Màquines elèctriques de corrent altern

Les màquines elèctriques s'utilitzen per convertir l'energia mecànica en energia elèctrica (generadors de CA i CC) i viceversa (motors elèctrics).

En tots aquests casos s'utilitzen essencialment tres descobriments principals en el camp de l'electromagnetisme: el fenomen d'interacció mecànica de corrents descobert per Ampere el 1821, el fenomen de la inducció electromagnètica descobert per Faraday el 1831 i el resum teòric d'aquests fenòmens fet per Lenz (1834) en la seva coneguda llei de la direcció del corrent induït (de fet, la llei de Lenz va predir la llei de conservació de l'energia per als processos electromagnètics).

Per convertir l'energia mecànica en energia elèctrica o viceversa, cal crear un moviment relatiu d'un circuit conductor amb un corrent i un camp magnètic (imant o corrent).

A les màquines elèctriques dissenyades per a un funcionament continu, s'utilitza el moviment giratori de la part mòbil de la màquina (el rotor de la màquina de corrent altern) situat a l'interior de la part estacionària (l'estator).La bobina de la màquina que serveix per crear el camp magnètic s'anomena inductor, i la bobina que circula amb el corrent de funcionament s'anomena induït. Aquests dos darrers termes també s'utilitzen per a màquines de corrent continu.

Per augmentar la inducció magnètica, es col·loquen bobinatges de màquines sobre cossos ferromagnètics (acer, ferro colat).

Totes les màquines elèctriques tenen la propietat de reversibilitat, és a dir, es poden utilitzar tant com a generadores d'energia elèctrica com com a motors elèctrics.

Motors asíncrons

S'utilitzen motors asíncrons una de les manifestacions de la inducció electromagnètica… En els cursos de física es demostra de la següent manera:

Sota un disc de coure, que pot girar al voltant d'un eix vertical que passa pel seu centre, es col·loca un imant de ferradura vertical impulsat per girar al voltant del mateix eix (s'exclou la interacció mecànica entre el disc i l'imant). En aquest cas, el disc comença a girar en el mateix sentit que l'imant, però a menor velocitat. Si augmenteu la càrrega mecànica del disc (per exemple, augmentant la fricció de l'eix contra el coixinet d'empenta), la seva velocitat de rotació disminueix.

El significat físic d'aquest fenomen s'explica fàcilment per la teoria de la inducció electromagnètica: quan l'imant gira, es crea un camp magnètic giratori, que indueix corrents de Foucault al disc, la magnitud d'aquest últim depèn, en igualtat de coses, de la velocitat relativa del camp i del disc.

Segons la llei de Lenz, el disc ha de girar en la direcció del camp. En absència de fricció, el disc ha d'adquirir una velocitat angular igual a la velocitat de l'imant, després de la qual la fem induïda desapareixerà. A la vida real, la fricció és inevitablement present i el disc es torna més lent.La seva magnitud depèn del moment de frenada mecànica que experimenta el disc.

La discrepància entre la velocitat de rotació del disc (rotor) i la velocitat de rotació del camp magnètic es reflecteix en el nom dels motors.

Principi de funcionament dels motors asíncrons:

En els motors tècnics asíncrons (la majoria de les vegades trifàsics) es crea un camp magnètic giratori corrent polifàsicaque flueix al voltant del bobinatge estacionari de l'estator. A la freqüència de corrent trifàsica és i el nombre de bobines de l'estator 3p camp giratori fa n = f / p revolucions / seg.

Un rotor giratori es troba a la cavitat de l'estator. Al seu eix es pot connectar un mecanisme giratori.En els motors més senzills de "cel·la d'esquirol", el rotor consisteix en un sistema de barres metàl·liques longitudinals col·locades a les ranures d'un cos cilíndric d'acer. Els cables estan curtcircuitat per dos anells. Per augmentar el parell, el radi del rotor es fa prou gran.

En altres dissenys de motors (normalment motors d'alta potència), els cables del rotor formen un bobinatge trifàsic obert. Els extrems de les bobines es fan curtcircuits al propi rotor i els cables es porten a tres anells lliscants muntats a l'eix del rotor i aïllats d'ell.

A aquests anells es connecta un reòstat trifàsic mitjançant contactes lliscants (raspalls), que serveix per posar en marxa el motor en moviment. Després de girar el motor, el reòstat s'elimina completament i el rotor es converteix en una gàbia d'esquirol (vegeu: Motors asíncrons amb rotor bobinat).

Hi ha una placa de terminals a la carcassa de l'estator. Els bobinatges de l'estator se'ls porten. Es poden incloure estrella o triangle, en funció de la tensió de la xarxa: en el primer cas la tensió de la xarxa pot ser 1,73 vegades superior a la del segon.

S'anomena el valor que caracteritza la desacceleració relativa del rotor en comparació amb el camp de l'estator del motor d'inducció relliscant… Canvia del 100% (en el moment d'arrencar el motor) a zero (cas ideal de moviment del rotor sense pèrdues).

La inversió del sentit de gir del motor d'inducció s'aconsegueix mitjançant la commutació mútua de cada dos conductors lineals de la xarxa elèctrica que alimenta el motor.

Els motors de gàbia d'esquirol s'utilitzen àmpliament a la indústria. Els avantatges dels motors asíncrons són la senzillesa del disseny i l'absència de contactes lliscants.

Fins fa poc, el principal desavantatge d'aquests motors era la dificultat de la regulació de la velocitat, perquè si es canvia la tensió del circuit de l'estator per a això, el parell canvia bruscament, però tècnicament era difícil canviar la freqüència del corrent d'alimentació. Els dispositius de microprocessador moderns s'utilitzen àmpliament per controlar la freqüència del corrent d'alimentació per variar la velocitat dels motors. convertidors de freqüència.

Alternadors

Els alternadors estan construïts per a una potència significativa i alta tensió. Com les màquines asíncrones, tenen dos bobinatges. Normalment, el bobinatge de l'induït es troba a la carcassa de l'estator. Els inductors que creen el flux magnètic primari estan muntats al rotor i són alimentats per un excitador, un petit generador de corrent continu muntat a l'eix del rotor. A les màquines de gran potència, l'excitació es crea de vegades per una tensió alterna rectificada.

A causa de la immobilitat de l'enrotllament de l'induït, desapareixen les dificultats tècniques associades a l'ús de contactes lliscants a altes potències.

La figura següent mostra un esquema d'un generador monofàsic. El seu rotor té vuit pols. Sobre aquestes hi ha bobines enrotllades (no es mostren a la figura) alimentades des d'una font externa per corrent continu aplicat als anells lliscants muntats a l'eix del rotor. Les bobines dels pols s'enrotllen de manera que s'alternen els signes dels pols orientats a l'estator. El nombre de pols ha de ser parell.

El bobinatge de l'induït es troba a la carcassa de l'estator. Els seus llargs cables «actius» de treball, perpendiculars al pla del dibuix, es mostren a la figura amb cercles, són travessats per les línies d'inducció magnètica quan el rotor gira.

Els cercles mostren la distribució instantània de les direccions dels camps elèctrics induïts. Els cables de connexió que corren per la part frontal de l'estator es mostren amb línies sòlides i a la part posterior amb línies discontínues. Les pinces K s'utilitzen per connectar un circuit extern al bobinatge de l'estator. El sentit de gir del rotor s'indica amb una fletxa.

Si talleu mentalment la màquina al llarg d'un radi que passa entre les pinces K i la transformeu en un pla, la posició relativa del bobinatge de l'estator i els pols del rotor (lateral i pla) es representarà amb un dibuix esquemàtic:

Tenint en compte la figura, ens assegurem que tots els cables actius (que passen pels pols de l'inductor) estiguin connectats entre si en sèrie i se sumeixi la CEM induïda en ells. Les fases de tots els CEM són òbviament les mateixes.Durant una rotació completa del rotor, s'obtindran quatre períodes complets de canvi de corrent en cadascun dels cables (i, per tant, en el circuit exterior).

Si una màquina elèctrica té p parells de pols i el rotor gira fent n revolucions per segon, aleshores la freqüència del corrent altern rebut per la màquina és f = pn hz.

Com que la freqüència de l'EMF a la xarxa ha de ser constant, la velocitat de gir dels rotors ha de ser constant. Per obtenir una EMF de freqüència tècnica (50 Hz), es pot utilitzar una rotació relativament lenta si el nombre de pols del rotor és prou gran.

Per obtenir corrent trifàsica, es col·loquen tres bobinatges separats al cos de l'estator. Cadascun d'ells està compensat en relació amb els altres dos en un terç de la distància de l'arc entre pols adjacents (oposats) dels inductors.

És fàcil verificar que quan els inductors giren, s'indueixen EMF a les bobines desplaçades en fase (en el temps) en 120 °. Els extrems de les bobines s'eliminen de la màquina i es poden connectar en estrella o en triangle.

En un generador, la velocitat relativa del camp i del conductor està determinada pel diàmetre del rotor, el nombre de revolucions del rotor per segon i el nombre de parells de pols.

Si el generador és accionat per un corrent d'aigua (hidrogenerador), normalment es fa amb revolucions lentes. Per obtenir la freqüència de corrent desitjada, cal augmentar el nombre de pols, que al seu torn requereix un augment del diàmetre del rotor.

Per una sèrie de motius tècnics potents generadors d'hidrogen solen tenir un eix vertical i se situen per sobre de la turbina hidràulica, fet que els fa girar.

Generadors de turbina de vapor: els generadors de turbina solen ser d'alta velocitat. Per tal de reduir les forces mecàniques, tenen uns diàmetres reduïts i un nombre corresponent de pols reduït.Una sèrie de consideracions tècniques requereixen la fabricació de turbogeneradors amb eix horitzontal.

Si el generador és accionat per un motor de combustió interna, s'anomena generador dièsel, ja que els motors dièsel s'utilitzen generalment com a motors que consumeixen combustible més barat.

Reversibilitat del generador, motors síncrons

Si s'aplica una tensió alterna al bobinatge de l'estator del generador des d'una font externa, hi haurà una interacció dels pols de l'inductor amb el camp magnètic del corrent generat a l'estator i actuaran parells des de la mateixa direcció. a tots els pols.

Si el rotor gira a una velocitat tal que, poc després de la meitat del període del corrent altern, el següent pol de l'inductor (en el signe oposat al primer pol) s'ajustarà sota el cable considerat del bobinatge de l'estator, llavors el signe del La força d'interacció entre aquest i el corrent, que ha canviat de direcció, continuarà sent la mateixa.

En aquestes condicions, el rotor, estant sota la influència contínua del parell, seguirà movent-se i podrà accionar qualsevol mecanisme. La superació de la resistència al moviment del rotor es produirà a causa de l'energia consumida per la xarxa, i el generador es convertirà en un motor elèctric.

Cal tenir en compte, però, que el moviment continu només és possible a una velocitat de gir estrictament definida, ja que en cas de desviació d'aquesta, un moment accelerador actuarà parcialment sobre cadascun dels pols del rotor, movent-se entre els dos conductors del rotor. estator, part del temps - aturada.

Per tant, la velocitat de gir del motor s'ha de determinar estrictament, — el temps durant el qual el pol es substitueix pel següent ha de coincidir amb el mig període del corrent, per això s'anomenen aquests motors. de manera sincrònica.

Si s'aplica una tensió alterna al bobinatge de l'estator amb un rotor estacionari, aleshores, tot i que tots els pols del rotor durant el primer mig cicle del corrent experimenten l'acció de parells del mateix signe, encara, a causa de la inèrcia, el el rotor no tindrà temps de moure's. En el següent mig cicle, el signe dels parells de tots els pols del rotor canviarà al contrari.

Com a resultat, el rotor vibrarà però no podrà girar. Per tant, primer s'ha de bobinar el motor síncron, és a dir, portar al nombre normal de revolucions i només llavors s'ha d'encendre el corrent al bobinatge de l'estator.

El desenvolupament de motors síncrons es realitza mitjançant mètodes mecànics (a baixes potències) i dispositius elèctrics especials (a altes potències).

Per a petits canvis de càrrega, la velocitat del motor canviarà automàticament per adaptar-se a la nova càrrega. Així, a mesura que augmenta la càrrega a l'eix del motor, el rotor s'alenteix immediatament. Per tant, el canvi de fase entre la tensió de línia i l'EMF induït oposat induït per l'inductor al bobinatge de l'estator canvia.

A més, la reacció de l'induït crea una desmagnetització dels inductors, de manera que el corrent de l'estator augmenta, els inductors experimenten un augment del parell i el motor comença a girar de nou de manera sincrònica, superant l'augment de càrrega. Un procés similar es produeix amb la reducció de càrrega.

Amb fortes fluctuacions de la càrrega, aquesta adaptabilitat del motor pot ser insuficient, la seva velocitat canviarà significativament, "caurà de sincronisme" i finalment s'aturarà, mentre desapareix la EMF d'inducció induïda a l'estator i el corrent augmenta. bruscament. Per tant, s'han d'evitar les fortes fluctuacions de la càrrega. Per aturar el motor, òbviament, primer cal desconnectar el circuit de l'estator i després desconnectar les bobines; Quan engegueu el motor, heu de seguir l'ordre invers de les operacions.

Els motors síncrons s'utilitzen més sovint per accionar mecanismes que funcionen a una velocitat constant. Aquests són els avantatges i els desavantatges dels motors síncrons i els mètodes per engegar-los: Motors síncrons i les seves aplicacions

Tira de pel·lícules didàctiques - "Motors síncrons", creada per la fàbrica d'ajudes pedagògiques i visuals l'any 1966. Podeu veure-ho aquí: cinta de pel·lícula «Motor síncron»