1. Màquines elèctriques M àquina elèctrica : C onjunt de mecanismes i dispositius capaços de produir, transformar o aprofitar l’energia elèctrica. Classificació de les màquines elèctriques Transformadors : varien les característiques de l’energia elèctrica per facilitar-ne el transport i la utilització. M àquines estàtiques : no tenen parts mòbils Motors : transformen l’energia elèctrica en mecànica. Generadors : transformen l’energia mecànica en energia elèctrica . M àquines rotatives : Tenen una part que gira sobre si mateixa,

2. Pèrdues d’energia a les màquines elèctriques P èrdues magnètiques ( pèrdues del ferro ) , es produeixen en el circuit magnètic, a causa del cicle d’histèresi i dels corrents paràsits o de Foucault. Pè rdues elèctriques ( pèrdues del coure ) es produeixen en els circuits elèctrics i en les seves connexions, bàsicament a causa de l’efecte Joule. P èrdues 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. Les pèrdues en les màquines elèctriques són relativament petites comparades amb la majoria de màquines motrius . S ’obtenen rendiments de prop del 90 % i, fins i tot, superiors al 99 % en el cas dels transformadors de potències elevades.

3. Generadors elèctrics T ransformen l’energia mecànica que reben per l’eix del rotor en energia elèctrica que subministren a la xarxa per mitja dels seus borns. «Tot conductor que es mou dins d’un camp magnètic tallant les línies de força engendra una FEM induïda.»

4. Dinamos Són generadors de corrent continu. En l’actualitat s’utilitzen molt poc, ja que la producció i transport d’energia elèctrica es fa en forma de corrent altern . S ón màquines reversibles , és a dir, poden funcionar com a generadors i com a m otors Constitució de la dinamo La constitució de les màquines de corrent continu, generadors i motors és idèntica . Les seves parts fonamentals són l ’ estator i el rotor . L’espai que queda entre tots dos s’anomena entreferro .

5. Constitució d’una dinamo. Estator La culata serveix per tancar el circuit magnètic i per subjectar els pols, i està construïda amb material ferromagnètic, fosa o acer suau o dolç (amb un baix contingutde carboni). El bobinatge inductor són les bobines d’excitació dels pols principals, col·locades al voltant dels nuclis. Estan fetes amb conductors de coure o d’alumini recoberts per un vernís aïllant elèctric. Els pols inductors o principals estan dissenyats per repartir uniformement el camp magnètic. Acostumen a ser electroimants, en els quals distingim el nucli i l’ expansió polar. Estan construïts normalment amb xapa magnètica apilada. El nombre de pols ha deser parell L’ estator : format pel conjunt d’elements que constitueixen l’estructura de la màquina. Conté el sistema inductor destinata produir el camp magnètic.

6. Constitució d’una dinamo. Rotor I El bobinatge induït és format per espires o bobines de coure que es distribueixen uniformement per les ranures del nucli. 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 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.

7. Constitució d’una dinamo. Rotor II Els coixinets serveixen de suport i permeten el gir de l’eix de la màquina . Les escombretes són peces de carbó-grafi t 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 . 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 .

8. Tipus d’excitació I

9. Tipus d’excitació II

10. FEM generada per una dinamo La FEM (  ) generada en una dinamo és determinada per l’expressió:

11. Alternadors Els alternadors són generadors de corrent altern. E ls generadors industrials són trifàsics. La majoria d’alternadors són màquines de CA síncrones , que són les que giren a la velocitat de sincronisme, que està relacionada amb el nombre de pols que té la màquina i la freqüència de la FEM generada per l’equació següent:

12. Constitució de l’alternador I L’estator és format per una carcassa metàl·lica que serveix de suport als diferents òrgans, i constitueix l’estructura de la màquina. Al seu interior s’hi fi xa el nucli de l’induït , format per un paquet de xapes magnètiques, en forma de corona i amb ranures longitudinals, on s’allotgen els conductors de l’enrotllament induït . El rotor o part mòbil està situat a l’interior de l’estator, conté el sistema inductor i els anells de fregament , solidaris a l’eix de la màquina, mitjançant els quals s’alimenta el sistema inductor .

13. Constitució de l’alternador II Els alternadors necessiten una font de CC exterior per alimentar el sistema inductor. Per això, en el mateix eix del rotor s’hi acobla l’ excitatriu , que és un generador de CC on s’obté el corrent que alimenta el sistema inductor a través dels anells de fregament. En els alternadors de gran potència més moderns s’han eliminat les escombretes i els anells, ja que la funció d’excitatriu la fa un generador trifàsic d’induït mòbil i el CA que genera es rectifica mitjançant semiconductors muntats directament a l’eix.

14. Esquema d’un alernador

15. FEM generada en un alternador La FEM eficaç  f generada en cadascuna de les fases d’un alternador valdrà:

16. Activitats 8> La FEM (ε) generada en una dinamo bipolar és de V = 220 V quan gira a n = 1 000 min−1 i el flux emès per cada pol és de Φ = 100 mWb. Si p / a = 1, calcula el nombre d’espires en el bobinatge induït i el valor de la FEM (ε) induïda si el flux de cada pol augmenta un 20 %. 9> Calcula la FEM (ε) que genera la dinamo de la qüestió anterior si el flux Φ de cada pol disminueix un 20 % i la velocitat augmenta un 10 %. 11> Calcula la velocitat a què gira el rotor d’un alternador de 30 pols, si genera un CA de f = 50 Hz. 12> Calcula el flux Φ que engendra cada pol d’un alternador hexapolar trifàsic que disposa de 210 espires sèrie per fase, si genera una FEM per fase de ε f = 10 000 V a f = 50 Hz i el coeficient del debanat és K = 0,96. 13> Calcula la tensió VL als borns de l’alternador de l’activitat anterior quan funciona en buit si estàconnectat: a ) en triangle; b ) en estrella. 14> Calcula la freqüència de rotació n del rotor i el flux Φ que engendra cada pol de l’alternador de la qüestió anterior si la freqüència dels corrents generats és de f = 60 Hz.

17. 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.

18. Motors de corrent continu (CC) Si apliquem una tensió a les escombretes, circularà un corrent per l’espira i el camp magnètic exercirà una força sobre ella. Es genera una força d’igual i de sentit contrari a cada costat, és a dir, un parell de forces que fan girar l’espira sobre el seu eix. Amb l’espira en posició horitzontal no hi circula corrent, però continuarà girant a causa de la inèrcia. A continuació, el col·lector invertirà el sentit del corrent a l’espira, de manera que davant de cada pol el sentit del corrent és el que tenia abans; en conseqüència, el parell actuarà sempre en el mateix sentit i l’espira seguirà girant.

19. Comportament del motor de CC I Sentit de gir . S’inverteix el sentit de gir canviant el sentit del corrent a l’induït o a l’inductor. Força contraelectromotriu del motor ( ε ’) . 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; serà, doncs, de sentit contrari a la tensió V L aplicada al motor, motiu pel qual s’anomena força contraelectromotriu (FCEM). El valor de la ε’ serà: ε’ = K n [V] Parell motor . Γ = K  I i [N·m] Velocitat de gir .

20. Comportament del motor de CC II Potència interna del motor ( Pi ) . És tota l’energia que el camp magnètic transmet a l’induït i val: P i = ε ’ I i [W] P i = P abs − (pèrdues magnètiques + pèrdues elèctriques) Potència absorbida i potència útil . P abs = V L I [ W ] P u = P i − pèrdues mecàniques [W] Rendiment del motor ( η ) . És la relació entre la potència útil i l’absorbida: en què la potència perduda P p = pèrdues magnètiques + pèrdues elèctriques + pèrdues mecàniques.

21. Motor d’excitació independent El reòstat R Ra en sèrie amb l’induït és per limitar la intensitat en el moment de l’arrencada, ja que  ’ = 0. I el reòstat R Re del circuit inductor serveix per regular la I ex i, per tant, la velocitat del motor:

22. Motor d’excitació sèrie L’equació del circuit elèctric de la màquina és: VL = ε’ + I ( r + Rc + Rs ) + 2 Vco La intensitat que circula per l’inductor és la mateixa que consumeix l’induït i val: P er tant, Γ = K Φ I i = K ’ I i 2 La velocitat del motor en sèrie és inversament proporcional a la càrrega. El motor no pot treballar en buit ja que el flux serà menyspreable i el motor s’embalarà perillosament. Les seves característiques el fan molt adequat per a aquells casos en què és necessari arrencar amb càrrega, com passa en tramvies, trens elèctrics, etc.

23. Motor d’excitació 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. Té una gran estabilitat de funcionament. Quan funciona en buit o a plena càrrega la velocitat varia molt poc, entre un 5 i un 10 % . A dequat per a l’accionament de maquinària sotmesa a variacions de càrrega constants, per exemple, les màquines eina.

24. Motor d’excitació compound E l camp magnètic resultant és la suma del camp magnèticsèrie i shunt Φ T = Φ s + Φ d . R euneix propietats dels motors en sèrie i dels motors shunt . Presenta un parell d’engegada superior al del motor shunt , gràcies a l’enrotllament d’excitació en sèrie. Té un marge de variació de velocitat més gran que el motor shunt i la velocitat disminueix en augmentar la càrrega, però no té el perill d’embalar- se quan funciona en buit,

25. Exemple excitació sèrie

26. Exemple excitació derivació 

27. Exemple excitació compound

28. Motor de corrent altern (CA) Tr ansformen l’energia que reben a través dels seus borns, en forma de CA, en energia mecànica que cedeixen a l’eix. D’acord amb el principi de funcionament es classifiquen en motors síncrons i asíncrons. Motors síncrons . E l seu rotor gira a la velocitat de sincronisme Motors asíncrons . E l seu rotor gira a una velocitat n inferior a la de sincronisme n s . 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 . Pel nombre de fases de l’enrotllament estatòric, tenim motors trifàsics , i monofàsics ,

29. Constitució del motor d’inducció trifàsics (l’estator) L’ estator conté el sistema inductor. És format per : La carcassa té la funció de servir de suport als diferents òrgans i constitueix l’estructuradel motor. El nucli magnètic va fi xat 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. Disposa de sis borns on van connectats els principis i els fi nals de cada enrotllament.

30. Constitució del motor d’inducció trifàsics (el rotor) El rotor constitueix el sistema induït. Bàsicament és format per un eix, suportat per coixinets, i un paquet cilíndric de xapa magnètica, amb ranures longitudinals per allotjar-hi els conductors del bobinatge induït. D’acord amb el tipus de bobinatge, poden ser de gàbia d’esquirol o bobinats . Rotor de gàbia d’esquirol o en curtcircuit . Es construeix amb barres de coure o d’alumini, 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 o llautó, disposats sobre l’eix, i mitjançant les escombretes es tanca el circuit rotòric amb unes resistències que constitueixen el reòstat d’engegada del motor.

31. Motor d’inducció. Principi de funcionament En girar l’imant i amb ell el camp magnètic, l’espira queda sotmesa a una variació de flux que crea una FEM i com a conseqüència un corrent induït, ja que l’espira és en curtcircuit. Per l’acció del camp sobre el corrent es genera un parell de forces que fa girar l’espira. D’acord amb la llei de Lenz, el corrent induït s’oposa a la causa que el provoca; per tant, l’espira girarà en el mateix sentit que l’imant. L’espira gira a una velocitat inferior a la de l’imant, ja que si girés a la mateixa velocitat no estaria sotmesa a una variació de flux i no s’engendraria una FEM induïda. Si disposem d’un imant permanent i entre els seus pols hi co l ·loquem una espira rectangular de coure que pot girar sobre el seu eix, en fer girar l’imant l’espira també es posa a girar, i tracta de seguir-lo.

32. Creació d’un camp magnètic giratori El camp magnètic giratori s’aconsegueix alimentant tres bobines equidistants amb tres corrents alterns desfasats 120°, és a dir, un CA trifàsic. Amb aquesta disposició s’obté un camp magnètic giratori d’amplitud constant que gira a una velocitat n s que depèn de la freqüència del corrent, anomenada velocitat de sincronisme .

33. Característiques dels motors d’inducció La potència activa absorbida de la xarxa elèctrica del motor subministra l’energia mecànica que cedeix a l’eix, que és la potència útil, P u , i les pèrdues magnètiques, P Fe , elèctriques P cu , i mecàniques del motor. El seu valor és calcula com el de qualsevol càrrega trifàsica. Velocitat de sincronisme ( n s ) E s 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 velocitat del rotor n és inferior a n s , normalmententre l’1 i el 7%, la qual cosa depèn de si el motor treballa en buit o a plena càrrega. La velocitat de lliscament n r o lliscament del motor és: n r = n s – n El lliscament relatiu s

34. Exemple 8

35. Exemple 9

36. Exemple 10

37. Corba característica d’un motor d’inducció Qualsevol augment de càrrega que impliqui un parell motor superior a Γ K fa que el motor s’aturi. La intensitat en engegar el motor és molt superior a la In .

38. Arrencada directa d’un motor trifàsic.

39. Arrencada directa

40. Circuit inversor de gir d’un motor trifàsic

41. Circuit arrencada estrella – triangle

42. Arrencada estrella triangle

43. Relé tèrmic i contactor

44. Motors de corrent altern monofàsics Els motors monofàsics són motors de poca potència, d’aplicació és el sector dels electrodomèstics i el de les màquines eina portàtils. E ls més utilitzats són: el motor d’inducció amb bobinatge auxiliar el motor universal .

45. M otor d’inducció amb bobinatge auxiliar Són molt semblants als motors d’inducció trifàsic, però tenen un única bobina a l’estator, alimenta da per un CA monofàsic . En comptes d’un camp magnètic giratori, es crea un camp magnètic alternatiu d’amplitud variable . Per aquest motiu no es genera parell d’arrencada entre el rotor i l’estator i el motor no pot començar a girar per si sol. Però si impulsem el rotor manualment aquest començarà a girar. A la pràctica s’afegeix un bobinat auxiliar, desfasdat del principal, que només treballa en el moment de l’arrencada, produint un camp giratori i donat al motor el parell necessari per començar a girar.

46. Motor de fase partida En l’estator s’hi allotja el bobinatge inductor principal i el bobinatge auxiliar, desplaçats 90° sobre l’estator. 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. El parell d’engegada d’aquest motor està comprès entre Γ a = 0,75 ÷ 2 Γ n , per tant, s’utilitza en aplicacions en què el motor hagi d’arrencar en buit o amb càrregues moderades.

47. Motor de condensador És igual que el de fase partida, però amb un condensador en sèrie amb el bobinatge auxiliar. D’aquesta manera s’aconsegueix que el desfasament entre I 1 i I 2 sigui pràcticament de 90° i s’obté un parell d’engegada d’aproximadament Γ a = 3,5 Γ n , que fa que aquest motor sigui molt adequat per a aplicacions en què és necessari arrencar amb càrrega, com ara en una rentadora. En aquest motor també s’utilitza la desconnexió automàtica del b obinatge auxiliar.

48. Motor universal Es tracta d’un motor de CC amb excitació en sèrie amb l’estator construït amb xapa laminada, per reduir les pèrdues magnètiques . La característica parell-velocitat del motor universal és igual que la del motor de CC en sèrie, per la qual cosa no és adequat per operar a velocitat constant, però són màquines de dimensions petites i ofereixen un parell motor més alt que qualsevol altre motor monofàsic. Aquest tipus de motor el trobem a les aspiradores, als trepants portàtils i a altres eines portàtils. P ot funcionar tant amb corrent continu com amb corrent altern, sense que les seves característiques de funcionament, com ara velocitat, parell, potència, etc., pateixin variacions sensibles.

49. Motor pas a pas Els motors pas a pas es un tipus de motor síncron dissenyat per girar un nombre determinat de graus α, anomenat pas , cada vegada que s’aplica un impuls elèctric adequat a les bobines de l’estator. Formats per una part fixa, l’estator, constituït per bobines que excitades adequadament crearan un camp magnètic giratori, i una part mòbil, el rotor, que és un imant permanent que seguirà el camp giratori de l’estator. Aquest pas pot variar des de 90º fins a tan sols 0,72º. En el primer cas, només es necessitarien 4 passos perquè el rotor fes una volta completa, i en canvi 500 passos en el segon. S’alimenten per mitjà d’una font de CC i un circuit electrònic, que és el que controla els impulsos i el sentit del corrent a les bobines de l’estator Funcionament motor pas a pas

50. Transformador El transformador és una màquina estàtica que permet variar el voltatge i la intensitat del corrent altern, mantenint-ne la freqüència . Constitució del transformador Els transformadors són constituïts bàsicament per un circuit magnètic i pels enrotllaments primari i secundari. 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.

51. Transformador. Principi de funcionament En connectar el primari a una xarxa de CA, s’estableix un flux variable en el circuit magnètic, que indueix una FEM ε p en el primari i una FEM ε s 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. La relació que hi ha entre el nombre d’espires de l’enrotllament primari N p i les del secundari N s s’anomena relació de transformació r t

52. El transformador ideal Funcionament en buit Funcionament en càrrega L a potència que absorbeix el primari de la xarxa P 1 coincidirà amb la potència subministrada pel secundari a la càrrega P 2 .

53. Transformador real S’han de tenir en compte les resistències òhmiques dels enrotllaments, R p i R s . Hi ha flux dispers al primari i al secundari. En el circuit magnètic hi ha pèrdues per histèresi i per corrents de Foucault. Malgrat això, com que el transformador és una màquina de rendiment elevat, s’accepta que: Com que no té pèrdues mecàniques, perquè és una màquina estàtica, el rendiment del transformador és molt elevat. El rendiment d’un transformador valdrà:

54. Exemple 11

55. Exemple 12