Presentació tema 5 de màquines elèctriques (ampliació de dcaparros

1. MÀQUINES ELÈCTRIQUES
2n Batxillerat
INS Frederic Mompou
Curs 2012-2013

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

3. Pèrdues d’energia a les màquines elèctriques
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. Les pèrdues es classifiquen en:
Pèrdues magnètiques (pèrdues del ferro), es produeixen en el circuit
magnètic, a causa del cicle d’histèresi i dels corrents paràsits o de
Foucault.
Pèrdues elèctriques (pèrdues del coure) es produeixen en els circuits
elèctrics i en les seves connexions, bàsicament a causa de l’efecte Joule.
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.

4. Generadors elèctrics
Els generadors elèctrics 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.
«Tot conductor que es mou dins d’un camp magnètic tallant les línies de força engendra
una FEM induïda.»

5. Dinamos
Les 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.
Són màquines reversibles, és a dir, poden funcionar com a
generadors i com a motors
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.

6. Constitució d’una dinamo. Estator
L’estator: format pel conjunt d’elements que constitueixen l’estructura de la
màquina. Conté el sistema inductor destinata produir el camp magnètic.
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
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.
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).

7. Constitució d’una dinamo. Rotor I
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 bobines de coure que es distribueixen
uniformement per les ranures del nucli.

8. Constitució d’una dinamo. Rotor II
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.
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.
Els coixinets serveixen de suport i permeten el gir de l’eix de la màquina.

9. Tipus d’excitació

10. Tipus d’excitació I

11. Tipus d’excitació II

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

14. Alternadors
Els alternadors són generadors de corrent altern.
Els 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:

15. 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.

16. 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.

17. Esquema d’un alternador

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

20. 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 εf = 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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 VL 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 Ii [N·m]
Velocitat de gir.

24. Comportament del motor de CC I

25. 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:
Pi = ε’ Ii [W]
Pi = Pabs − (pèrdues magnètiques + pèrdues elèctriques)
Potència absorbida i potència útil.
Pabs = VL I [W]
Pu = Pi − pèrdues mecàniques [W]
Rendiment del motor (η). És la relació entre la potència útil i l’absorbida:
en què la potència perduda Pp = pèrdues magnètiques + pèrdues elèctriques +
pèrdues mecàniques.

27. Corbes característiques

28. Motor d’excitació independent
El reòstat RRa en sèrie amb l’induït és per limitar
la intensitat en el moment de l’arrencada, ja que
’ = 0.
I el reòstat RRe del circuit inductor serveix per
regular la Iex i, per tant, la velocitat del motor:

29. 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:
Per tant, Γ = K Φ Ii = K’ Ii2
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.

30. 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 %.
Adequat per a l’accionament de maquinària
sotmesa a variacions de càrrega constants, per
exemple, les màquines eina.

31. Motor d’excitació compound
El camp magnètic resultant és la suma del
camp magnèticsèrie i shunt ΦT = Φs + Φd.
Reuneix 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,

32. Exemple excitació sèrie

33. Exemple excitació derivació

34. Exemple excitació compound

39. 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.
D’acord amb el principi de funcionament es classifiquen en motors síncrons i
asíncrons.
Motors síncrons. El seu rotor gira a la velocitat de sincronisme
Motors asíncrons. El seu rotor gira a una velocitat n inferior a la de sincronisme ns.
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,

40. 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.

41. 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.

42. Motor d’inducció. Principi de funcionament
Si disposem d’un imant permanent i entre els seus pols
hi col·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.
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.

43. 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 ns
que depèn de la freqüència del corrent, anomenada
velocitat de sincronisme.

44. Característiques dels motors d’inducció
Velocitat de sincronisme (ns) Es 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.
60· f 1
ns min
p
La velocitat del rotor n és inferior a ns, 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 nr o lliscament del motor és: nr = ns – n
El lliscament relatiu s
ns n nr
s
ns ns
La potència activa absorbida de la xarxa elèctrica del motor subministra l’energia
mecànica que cedeix a l’eix, que és la potència útil, Pu, i les pèrdues magnètiques,
PFe, elèctriques Pcu, i mecàniques del motor. El seu valor és calcula com el de
qualsevol càrrega trifàsica.
Pabs 3 VL I L cos

45. Característiques dels motors d’inducció

46. Exemple 8

47. Exemple 9

48. Exemple 10

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

52. Arrencada directa d’un motor trifàsic.

53. Arrencada directa

54. Circuit inversor de gir d’un motor trifàsic

55. Circuit arrencada estrella – triangle

56. Arrencada estrella triangle

57. Relé tèrmic i contactor

58. 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. Els més
utilitzats són:
el motor d’inducció amb bobinatge auxiliar
el motor universal.

59. Motor d’inducció amb bobinatge
auxiliar
Són molt semblants als motors d’inducció trifàsic, però tenen un
única bobina a l’estator,alimentada 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.

60. 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 Γa = 0,75 ÷ 2 Γn,
per tant, s’utilitza en aplicacions en què el motor hagi d’arrencar en buit o
amb càrregues moderades.

61. 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 I1 i I2 sigui
pràcticament de 90° i s’obté un parell
d’engegada d’aproximadament Γa =
3,5 Γn, 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 bobinatge
auxiliar.

62. Motor universal
Pot 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.
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.

63. 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

64. 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.

65. 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 εp en el primari i una FEM εs 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 Np i
les del secundari Ns s’anomena relació de transformació rt

66. El transformador ideal
Funcionament en buit Funcionament en càrrega
La potència que absorbeix el primari de la
xarxa P1 coincidirà amb la potència
subministrada pel secundari a la càrrega P2.

67. Transformador real
S’han de tenir en compte les resistències òhmiques dels enrotllaments, Rp i Rs.
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:
El rendiment d’un transformador valdrà:
Com que no té pèrdues mecàniques, perquè és una màquina estàtica, el rendiment del
transformador és molt elevat.

68. Exemple 11

69. Exemple 12