Tema 5. Màquines Elèctriques
1. Què són les màquines elèctriques?
Definim màquina elèctrica com el conjunt de mecanismes i dispositius capaços de produir, transformar o aprofitar l'energia elèctrica.
Generadors: transformen l'energia mecànica en energia elèctrica.
Motors: transformen l'energia elèctrica en mecànica.
Transformadors: varien les característiques de l'energia elèctrica per facilitar-ne el transport i la utilització.
1.1. Pèrdues d'energia a les màquines elèctriques
Les pèrdues d'energia de les màquines elèctriques es classifiquen en magnètiques, elèctriques i mecàniques.
Les pèrdues magnètiques, anomenades pèrdues del ferro, es produeixen en el circuit magnètic, a causa del cicle d'histèresi i dels corrents paràsits o de Foucault.
Les pèrdues elèctriques o pèrdues del coure es produeixen en els circuits elèctrics i en les seves connexions, bàsicament a causa de l'efecte Joule.
Les pèrdues mecàniques són provocades principalment pels fregaments (de l'eix amb els coixinets i, si escau, amb les escombretes), i per la ventilació o refrigeració interior dels enrotllaments.
1.2. Potència i règim de funcionament
La potència és el treball desenvolupat en la unitat de temps.
Potència absorbida o consumida (Pabs). És la que se subministra a la màquina per al seu funcionament. A un generador la hi proporciona la màquina motriu que el fa girar, als motors i transformadors els la subministra la xarxa elèctrica d'alimentació.
Potència perduda (Pp). És la potència provocada per les pèrdues d'energia. En els transformadors seran les pèrdues magnètiques més les elèctriques, i en els generadors i motors, com que són màquines rotatives, s'hi han de sumar, a més, les pèrdues mecàniques.
Potència útil (Pu).És la que subministra la màquina. Les màquines elèctriques estan sotmeses a les exigències de la xarxa o dels mecanismes als quals subministren l'energia, de manera que poden treballar amb valors de potència útil molt variables.
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. Aquesta potència la determina el fabricant, i és la que figura a la placa de característiques de la màquina.
2. Generadors elèctrics
Les màquines generadores d'energia elèctrica o generadors són convertidors electromecànics que transformen l'energia mecànica que reben per l'eix del rotor en energia elèctrica que subministren a la xarxa per mitjà dels seus borns.
2.1. Principi de funcionament
Tot conductor que es mou dins d'un camp magnètic tallant les línies de força engendra una FEM induïda.»
Els generadors primaris, s'encarreguen de transformar en energia elèctrica d'una energia d'un altre tipus. Els principals generadors primaris són les dinamos i els alternadors. Els generadors secundaris lliuren una part de l'energia elèctrica que han rebut i que han emmagatzemat en un inici, com les piles o bateries recarregables.
2.2. Dinamos
Les dinamos són generadors de corrent continu. Com hem vist, van ser els primers generadors electromecànics que es van utilitzar. Una de les característiques de les dinamos és que són màquines reversibles, és a dir, poden funcionar com a generadors i com a motors.
A. Constitució de la dinamo
L'estator és format pel conjunt d'elements que constitueixen l'estructura de la màquina. Conté el sistema inductor destinat a produir el camp magnètic.
Els pols inductors o principals estan dissenyats per repartir uniformement el camp magnètic. Estan construïts normalment amb xapa magnètica apilada. Aquests milloren la commutació, en la qual es produeix la inversió del sentit del corrent a les espires, en passar de la influència d'un pol nord a un de sud, fet que provoca l'aparició de guspires entre el col·lector i les escombretes.
El bobinatge inductor són les bobines d'excitació dels pols principals, col·locades al voltant dels nuclis.
La culata serveix per tancar el circuit magnètic i per subjectar els pols.
El rotor és la part giratòria de la màquina, que en estar sotmesa a variació de flux engendra la FEM induïda; per tant, conté el sistema induït, solidari a l'eix de la màquina.
El nucli de l'induït és un cilindre construït amb xapa magnètica apilada per reduir les pèrdues de ferro. Disposa d'unes ranures longitudinals on es col·loquen les espires de l'enrotllament induït.
El bobinatge induït és format per espires o paquets d'espires (bobines) de coure que es distribueixen uniformement per les ranures del nucli. Es connecta al circuit exterior de la màquina per mitjà del col·lector i les escombretes.
El col·lector és un cilindre solidari a l'eix de la màquina format per segments de coure o lamel·les aïllades elèctricament entre elles. A cada lamel·la s'hi connecta el final d'una bobina i el principi de la consecutiva a l'anterior en el nucli de l'induït.
Les escombretes són peces de carbó-grafit o metàl·liques que mantenen el contacte elèctric per fregament amb el col·lector per fer la commutació del corrent induït i treure'l en forma de CC cap al circuit exterior a través de la caixa de borns.
Els coixinets serveixen de suport i faciliten el gir de l'eix de la màquina.
B. Tipus d'excitació
En les màquines d'excitació independent no hi ha connexió elèctrica entre l'inductor i l'induït. El circuit inductor és alimentat per una font de CC exterior, com ara una pila, un acumulador, etc. En canvi en les màquines autoexcitades, l'inductor i l'induït estan connectats elèctricament. Segons el tipus de connexió són:
Excitació en sèrie. L'induït i l'inductor estan connectats en sèrie. La intensitat que circula pels dos sistemes és la mateixa.
Excitació en derivació. L'induït i l'inductor estan connectats en paral·lel.
Excitació composta. L'enrotllament inductor està dividit en dues parts, una connectada en sèrie amb l'induït i l'altra en derivació.
C. FEM generada en una dinamo
La FEM (ε) generada en una dinamo és determinada per l'expressió:
Estabilitat de funcionament. Una dinamo és estable quan, en augmentar el corrent que subministra, disminueix la tensió als seus borns.
Tensió en borns (Vb). És la tensió que subministra a la línia que alimenta i s'ha de mantenir tan constant com sigui possible per a qualsevol càrrega.
Corbes característiques. Expressen les condicions de funcionament de la dinamo. Les facilita el fabricant.
2.3. Alternadors
Els alternadors són generadors de corrent altern. Encara que a la pràctica poden ser de qualsevol nombre de fases, sovint els generadors industrials són trifàsics.
A. Constitució de l'alternador
L'estator o part fixa és format per una carcassa metàl·lica que serveix de suport als diferents òrgans, i constitueix l'estructura de la màquina.
El rotor o part mòbil està situat a l'interior de l'estator i conté el sistema inductor i els anells de fregament, solidaris a l'eix de la màquina, mitjançant els quals s'alimenta el sistema inductor.
Rotor de pols sortits o roda polar. S'utilitza en els alternadors multipolars accionats per turbines hidràuliques o per motors tèrmics, que són màquines amb una velocitat relativament lenta.
Rotor de pols llisos. Els conductors de l'inductor es col·loquen a les ranures longitudinals mecanitzades al rotor, amb dispositius de subjecció adequats a la gran força centrífuga a què són sotmesos.
B. FEM generada en un alternador
Segons el principi de funcionament, exposat a la unitat anterior, la FEM eficaç, εf, generada en cadascuna de les fases d'un alternador valdrà:
Connexió en estrella:
Connexió en triangle:
Monofàsic S = V I [VA]
Trifàsic
3. Motors elèctrics
Els motors elèctrics són convertidors electromecànics que transformen l'energia elèctrica que reben a través dels seus borns en energia mecànica que subministren a través de l'eix del motor.
3.1. Motors de corrent continu (CC)
Els motors de CC transformen l'energia elèctrica que reben a través dels borns, en forma de CC, en energia mecànica que cedeixen a l'eix.
A. Comportament dels motors de CC
Sentit de gir. El sentit de gir d'un motor es troba aplicant la llei de la mà esquerra. S'inverteix el sentit de gir canviant el sentit del corrent a l'induït o a l'inductor.
Força contraelectromotriu del motor . Quan el rotor gira està sotmès a una variació de flux; per tant, es genera una FEM en els conductors de l'induït que, segons la llei de Lenz, s'oposa a la causa que la provoca; ε′ = K Φ n [V]
Parell motor: Γ = K Φ Ii [N·m]
Intensitat del motor (I):
Intensitat d'arrencada (Ia):
Parell d'engegada (Γa): Γa = K Φa Ia i Γa = Γr + Γi
Velocitat de gir.:
Estabilitat de funcionament:- En augmentar la velocitat respon amb una reducció del parell motor que estableix l'equilibri. En cas contrari, el motor s'embalarà.
- En reduir la velocitat respon amb un augment del parell motor.
Potència interna del motor (Pi):Pi = ε' Ii [W]
Potència absorbida i potència útil: Pabs = VL I [W]
Parell intern i parell útil.:
Rendiment del motor (η):
B. Corbes característiques
El funcionament d'un motor de CC depèn de cinc variables: la freqüència de rotació n, el corrent d'excitació Iex, la tensió en borns VL, el corrent induït Ii i el parell motor .
Característica de velocitat n = f (I) amb Γ = ct.
Característica del parell motor Γ = f (I) amb n = ct.
Característica mecànica Γ = f (n) amb I = ct.
C. Motor d'excitació independent
D. Motor en sèrie
El motor en sèrie té un parell d'engegada molt bo, de l'ordre de 2,5 a 4,5 vegades superior al parell nominal, ja que com que són en sèrie l'induït i l'inductor:
E. Motor en derivació o shunt
El parell d'engegada és de prop d'1,5 a 2,5 vegades el parell nominal, ja que en el moment d'engegar la intensitat d'excitació Id no varia i, per tant, tampoc el flux. Quan funciona en buit o a plena càrrega la velocitat varia molt poc, entre un 5 i un 10 %, ja que s'autoregula.
F. Motor compound
Els motors compound s'acostumen a realitzar en connexió llarga i additius, és a dir, el camp magnètic resultant és la suma del camp magnètic sèrie i shunt ΦT = Φs + Φd.
Γ = K (Φd + Φs) Ii
3.2. Motors de corrent altern (CA)
Els motors de CA transformen l'energia que reben a través dels seus borns, en forma de CA, en energia mecànica que cedeixen a l'eix.
Motors síncrons. Es fonamenten en la reversibilitat de l'alternador i es caracteritzen perquè el seu rotor gira a la velocitat de sincronisme.
Motors asíncrons. Es fonamenten en l'acció que exerceix el camp magnètic giratori de l'estator sobre els corrents que indueix en el rotor, per aquest motiu s'anomenen motors d'inducció
A. Motors d'inducció trifàsics
La seva construcció senzilla i robusta, l'absència de col·lector i l'adaptació del seu funcionament a les variacions brusques de càrrega mantenint una velocitat pràcticament constant fan del motor asíncron una màquina de funcionament molt fiable.
Com qualsevol motor, les parts essencials d'un motor d'inducció són l'estator i el rotor.
L'estator conté el sistema inductor. És format per la carcassa, el nucli magnètic, el bobinatge inductor i la caixa de borns.
La carcassa té la funció de servir de suport als diferents òrgans i constitueix l'estructura del motor.
El nucli magnètic va fixat a la carcassa i està construït amb un paquet de xapa magnètica en forma de corona i amb ranures longitudinals per allotjar-hi el bobinatge inductor.
El bobinatge inductor té la funció de produir el camp giratori. És format per tres enrotllaments de fil o platines de coure.
La caixa de borns serveix per connectar el motor a la xarxa elèctrica. En la figura 5.35 hi pots observar la connexió de la línia i la disposició dels ponts elèctrics per aconseguir la connexió estrella o triangle.
El rotor constitueix el sistema induït. D'acord amb el tipus de bobinatge, poden ser de gàbia d'esquirol o bobinats.
Rotor de gàbia d'esquirol o en curtcircuit. A partir de 3 CV de potència s'acostumen a construir amb doble gàbia d'esquirol o amb ranures profundes, ja que es millora el procés d'engegada del motor.
Rotor bobinat. Els motors amb rotor bobinat milloren les característiques d'engegada i permeten una certa regulació de la velocitat, però són més voluminosos, més cars i requereixen més manteniment que els de curtcircuit.
Velocitat de sincronisme i lliscament. La velocitat de sincronisme ns d'una màquina asíncrona és la velocitat del camp giratori, que depèn de la freqüència f de la xarxa d'alimentació i dels parells de pols p de l'estator .
La potència activa absorbida de la xarxa elèctrica és igual a la suma de l'energia mecànica que cedeix a l'eix, que és la potència útil, Pu; les pèrdues magnètiques; PFe, elèctriques Pcu, i mecàniques del motor. El seu valor és :
La potència nominal és la que caracteritza el motor i correspon a la potència útil quan funciona a plena càrrega.
La potència reactiva és la que el motor absorbeix de la xarxa per crear el camp magnètic. El seu valor és:
La potència aparent que la xarxa subministra al motor serà
El rendiment del motor a plena càrrega serà:
La intensitat que el motor absorbeix de la xarxa valdrà
Parell motor. El parell útil es pot calcular d'acord amb la potència i la velocitat del motor.
Corba de característica mecànica. És la corba característica més important d'un motor d'inducció i representa com varia el parell d'acord amb la velocitat del motor mantenint la tensió i la freqüència d'alimentació constants.Γ = f (n) V = ct. f = ct.
Punt A. Correspon al moment d'engegar, la velocitat del motor és n = 0, i s'obté un parell d'engegada Γa superior al parell nominal Γn. La intensitat d'engegada és més gran que la In.
Punt ns. 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 es generaria corrent en el rotor i en conseqüència Γ = 0.
Punt D. Correspon al funcionament en buit. El parell Γo és molt petit, però suficient per vèncer les resistències mecàniques de fregament del motor. La velocitat n0 és inferior a la velocitat de sincronisme (ns).
Punt C. El parell útil que subministra el motor és igual que el parell resistent que ofereix la càrrega. D'altra banda, un augment del parell resistent implica una disminució de la velocitat i, per tant, un augment del parell motor.
Punt K. Correspon a la velocitat crítica nK en què el motor ens subministra el parell màxim ΓK.
B. Motors síncrons trifàsics
Si alimenten l'estator d'un alternador trifàsic amb un CA trifàsic engendrarà un camp magnètic giratori de velocitat ns. El parell motor màxim s'aconsegueix quan = 90. Si se sobrepassa el parell màxim, el rotor perd la velocitat de sincronisme i s'atura.
3.3. Motors de corrent altern monofàsics
Els motors monofàsics són motors de poca potència, normalment inferior a 1 kW, i el seu gran camp d'aplicació és el sector dels electrodomèstics i el de les màquines eina portàtils.
A. Motors d'inducció amb bobinatge auxiliar
La constitució dels motors d'inducció monofàsic és molt semblant a la d'un motor d'inducció trifàsic, amb el bobinatge inductor a l'estator i un induït en curtcircuit al rotor.
Però si impulsem el rotor manualment, aquest es posarà a girar i mantindrà el gir fins que el desconnectem de la xarxa.
De fase partida. Normalment disposa d'un sistema d'accionament centrífug que desconnecta automàticament el bobinatge auxiliar de la xarxa quan la velocitat del rotor arriba al 75% de la velocitat de sincronisme.
De condensador. D'aquesta manera s'aconsegueix que el desfasament entre I1 i I2 sigui pràcticament de 90° i s'obté un parell d'engegada d'aproximadament a = 3,5 n, que fa que aquest motor sigui molt adequat per a aplicacions en què és necessari arrencar amb càrrega, com ara en una rentadora.
3.4. Motor universal
Es tracta d'un motor de CC amb excitació en sèrie al qual s'han fet algunes modificacions. La modificació més important és que l'estator ha de ser construït amb xapa laminada, d'una altra manera les pèrdues magnètiques serien enormes.
3.5. Motors pas a pas
Els motors pas a pas són els més adequats en aplicacions en les quals es necessita un control precís de la posició i/o una regulació excel·lent de la velocitat del rotor.
4. Transformadors
El transformador és una màquina estàtica que permet variar el voltatge i la intensitat del corrent altern, mantenint-ne la freqüència.
4.1. Constitució del transformador
El circuit magnètic és l'encarregat d'acoblar magnèticament els enrotllaments. És format per columnes o nuclis on es col·loquen els enrotllaments i les culates que tanquen el circuit magnètic.
Els enrotllaments es fan amb fils i platines de coure, d'acord amb la intensitat que han de suportar.
Els transformadors poden adoptar diferents formes constructives. Els transformadors trifàsics es construeixen sobre un circuit magnètic amb tres columnes o nuclis.
4.2. Principi de funcionament
El transformador es fonamenta en els fenòmens d'inducció electromagnètica, que es produeixen en els conductors estàtics sotmesos a la variació de flux per l'acció d'un camp magnètic creat per un corrent variable.
Com tota màquina elèctrica, és format per un circuit magnètic i dos circuits elèctrics.
4.3. El transformador ideal
Funcionament en buit. En el transformador ideal de la figura, quan connectem el primari a una tensió alterna Vp amb el secundari obert, hi circularà el corrent de buit I0 = Ip que crearà un flux variable , comú als dos enrotllaments, i engendrarà una FEM autoinduïda, p , en el primari i una FEM induïda, s, en el secundari.*
Funcionament en càrrega. En aquestes condicions, el secundari subministra una potència P2, que es transmet al primari per acció del flux comú, amb l'augment corresponent del corrent primari Ip.
4.4. El transformador real
En el funcionament del transformador real en càrrega s'han de tenir en compte les resistències òhmiques dels enrotllaments primari i secundari, Rp i Rs.