1. Motors Elèctrics

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

Un generador elèctric és un aparell que manté una diferència de potencial elèctric entre dos pols, transformant l'energia mecànica en elèctrica. Aquesta transformació es produeix per l'acció d'un camp magnètic sobre els conductors elèctrics. Si es produeix  un moviment mecànic entre els conductors i el camp, es generarà una força electromotriu (FEM). 

El motor elèctric és un motor que transforma l'energia elèctrica en energia mecànica, a través de la repulsió d'un objecte metàl·lic carregat elèctricament davant un imant .

Alguns són reversibles, ja que poden transformar energia mecànica en energia elèctrica funcionant com a generadors. Els motors elèctrics de tracció realitzen sovint ambdues tasques.

Una diferència és que el generador elèctric transforma l'energia mecànica en elèctrica i el motor tranforma l'energia elèctrica en mecànica. 

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%.

Les pèrdues d'un motor és divideixen en 2 grups:

Pèrdues Elèctriques: pèrdues del coure causades pel corrent que circula pels circuits elèctrics del motor, bàsicament pel bobinatge del rotor i l'estator per l'efecte Joule.

Per pèrdues per rotacions, hi ha dos tipus:

Pèrdues Mecàniques: són pèrdues causades majoritàriament pels fregaments de l'eix amb els coixinets quan estan en contacte amb el rotor. També per la ventilació o refrigeració del motor.

Pèrdues magnètiques: es produeixen en el circuit Magnètic, a causa del cicle d'histeresi i dels corrents paràsits de Foucault. Aquestes pèrdues és minimitzen laminant els pols i els altres components que intervenen en el sistema magnètic, fent de xapa amb bones caràcterístiques magnètiques com el ferro.

La potència nominal és la potència màxima que suporta una màquina en condicions d'ús normals sense arribar a sobreescalfar-se.  Un motor pot treballar en sobrecàrrega, però sempre durant poc temps ja que fa mal bé els components. 
Per exemple un altaveu està dissenyat per suportar 100 W, i aquesta és la seva potència nominal.

La força contraelectromotriu és una força de resistència que es produeix de manera natural en els motors elèctrics i que limita de manera important el corrent. Es pot calcular mitjançant la formula següent:

•E' és la força contraelectromotriu en volts.
•n és la velocitat de rotació de l'eix en rpm.
•N és el nobre de conductors actius a l'induït.
•Φ és el flux útil per pol en Webers.
•p és el nombre de parell de pols.
•a és el nombre de branques en paral·lel.

A continuació us adjuntem un video molt complet i didàctic sobre el factor físic i el funcionament dels motors elèctrics. Durà 18 minuts però si t'interessa el tema, et servirà.

2. Generadors elèctrics de Corrent Continu: La Dinamo

La dinamo és un generador de corrent continu en que transforma el flux magnètic en electricitat mitjançant la inducció electromagnètica.

L’estator és l’estructura on es mantenen els diferents components. A l’estator es troba el sistema inductor, on es crea el camp magnètic. En aquesta part trobem:

•Els pols principals

•La culata

•El bobinatge interior

El rotor és la part mòbil de la dinamo i és on es transforma el camp magnètic en corrent contínua. El rotor conté el sistema induït, i ens trobem:

•El bobinatge induït 

•El nucli de l’induit

•Les escombretes

•Els col·lectors

•Els coixinets

Quan la bobina gira sota la influència dels imants s’indueix en ella un corrent  elèctric. Aquest fet es produeix gràcies als electrons, que degut a la velocitat de la bobina són induïts per la força magnètica i es produeix una força electromotriu.

Per aconseguir treure el corrent generat en l'espira, es col·loca uns col·lectors que girin amb cada un dels extrems de l'espira i unes escombretes fixes per on es treu el corrent. Aquests col·lectors estan tallats. El motiu és perquè per fora de l'espira corrent sempre vagi en el mateix sentit (corrent continu). Si els col·lectors fossin anells complets (sense tallar) el corrent sortiria per l'escombreta ( fixa sense moure ) en un sentit i quan l'espira gira mitja volta més sortiria pel sentit contrari , és dir és generaria corrent altern , i no seria una dinamo seria un alternador. Es fa la commutacio en les escombretes i els anells del rotor. La commutació es produeix quan es produeix un salt per part de les escombretes en els anells i el sentit torna a ser positiu en vers de negatiu.

L'inductor i l'induït poden estar connectats de 4 maneres: 

Circuit independent: 

Connexió en Sèrie:

La intensitat que circula pels dos sistemes és la mateixa.

Connexió en Para·lel:

 Connexió Composta:

L'enrotllament inductor està dividit en dues parts, una connectada en sèrie i l'altre en derivació.

Un dels principals usos de la dinamo es troba en els aerogeneradors, d'aquesta forma el vent fa girar les aspes connectades a l'eix de la dinamo, produint electricitat i aprofitant aquesta font d'energia sense límit. 

També són molt utilitzats pels ciclistes. Gràcies a la dinamo que genera i ofereix una energia elèctrica els ciclistes poden circular per les nits per la carretera. Les dinamos es col·loquen en la roda frontal i en girar la roda gira al seu torn el generador i per tant ofereix l'energia i fa que funcioni la llum de la bicicleta.

La imatge de sobre ens mostra el funcionament de la dinamo en una bicicleta. 

3. Generadors elèctrics de Corrent Altern: L'Alternador

La majoria de generadors de corrent altern són màquines síncrones i trifàsiques.

Les màquines síncrones 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: Ns=60f/p. Això vol dir que no tenen lliscament, i que per tant, la velocitat del rotor és directament proporcional a la freqüència del corrent produït, depenent aquesta proporció del nombre de pols de l'induït.

La majoria d’alternadors industrials són trifàsics. S'anomenen així ja que es crea un sistema trifàsic de corrents i una força magnetomotriu sinusoïdal al connectar el bobinat induït (bobina del estàtor) a una càrrega trifàsica. Això implica que el rotor té 3 bobinatges induïts independents col·locats a 120º l’un respecte de l’altre en el nucli. Això produeix 3 línies de corrent altern amb un desfassament de 120º.

Un alternador funciona de la següent manera:
1-Alimentem amb cc el rotor per a la producció d'un camp magnètic (bipolar, tetrapolar, hexapolar…). Normalment l’alimentació es fa utilitzant una petita part de la mateixa corrent alterna produïda per l’alternador i transformant-la en contínua.

2-El rotor gira alimentat per una màquina motriu.

3-El camp magnètic gira a la mateixa velocitat que el rotor perquè són solidaris.

4-El camp magnètic indueix tensions a l’estator amb una freqüència determinada per la fòrmula: f=(p·N)/60.


5-Li connectem una càrrega i el corrent circula per l’estator.

L’Inductor i l’Induït:

L’estator: És la part fixa i està format per una carcassa metàl·lica que serveix de suport als diferents components, i constitueix l’estructura de la màquina. Al seu interior s’hi fixa el nucli de l’induït, al contrari que en una dinamo, que està 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: És la part mòbil i està situat a l’interior de l’estator. Conté el sistema inductor i mitjançant els anells de fregament, es pot alimentar el sistema per a que produeixi un camp magnètic.

Les diferències més importants entre una dinamo i un alternador són les següents:

·La dinamo té l’inductor al estator i l’induït al rotor, en canvi,l’alternador té l’inductor en el rotor i l’induït en l’estator.

·La majoria d’aparells domèstics i industrials utilitzen corrent altern.

·La dinamo produeix CC i l’alternador CA.

Actualment la dinamo està passant a un segon plà respecte l’alternador per dos motius principals:

·L’alternador pot produïr voltatges més elevats amb més facilitat.

·L’eficiència en el transport de l’energia elèctrica és molt més alta quan el corrent és altern.

Aplicacions:

L’alternador s’utilitza majoria en tots els tipus de producció d’energia elèctrica, tant industrial com domèstica. Trobem alternadors en centrals hidràuliques, mareomotrius, tèrmiques, nuclears, geotèrmiques…, així com també en podem trobar en cotxes o trens amb motor tèrmic.

A continuació us mostrem un video introductor sobre l'alternador:

4. Motors de Corrent Continu (CC)

Els generadors de corrent continu tenen un ús molt ampli, ja que s’utilitzen tant en centrals, habitatges propis o bé petits aparells. A continuació us mostrarem una sèrie d’aplicacions concretes: 

•Com a amplificador-multiplicador .

•En un tacòmetre.

•En equips de soldadures.

•En determinats sistemes d’alumbrats.

•En el sistema de generació d'energia elèctrica de cc en avions.

•En l’alimentació de làmpades de xenó.

•En sistemes de producció d’energia renovable: rodes d’aigua, molins de vent, etc.

Els motors de corrent continu transformen l'energia elèctrica que reben pels seus borns en energia mecànica.  

El motor consta de dues parts: una que és fixa, anomenada l'estator, i una altra de giratòria que rep el nom de rotor. 

A l'estator hi ha els pols magnètics, que poden pertànyer a un imant o bé creats per unes bobines com en el cas dels electroimants.

Al rotor hi ha diverses bobines de fil de coure muntades sobre un eix giratori. Aquest eix conté el col·lector, on es connecten les bobines a unes làmines de coure molt fines anomenades lamel·les. Unes peces fixes, les escombretes, fan contacte amb les lamel·les i d'aquesta manera fan arribar el corrent elèctric a les bobines rotòriques. 

El seu funcionament és l'invers que el de una dinamo: En circular corrent per cada costat de la bobina del rotor, es forma un camp magnètic al seu voltant. Aquest camp es troba amb el dels pols magnètics de l'estator i, com a conseqüència d'aquest fet, es produeixen unes forces que obliguen la bobina del rotor a moure's. 

Inversió de gir dels motors de CC

L'inversió de gir en els motors de CC pot ser molt senzilla i útil a la vegada ja que ens dona diverses aplicacions.

Hi ha dos opcions per tal d'invertir el sentit de gir en aquests motors:

•Canviant la polaritat de l'induït

•Canviant la polaritat de l'inductor o de la bobina d'excitació.

En els motors de CC amb excitació independent es canvia la polaritat de l'induït. En els d'excitació en sèrie, la polaritat de la bobina d'excitació o de l'induït. En els motors Shunt es canvia la polaritat de la bobina d'excitació.

                     Inversió de gir en Sèrie 

 Inversió de gir en Shunt

L’arrencada:

En el moment de l’arrencada, la força contraelectromotriu és zero, de manera que si no es disminuís la tensió, es podria malmetre l’induït. Per disminuir la tensió i per tant regular la intensitat del corrent que circula, s’utilitza un reòstat d’arrencada. El reòstat d’arrencada s’ha de connectar en sèrie amb l’induït. El reòstat va reduint la resistència progressivament a mesura que la força contraelectromotriu va augmentant, limitant sempre el corrent a valors.

Regulació de la velocitat de gir:

La velocitat del motor és directament proporcional a la tensió aplicada a l'induït i inversament proporcional al flux magnètic inductor. Si disminueix la tensió o si s'augmenta el flux magnètic (augmentant el corrent als bobinats de l'inductor), disminuirà la velocitat del motor. Si s'augmenta la tensió i es disminueix el flux magnètic llavors la velocitat augmentarà.

Amb aquesta gràfica podem veure segons les diferents exitacions, com si augmentem la tensió, la velocitat augmenta. També podem deduir que si disminuim la tensió, la velicitat disminueix.

Aplicacions:

Els motors de corrent continu s’utilitzen en moltes aplicacions gràcies a la seva precisió i potència:

•Micro motors

•Grues de gran precisió

•Màquines d’eines

•Màquines elevadores

•En la robòtica 

•Trens i tramvies

•Ascensors 

•Motors d’ordinador

5. Motors de Corrent Altern (CA)

Ens centrem en el motor asíncron trifàsic o motor d’inducció trifàsic, que és el motor industrial per excel.lència. Els motors asíncrons són màquines rotatives de flux variable i sense col·lector. 

El camp inductor està generat per corrent altern. Generalment, l'inductor està en l'estator i l'induït al rotor.

Són motors que es caracteritzen degut a aquestes  principals avantatges que fan que sigui molt utilitzat en la indústria:

-Són mecànicament senzills de construir, la qual cosa els fa molt robustos i senzills, tot i així necessiten manteniment.

-Són barats.

-En el cas de motors trifàsics, no necessiten arrencadors (arrenquen per si sols a connectar-la xarxa trifàsica de alimentació).

-No es veuen sotmesos a vibracions per efecte de la transformació d'energia elèctrica en mecànica, ja que la potència instantània absorbida per una càrrega trifàsica és constat i igual a la potència activa. 

Com a inconvenients podem dir que són motors que tenen baixos parells d'arrencada, que presenten una zona inestable de funcionament i que el control de velocitat en amplis rangs és complex.

El funcionament dels motors asíncrons es basa en la creació d’un camp magnètic giratori. Com que la construcció i el disseny d’un imant giratori seria molt difícil i costosa, s’utilitzen 3 bobines desfasades 120º col·locades en el estàtor i connectades a un alimentador trifàsic. Aquestes bobines creen un camp magnètic "giratori" d’amplitud constant. A l’estàtor s’hi col·loca una bobina en curtcircuit, de manera que en produïr-se el “gir” del camp magnètic, la bobina queda sotmesa a una variació del flux que crea una FEM i com a conseqüència un corrent induït. Per l’acció del camp sobre el corrent es genera un parell de forces que fa girar la bobina, la qual està unida al rotor. 

D’acord amb la llei de Lenz, el corrent induït s’oposa a la causa que el provoca, per tant, la bobina girarà en el mateix sentit que el camp. El rotor gira a una velocitat inferior a la del camp, ja que si girés a la mateixa velocitat no estaria sotmesa a una variació de flux i per tant no generaria una FEM induïda. La diferència entre la velocitat del camp i la velocitat del rotor s’anomena lliscament.

Corba de parell motor-velocitat:

La gràfica superior ens mostra tot el procés de relació entre el parell i la velocitat del motor.

La corba de la gràfica superior ens mostra el parell d'encesa, el parell màxim i el parell a plena càrrega, mostrant el seu màxim seguit d'una forta vall. 

A partir de les anteriors corbes proporcionarem les següent dades:

-El parell induit del motor és zero quan està en velocitat sincrònica.

-La corba parell-velocitat és aproximadament lineal entra el buit i plena càrrega, això és així ja que quan creix el lliscament, creix linealment: el corren rotòric, el camp magnètic del rotor i el parell induit.

-El parell màxim o de desviació, equival a 2 o 3 cops el parell nominal.

-El parell d'arrencada és lleugerament major al parell de plena càrrega.

-La màquina d'inducció treballa com a generador quan la velocitat del rotos és major que la de sincronisme. Així doncs, la direcció del parell induit s'inverteix, transformant la potència mecànica en potència elèctrica.

-Per a frenar amb rapidesa el motor, commutem dos fases, és a dir ,invertir la direcció de rotació del camp magnètic. 

Aplicacions:

Els motors de corrent altern s’utilitzen molt en màquines industrials: extractors, bombes centrífugues ,premses, elevadors, compressors i altres.

També els trobem en fàbriques tèxtils i fàbriques de pòlvora degut al seu baix risc d’incendi.

Aquest video que teniu a continuació us podrà ajudar a aclarir dubtes o  millorar la idealització del seu funcionament. 

6. Motors universals

Aquest motor també s'anomena motor monofàsic en sèrie, perquè és un motor de CC amb excitació en sèrie, al qual se li han fet algunes modificacions.

Un motor universal és un motor que pot funcionar amb CC i CA, sense que les característiques de funcionament de cada corrent generin variacions.

Un avantatge en relació als motors monofàsics és que té el parell motor més alt.

L'inconvenient és que no funciona a velocitat constant.

A continuació us mostrarem una animació on mostra el funcionament del motor universal:

7. Motor pas a pas

Un motor pas a pas és un motor elèctric sincrònic sense escombretes, que pot dividir una rotació sencera en un gran nombre de passos. Així el motor pot fer girar en un angle precís.

Els motors pas a pas controlats per ordinador són una de les  millors formes dels sistemes de posició, especialment quan són controlats digitalment com part d'un sistema. Els motors pas a pas s'utilitzen en disqueteres, escàners, impressores, traçadors i molts altres mecanismes. 

Els motors pas a pas també es poden utilitzar per al posicionament dels estats de vàlvules pilot, per a sistemes de control de fluids.

A continuació us mostrem un video on veureu com funciona un motor pas a pas: