L’Alternatore – la Dinamo

L’Alternatore – la Dinamo

L’alternatore Induzione magnetica Segno della corrente
La legge di Faraday-Neumann Fisica dell’alternatoreAlternatore sincrono trifase

Avvolgimenti Frequenza di rotazione Sistema trifase Schema di utilizzo

Sistema trifase – monofase, la differenza

La dinamo – la differenza con l’alternatore a corrente alternata

L’ALTERNATORE

L’alternatore sfrutta il fenomeno dell’induzione magnetica.

La prima applicazione dell’induzione elettromagnetica è stata la produzione di corrente alternata e il suo sviluppo è stato così ampio che quasi tutta la energia elettrica che utilizziamo è prodotta da generatori di corrente alternata.

Le centrali nucleari, termoelettriche, idroelettriche, eoliche, non servirebbero a niente senza un alternatore.

L’alternatore è un dispositivo che permette di produrre energia elettrica,

In elettrotecnica l’alternatore fa parte delle macchine elettriche. Queste sono classificate in macchine statiche e dinamiche.

  • Macchine statiche: Il trasformatore che serve a cambiare la tensione elettrica di una corrente, e in particolare di una corrente alternata. 
  • Macchine dinamiche o macchine rotanti: alternatori e motori elettrici.

Un motore elettrico è una particolare macchina elettrica rotante che trasforma l’energia elettrica in ingresso, applicata ai morsetti di alimentazione, in energia meccanica in uscita resa disponibile sull’asse del motore.

L’alternatore è una macchina elettrica rotante che converte l’energia meccanica fornita all’asse motore in energia elettrica sotto forma di corrente alternata.

Qui sotto lo schema (preso dai miei appunti universitari) che evidenzia la differenza tra motore e alternatore.

Vi sono alternatori grandi come quelli di una centrale elettrica, di una automobile, di piccoli motori come la dinamo della bicicletta.

  • In una centrale elettrica l’alternatore è mantenuto in movimento dalla rotazione di una turbina
  • L’alternatore di un’automobile, che alimenta la batteria, è mantenuto in movimento dal motore.
  • La dinamo di una bicicletta, che fa accendere le luci, è mantenuta in movimento dal moto della ruota.

Qualunque sia il tipo o dimensione, l’alternatore richiede energia di esercizio.

INDUZIONE MAGNETICA

Una spira rettangolare o circolare che ruota dentro un campo magnetico uniforme, intorno a un asse perpendicolare alle linee del campo, è un semplice alternatore.

In linea di principio un alternatore è costituito da una spira che viene fatta ruotare all’interno di un campo magnetico. La diversa orientazione della spira fa sì che il flusso magnetico vari continuamente, generando così una corrente indotta. Più rapidamente muoviamo la spira, maggiore è la forza elettromotrice e quindi anche la corrente indotta nella spira.

Un campo magnetico che varia genera una corrente indotta

Seguendo il moto della spira, vista in sezione nella figura sotto, il flusso:
1) all’inizio è massimo quando l’angolo tra il campo B e la perpendicolare della spira vale 0°,
2) è uguale a zero a 90°,
3) diventa minimo (cioè negativo) a 180°, perché le linee del campo magnetico entrano nella faccia positiva,
4) si annulla di nuovo a 270°,
5) torna massimo a 360° nella posizione di partenza

Figura 1

Nella rotazione varia l’angolo della spira e il campo magnetico. Il flusso del campo magnetico che attraversa l’area della spira cambia.

Il flusso magnetico che varia, come mostrato nella figura qui in alto, produce una tensione alternata, che cambia continuamente valore, ma si ripete sempre uguale dopo un periodo T, che è il tempo impiegato dalla spira a fare un giro completo.

Questa tensione alternata provoca una corrente alternata che scorre con intensità variabile, per metà periodo in un senso e per l’altra metà periodo nel senso opposto.

SEGNO DELLA CORRENTE

  • A positivo e massimo, quando le linee del campo escono perpendicolari dal circuito;
  • B zero, quando le linee del campo sono parallele alla superficie del circuito;
  • C negativo e minimo, quando le linee del campo entrano perpendicolari nel circuito.

Nel circuito esterno circola una corrente che cambia verso ogni mezzo periodo e varia con la stessa frequenza con cui ruota la spira.

Se c’è una corrente indotta, ci deve essere una forza elettromotrice (indotta) che la produce. Molti esperimenti, condotti alla metà dell’Ottocento, hanno portato alla legge dell’induzione elettromagnetica, detta legge di Faraday-Neumann.

LEGGE DI FARADAY – NEUMANN

Alla base del funzionamento di un motore è la legge di Faraday che afferma che quando una corrente scorre in un conduttore immerso in un campo magnetico, si manifesta una forza sul conduttore stesso.

Quindi su una spira rettangolare come quella nella figura, si avrà una coppia meccanica.

Aumentando il numero di spire, ed eccitandole nella sequenza opportuna, si otterrà coppia con continuità e conseguentemente la rotazione dell’albero motore.

FISICA DELL’ALTERNATORE

La legge di Faraday –Neumann afferma che la forza elettromotrice indotta in una
spira da un campo magnetico B è tanto maggiore quanto maggiore è la variazione del flusso magnetico attraverso la spira stessa.

Non lasciatevi impressionare. La formula esprime in termini matematici quello che ci siamo appena detti: la forza elettromotrice indotta non è altro che la variazione del flusso Φ( 𝐵⃗ ) nel tempo t. La freccetta sulla B sta ad indicare che il campo magnetico è direzionale. Il segno meno è una convenzione. Più precisamente la fem è la derivata del flusso nel tempo.

Il flusso del campo magnetico nel caso dell’alternatore è uguale a:

Anche qui niente paura.

La formula non dice nient’altro che il flusso ha una andamento oscillatorio che dipende dall’angolo di rotazione α tra il campo magnetico B e la perpendicolare alla spira S, ovvero la rotazione della spira nel tempo, dove ω è la sua velocità angolare di rotazione: α = ω t . S è la superfice della spira.

La 𝑓𝑒𝑚 perciò si ottiene derivando la formula (2):

In un circuito in cui è presente una resistenza R, la corrente indotta risulta:

Le formule (3) e (4) rappresentano rispettivamente la forza elettromotrice indotta e la corrente indotta. Entrambe sono delle grandezze variabili nel tempo in fase secondo la funzione seno e con valori massimi pari a 𝑓0 e 𝐼0.

Avere un numero maggiore di spire vuol dire un maggiore flusso in quanto la superficie “investita” dal campo magnetico aumenta all’aumentare delle spire.

Qui sotto lo schema equivalente dove X e R sono la reattanza e la resistenza delle spire.

Alternatore sincrono trifase

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La grandissima parte degli alternatori sono sincroni trifasi.

L’alternatore sincrono nelle centrali sfrutta la potenza meccanica fornita da un motore primo (es: una turbina) in potenza elettrica ceduta dalla parte fissa (statore) alla rete elettrica.

L’alternatore sincrono è costruito da una parte fissa esterna chiamato statore (con avvolgimenti) e da una parte mobile detto rotore o induttore al suo interno (con avvolgimenti). Le due parti sono fisicamente separata da un spazio chiamato traferro.

Il funzionamento della macchina avviene portando in rotazione a velocità costante [g/1′] il rotore (allo scopo, il rotore è accoppiato tramite l’albero ed un giunto alla girante di una turbina ed eccitando con una corrente continua Ie [A] l’avvolgimento induttore.

Quando si pone in rotazione il rotore a velocità angolare ωr = 2 π n / 60 il campo magnetico solidale col rotore ruota nel traferro con velocità angolare ωm = ωr

Poiché gli avvolgimenti dello statore e del rotore hanno un uguale numero di coppie di polari, il campo rotante statorico ruota con velocità angolare del rotore.

Accade così che i conduttori attivi, calati nelle cave di statore, vengono tagliati dal campo induttore che ha distribuzione sinusoidale nello spazio e, per la legge dell’induzione elettromagnetica, diventano sede di f.e.m. indotte sinusoidali nel tempo. 

Le f.e.m. indotte nei singoli conduttori attivi sono raccolte in serie per comporre la f.e.m. di ciascuna fase e, se gli avvolgimenti delle tre fasi sono adeguatamente scostati tra di loro, le tre fasi costituiranno infine una terna trifase simmetrica di f.e.m.. 

Se lo statore alimenta un carico equilibrato, esso diventa sede di tre correnti equilibrate di pulsazione ω che produce il campo magnetico rotante statorico secondo la formule 2) sopra riportata.

Affinché si sviluppi una coppia motrice nella macchina, occorre il sincronismo tra il campo rotante dello statore e il rotore, il che si verifica solo quando il motore è già avviato e ruota alla velocità:

L’alternatore trifase è detta sincrono perché i due campi rotanti dello statore e rotore girano alla stessa velocità.

Rotore e statore

Il rotore o sistema induttore è destinato a produrre il campo magnetico B per mezzo di masse magnetiche chiamate poli eccitati da corrente continua da una macchina (eccitatrice) a essi accoppiata. Essendo l’eccitazione in corrente continua, il flusso nel nucleo del polo è costante e, quindi, il circuito magnetico del rotore può essere realizzato in ferro massiccio da lamierini ferromagnetici a forma di corona circolare, e delle cave per l’alloggiamento dei conduttori dell’avvolgimento statorico.

Con la rotazione della parte mobile ruota il campo magnetico B generato dalla corrente continua e l’avvolgimento fisso dello statore diventa sede di una forza elettromotrice alternata indotta dal campo magnetico variabile periodicamente nel tempo, cui esso è esposto.

Schema equivalente.

L’alternatore funziona a vuoto quando, essendo regolarmente eccitato in corrente continua, è trascinato in rotazione alla sua velocità nominale ed ha il circuito statorico aperto, così che negli avvolgimenti d’indotto non si abbiano correnti.

In tali condizioni, l’unico campo presente nella macchina è quello induttore F che produce in ciascuna fase dell’indotto la f.e.m. sinusoidale

Se Po è la potenza fornita dal motore primo funzionante con velocità angolare ωr la coppia resistente sviluppata dall’alternatore a vuoto sarà:

C0 = P0 / ωr = P0 60 / 2 π n [N m]

L’alternatore funziona a carico quando eroga corrente su un circuito esterno.
Se il carico è equilibrato, considerando che le f.e.m. statoriche sono una terna simmetrica sinusoidale, si avrà negli avvolgimenti d’indotto una terna simmetrica di correnti sinusoidali alla frequenza f [Hz] determinata dal numero di poli e dalla velocità del rotore.

AVVOLGIMENTI

Gli avvolgimenti delle spire attorno alla parte ferrosa mobile e fissa sono l’elemento fondamentale per la produzione della forza elettromotrice.

Avvolgimento rotorico, ha la funzione di creare il campo magnetico che consente il funzionamento della macchina (avvolgimento induttore o di eccitazione);
Per la macchina l’avvolgimento rotorico è costituito dalle bobine isolate avvolte attorno ai poli, nelle quali circola la corrente di eccitazione, avente forma d’onda continua, che crea il campo magnetico induttore, di valore costante nel tempo e direzione, rotante nello spazio alla velocità del rotore.

Avvolgimento statorico è formato da matasse o piattine con i lati posti in cave statoriche, divise in tre fasi disposte con gli assi a 120°.
A causa della rotazione del campo induttore l’avvolgimento statorico diventa sede di tensioni e correnti indotte (avvolgimento indotto); l’avvolgimento statorico crea un campo magnetico di tipo rotante trifase (reazione di indotto), per cui il regime di funzionamento della macchina è determinato dalla sovrapposizione dei due campi rotorico e statorico.

L’avvolgimento fisso dello statore, tagliato dalle linee di forza di un campo variabile periodicamente, diventa sede della forza elettromotrice alternata indotta.

REGOLAZIONE DELLA ROTAZIONE E TENSIONE CONCATENATA

Nel caso in cui i morsetti d’uscita degli avvolgimenti statorici siano collegati ad un carico trifase equilibrato, si avrà l’erogazione di corrente verso il carico con frequenza f.

La regolazione della frequenza delle tensioni concatenate della rete alimentata dall’alternatore è strettamente legata alla velocità di rotazione del rotore.

La frequenza f di rotazione è espressa in hertz dalla formula f=np/60, ove n è il numero di giri del rotore al minuto primo e p il numero di coppie polari dell’induttore negli alternation.

Le macchine sincrone sono così chiamate perché la velocità di funzionamento è rigidamente legata alla frequenza della tensione generata (alternatori) o applicata (motori) ai morsetti degli avvolgimenti statorici.

A parità di f, gli alternatori lenti (n=100÷600 giri/minuto), hanno molte coppie polari, mentre pochissime (due e anche una soltanto) ne hanno gli alternatori veloci (1500÷3000 giri/minuto) collegati a turbine (turboalternatori).

Perché usiamo la frequenza 50 Hz?

Con f = 50 Hz si ottiene la velocità dalla formula  f=np/60, n=60 f/p

  • 3000 g/min con avvolgimenti con 1 coppia di poli,
  • 1500 g/min con 2 coppie di poli,
  • 1000 g/min con 3 coppie di poli e
  • 750 g/min con 4 coppie di poli.

In questo modo si hanno a disposizione le velocità utili alle utenze industriali.
A frequenze più basse si otterrebbe uno sfarfallamento delle lampadine per l’illuminazione

Con f > 50 Hz aumentano il numero di giri, la corrente, la potenza, compromettendo il funzionamento degli organi elettrici.

Perché 230 volt?

Un voltaggio superiore mette a maggiore rischio il pericolo delle scosse elettriche.

La regolazione della tensione concatenata di linea può essere ottenuta regolando la corrente di eccitazione sul rotore.

SISTEMA TRIFASE

Sullo statore le bobine, N spire o fasci di spire sono disposte a formare un triangolo sfasato di 120°

Le forze elettromotrici di ogni bobina sono rispettivamente:

L’andamento delle tre tensioni è sinusoidale.

Qui sotto lo schema della rete elettrica.

Il circuito elettrico è basato su 3 conduttori, ovvero 3 cavi elettrici con medesima tensione sfasata di 120° dove le 3 fasi elettriche vengono classificate con lettere R, S, T o in alternativa 1, 2, 3 o U1, U2, U3, e il neutro.

Le tensioni usate in Italia sono:

  • oggi, 230 V tra fase-neutro, 400 V tra fase-fase
  • prima dell’adeguamento alla rete europea, 220 V fase-neutro e 380 V fase-fase.

La configurazione di questi può essere collegata sia a stella oppure a triangolo dove è presente anche il cavo neutro N.

Tensioni Stellate. Le tensioni tra fase e neutro vengono chiamate tensioni stellate o di fase.
Dai morsetti 1,2,e 3, possono partire tre conduttori, che consentono di collegare il generatore ai carichi. Questi tre conduttori sono detti fili di linea, e le correnti che li attraversano, correnti di linea. Dal centro stella può partire un quarto filo, detto filo neutro al quale sono collegate le tre fasi. Il neutro, grazie a un collegamento a terra, ha un potenziale di 0 Volt. Hanno un valore efficace di 230 Volt
La connessione a stella viene utilizzata per la trasmissione a lunga distanza perché ha il neutro per la corrente di guasto.

Tensioni Triangolo o Concatenate: 𝑈12,𝑈23,𝑈31. Si collegano i tre ingressi dell’utilizzatore tra fase e fase (1-22-33-1) applicando così una tensione di 400 volt. Non si ha bisogno del neutro.
Le tensioni concatenate hanno valore efficace pari a √3 volte il valore efficace delle grandezze stellate: 𝑈 = √3𝐸. Infatti la generica tensione concatenata Uij=Ei-Ej è sfasata di 30° in anticipo rispetto ad Ei e di 150° in anticipo rispetto ad Ej.
Il triangolo formato da Ei, Ej e Uij è un triangolo isoscele in cui i due angoli uguali sono pari a 30°.
Sarà quindi:

La figura sottostante rappresenta un sistema di carico (impedenza Z) alimentato da un sistema trifase equilibrato a stella con neutro.

SCHEMA DI UTILIZZO

Nella figura un impianto termoelettrico che utilizza l’alternatore con immissione della tensione trifase in rete.
Il trasformatore alza la tensione per ridurre le dispersione lungo una linea con una resistenza propria. I = V/R.

SISTEMA TRIFASE – MONOFASE LA DIFFERENZA

Il sistema di alimentazione è principalmente classificato in due tipi, ovvero il sistema monofase e il sistema trifase. 

La differenza sostanziale tra la monofase e la trifase è che la monofase è composta da un conduttore e un filo neutro, mentre l’alimentazione trifase utilizza tre conduttori e un filo neutro per completare il circuito.

Le utenze monofase sono costituite quasi esclusivamente da impianti civili di piccole e medie dimensioni e dai sistemi di illuminazione, riscaldamento e motori elettrici. In Italia la distribuzione monofase avviene a 230 V (bassa tensione) a una frequenza nominale di 50 Hz.

Il sistema trifase è composto da quattro fili, tre conduttori e un neutro. I conduttori sono sfasati e distanziati di 120º l’uno dall’altro. Il sistema trifase viene utilizzato anche come sistema monofase. Per il basso carico, dall’alimentazione trifase è possibile prelevare una fase e un neutro.

  • Monofase. La tensione non è costante ma oscilla fra un minimo e un massimo, tra essi vi sono degli istanti in cui il valore sarà addirittura nullo. Nei sistemi monofase la funzione del neutro è quella di permettere il ritorno della corrente di fase. La corrente che scorre nel neutro è pari alla corrente che scorre nella fase. 
  • Trifase. L’alimentazione trifase è continua e non scende mai completamente a zero. La potenza del sistema trifase è pertanto maggiore del sistema monofase.

Ad un guasto nell’alimentazione ad una fase non c’è più passaggio di corrente. Nel sistema trifase ad un guasto su una linea, la alimentazione è garantita dalle altre due linee.

MOTORE A CORRENTE ALTERNATA – MOTORE A CORRENTE CONTINUA, LA DIFFERENZA

La macchina tipo che genera corrente continua è la dinamo.
Prima dell’invenzione della dinamo, l’unico modo di produrre corrente elettrica (continua) era tramite la pila e la batteria piombo-acido.

Dopo una decina di anni di utilizzo sperimentale, nel 1870, l’accoppiamento della dinamo ad una turbina idraulica diede il via alla produzione commerciale di energia elettrica

La dinamo è stata storicamente il primo generatore di corrente elettrica, ma oggi è poco utilizzata negli impianti industriali. Le principali applicazioni si hanno nella rete elettrica per tram e filobus.

La dinamo sfrutta il fenomeno della induzione magnetica come i motori sincroni e asincroni.
La differenza sostanziale è che la parte fissa della dinamo è costituito da una magnete senza avvolgimenti unicamente preposta a creare un campo magnetico e una parte mobile messa in rotazione da un albero motore, avvolta da spire nella quale verrà indotta una forza elettro motrice sinusoidale, una corrente indotta.

In sintesi una dinamo è costituita dai seguenti elementi:

  • Rotore, una o più spire conduttrici
  • Statore costituito da un magnete
  • Albero rotore su cui è avvolta la spira o le spire del Rotore

La differenza di potenziale nella singola spira varia con legge sinusoidale con l’angolo di rotazione. Cambia il segno ogni mezzo giro producendo corrente alternata. 

  • V(t) = EM sen(ωt) dove EM = Blω R (l=lunghezza spira, R=raggio della spira)
  • (t) = I0 sen(ωt) è il valore della corrente dove I0 è il suo valore massimo

La trasformazione in corrente continua DC

Innanzi tutto diciamo che, generalmente nella sua costruzione originaria, sulla parte fissa non ci sono spire, è un magnete senza avvolgimenti che serve solo a generare un campo magnetico.

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Per avere una corrente continua è necessario connettere i capi della spira ad un oggetto chiamato “collettore” o “commutatore”, calettato sul rotore e solidale ad esso. Attraverso un contatto strisciante con spazzole, scambia i capi della spira ogni mezzo giro mantenendo la tensione in uscita dello stesso segno.

Schematicamente una dinamo può essere rappresentata da un indotto con solo due semi spire ortogonali tra loro collegate a lamelle chiamate collettori a loro volta a contatto con due spazzole.

La corrente viene prelevata solo nel momento di massima induzione (quando cioè l’area del piano delle spire è perpendicolare alle linee del campo di forza).

In questo modo ogni spazzola riceve sempre corrente nello stesso verso ottenendo così una tensione di uscita quasi costante.

Criticità: Per motivi di corretto funzionamento ed efficienza energetica, le realizzazioni reali sono leggermente più complesse.
Sono installate diverse spire avvolte sul rotore lungo i 360°, ognuna delle quali deve commutare i propri capi ogni mezzo giro con la spazzola. Perciò, per potenze superiori a pochi watt, anche lo statore (quello che genera il campo magnetico) è “avvolto”
Lo sfregamento dei collettori con le spazzole può generare pericolose scintille con l’accumulo di materiale sotto di esse che possono impedire il corretto funzionamento della dinamo.

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