U4 Les màquines elèctriques

A l'eso vam estudiar els principis del magnetisme i electromagnetisme, vam introduir els conceptes d'inducció electromagnètica i força electromagnètica, que ampliarem en aquesta unitat, amb l'objectiu d'entendre el funcionament de les màquines elèctriques.

Definim màquina elèctrica com el conjunt de mecanismes i dispositius capaços de produir, transformar o aprofitar l’energia elèctrica.

D’acord amb aquesta definició, les màquines elèctriques es classifiquen en tres grans grups:

• • 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.

Les màquines elèctriques es poden analitzar d’acord amb la seva constitució electromagnètica o d’acord amb el funcionament mecànic.

• • Segons la seva constitució electromagnètica, totes les màquines elèctriques disposen d’un circuit magnètic heterogeni i de dos circuits elèctrics: el d’excitació o inductor, que és el que crea el camp magnètic principal, i el de l’induït, sotmès al camp magnètic creat per l’inductor.

  • Des del punt de vista del funcionament mecànic, es classifiquen en rotatives i estàtiques. Les màquines rotatives són aquelles que tenen una part que gira sobre si mateixa, com és el cas dels motors i els generadors. Entre les màquines estàtiques, o sense parts mòbils, cal assenyalar els transformadors.

Com és inherent en totes les transformacions d’energia, a les màquines elèctriques es produeixen pèrdues d’energia, però la característica més interessant és que aquestes pèrdues són relativament petites comparades amb la majoria de màquines motrius, com ara els motors tèrmics, i s’obtenen rendiments elevats, de prop del 90 % i, fins i tot, superiors al 99 % en el cas dels transformadors de potències elevades.

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. Potència i règim de funcionament

Com ja saps, la potència és el treball desenvolupat en la unitat de temps. A les màquines elèctriques es tenen en compte els tipus de potència següents:

• • 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. En un generador es correspon amb la que subministra a la xarxa elèctrica per mitjà dels seus borns; en un motor, amb la que proporciona a l’eix, i en un transformador, amb la que subministra a la xarxa que alimenta. 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. De tots aquests valors n’hi ha un que caracteritza la màquina: és la potència nominal.

  • 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. Quan la màquina treballa exactament amb els valors que indica la placa, es diu que funciona en règim nominal.

Quan la màquina treballa a potència nominal es diu que treballa a plena càrrega (PC), però pot treballar a potències diferents de la nominal, per exemple a 1/2 de PC, a 3/4 de PC i, fins i tot, durant un temps no perjudicial per als seus bobinatges, a més càrrega que la nominal, llavors diem que treballa en sobrecàrrega.

Totes les màquines elèctriques porten col·locada en un lloc visible una placa de característiques on hi ha gravats, entre d’altres, els paràmetres de funcionament de la màquina.

2. Principis d'electromagnetisme

Per entendre el funcionament de les màquines elèctriques, haurem de tenir clar els principis d'electromagnetisme, principis que a física estudiareu amb detall. L’estudi dels efectes magnètics produïts pel corrent elèctric s’anomena electromagnetisme.

2.1. Inducció i flux magnètics

El camp magnètic que produeix un imant es representa mitjançant línies de força, anomenades línies de força o d’inducció. El sentit d’aquestes línies es fixa arbitràriament, de nord a sud i on les línies són més denses el camp és més intens i, per tant, diem que hi ha més inducció.

La inducció magnètica B és una magnitud vectorial que equival a la força puntual que el camp exerceix sobre la unitat de massa magnètica en aquell punt, i és proporcional al nombre de línies de força per unitat de superfície.

La unitat de la inducció magnètica en el SI és el tesla, T, en honor de l’enginyer croat Nicolaus Tesla (1857-1943). A la pràctica, el tesla és una unitat molt gran. Així doncs, la inducció del camp magnètic terrestre és de l’ordre de 10^-5 T, la dels imants permanents, de 10^-2 T i amb electroimants molt potents es poden crear camps superiors als 30 T.

D’altra banda, el flux del camp magnètic Φ és el producte de la superfície S perpendicular a les línies de força i el de la inducció B. La unitat en el SI és el weber (Wb).

2.2. Camp magnètic creat per un corrent elèctric

L’any 1820, els físics francesos Jean Baptiste Biot i Félix Savart van establir la relació entre la inducció del camp magnètic en un punt i la intensitat del corrent que el creava, expressió que s’anomena llei de Biot i Savart i que diu així: La inducció a cada punt del camp magnètic creat per un corrent elèctric és directament proporcional a la intensitat del corrent, inversament proporcional a la distància del punt al corrent, i depèn del medi en què es

desenvolupa el camp.

Camp magnètic creat en un solenoide o bobina.

Un conductor enrotllat en forma d’hèlix constitueix un solenoide. No cal que la secció del solenoide sigui circular, però és indispensable que les espires estiguin molt juntes. Un solenoide o bobina s’utilitza per produir camps magnètics intensos i relativament uniformes en una petita regió de l’espai. El camp magnètic total és la suma dels camps creats per cada espira i és similar al d’un imant recte, amb un pol nord en un extrem de la bobina i un pol sud a l’altre extrem. El sentit del camp s’obté aplicant la regla de Maxwell i el valor de la seva inducció magnètica es calcula mitjançant l’expressió: La permeabilitat magnètica del medi μ és un valor que depèn de la facilitat que té el medi per concentrar o dispersar les línies de força. La permeabilitat magnètica en el buit o en l’aire té per valor de µ₀=4π·10^-7 T·m/A , necessària per calcular la permeabilitat del medi, ja que µ = µ_r · µ₀ i µ_r és la permeabilitat relativa del material (valor tabulat).

La intensitat magnètica (H) representa el camp magnètic creat exclusivament per la bobina i és la relació entre la inducció magnètica i la permeabilitat. La seva unitat en el SI és l’ampere/metre.

2.3. Inducció electromagnètica. FEM induïda. Autoinducció

Els experiments de Michael Faraday van demostrar que en moure un conductor dins un camp magnètic es produeix una força electromotriu induïda que genera un corrent elèctric. Aquesta força electromotriu (voltatge) s'oposa a la variació del flux magnètic i ve donada per la llei de Faraday i la llei de Lenz:

Si el conductor el connectem a un circuit tancat, la FEM induïda produirà un corrent elèctric induït, el sentit del qual, ens ve donat per la regla de la ma dreta.

Si tenim una espira i no un conductor rectilini, i la fem girar dins d’un camp magnètic, tal com indica la figura de manera que contínuament estigui sotmesa a una variació de flux, s’engendrarà una FEM induïda de característiques molt peculiars, el valor de la qual es pot calcular a partir de la llei de Faraday que ens diu que la força electromotriu induïda en un circuit és igual i de signe contrari a la velocitat de variació de flux que experimenta

el circuit. Quan la velocitat de la variació de fl ux no és constant, la FEM instantània val:

Heinrich Lenz, físic rus, va estudiar els fenòmens electromagnètics independentment de Faraday. L’any 1833 va enunciar una llei que permet conèixer el sentit del corrent induït. La llei de Lenz és complementària a la de Faraday, i explica el perquè del signe negatiu en l’expressió anterior: El sentit del corrent induït és tal que s’oposa a la causa que el produeix o que el flux creat per un corrent induït té un sentit que s’oposa a la variació del flux que el crea.

La velocitat de variació del flux a través de l’espira és igual que el valor de la FEM induïda:

La FEM induïda és alterna, variable en magnitud i sentit. I com que els seus valors instantanis són proporcionals als valors que pren el sinus de 0° a 360°, s’anomena FEM alterna sinusoïdal. Aquest és el principi de funcionament dels generadors elèctrics industrials, fonamentats en la inducció electromagnètica.

La figura representa la variació de la FEM induïda en girar l’espira una volta completa. Si és una bobina de N espires la que gira dins d’un camp magnètic, la força electromotriu vindrà donada per l'expressió següent, a on N és el nombre d'espires:

Aquest és el principi en el qual es fonamenta el funcionament dels generadors elèctrics.

Exemple:

2.4. Força electromagnètica

Una càrrega elèctrica que es mou crea un camp magnètic, i si ho fa en un camp magnètic que no és el seu, els dos camps s’influeixen mútuament i exerceixen una força sobre la càrrega. És evident que si en el camp magnètic hi tenim un conductor pel qual circulen les càrregues, és a dir, un corrent elèctric, també apareixerà una força que el desplaçarà.

En un conductor de longitud l situat dins d’un camp d’inducció B i pel qual circula un corrent I, la força que hi actua és el resultat de les forces que s’exerceixen sobre les càrregues en moviment. El seu valor es determina a partir de l’expressió:

Si disposem d’una espira rectangular dins d’un camp magnètic, de manera que pugui girar lliurement sobre un eix perpendicular al camp, en fer-hi circular un corrent I, queda sotmesa a les forces que mostra la figura. Si apliquem la regla de la mà esquerra observem:

a) En els costats 1 4 i 2 3 apareixen forces iguals i oposades F1, la seva resultant és nul·la.

b) En els costats 1 2 i 3 4 apareixen dues forces iguals F2 i de sentit contrari, perpendiculars al camp i de valor: F2 = B·l·I, que formen un parell de forces i que fan girar l’espira sobre el seu eix, la qual cosa constitueix el principi de funcionament dels motors elèctrics.

3. 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. D’acord amb el tipus d’energia elèctrica que subministren, es classifiquen en dinamos o generadors de corrent continu i alternadors o generadors de corrent altern.

El principi de funcionament d’aquests convertidors electromecànics es fonamenta en el fenomen d’inducció electromagnètica explicat en el punt anterior. Un generador elemental de CA, com hem expressat al punt anterior, és el format per una espira que gira dins d’un camp magnètic. Si tenim N espires que giren a una velocitat angular uniforme ω, i el camp magnètic és uniforme, si apliquem la llei de Faraday s’obté una FEM , alterna sinusoïdal, de valor:

Si substituïm els anells de connexió per dos semicilindres, aïllats elèctricament, que giren solidaris amb l’espira, de manera que en canviar el sentit de la FEM induïda també canvien els semicilindres de contacte exterior (escombreta), en el circuit exterior obtindrem un corrent polsant que sempre té el mateix sentit.

Si en lloc d’una sola espira hi posem un grup d’espires desplaçades i els extrems de cada espira es connecten a un segment del cilindre o col·lector de lamel·les, en el circuit exterior obtindrem un corrent pràcticament constant, amb menys arrissat com més espires repartides hi hagi; per tant, tindrem un generador de corrent continu. Observa que el corrent engendrat a les espires és un CA, però gràcies a la commutació que efectuen les escombretes a les lamel·les del col·lector, en el circuit exterior obtenim un CC.

3.1. Dinamos

Les dinamos són generadors de corrent continu, són màquines reversibles, és a dir, poden funcionar com a generadors i com a motors. La funció de motor és la seva principal aplicació industrial, per la facilitat amb què es pot regular la velocitat de gir del seu rotor.

La constitució de les màquines de corrent continu, generadors i motors és idèntica, ja que és reversible el procés de conversió d’energia mecànica en energia elèctrica. Les seves parts fonamentals són l’estator i el rotor. L’espai que queda entre tots dos s’anomena entreferro.

L’estator és format pel conjunt d’elements que constitueixen l’estructura sobre la qual se sustenten els diferents òrgans de la màquina. Conté el sistema inductor destinat a produir el camp magnètic. És format pels pols inductors, el bobinatge inductor i la culata. Els pols inductors o principals estan dissenyats per repartir uniformement el camp magnètic. A les màquines de poca potència poden ser imants permanents, però en la majoria són electroimants (dinamos), en els quals distingim el nucli i l’expansió polar. Estan construïts normalment amb xapa magnètica apilada. El nombre de pols ha de ser parell i les màquines s’anomenen bipolars si en tenen dos, tetrapolars si en tenen quatre, hexapolars si en tenen sis, etc. 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 contingut de carboni).

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. És format pel nucli de l’induït, el bobinatge de l’induït, el col·lector, les escombretes i els coixinets. 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 permeten el gir de l’eix de la màquina.

Tipus d’excitació

La utilització d’electroimants (en el sistema inductor) permet obtenir camps magnètics més potents i variar el funcionament de la màquina regulant el corrent d’excitació. D’acord amb la connexió elèctrica entre l’enrotllament inductor i l’induït, les màquines de CC es classifiquen en màquines d’excitació independent i màquines autoexcitades.

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 les màquines autoexcitades l’inductor i l’induït estan connectats elèctricament.

Segons el tipus de connexió són màquines d’excitació sèrie, excitació derivació i excitació

composta.

• • Excitació sèrie. L’induït i l’inductor estan connectats en sèrie. La intensitat que circula pels dos sistemes és la mateixa.

  • Excitació 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.

Totes les màquines elèctriques disposen d’una caixa de borns per facilitar la connexió dels enrotllaments, entre ells i amb el circuit exterior.

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

3.2. 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. 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:

De la mateixa manera que les dinamos, els alternadors són formats per dues parts: l’estator i el rotor.

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. Al seu interior s’hi fixa 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. D’acord amb la velocitat de la màquina motriu que l’arrossega, el rotor té dues formes constructives característiques: rotor de pols sortits o rotor de pols llisos.

• • 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. A la llanta de la roda s’hi fixen els pols inductors, que han de disposar d’una subjecció eficaç a causa de la considerable força centrífuga a què són sotmesos. Els pols es fan d’una sola peça a les màquines de poca potència, o amb xapa magnètica apilada a les màquines de més potència.

  • Rotor de pols llisos. Utilitzats en màquines bipolars, tetrapolars i hexapolars que giren a 3000, 1500 i 1000 min−1 respectivament, accionades per turbines de vapor i de gas, motiu pel qual s’anomenen turboalternadors. 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.

Els alternadors necessiten una font de CC exterior o rectificar el corrent obtingut 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.

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:

4. 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.

D’acord amb l’energia elèctrica utilitzada es classifiquen en motors de CC i motors de CA.

De la mateixa manera que els generadors, es fonamenten en el fenomen de la inducció, i més concretament en la seva reversibilitat: Un conductor situat en un camp magnètic, si és recorregut per un corrent, és sotmès a una força que l’intenta desplaçar, acció que es quantifica en la llei de Laplace: F = B l I. La disposició constructiva dels motors fa que entre els conductors situats a la perifèria del rotor es creïn parells de força, que si poden vèncer les que s’oposen al seu gir (parell resistent) fan que el rotor es posi a girar i converteixi així l’energia elèctrica en mecànica.

4.1. Motors de corrent continu

Els motors de CC es fonamenten en la reversibilitat de les màquines de CC, que funcionen com a generadors quan se’ls subministra energia mecànica i com a motors quan se’ls subministra energia elèctrica. Per tant, el motor de CC té la mateixa constitució que la dinamo.

El funcionament del motor de CC es pot explicar amb el model de màquina elemental que ja coneixem. Si apliquem una tensió a les escombretes, circularà un corrent per l’espira i el camp magnètic exercirà una força sobre ella. El sentit de la força és determinat per la llei de la mà esquerra, de manera que se’n genera una 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. Aquest fenomen es repeteix mentre apliquem tensió a les escombretes.

El funcionament d’un motor de CC depèn de cinc variables: la freqüència de rotació n, el corrent d’excitació I_ex, la tensió en borns V_L, el corrent induït I_i i el parell motor τ.

Com que el parell motor Γ = K Φ Ii i el Φ és proporcional a la I_ex, per estudiar el seu comportament només en necessitarem quatre, f (V_L, I_i, n, τ) = 0. Si prenem com a constant V_L, ja que aquest valor és determinat per la xarxa d’alimentació, obtindrem tres famílies de corbes que permeten estudiar el comportament del motor:

• • Corba característica de velocitat n = f (I) amb τ = ct.

  • Corba característica del parell motor Γ = f (I) amb n = ct.

  • Corba característica mecànica Γ = f (n) amb I = ct.

Als motors de CC, disposem de dues bobines, la bobina l’induït i la bobina de l’inductor. Segons com connectem aquestes dues bobines, el motor elèctric pot ser motor d'excitació independent, motor en sèrie o motor en derivació (shunt).

4.2. Motors de corrent altern (CA)

D’acord amb el principi de funcionament es classifiquen en motors síncrons i asíncrons.

• • 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. Es caracteritzen perquè el seu rotor gira a una velocitat n inferior a la de sincronisme n_s.

Pel nombre de fases de l’enrotllament estatòric, tenim motors trifàsics, i monofàsics, ja que la distribució d’energia elèctrica es fa en CA trifàsic.

4.2.1. Motors asíncrons trifàsics o d’inducció

El motor asíncron trifàsic és el motor industrial per excel·lència. 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.

4.2.2. Motors síncrons trifàsics

El funcionament d’un motor síncron es fonamenta en la reversibilitat de l’alternador. Si alimenten l’estator d’un alternador trifàsic amb un CA trifàsic engendrarà un camp magnètic giratori de velocitat ns. Si impulsem el rotor en el sentit del camp magnètic giratori, s’orientarà dins del camp de manera que en tot moment el camp resultant sigui màxim; per tant, girarà a la mateixa velocitat que la del camp giratori ns, o velocitat de sincronisme.

El motor síncron trifàsic pràcticament no s’utilitza. Els seus avantatges, per a la producció de força motriu, com ara bon rendiment i factor de potència elevat, es veuen àmpliament superats pels seus inconvenients, com ara la necessitat d’una excitatriu, el fet que la maniobra d’arrencada és complicada i que no ho poden fer amb càrrega, que si hi ha variacions brusques de càrrega perden la velocitat de sincronisme i el motor s’atura, etc.

4.2.3. 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. Hi ha molts tipus de motors monofàsics, però ens limitarem a explicar els més utilitzats: el motor d’inducció amb bobinatge auxiliar i el motor universal.

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 (gàbia d’esquirol) al rotor.

El principal problema dels motors d’inducció monofàsics és que el rotor no es pot posar a girar només amb l’acció del camp magnètic creat per l’inductor. Hem vist que el parell motor en els motors d’inducció trifàsics el crea el camp magnètic giratori, i un bobinatge alimentat per un CA monofàsic crea un camp magnètic alternatiu d’amplitud variable. Però si impulsem el rotor manualment, aquest es posarà a girar i mantindrà el gir fins que el desconnectem de la xarxa. Això és així perquè el camp magnètic creat pels corrents induïts en el rotor quan el fem girar està endarrerit 90º respecte al de l’estator, i l’acció dels camps es concreta en un camp magnètic giratori d’amplitud variable que gira a la velocitat de sincronisme semblant al que es crea en un motor bifàsic, que és el que manté el rotor en moviment.

Per tant, la solució consisteix que aquest camp magnètic giratori es creï en el moment d’engegar el motor, sense necessitat d’impulsar-lo manualment. Per això, s’utilitza un bobinatge auxiliar d’arrencada col·locat a l’estator en paral·lel amb el bobinatge inductor principal, i desfasat respecte d’aquest de manera que el camp magnètic creat en l’inductor auxiliar i en el principal quedin desplaçats. D’aquesta manera es crearà un camp magnètic giratori semblant al dels motors bifàsics.

Motor universal

El motor universal és aquell que 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 al qual s’han fet algunes modificacions. La modificació més important és que l’estator ha de ser construït amb xapa laminada, d’altra manera les pèrdues magnètiques serien enormes.

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.

4.3. Transformacions energètiques en el motor elèctric

Un motor elèctric transforma l'energia elèctrica en energia mecànica, per tant, la potència consumida serà elèctrica (P=I·V) i la potència útil es pot expressar en funció del treball realitzat entre el temps o el producte de la velocitat angular pel parell motor que impulsa el seu gir.

Exemple : Una grua aixeca 2 tones a una alçada de 30m en 17s. Si te un motor elèctric de CA a 230V i cosφ=0,8 , que consumeix 320A de corrent per realitzar aquesta operació. Calcular el rendiment del motor.

Calcular l'energia elèctrica consumida per la grua treballant 6h:

Ec = 58,88kW·6h = 353,28kWh , en joules 353,28kWh·(3600s/1h)= 1,27GJ

5. Transformadors elèctrics

El transformador és una màquina estàtica que permet variar el voltatge i la intensitat del corrent altern, mantenint-ne la freqüència.

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. 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_sen 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:

Com que no té pèrdues mecàniques, perquè és una màquina estàtica, el rendiment del transformador és molt elevat. En els grans transformadors s’arriba a rendiments superiors al 99 %. Els transformadors s’acostumen a identificar pel nombre de fases, per la potència nominal, PN, que és la potència aparent que subministra el secundari en VA, i per les tensions nominals primària i secundària, VpN i VsN. Per exemple, transformador trifàsic de 10.000 kVA 20.000/110.000 V.