Màquina elèctrica

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

Una màquina elèctrica és un tipus de màquina que és capaç de convertir l'energia electromecànica. Podem trobar tres tipus de màquines elèctriques. Els generadors, que transformen l'energia mecànica en elèctrica; els motors, que transformen l'energia elèctrica en mecànica; i els transformadors, que transformen l'energia elèctrica d'entrada amb determinades magnituds en una altra diferent.[1]

Les màquines elèctriques en forma de generadors, produeixen virtualment tota l'energia elèctrica a la Terra, i en forma de motors elèctrics consumeixen aproximadament el 60% de tota l'energia elèctrica produïda. Les màquines elèctriques es van desenvolupar a partir de mitjans del segle XIX. El desenvolupament de la tecnologia de la màquina elèctrica més eficient és crucial per a qualsevol conservació global, l'energia verda, o l'estratègia d'energia alternativa.

Introducció[modifica | modifica el codi]

Les màquines elèctriques són el resultat d’una aplicació intel·ligent dels principis del electromagnetisme i, en particular, de la llei de la inducció de Faraday. Les màquines elèctriques es caracteritzen per tenir circuits elèctrics i circuits magnètics entrellaçats. Durant tot el procés històric del seu desenvolupament, van tenir un paper rector que determinava el moviment de tota la enginyeria elèctrica, i la seva aplicació estava al servei dels camps relacionats amb la generació, transport, distribució i utilització de l’energia elèctrica. Les màquines elèctriques realitzen una conversió d’energia d’una forma a una altra , una de les quals al menys és elèctrica. [2]

Màquina elèctrica de Nollet.

En base a aquest unt de vista energètica, és possible classificar-les segons tres tipus fonamentals:

  1. Generador: Que transforma l’energia mecànica en elèctrica. L’acció es desenvolupa pel moviment d’una bobina en un camp magnètic, resultant una força electromagnètica induïda que al aplicar-la al circuit extern produeix una corrent que interacciona amb el camp i desenvolupa una força mecànica que s’oposa al moviment.
  2. Motor: Que transforma l’energia elèctrica en mecànica. L’acció es desenvolupa introduint una corrent en la màquina gràcies a una font externa que interacciona amb el camp produint un moviment de la màquina. Apareix llavors, una força electromagnètica induïda que s’oposa a la corrent i que, per això, es denomina força contraelectromotriu. En conseqüència, el motor necessita una energia elèctrica d’entrada per produir l’energia mecànica corresponent.
  3. Transformador: Que transforma una energia elèctrica d’entrada amb determinades magnituds de tensió i corrent en una altra energia elèctrica de sortida amb magnituds diferents.

Els generador i motors tenen un accés mecànic i per això són màquines dotades de moviment, que normalment es de rotació. Per contra, els transformadors són màquines de que tenen únicament accessos elèctrics i son màquines estàtiques.

Cada màquina en particular, compleix el principi de reciprocitat electromagnètica, fet que significa que son reversibles, podent funcionar com a generador o com a motor. L’estudi de les màquines elèctriques ha experimentat grans canvis al llarg de la història. L’anàlisi tradicional consistia en estudiar independentment cada una de les màquines, destacant les diferències entre elles des del punt de vista de funcionament, disseny, construcció, etc. Actualment, però, i a partir dels estudis de Park i de Kron, s’han exposat teories generalitzades i unificades, donant lloc a una sèrie de textos ja clàssics en aquesta matèria gràcies a Woodson, Adkins, Jones, Gibbs, etc., on es destaquen més les analogies que les diferències. Així es permet un anàlisi transitori d’aquestes màquines a base d’equacions de circuit del tipus matricial i tensorial.[3]

Tipus de màquines elèctriques[modifica | modifica el codi]

Màquines elèctriques
Corrent Màquines rotatòries Màquines estàtiques
Corrent altern
monofàsic i trifàsic
Síncrones Generador
Motor
Compensador
Asíncrones Motor
Generador
Compensador
Commutades Motor monofàsic en sèrie
Convertidor de freqüència
Transformador
Regulador d'inducció
Variador de fase
Cicloconvertidor
Corrent continu
Commutades Generador
Motor
Compensador
Trossejador [4]
AC
DC
Commutades Motor universal
Convertidor
Rectificador
Inversor

Totes les màquines tenen un circuit magnètic i un circuit elèctric, les màquines rotatòries a més tenen una part fixa, anomenada estator i una part mòbil, anomenada rotor.

Les màquines elèctriques consten d'una sèrie de pols.

Generadors[modifica | modifica el codi]

Els primers generadors d’energia elèctrica van ser les piles químiques de Volta, que produïen una força electromagnètica d’amplitud constant denominada corrent contínua. Per aquesta raó, els físics i enginyers de la primera mitat del segle XIX que varen treballar amb aquests elements galvànics, pretenien aconseguir també una màquina elèctrica rotativa que subministrés corrent continua. El període fonamental del desenvolupament del generador elèctric, en el curs del qual aquesta va obtenir tots els trets de la màquina moderna, inclou el temps comprès entre els anys 1831 i 1886, en els quals es van produir les quatre etapes del desenvolupament següent:

  1. Màquina magnetoelèctrica amb imants permanents.
  2. Ús d’electroimants amb excitació independent a les màquines.
  3. Màquines elèctriques amb autoexcitació i induïts elementals.
  4. Màquines elèctriques autoexcitades amb induïts perfeccionats i sistema magnètic multipolar.
Màquina electromagnètica de Pixii.

La primera fase comprèn des del 1831 i el 1851. En aquest període de temps, la màquina elèctrica, que inicialment representava una experiència de laboratori, es va anar transformant fins a aconseguir un model semi industrial amb aplicacions a electroquímica i enllumenat. Michael Faraday després de descobrir el principi de la inducció magnètica al 1831, va realitzar experiències amb bobines i solenoides. Al novembre de 1831, va construir una nova màquina elèctrica. Era un disc de coure de 12 polzades de diàmetre i 1’5 polzades d’espessor que girava sobre un eix horitzontal, dins del camp magnètic d’un potent electroimant. Al col·locar una banda conductora fregant la perifèria del disc i una altra sobre l’eix, va comprovar amb un galvanòmetre unit a aquestes bandes que s’obtenia una desviació del mateix. D’aquesta manera, Faraday demostrava la producció d’electricitat mitjançant imants permanents.[5] Als pocs mesos, al juliol de 1832, va construir una màquina de tipus oscil·lant que era poc pràctica però demostrava un efecte motor.

Aquell mateix any Hippolyte Pixii de Paris, va construir la primera màquina magnetoelèctrica generadora que produïa una corrent alterna.[6] No obstant, a aquesta senyal alterna no se la veia aplicacions pràctiques ja que tenia una forma d’ona diferent a la que es coneixia de les piles de Volts. Pixii va millorar més endavant aquesta màquina assessorat per Ampère i va idear un commutador primitiu per rectificar l’ona resultant i convertir-la en una ona unidireccional.[7]

Al 1833 l’anglès William Ritchie va construir una màquina magnetoelèctrica amb col·lector invertit, que també donava lloc a una senyal unidireccional. Aquell mateix any va aparèixer la màquina de Saxton que constava d’un imant en ferradura col·locat en posició vertical i dins dels seus pols girava un induït amb quatre bobines des d’on s’obtenia corrent alterna.

Clarke al 1835 va construir una  màquina similar però dotada d’un commutador especial per obtenir corrent continua. Andreas Von Ettingshausen al 1837 i Poggendorf al 1838 van idear també diferents tipus de mecanismes per la rectificació de la corrent.

Al 1841, Woolrich va construir una màquina multipolar per la electroquímica que tenia el doble de bobines que de pols, significant un avantatge a l’hora d’utilitzar més bobines i que la tensió de sortida del commutador fos menys pulsatiu i intermitent i s’assemblava més a la corrent contínua.

Jean Antoine Nollet al 1849, va dissenyar una màquina de corrent alterna que va ser perfeccionada per Holmes construïda per la firma “L’Alliance”. Amb l’aprovació de Faraday, Holmes va construir una màquina perfeccionada de corrent contínua, que es va mostrar al públic a l’exposició internacional del 1862.[8] Es tractava d’una màquina multipolar dotada amb un gran commutador, amb 160 bobines i 60 imants disposats en tres cercles, presentant cada un 40 pols. Aquesta, màquina es va exportar a diversos països fent-se servir com a enllumenat per edificis.[9]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. «Maquinas Electricas. Generadores, motores y transformadores.».
  2. Fraile Mora, Jesús. Máquinas eléctricas, p. 87-89. 
  3. Fraile Mora, Jesús. Colegio de ingenieros de caminos, canales y puertos. Máquinas eléctricas. Cuarta edición, p. 90-98. ISBN 84-380-0180-7. 
  4. [enllaç sense format] http://www.iecat.net/butlleti/pdf/89_butlleti_termcat.pdf Butlletí del TERMCAT
  5. «[www.bbc.com/history/historic_figures/faraday_michael.shtml Michael Faraday (1791-1867)]».
  6. «AC Power History».
  7. «Historia de la electricidad».
  8. «Holmes' electro-magnetic light appatatus».
  9. Fraile Mora, Jesús. Máquinas eléctricas, p. 680-687. 

Vegeu també[modifica | modifica el codi]