Utente:Ellegimark/Sandbox/Metadinamo

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Il termine metadinamo, composto dal prefisso greco μετα e dalla parola dinamo, significa letteralmente «oltre la dinamo», che può essere considerata un suo caso particolare[1].

Ideata dal professor Giuseppe Massimo Pestarini, rappresenta la forma più generale delle macchine elettriche a corrente continua[2], caratterizzata da una versatilità d'uso che le consente di funzionare, a seconda delle esigenze, come trasformatrice, generatrice e motrice, o contemporaneamente in più di una di queste modalità[3][4].


Generalità[modifica | modifica wikitesto]

La metadinamo è una macchina elettrica speciale a corrente continua con un collettore del tutto simile a quello della dinamo, ma dotata di un maggior numero di spazzole[3][4].

Le metadinamo vengono classificate in tre tipi fondamentali:[3][4]

  1. la metadinamo trasformatrice, o "metatrasformatore", trasforma energia elettrica in altra energia elettrica con caratteristiche diverse;
  2. la metadinamo generatrice, o "metageneratore", converte energia meccanica in energia elettrica;
  3. la metadinamo motrice, o "metamotore", converte energia elettrica in energia meccanica.

Diversamente dalla dinamo, il funzionamento della metadinamo si basa principalmente sul flusso magnetico generato dal rotore, da solo sufficiente a garantire il funzionamento della macchina come "metatrasformatore", detto flusso deve però essere integrato da opportuni flussi generati dagli avvolgimenti di statore, sia per ottenere il funzionamento come "metageneratore" o "metamotore", sia per permettere di variare le caratteristiche di funzionamento del "metatrasformatore"[3][4].

Nella descrizione della metadinamo conviene adottare la terminologia utilizzata dall'inventore della macchina nella sua descrizione del 1929, sostituendo alle parole "coppia di poli" il termine "ciclo", cioè la successione di elementi elettrici e magnetici che si ripete un certo numero di volte lungo lo sviluppo del traferro, e al termine "poli" quello di "segmenti"…[5].

Principio di funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

Nella sua forma più semplice la metadinamo è costituita da un normale rotore (indotto) di una macchina bipolare a corrente continua che ruota a velocità costante all'interno di uno statore di ferro liscio sprovvisto di avvolgimenti. Sul collettore sono presenti due coppie di spazzole a 90° fra loro, nella cosiddetta disposizione "in croce", dette rispettivamente "primarie" e "secondarie"[6].

Se si alimenta il circuito d'indotto facendo circolare una corrente I1 attraverso le spazzole primarie, questa produce un flusso magnetico Φ1 che rimane fermo rispetto allo statore[7] e, per effetto della rotazione dell'indotto, i suoi conduttori diventano sede di forze elettromotrici la cui risultante presenta valore nullo ai capi delle spazzole primarie e valore massimo E2 ai capi delle spazzole secondarie. Analogamente, se si alimenta il circuito d'indotto facendo circolare una corrente I2 attraverso le spazzole secondarie, questa produce un flusso magnetico Φ2 ortogonale al precedente[7] e una forza elettromotrice con valore risultante nullo ai capi delle spazzole secondarie e valore massimo E1 ai capi delle spazzole primarie[8].

Il principio della metadinamo consiste quindi nel trasferire al circuito d'indotto anche la funzione del circuito di eccitazione, affidata negli altri tipi di macchine a corrente continua agli avvolgimenti di statore[8]. Questa caratteristica speciale è resa possibile dalla presenza di un maggior numero di spazzole[2], in cui la corrente di una coppia di spazzole diametrali funge da corrente magnetizzante ai fini della forza elettromotrice che si manifesta sulla coppia di spazzole ad essa ortogonale[9].

Le considerazioni su esposte possono essere estese a realizzazioni con un maggior numero di spazzole, anche non disposte simmetricamente, tuttavia la metadinamo a quattro spazzole disposte "in croce" è quella più importante per le applicazioni pratiche[9].

Realizzazione pratica[modifica | modifica wikitesto]

Nella realizzazione pratica lo statore viene foggiato con una serie di espansioni, dette "segmenti", analoghe quelle della macchine a corrente continua ordinarie, allo scopo di poter utilizzate particolari avvolgimenti ausiliari che servono a conferire alla metadinamo ulteriori caratteristiche di funzionamento. Nelle metadinamo con configurazione "in croce" uno di questi segmenti viene posizionato in ciascuno dei quattro interspazi tra le spazzole[10].

Metatrasformatore[modifica | modifica wikitesto]

La forma più semplice del metatrasformatore, o metadinamo trasformatrice, è costituita da un normale rotore di una macchina bipolare a corrente continua che ruota a velocità costante all'interno di uno statore di ferro liscio sprovvisto di avvolgimenti. Sul collettore poggiano due coppie di spazzole a 90 gradi fra loro, nella cosiddetta disposizione "in croce". Le coppie di spazzole contrapposte sono dette rispettivamente "primarie" e "secondarie".[6]

Il metatrasformatore trasforma una potenza elettrica a tensione costante in una potenza elettrica a corrente costante. In altre parole, applicando una tensione costante ai capi delle spazzole primarie e chiudendo quelle secondarie su un carico elettrico, si avrà un passaggio di corrente costante attraverso quest'ultimo, che produrrà una tensione variabile al variare della resistenza di carico. Il valore della suddetta corrente non dipende dalla resistenza di carico, ma è determinato dalle caratteristiche costruttive della metadinamo e dal valore della tensione di alimentazione ai capi delle spazzole primarie (supponendo sempre costante la velocità di rotazione).[11]

La potenza elettrica di alimentazione del circuito primario viene trasferita sul carico del circuito secondario con la sola esclusione delle perdite elettriche per effetto Joule sugli avvolgimenti rotorici. Il motore ausiliario che mantiene in rotazione la macchina fornisce solo la potenza necessaria per sopperire alle perdite meccaniche e alle perdite nel ferro del rotore, su cui non agisce alcuna coppia di natura elettromagnetica.[11]

Il metatrasformatore può funzionare in corto circuito, ma non a vuoto:[11]

  • Nel funzionamento in corto circuito la corrente secondaria mantiene il suo valore costante, continuando a generare ai capi delle spazzole primarie la forza controelettromotrice che si oppone alla tensione di alimentazione. In queste condizioni la corrente primaria assorbita dalla rete è molto piccola, essendo limitata a quella necessaria per sopperire alle perdite per effetto Joule nel circuito di rotore.[11]
  • Nel funzionamento a vuoto la corrente secondaria è nulla e, di conseguenza, si annulla anche la forza controelettromotrice ai capi delle spazzole primarie che si oppone alla tensione di alimentazione. In queste condizioni la corrente primaria, limitata soltanto dalla bassissima resistenza dall'avvolgimento di rotore, assume un'intensità molto elevata, estremamente pericolosa per l'integrità della macchina.[12]

Regolazione della corrente[modifica | modifica wikitesto]

Il metatrasformatore viene impiegato normalmente con tensione di alimentazione e velocità di rotazione fisse, condizioni con le quali la sua forma più semplice sopra descritta, priva di avvolgimenti statorici, non è in grado di regolare il valore della corrente secondaria.[13]

Per ovviare a questa limitazione viene disposto sul circuito magnetico di statore un avvolgimento di eccitazione, denominato "avvolgimento variatore", con i poli magnetici disposti lungo l'asse delle spazzole secondarie. L'avvolgimento variatore permette di regolare la corrente secondaria al di sotto del valore nominale[14] per mezzo di un reostato in serie che viene alimentato dalla sorgente di alimentazione primaria.[15]

L'aggiunta sullo statore dei poli magnetici dell'avvolgimento variatore determina la comparsa di una coppia motrice che tenderebbe a far accelerare il motore ausiliario con correnti di carico inferiori a quella nominale. Per contrastare questo fenomeno viene disposto sullo statore un secondo avvolgimento di eccitazione, denominato "avvolgimento regolatore", con i poli magnetici disposti lungo l'asse delle spazzole primarie, cioè a 90 gradi rispetto all'avvolgimento variatore. L'effetto dell'avvolgimento regolatore, opportunamente alimentato, è di produrre una coppia frenante che controbilancia la coppia motrice prodotta dall'avvolgimento variatore, lasciando al motore ausiliario il solo compito di fornire la coppia necessaria per vincere le perdite meccaniche e nel ferro, permettendogli di mantenere in rotazione il metatrasformatore con velocità molto costante. Per ottenere questa regolazione in modo automatico la corrente di eccitazione dell'avvolgimento di regolazione viene fornita da una piccola dinamo coassiale con la metadinamo stessa.[16]

Applicazioni e tipi di inserzione[modifica | modifica wikitesto]

La metadinamo è molto adatta a funzionare con le applicazioni soggette a sbalzi di tensione e a brusche variazioni di carico, a cui risponde molto più velocemente della normale dinamo. Essa, inoltre, scintilla assai meno al collettore. Per questi motivi il metatrasformatrice trovava applicazione nell'alimentazione dei motori di trazione e dei laminatoi, nell'alimentazione dei motori delle grandi gru portuali e a bordo delle navi e nella saldatura elettrica ad arco.[17]

Oltre all'inserzione del carico sopra descritta (metatrasformatore "in croce") sono possibili altri tipi di inserzione che vengono scelte in funzione delle caratteristiche del carico ed al tipo di servizio richiesto. Ad esempio:[18]

  • Il metatrasformatore "a otto" è adatto ad alimentare due motori di trazione disposti in modo simmetrico su due circuiti disposti tra una spazzola primaria e ad una secondaria.[18] Tale disposizione fa sì che solo una parte della potenza richiesta dagli utilizzatori interessi la metadinamo che quindi risulta più piccola e leggera.
  • Il metatrasformatore "a tridente" serve anch'esso per l'alimentazione dei motori di trazione con tensione diversa da quella di linea.[18] In questo caso le spazzole secondarie non sono disposte nei punti medi tra quelle primarie, come nel caso della configurazione a croce, ma in posizione spostata (ma sempre con la linea ideale congiungente ortogonale tra loro). Ciò richiede una quantità doppia di segmenti primari e un numero maggiore di poli ausiliari, sei invece di quattro, in ragione del fatto che il flusso primario assume una componente diversa da zero negli assi di commutazione secondari.
  • Il metatrasformatore "in caduceo" è invece adatto per la carica delle batterie.[18]


Metageneratore[modifica | modifica wikitesto]

Il metageneratore, o metadinamo generatrice, trasforma in energia elettrica l'energia meccanica fornita da un motore primo al suo albero di rotazione. La sua funzione è identica a quella della dinamo, ma la sua struttura è più complicata.[18]

Il metageneratore è costituito da una metadinamo "in croce" con le spazzole primarie in cortocircuito e un circuito statorico di eccitazione con i poli magnetici allineati lungo l'asse delle spazzole secondarie. La corrente di eccitazione viene fornita da una sorgente di tensione continua separata, come una dinamo coassiale.[18]

Metamotore[modifica | modifica wikitesto]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Nicolardi, Ferrovie speciali. La trazione, i servizi urbani, i trasporti montani, esercizi speciali, p. 65.
  2. ^ a b Gino Rebora, La costruzione delle macchine elettriche, p. 391.
  3. ^ a b c d Pezzi, Macchine elettriche, p. 439.
  4. ^ a b c d Guarnaschelli, Enciclopedia italiana, p. 294.
  5. ^ Olivieri & Ravelli, Elettrotecnica. Volume II: Macchine elettriche, p. 167.
  6. ^ a b Mario Pezzi, Macchine Elettriche, pp. 441-442.
  7. ^ a b La dimostrazione che il flusso rimanga fermo nonostante la rotazione dell'indotto esula dagli scopi di questa descrizione. Per maggiori dettagli si rimanda ai testi sulle macchine elettriche richiamati in bibliografia.
  8. ^ a b Olivieri & Ravelli, Elettrotecnica. Volume II: Macchine elettriche, pp. 167-168.
  9. ^ a b Olivieri & Ravelli, Elettrotecnica. Volume II: Macchine elettriche, p. 168.
  10. ^ Olivieri & Ravelli, Elettrotecnica. Volume II: Macchine elettriche, p. 169.
  11. ^ a b c d Mario Pezzi, Macchine Elettriche, p. 444.
  12. ^ Mario Pezzi, Macchine Elettriche, pp. 444-445.
  13. ^ Mario Pezzi, Macchine Elettriche, p. 445.
  14. ^ Il valore nominale della corrente secondaria è quello che si ottiene, indipendentemente dal carico, con i valori nominali della tensione di alimentazione e della velocità di rotazione del rotore.
  15. ^ Mario Pezzi, Macchine Elettriche, pp. 445-446.
  16. ^ Mario Pezzi, Macchine Elettriche, pp. 447-448.
  17. ^ Mario Pezzi, Macchine Elettriche, pp. 448-449.
  18. ^ a b c d e f Mario Pezzi, Macchine Elettriche, p. 449.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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