1. Màquines elèctriques

1. Una màquina elèctrica és el conjunt de mecanismes i dispositius capaços de produir, transformar o aprofitar l’energia elèctrica.  Quina diferència hi ha entre un generador i un motor?

Com ja hem dit una màquina elèctrica és un tipus de màquina capaç de produir energia elèctrica a partir d’energia mecànica i al inrevés. Això implica qualsevol procés de transformació; produir, transformar o aprofitar l’energia elèctrica a partir d’un mecanisme o dispositiu especial per cada procés.  Per això també tenim diferències entre els elements que constitueixen el grup de màquines elèctriques.

Dos dels elements són els generador elèctric i el motor elèctric. El primer dels dos, la màquina generadora d’energia elèctrica o simplement generador, el definim com a un convertidor electromecànic capaç de transformar l’energia bàsicament mecànica que rep en energia elèctrica que subministra directament a la xarxa gràcies els seus borns. Aquesta energia mecànica la reben a través del eix del rotor.  

En canvi el motor elèctric té un funcionament completament invers, transformant així l’energia elèctrica en energia mecànica, en les seves possibles formes. Els trobem el joguines, electrodomèstics... i la majoria dels elements que tenim a casa que estiguin connectats a un endoll i produeixin qualsevol tipus de treball mecànic. El motor elèctric el definim així com el convertidor electromecànic que transforma l’energia elèctrica que rep a través dels seus borns en energia mecànica que subministra a un aparell o objecte a través del eix del motor. 

2. Com és inherent en totes les transformacions d’energia, a les màquines elèctriques es produeixen pèrdues. El més interessant, però, és que aquestes són relativament petites comparades amb la majoria de màquines motrius, amb rendiments que es troben entre el 90 i el 99%. Explica en què consisteixen les pèrdues magnètiques, les elèctriques i les mecàniques.

És veritat que el rendiment és molt superior a altres màquines motrius, normalment es trobo al voltant del 90%. Els casos del rendiment de 99% és només en els transformadors de potències elevades. Com veiem estem parlat d’un màquina gairebé ideal, però com sempre hem dit de moment la màquina ideal encara no existeix.

Les pèrdues que es poden produir en una màquina elèctrica són de tres tipus diferents:

1. Pèrdues magnètiques: Aquests tipus de pèrdues també reben el nom de pèrdues de ferro. Es produeixen el circuit magnètic del dispositiu. Les causes més freqüents són la histèresi i els corrents paràsits o de Foucault.

Es produeix histèresi quan el sistema pot existir en varis estats estables per valors donats de les variables externes (o paràmetres de control), els quals poden assolir una variació lenta del paràmetres. Un exemple típic és la magnetització d’un material ferromagnètic per un camp magnètic extern, d’aquí que les pèrdues magnètiques també rebin el nom de pèrdues de ferro.

També tenim els anomenats corrents de Focault, que es produeixen quan un conductor travessa un camp magnètic variable, o a l’inrevés. El moviment relatiu provoca una circulació d’electrons, per tant corrent induïda, dintre del conductor. Així que s’acaben creant electroimants amb camps magnètics que s’oposen al efecte del camp magnètic aplicat, produint pèrdues. 

2. Pèrdues elèctriques: Aquest tipus de pèrdua rep el nom de pèrdua elèctrica o pèrdua del coure. Es produeixen en els circuits elèctrics degut a les seves connexions, bàsicament gràcies a l’efecte Joule.

L’efecte Joule és conegut com el fenomen irreversible per el qual si en un conductor i circula corrent elèctrica, part de l’energia cinètica dels electrons es transforma en calor. Això es deu als xocs que pateixen els àtoms del material conductor amb els electrons anomenats anteriorment, elevant la temperatura del conductor. D’aquí que les anomenen pèrdues de coure vist que aquest sol ser-ne el conductor.

3. Pèrdues mecàniques: Aquestes pèrdues són provocades per les forces de fricció, pels fregaments, bàsicament de l’eix amb els coixinets i, si escau, amb les escombretes. També es generen altres pèrdues mecàniques per la ventilació o refrigeració interior dels enrotllaments.

Com ja sabem les forces de fricció es defineix com la resistència que s’oposa a la rotació o al lliscament d’un cos, objecte o superfície per sobre d’un altre (en referim a qualsevol cos o objecte; superfície llisa, superfície rugosa, un llapis...) o també la definim com la força que apareix en la superfície de contacte de dos cossos quan s’intenta lliscar un sobre l’altre. A més és inversa a la normal (força que “aixafa” un cos contra el terra) i depèn d’un coeficient de fricció característic de cada superfície, cos u objecte.

3. Què s’entén per potencia nominal? I per força contraelectromotriu d’un motor?

Potència nominal:

La potència nominal d’un motor la definim com la potència  útil màxima, per tant amb un valor més gran, que pot proporcionar la màquina elèctrica de forma permanent sense que l’escalfament sobrepassi el valor límit a partir del qual es poden deteriorar els seus aïllaments. La potència nominal ve determinada pel fabricant i figura a la placa de característiques i propietats de la màquina. Només quan l’aparell treballa amb els valors exactes que s’indiquen a la placa es diu que té un règim nominal.

Vist que estem parlant d’un potència útil serà aquella desenvolupada per l’aparell i es trobarà en el seu eix. D’aquesta forma s’expressarà en Watts com a SI i en molt aparells s’expressa en cavalls (CV; recordem que 1CV=736W).

Força contraelectromotriu:

La força contraelectromotriu és característica dels motors elèctrics que té relació amb les variacions de flux. Així que al girar el rotor hi ha aquesta variació de flux, que alhora genera una FEM (Força ElectroMotriu), en els conductors del induït. Al aplicar la llei de Lenz ens resulta que s’oposa a la causa que la provoca sent així una força en sentit contrari a la tensió V_L aplicada en el motor.

Així podem dir que mesura en Volts l’energia per unitat de càrrega que consumeix el dispositiu elèctric. En els receptors s’oposa al pas del corrent elèctric en una inductància, reduint després de una quantitat de temps extremadament petita el seu consum. 

2. Els generadors elèctrics de corrent continu: la dinamo

4. Fes una breu explicació amb alguna animació del principi de funcionament.

    Una dinamo és un generador elèctric que transforma l'energia mecànica en energia elèctrica.

Ho fa gràcies a una bobina que gira situada dins d'un imant. En girar, la bobina provoca un canvi en el flux electromagnètic que per la llei d'inducció electromagnètica provoca una força electromotriu (voltatge). Aquest voltatge és altern, però gràcies a un commutador es pot transformar fàcilment a corrent continu.

videos explicatius i demostratius:                                                                     

 dinamo d'una bicicleta: aprofita el moviment de la roda  per fer girar la bobina i generar energia elèctrica per    fer anar un aparell en aquest cas una bombeta

Video 1:

Video 3:

5. Fes un esquema amb les parts del rotor i l’estator.

b) Si una volta sencerad’una espira genera un període de señal altern sinusoidal, i la dinamo és un generador de corrent continua, explica en quin element i com es fa la commutació?

Em de substituir els anells de connexió per dos semicilindres que girin solidaris amb l'eix de l'espira, de manera que en canviar el sentit del corrent induït també canvien els semicilindres de contacte exterior, es a dir les escombretes i per tant en el circuit exterior obtindrem un corrent polsant.
 A més a més, si en comptes d'una sola espira hi posem un grup d'espires connectades al col·lector de lamel·les obtindrem un corrent pràcticament constant i per tant tindrem un generador de corrent continu. Gràcies a la commutació que fan les escombretes al col·lector de lamel·les, en el circuit exterior obtenim corrent continu.

6. Fes un esquema de com están connectats l’inductor i l’induït, segons el tipus d’excitació: independent, sèrie, derivació i composta.

7. Fes un recull d’aplicacions on hi trobem generadors de corrent continu.

3. Generadors elèctrics de corrent altern: l'alternador

8. La majoria de generadors de corrent altern són màquines síncrones i trifàsiques. Què signifiquen aquests dos termes?

Una màquina síncrona és una màquina elèctrica rotativa de corrent altern que converteix energia elèctrica en energia mecànica. la paraula trifàsiques vol dir que consta de tres corrents alterns monofàsics de la mateixa freqüència i amplitud i que presenten una certa diferència de fase entre elles. al voltant de 120 °.

9. Fes una breu explicació amb alguna animació del principi de funcionament.

Un alternador és un generador de corrent altern, anomenat així perquè periòdicament canvia el sentit en què circulen les càrregues elèctriques.
Bàsicament, un alternador consisteix en una espira que es fa girar amb una velocitat angular constant en un camp magnètic uniforme. Aixó provoca una variació periòdica del flux magnètic que travessa l'espira, fet que produeix el corrent induït corresponent.

10.  a) En quina part de la màquina  hi ha l’inductor i l’induït?

• Estator: part fixe on hi ha el sistema induït.
• Rotor: part mòbil que conté el sitema inductor.

b) Quines són les diferències entre la dinamo i l’alternador?

El dinamo genera corrent continu  a partir del moviment utilitzant la inducció generada entre un bobinatge i un imant. Aquesta inducció genera una fem (força electromotriu) altern que és rectificada mitjançant unes escombretes col·lectores que la rectifiquen de manera mecànica (commutant).

L'alternador genera corrent altern AC a partir del moviment mecànic, utilitzant el mateix principi. 

c) Per què a l’actualitat cada vegada s’utilitzen menys les dinamos i s’utilitzen més els alternadors?

La diferència entre els dós és que les dinamos no s'utilitzen tant com els alternadors, pel fet que el sistema d'escombretes es desgasta tenint un temps de vida menor i genera pèrdues d'energia. Avui en dia, amb l'electrònica de potència, s'utilitza l'alternador ja que pots obtenir major vida útil, menors perdudes (major rendiment) i major disponibilitat de variació de tensions.

11. Fes un recull d’aplicacions on hi trobem generadors de corrent altern.

L’alternador s’utilitza en la generació d’energia elèctrica, tant industrial com domèstica. Trobem alternadors en les centrals hidràuliques, mareomotrius, tèrmiques, nuclears, geotèrmiques.

4. Motors de corrent continu

12. Fes una breu explicació amb alguna animació del principi de funcionament. Fes un esquema amb les parts del rotor i l’estator. Fes un esquema de com estan connectats l’inductor i l’induït, segons el tipus d’excitació: independent, sèrie, derivació i composta. Quines diferències observes respecte els generadors de continua? Descriu amb l’ajut d’una gràfica, la característica velocitat –intensitat segons els diferents connexionats.

Els motors de corrent continu (CC) són els que es caracteritzen per transformar l’energia elèctrica en CC que reben a través dels borns en energia mecànica que cedeixen a l’eix. En general aquests motors són molt semblants en quant l’estructura i construcció als generadors, de fet, el canvi el trobem en el seu funcionament vist que és gairebé invers. Quan el corrent passa a través del rotor de un motor de corrent contínua es genera un parell creat per forces de reacció magnètica i un gir del rotor. En quant al commutador i les connexions de les bobines dels motors són les mateixes que les d’un generador convencional. Les revolucions del rotor indueixen un voltatge en les bobines, aquest voltatge que té sentit contrari al voltatge exterior del rotor. Degut a aquesta contraposició de les dues tensions les diferenciem entre voltatge induït i força contraelectromotriu.

Per augmentar el voltatge induït del dispositiu ens cal accelerar el motor. La intensitat aleshores és petita i la velocitat del motor romandrà constant sempre que el mort no estigui sota càrrega i hagi de realitzar un treball mecànic no requerit per el moviment del rotor. Sota càrrega el motor gira més lentament, augmentant la intensitat de corrent però reduint el voltatge induït. Així el motor rep més potència elèctrica de la font i genera més treball mecànic.        

Aquí us adjuntem un video que explica breument el funcionament d'un motor CC, d'un forma i amb conceptes molt bàsic: 

Ara veurem en la següent fotografia les parts bàsiques d'un motor de corrent continu. Parts del motor:

Relació entre l'inductor i l'induït en excitació independent:

Relació entre l'inductor i l'induït en excitació en sèrie:

Relació entre l'inductor i l'induït en excitación en derivació:

Relació entre l'inductor i l'induït en excitació composta:

Com ja hem explicat anteriorment l’estructura d’un motor de corrent contínua i un generador també CC (dinamo), són gairebé idèntiques però tenen un funcionament invers. Ja hem dit que els motors CC transformen l’energia elèctrica que reben a través dels borns en energia mecànica que cedeixen a l’eix. En canvi el generador CC transforma l’energia mecànica que rep per l’eix del rotor en energia elèctrica que subministra a la xarxa per mitjà dels seus borns.

Així que la relació velocitat-intensitat també canvia com podem veure en el següent esquema segons el connexionat:           

13. Com es realitza la inversió de gir?

Per invertir el sentit de gir d’un motor de corrent continu en tenim suficient amb invertir la polaritat de la tensió aplicada en els seus borns, variant alhora així el sentit de la corrent que circula per el seu bobinat. D’aquesta manera el parell de les forces que originen el gir esdevenen de sentit contrari.

Hi ha un altre mètode que consisteix en invertir la polaritat del camp magnètic produït per les bobines excitadores, però això només és possible en màquines que les tinguin accessibles des de l’exterior. Vist que en la majoria de motors CC no tenim accés exterior a les bobines és més comú utilitzar el primer dels dos mètodes anomenats.  

14. El problema de l’arrencada: en el moment d’arrencar el motor, la velocitat és zero i la força contraelectromotriu que genera la màquina també; de manera que la intensitat augmenta molt fent que sigui perjudicial per l’induït. Quines solucions es poden prendre?

Degut a que la velocitat de rotació controla el flux del corrent en el rotor, s’han d’utilitzar aparells especials per arrencar el motor CC. Quan el rotor no està en moviment no té realment resistència, així que si li apliquem voltatge de funcionament normal es produeix una gran intensitat de corrent, que perjudicaria i crearia problemes en el commutador i les bobines del motor. Per evitar aquest danys i mantenir el dispositiu en el millor estat possible s’utilitza una residència d’arrencament connectada en sèrie al motor, per disminuir així la intensitat mentre el motor no aconsegueixi creat el voltatge induït adequat. Mentre el motor accelera la resistència es va reduint gradualment, tant de forma manual com automàtica, solucionant així els problemes en l’arrencada del motor i evitar qualsevol dany a les seves peces internes.   

15. Com es pot regular la velocitat?

La velocitat a la que funciona un motor depèn de la intensitat del camp magnètic que actua sobre el rotor i de la corrent del mateix camp. Quan més fort és aquest camp, més baix és el grau de rotació necessari per generar un voltatge induït suficientment gran com per contrarestar el voltatge aplicat. Per aquest motiu, la velocitat dels motors CC pot controlar-se mitjançant la variació del corrent del camp.

16. Fes un recull d’aplicacions on hi trobem motors de corrent continu.

Ja hem dit que el podem fer servir segons el seu connexionat per obtenir quatre motors CC diferents:

-                    
            · Motor CC en sèrie

-                       · Motor CC en derivació o “shunt”

-                       · Motor compound

-                       · Motor d’excitació independent

 -                   

Aquests motors els trobem sobretot en l’ús industrial, algunes bateries, joguines específiques i processos de fabricació de baixa envergadura.