camp magnètic genera una força electromotriu alterna (positiva i negativa). Si el col·lector se substitueix per anells lliscants, el corrent alterna de manera natural.

Freqüència i Període

La freqüència (f) és el nombre de cicles per segon (Hz). El període (T) és el temps que triga un cicle complet.

Relació entre Velocitat i Freqüència

ppp: Nombre de parells de pols. nnn: Velocitat del rotor en rpm.

Velocitat de Sincronisme

És la velocitat a la qual el rotor ha de girar per mantenir la freqüència establerta. Si el rotor gira a aquesta velocitat → màquina síncrona. Si no → màquina asíncrona.

Angle Elèctric

En una màquina de 2 pols, un cicle geomètric (una volta completa) equival a 360° elèctrics. En una màquina de 4 pols, només mitja volta (180° geomètrics) ja correspon a 360° elèctrics.

Sistemes de Fases

El més comú és el sistema trifàsic. Té tres debanaments que generen tres tensions alternes desfasades 120° elèctrics entre si. Els debanaments es disposen a 120° geomètrics a l'estator.

Classificació de Màquines de CA

• Síncrones: El rotor gira a la mateixa velocitat que el camp magnètic (velocitat de sincronisme). S'utilitzen majoritàriament com a generadors (alternadors).
• Asíncrones: El rotor gira a una velocitat inferior al camp (amb desplaçament). Són els motors més utilitzats industrialment i cada cop més també com a generadors.

Màquines Síncrones

Les màquines síncrones són fonamentals en la producció d'energia a gran escala. La seva velocitat de rotació està estrictament vinculada a la freqüència de la xarxa elèctrica, com es reflecteix en l'equació següent: n=60⋅f/p

Ús Habitual

• Com a generador, on es converteix en l'alternador de grans centrals elèctriques.
• També pot funcionar com a motor (per exemple, en aplicacions de bombeig hidràulic).
• Pot ser utilitzada com a compensador de factor de potència en xarxes de corrent altern (CA).

Avantatges

• Control de la potència activa i reactiva en xarxes CA.
• Sistema d'excitació fàcil de controlar, que permet un ajust precís de la potència i la tensió.

Inconvenients

• Són voluminoses i cares.
• La unió rígida amb la freqüència de la xarxa pot ser un inconvenient en certes aplicacions, ja que la velocitat de la màquina ha de coincidir amb la freqüència de la xarxa.

Màquines de Pols Sortints i Rotor Llis

Les màquines síncrones poden presentar diferents tipus de construcció:

• Pols sortints:
  • Aplicació: Principalment en centrals hidràuliques i centrals lentes.
  • Entreferro variable per distribuir el camp magnètic de manera sinusoidal.
  • El disseny de les barres del debanament amortidor ajuda a controlar la velocitat de sincronisme i a reduir els harmònics de la f.e.m. generada.
• Rotor llis:
  • Utilitzat en màquines que operen a alta velocitat com les centrals tèrmiques i nuclears.
  • Massa del rotor cilíndric: Actua com a amortidor per reduir les variacions brusques del camp magnètic.

Tipus d'Excitació

La manera com es controla el flux magnètic a través del rotor pot variar segons el sistema d'excitació utilitzat.

• Excitació independent: Es regula el flux magnètic mitjançant la tensió d'excitació. Desavantatge: Pot generar pèrdues al rotor i necessitar debanaments d'amortiment per estabilitzar el sistema.
• Imants permanents: Les màquines amb imants permanents ofereixen avantatges importants:
  • Volum reduït i flux pràcticament constant.
  • Eliminació de la necessitat d'anells lliscants i la refrigeració del rotor.
  • Sense pèrdues al rotor, el que fa que aquestes màquines siguin més eficients i duradores.

Circuit Magnètic de les Màquines Síncrones

Les màquines síncrones són dissenyades per operar amb un rotor que gira a la velocitat de sincronisme (una velocitat fixada per la xarxa). Aquestes màquines tenen dues parts principals: un circuit magnètic i dos circuits elèctrics. A continuació, es descriuen els components i el funcionament d'aquests circuits:

Composició del Circuit Magnètic

Estator:

• Circuit magnètic fix: L'estator forma el circuit magnètic fix. Està compost per un apilament de xapes magnètiques que estan integrades en la carcassa de l'estator.
• Ranures de l'armadura: Aquestes ranures allotgen les bobines del debanament induït, que són utilitzades per generar el camp magnètic variable necessari per induir el corrent.
• Forma de les ranures: La forma i mida de les ranures varien en funció de la potència i tipus de màquina.

Rotor:

• Circuit magnètic rotatiu: El rotor també està compost per xapes magnètiques apilades. És el component mòbil de la màquina i conté el circuit del debanament d'excitació o inductor.
• Tipus de pols:
  • Pols sortints: Són utilitzats en màquines de gran potència i baixa velocitat (generalment amb més de dos pols).
  • Pols llisos: S'utilitzen en màquines petites i de gran velocitat (menys pols).
• Eix del rotor: La culata del rotor s'uneix a l'eix i permet que el rotor giri.

Circuits Elèctrics de les Màquines Síncrones

Les màquines síncrones disposen de dos circuits elèctrics: l'inductor i l'induït. La principal diferència respecte a les màquines de corrent continu és la ubicació dels debanaments: el debanament induït es troba en l'estator i l'inductor en el rotor.

Circuit Inductor:

• Funció: El seu objectiu és generar el camp magnètic d'excitació per induir corrent en l'induït.
• Ubicació: El circuit inductor es troba bobinat sobre el rotor, envoltant l'eix.
• Col·lector d'anells lliscants: Utilitzat per a l'alimentació del circuit inductor, els anells lliscants alimenten el debanament inductor a través d'escombretes. Aquesta connexió és més duradora que en les màquines de corrent continu, ja que no hi ha commutació.

Circuit Induït:

• Ubicació: El debanament induït es troba a l'estator.
• Configuració trifàsica: En màquines trifàsiques, el debanament consta de tres bobines distribuïdes en tres fases (U, V, W), i cada fase té dos terminals (un de principi i un altre de fi), formant un sistema de connexió en estrella o triangle.
• Connexions: Els terminals s'anomenen U1-U2, V1-V2, i W1-W2 per a les tres fases respectivament.

Funcionament de la Màquina

Com a Generador (Alternador):

• Mecanisme: Si l'eix de la màquina és mogut per una font de potència externa (per exemple, per una turbina), el rotor gira a la velocitat de sincronisme, i el sistema d'excitació alimenta el debanament inductor amb una tensió de CC.
• Resultat: Es genera tensió alterna trifàsica als terminals de la màquina. La freqüència de sortida de l'alternador depèn de la velocitat de gir i del nombre de parells de pols de la màquina.

Regulació de la Tensió i la Freqüència:

• Tensió: Per mantenir la tensió de sortida de l'alternador constant, es regula el corrent d'excitació. Quan el corrent d'excitació augmenta, la tensió generada també augmenta fins que el nucli magnètic se satura, moment en què la tensió s'estabilitza.
• Freqüència: La freqüència depèn de la velocitat de gir del rotor i del nombre de parells de pols. La fórmula per calcular la freqüència de sortida (en Hz) és n=60⋅f/p.

Com a Motor:

• Funcionament: Quan una màquina síncrona funciona com a motor, l'induït rep alimentació trifàsica, i el debanament inductor genera un camp magnètic fix que intenta sincronitzar-se amb el camp magnètic giratori creat pels debanaments de l'estator.
• Arrencada: La màquina síncrona no pot arrencar per si mateixa. Necessita un sistema extern per portar el rotor a la velocitat de sincronisme. Un cop en aquesta velocitat, el motor síncron pot funcionar de manera contínua com a motor.

Aplicacions i Característiques

• Generadors: Els alternadors són utilitzats per generar la major part de l'energia elèctrica en centrals hidroelèctriques, tèrmico-elèctriques i nuclears.
• Motors síncrons: Són utilitzats en aplicacions específiques, com en la compensació del factor de potència o en processos industrials que requereixen una velocitat de rotació constant. Les màquines síncrones són valuoses pel seu control de potència, estabilitat i fiabilitat, però requereixen un sistema de suport per arrencar quan es volen utilitzar com a motors.

Motors Brushless (sense escombretes)

Són motors síncrons que ofereixen bon parell i alta precisió en el posicionament. No tenen escombretes (d'aquí el nom "Brushless") i necessiten un controlador electrònic per funcionar.

Com estan formats?

• Estator: té tres debanaments elèctrics separats 120° i pot tenir forma de ranures o dents.
• Rotor: fet amb imants permanents, normalment de neodimi-ferro-bor. Pot estar dins o fora de l'estator. Sempre té nombre parell d'imants i polaritat alterna (N-S-N-S).

Tipus de Motors Brushless

• Brushless DC (commutació trapezoïdal): S'alimenten amb corrent continu. Fan servir sensors Hall per saber la posició del rotor. Es mouen per passos i la seva velocitat depèn de la freqüència dels impulsos.
• Brushless AC (commutació sinusoidal): S'alimenten amb corrent altern trifàsic (3 senyals desfasats 120°). Usen un encoder per detectar la posició del rotor amb precisió. Ofereixen un moviment més suau i precís.

Servomotors

Són motors Brushless amb sensor de posició que envia informació de retorn al controlador. Són ideals per a sistemes que necessiten control exacte del moviment.

Motors Pas a Pas (Step Motors)

Motors que es mouen per petits passos, ideals per a posicionament precís. No cal sensor de posició → són més econòmics i fàcils d'instal·lar, però menys ràpids i repetitius que els Brushless.

Tipus de Motors Pas a Pas:

• De imants permanents:

  Rotor amb dents imantades (N-S alternats). Es poden fer més precisos si tenen dos discs de dents desfasats. Pot ser:

  • Unipolar: amb un punt mig al debanament.
  • Bipolar: amb dos debanaments independents.

• De reluctància variable:

  Rotor fet de ferro laminat, sense imants. Les dents del rotor s'alineen amb el camp magnètic de l'estator per minimitzar la reluctància. Funciona amb tres bobines i una seqüència d'alimentació.

• Mixtos:

  Combinen imants permanents i reluctància variable per millorar el rendiment.

Transformador

Què és i per a què serveix?

Un transformador és una màquina elèctrica estàtica que permet pujar o baixar la tensió d'un corrent altern, amb pèrdues molt petites de potència.

Tipus Principals:

• Transformadors de potència: Utilitzats per transportar energia elèctrica. Poden ser:
  • Elevadors: augmenten la tensió.
  • Reductors: disminueixen la tensió.

  Són reversibles, depèn de com es connectin.

• Transformadors de mesura: Serveixen per adaptar tensions o corrents alts a valors mesurables amb aparells normals, sense perill.

Funcionament Bàsic:

Quan connectem una tensió alterna al primari, es genera un flux magnètic alternant al nucli del transformador. Aquest flux indueix una força electromotriu (fem) al secundari, produint una nova tensió amb la mateixa freqüència però amb un valor diferent.

Transformador Ideal (sense pèrdues)

Es fa una versió simplificada per estudiar el seu comportament:

• Sense resistència en els cables.
• Sense pèrdues al nucli.
• Tot el flux del primari arriba al secundari.

En aquest cas, la potència d'entrada és igual a la potència de sortida.

Transformador Real (amb pèrdues)

En la realitat, hi ha diverses pèrdues d'energia:

Tipus de Pèrdues

• Pèrdues en el coure (PCu): Degudes a la resistència dels debanaments.
• Pèrdues en el ferro (PFe): Per histèresi i corrents de Foucault al nucli.
• Pèrdues per dispersió del flux: No tot el flux del primari arriba al secundari.

Quan el transformador està en buit, el corrent del primari és molt petit (menys del 5%). El secundari està desconnectat.