Alternatore

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Immagine storica di alternatore trifase della Kraftwerk Heimbach, Germania

L'alternatore è una macchina elettrica rotante basata sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica, che trasforma energia meccanica in energia elettrica sotto forma di corrente alternata assumendo la funzione di trasduttore.

Svolge in pratica l'azione inversa rispetto al motore asincrono e presenta la stessa struttura di base.

Principio costruttivo[modifica | modifica wikitesto]

Il principio costruttivo e di funzionamento varia a seconda del tipo di generatore.

Generatore sincrono[modifica | modifica wikitesto]

La macchina è costituita da una parte cava fissa, chiamata statore, al cui interno ruota una parte cilindrica calettata sull'albero di rotazione, detta rotore. Sullo statore sono presenti gli avvolgimenti elettrici su cui vengono indotte le forze elettromotrici che sosterranno la corrente elettrica prodotta.[1][2]

Il rotore genera il campo magnetico rotante per mezzo di elettromagneti, che sono in numero pari al numero delle fasi moltiplicato per il numero di coppie polari: in caso di alternatore trifase a due poli (una coppia polare) si hanno tre elettromagneti, in caso di alternatore trifase a quattro poli (due coppie polari) si hanno sei elettromagneti, i quali sono a loro volta opportunamente alimentati. In alternativa vengono utilizzati dei magneti permanenti che non necessitano di alimentazione: in quest'ultimo caso si ha solo una coppia polare (Nord e Sud) per ogni coppia di poli statorici. Unica eccezione si ha negli alternatori trifase o bifase motociclistici, dove gli alternatori non sono dei veri alternatori trifase o bifase, ma sono tre o due alternatori monofase disposti equidistanti e soggetti a tre o due coppie polari per rotazione, quindi si hanno tre o due onde sinusoidali non sfasate. Inoltre, soprattutto nel caso in cui essi siano monofase, questi possono avere un numero di coppie polari superiore (multipli di due, tre, ecc.) rispetto al numero delle fasi.

La tipologia costruttiva varia notevolmente a seconda del tipo di macchina a cui sono accoppiati. Nel caso di alternatori siti in centrali idroelettriche, dove la turbina idraulica ruota a frequenze non troppo elevate, dell'ordine di poche centinaia di giri al minuto, l'avvolgimento rotorico sporge rispetto all'albero (si parla di macchina ad N "poli salienti"[3]). La velocità dipende dalle caratteristiche della turbina idraulica ed è inversamente proporzionale al numero dei poli. Alternatori accoppiati a turbomacchine (turbine a gas o a vapore) hanno anche l'avvolgimento rotorico alloggiato in cave, ruotano a frequenze maggiori, comparabili con la frequenza di rete, e si distinguono ulteriormente per tipologia di raffreddamento, ad aria, acqua e ad idrogeno.

Il rendimento di questi alternatori è molto alto, intorno al 0,97 (97%) per scendere fino al 0,85 (85%).

Generatore asincrono[modifica | modifica wikitesto]

Nel caso invece si utilizzi come base un motore asincrono, tale motore viene utilizzato come generatore soltanto quando le potenze in gioco sono contenute e principalmente quando è collegato a una rete elettrica prevalente (rete nazionale), che è mantenuta in tensione da alternatori sincroni. Il motore asincrono per poter funzionare come generatore preleva energia reattiva dalla rete per magnetizzare il circuito rotorico (essendo i circuiti rotorici a gabbia di scoiattolo privi d'eccitazione), il rotore viene poi avviato tramite una sorgente energetica esterna (fonte meccanica) e portato in ipersincronismo (il campo magnetico del rotore ruota più velocemente del campo magnetico dello statore), diventando generatore di energia. In questa condizione, mentre eroga potenza attiva verso la rete prevalente, assorbe contemporaneamente potenza reattiva per tenere alimentato il campo magnetico rotante. Secondo alcuni studi il rendimento di tali macchine dovrebbe essere attestato intorno a 0,6 (60%), per scendere fino a 0,4 (40%) risultando quindi molto inferiore in confronto al sistema sincrono, ma col vantaggio d'essere robusto e semplice da gestire, in quanto, in caso d'aumento della velocità dell'albero non si ha la sovrafrequenza (frequenza più elevata), ma fenomeni meccanici localizzati ad esempio nell'albero (come la frenatura).

Per far funzionare un generatore asincrono in isola (senza rete principale esterna in collegamento, ma essendo il solo generatore), si utilizzano dei condensatori collegati ai morsetti del motore, sia per l'uscita Trifase 220/380 con 3 condensatori 400 volt a stella 15 microfarad per Kw , che per quella monofase a 230 V, con la tecnica del C-2C, due condensatori di cui il secondo ("2C") del valore doppio del primo ("c"), che forniscono la potenza reattiva necessaria al motore, permettendone il suo funzionamento come generatore. Il difetto di quest'applicazione è la necessità di un regolatore meccanico sul sistema di potenza(motore endotermico turbina ecc) o elettronico a dissipazione situato a valle del motore/generatore asincrono in isola. Di conseguenza si avrà una frequenza e una tensione stabile al variare del carico elettrico allacciato. Questa tecnica si chiama IGC (Induction Generator Controller) ed è usata spesso nelle turbine idroelettriche anche oltre i 50 kW funzionanti in isola. Ovviamente servirà una resistenza elettrica (zavorra) atta a dissipare tutta la potenza prodotta. A volte sulle turbine idrauliche in isola si usa anche un misto tra le due tecniche, inutile dire che è assurdo usare tale sistema con motore asincrono come generatore per un gruppo elettrogeno in isola: meglio un alternatore sincrono, infatti l'asincrono in isola si usa solo per le turbine idrauliche bi a bassa potenza, ma il carico dovrà essere prevalentemente resistivo, pena il rischio della diseccitazione, con conseguente perdita di tensione e aumento di velocità (fuga della turbina/motore primo). Gli asincroni si possono usare in parallelo alla rete che fornisce la tensione di eccitazione per le turbine idrauliche che cedono energia in parallelo alla rete nazionale.

Impieghi pratici[modifica | modifica wikitesto]

Immagine storica: Alternatori utilizzati in una sala macchine di inizio Novecento (1909) di una centrale idroelettrica in Turkmenistan, (Impero Russo), per la produzione di energia elettrica.

Molti sono gli utilizzi degli alternatori, che vengono impiegati in quasi tutte le centrali di produzione di energia elettrica le quali poi la trasformano in modo da consentirne il trasporto e la distribuzione per uso industriale e domestico. Il procedimento che alimenta meccanicamente l'albero dell'alternatore è simile a tutte le tipologie di centrali e si basa su una turbina o un motore endotermico. In questo caso rientrano quelle in grado di sfruttare l'energia potenziale, come le centrali idroelettriche, o l'energia termica del vapore, come le termoelettriche[4], le geotermiche e le termonucleari. In questi grandi alternatori, la tensione prodotta è nell'ordine di migliaia di volt, solitamente trifase alla frequenza di 50 Hertz (60 negli Stati Uniti e in pochi altri Paesi).

Grazie alla capacità raggiunta dall'industria elettronica nella miniaturizzazione dei componenti, l'alternatore ha progressivamente sostituito la dinamo nella produzione di energia elettrica nelle automobili ed in tutti gli altri veicoli a motore.[5] Esso ha la funzione di mantenere carica la batteria, necessaria all'avviamento del motore ed alimentare tutte le funzioni elettriche di bordo. Poiché non esiste un mezzo per immagazzinare energia elettrica in corrente alternata, è presente un ponte raddrizzatore che ha la funzione di trasformarla in continua e consentirne così accumulo nella batteria. Anche nelle biciclette si è imposto l'uso di un piccolo alternatore, in sostituzione della dinamo, per alimentare i dispositivi di illuminazione.

Prove a vuoto e in corto-circuito[modifica | modifica wikitesto]

Queste prove servono ad analizzare le caratteristiche dell'alternatore.[6]

La prova a vuoto permette di ricavare la caratteristica di magnetizzazione e della f.e.m., per tale prova l'alternatore deve essere trascinato da un motore il quale deve vincere le perdite a vuoto del generatore, che ammontano allo 0,5÷4% della potenza nominale[7]

La prova in cortocircuito permette di ottenere la corrente di cortocircuito permanente, del rapporto di cortocircuito e il tracciamento della caratteristica di cortocircuito[8]

Funzionamento stazionario[modifica | modifica wikitesto]

Principio di funzionamento di un alternatore a 2 fasi.

L'alternatore, nella sua forma più semplice è composto da un solenoide investito da un campo magnetico vincolato a ruotare attorno ad un asse perpendicolare alle linee di campo. Consideriamo infatti le seguenti approssimazioni:

Definiamo innanzitutto due coordinate generalizzate:

  • l'angolo variabile del campo rotorico rispetto ad una fase statorica:  \theta = \cos^{-1} \left(\frac{\vec B_r \cdot \vec R_{s1}}{B_r R_{s1}}\right)
  • l'angolo variabile di un avvolgimento rotorico rispetto alla stessa fase statorica:  \omega t + \delta = \cos^{-1} \left( \frac{\vec R_r \cdot \vec R_{s1}}{R_r R_{s1}} \right) .

Esprimiamo allora l'induzione magnetica rotorica vista dalla fase statorica:

B_r = B_{r \, max} \cos {(\theta - \omega t - \delta)}

dove l'ampiezza (che per la bassa frequenza verifica la legge di Ampère, cioè senza corrente di spostamento):

B_{r \, max} = \frac {\mu}{2d} N_r I_{r \, max}

e quindi il flusso magnetico rotorico concatenato con la fase statorica di riferimento vale scegliendo la superficie semicilindrica interna dello statore:

\Phi_r = \int_{- \frac \pi 2}^{\frac \pi 2} \vec B_r \cdot \operatorname d{(N_s \vec h \times \vec R \theta)} = L_r (t) I_{r \, max}

dove Lr è l'induttanza rotorica variabile, che risolvendo l'integrale vale:

L_r= \frac {\mu h R}{d}N_rN_s \cos{(\omega t + \delta)}.

Corrispondentemente l'induzione magnetica di una fase statorica sf su di un'altra è un'onda quadra di ampiezza:

2 B_{sf} = \frac {\mu}{d} N_s I_{sf}

Poiché le spire occupano però di fatto un arco di avvolgimento non trascurabile, viene approssimata in serie di Fourier troncata al primo ordine:

B_{sf} = \frac{2}{\pi}\frac {\mu}{d} N_s I_{sf} \cos \theta_f

il coefficiente 2/π rende la media integrale del campo sinusoidale identica all'intensità del campo quadro: \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos \theta_f \operatorname d \theta_f = \frac{2}{\pi}.

La corrente statorica è alternata con la stessa frequenza del campo rotore, quindi:

B_{sf} = \frac {2 \mu}{2 \pi d} N_s I_{sf \, max} \cos \theta_f \cos {(\omega t + \phi_f)}

ed esprimendo ogni induzione nelle coordinate della fase di riferimento che ha angoli θ e φ, nel sistema a Nf fasi:

B_{sf} = B_{sf \, max} \cos \left(\theta + \frac{2\pi f}{N_f}\right) \cos \left(\omega t + \phi + \frac{2\pi f}{N_f}\right)

con B_{sf \, max} = \frac {2 \mu}{\pi d} N_s I_{sf \, max}.

In base alla seconda formula di Werner possiamo scomporre ogni induzione in due campi controrotanti:

B_{sf} = \frac {B_{sf \, max}}{2} \cos (\theta - \omega t - \phi) + B_{sf \, max} \cos \left(\frac{4\pi f}{N_f} + \theta + \omega t + \phi\right)

Le induzioni sono sommabili se sono lineari; se inoltre le ampiezze delle correnti delle fasi statoriche sono uguali fra loro, lo saranno anche quelle delle induzioni magnetiche, quindi le possiamo portare fuori dalle sommatorie:

B_s = \sum_{f=1}^{N_f}B_{sf} = \frac {B_{sf \, max}}{2} \sum_{f=1}^{N_f} \cos (\theta - \omega t - \phi) + \frac {B_{sf \, max}}{2} \sum_{f=1}^{N_f} \cos \left(\theta + \omega t + \phi + \frac{4n\pi}{N_f}\right) =
=\frac {N_f}{2} B_{sf \, max} \cos (\theta - \omega t - \phi) + \frac {B_{sf \, max}}{2} \, 0

La prima è una sommatoria di termini costanti, la seconda invece risulta nulla perché i termini sono partizioni di due angoli giri in Nf parti.

Infine il flusso magnetico statorico concatenato la fase di riferimento vale:

\Phi_s = \int_{- \frac \pi 2}^{\frac \pi 2} \vec B_s \cdot \operatorname d{(\vec h \times \vec R \theta)} = L_s I_s (t)

dove Lsb è l'induttanza statorica Ls senza considerare la componente di dispersione Lsd, che risolvendo l'integrale vale:

L_{sb}= \frac {2 \mu h R}{\pi d} N_s^2,

mentre Is la corrente statorica totale riportata sulla fase, pari a:

I_s (t)= N_f I_{sf \, max} \cos {(\omega t + \phi)},

Ora per il principio di sovrapposizione valido per circuiti magnetici lineari, e la legge di Faraday-Neumann-Lenz:

V (t)= - \dot L_r I_{r \, max} - L_s \dot I_s = V_0 - L_s \dot I_s,

dove  V_0 = \frac {\mu h R \omega}{d} N_r N_s I_{r \, max} \sin ({\omega t + \delta}) è detta tensione a vuoto dell'alternatore.

eseguendo la trasformata di Fourier della precedente equazione, si ha:

V (\omega)= V_0 - j X_s(\omega) I_s(\omega),

dove X_s =L_s \omega, è la reattanza sincrona. Questo permette di delineare il circuito elettrico equivalente dell'alternatore.

Vantaggi tecnici rispetto ad una dinamo[modifica | modifica wikitesto]

I vantaggi tecnici nella produzione di energia elettrica rispetto alla dinamo sono sostanzialmente due:

  • L'eliminazione di parti striscianti
  • La produzione di energia elettrica in corrente alternata.

L'eliminazione delle spazzole, ovvero i contatti striscianti che hanno la necessità di un contatto meccanico con il collettore, riduce la quantità di parti necessaria alla sua costruzione e la necessità di una revisione periodica della macchina a causa del consumo delle parti in contatto. Seppure la tecnologia negli anni ha contribuito a migliorare le qualità meccaniche ed abbassare la resistenza elettrica nei materiali usati, il rendimento totale dalla macchina risente comunque delle frazioni di energia sottratte nella dinamo, per cui a parte i rari casi nei quali si renda necessario un utilizzo in corrente continua e non si possa utilizzare o risulti poco conveniente l'uso di un raddrizzatore, gli alternatori l'hanno sostituita quasi del tutto nel compito della produzione di energia elettrica.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ L'alternatore
  2. ^ L'alternatore
  3. ^ Principio di funzionamento ed aspetti costruttivi degli alternatori
  4. ^ Capitolo 3 – Le centrali termoelettriche
  5. ^ L'alternatore (trasporti)
  6. ^ Fondamenti di impianti elettrici
  7. ^ Prova a vuoto di un alternatore
  8. ^ Prova di cortocircuito di un alternatore

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • Olivieri e Ravelli; Elettrotecnica, volume secondo: macchine elettriche. Edizioni CEDAM.

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Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]