Màquines Elèctriques: Dinamos, Alternadors i Conceptes Clau

Què és una Màquina Elèctrica?

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

Tipus Principals de Màquines Elèctriques

• Generadors: Transformen l'energia mecànica en energia elèctrica.
• Motors: Transformen l'energia elèctrica en energia mecànica.
• Transformadors: Varien les característiques (tensió, intensitat) de l'energia elèctrica en corrent altern per facilitar-ne el transport i la utilització.

La Dinamo: Generador de Corrent Continu

Les dinamos són generadors de corrent continu. Actualment són poc utilitzades en la generació a gran escala, ja que la producció i el transport d'electricitat es fan majoritàriament amb corrent altern. Una de les seves característiques principals és que són màquines reversibles, és a dir, poden funcionar tant com a generador com a motor, sent aquesta darrera la seva aplicació industrial més habitual avui dia.

Constitució de la Dinamo

Les parts essencials d'una dinamo són l'estator (part fixa) i el rotor (part mòbil). L'espai d'aire que queda entre ambdues parts es diu entreferro.

Estator (Inductor)

L'estator és l'estructura fixa que sustenta els mecanismes i conté el sistema inductor, que serveix per produir el camp magnètic principal.

• Pols inductors: Situats a l'estator, estan dissenyats per repartir uniformement el camp magnètic a l'entreferro.
• Bobinatge inductor (o d'excitació): Són les bobines enrotllades al voltant dels pols principals, per on circula el corrent que crea el camp magnècti (excitació).
• Culata: Part de l'estructura de l'estator que serveix per tancar el circuit magnètic i subjectar els pols inductors.

Rotor (Induït)

El rotor és la part giratòria de la màquina on es genera la força electromotriu (fem).

• Nucli de l'induït: Format per xapes magnètiques aïllades per reduir les pèrdues magnètiques (pèrdues en el ferro). Presenta ranures on s'allotja el bobinatge.
• Bobinatge Induït: Conjunt de conductors distribuïts per les ranures del nucli, on es genera el corrent elèctric.
• Col·lector de delgues: Format per lamel·les de coure aïllades entre si, connectades als extrems del bobinatge induït. Gira amb el rotor i, mitjançant les escombretes (peces fixes de carbó), permet recollir el corrent continu generat.

Tipus d'Excitació en Dinamos Autoexcitades

En les màquines autoexcitades, el bobinatge inductor i el bobinatge induït estan connectats elèctricament entre si, de manera que la mateixa màquina genera el corrent per alimentar el seu propi camp magnètic inductor.

• Excitació en sèrie: El bobinatge inductor i l'induït estan connectats en sèrie. La intensitat que circula per ambdós és la mateixa.
• Excitació en derivació (shunt): El bobinatge inductor i l'induït estan connectats en paral·lel.
• Excitació composta (compound): El bobinatge inductor consta de dues parts: una connectada en sèrie amb l'induït i l'altra connectada en derivació.

L'Alternador: Generador de Corrent Altern

Constitució de l'Alternador

Com la majoria de màquines rotatives, consta d'un estator i un rotor. En els alternadors (síncrons), l'induït sol ser l'estator i l'inductor el rotor.

• Estator (Induït): Part fixa on es troba el bobinatge induït, en el qual es genera el corrent altern trifàsic.
• Rotor (Inductor): Part mòbil que crea el camp magnètic giratori. Necessita una font de corrent continu (CC) externa per alimentar el seu bobinatge inductor (excitació). Pot ser de dos tipus:
  • Rotor de pols sortints: Utilitzat en alternadors de baixa velocitat i gran nombre de pols (p. ex., en centrals hidràuliques).
  • Rotor de pols llisos (o cilíndric): Utilitzat en alternadors d'alta velocitat (turboalternadors), típics de centrals tèrmiques i nuclears.

Nota: Els alternadors necessiten una font de corrent continu (CC) per alimentar el sistema inductor (bobinatge del rotor) i crear el camp magnètic.

Pèrdues i Potències en Màquines Elèctriques

A les màquines elèctriques sempre es produeixen pèrdues d'energia durant el procés de conversió. No obstant això, aquestes pèrdues són relativament petites en comparació amb altres tipus de màquines, la qual cosa permet obtenir rendiments elevats.

Tipus de Pèrdues

• Pèrdues magnètiques (o pèrdues en el ferro): Es produeixen en els circuits magnètics (nucli de l'estator i del rotor) a causa dels fenòmens d'histèresi i dels corrents de Foucault (o paràsits).
• Pèrdues elèctriques (o pèrdues en el coure): Degudes a la resistència elèctrica dels bobinatges (inductor i induït). Es manifesten en forma de calor per l'Efecte Joule (P = I²R).
• Pèrdues mecàniques: Provocades pels fregaments en els coixinets, la fricció de les escombretes (si n'hi ha) i la potència necessària per a la ventilació i refrigeració de la màquina.

Conceptes de Potència

• Potència absorbida (P_a): És la potència que se subministra a la màquina per al seu funcionament (elèctrica per a motors, mecànica per a generadors).
• Potència perduda (P_p): És la suma de totes les pèrdues d'energia a la màquina (P_p = P_magnètiques + P_elèctriques + P_mecàniques). Es dissipa principalment en forma de calor.
• Potència útil (P_u): És la potència que la màquina lliura a la càrrega o a l'eix (mecànica per a motors, elèctrica per a generadors). Es compleix que P_u = P_a - P_p.
• Potència nominal: És la màxima potència útil que la màquina pot subministrar (o absorbir, segons el cas) de forma contínua en condicions especificades de funcionament, sense sobreescalfar-se ni deteriorar-se prematurament. Sol venir indicada a la placa de característiques.