ALTERNATORI E DINAMO.

La corrente elettrica prodotta da un generatore può presentarsi sotto due forme: alternata o continua.

Innanzitutto dobbiamo precisare cosa intendiamo per generatore elettrico.

Quando un conduttore, come un filo metallico, si muove tra i poli di un magnete, gli elettroni del filo vengono sottoposti all’azione di una forza (forza di Lorentz) che li spinge verso una delle estremità, lasciando gli atomi dell’altra estremità carichi positivamente. Questo spostamento crea una differenza di potenziale che può essere utilizzata per generare corrente in un conduttore connesso ai capi del filo.

Nel generatore elettrico rotativo, un filo circolare (spira) viene fatto rotare attraverso un campo magnetico, in modo da produrre una differenza di potenziale e generare corrente all’interno di un circuito chiuso.

Queste apparecchiature possono essere distinte in tre grandi classi: i generatori primari così chiamati perché trasformano direttamente energia d’altra natura (chimica, radiante) in energia elettrica; i generatori elettromeccanici che trasformano in energia elettrica solo l’energia meccanica ottenuta in una prima trasformazione dalla fonte energetica; i generatori speciali a plasma.

Il ramo di cui fan parte alternatori e dinamo è quello dei generatori elettromeccanici i quali hanno segnato un passo decisivo nello sviluppo dell’elettrotecnica mettendo a disposizione per svariatissimi impieghi grandi quantità di potenza con elevatissimo rendimento. In essi viene utilizzato sotto varie forme il fenomeno dell’induzione elettromagnetica. Quest’ultima consiste nella comparsa di una corrente elettrica all’interno di un circuito conduttore immerso in un campo magnetico, ogni volta che si verifica una variazione del flusso del campo attraverso il circuito stesso. Il flusso del campo magnetico rappresenta il n° di linee di forza che attraversano una data superficie nell’unità di tempo; dipende da una parte dall’intensità, dalla direzione e dal verso del campo magnetico, dall’altra dall’estensione della superficie e dalla sua orientazione nello spazio. Aumentando o riducendo l’intensità del campo, spostando i magneti che lo producono, o variando l’orientazione nello spazio del circuito conduttore, si producono variazioni del flusso attraverso la superficie racchiusa dal circuito che "inducono" la nascita di una corrente elettrica, detta per questo corrente indotta.

Per il loro stesso principio tutti i generatori, siano essi di corrente alternata (alternatori) o di corrente continua (dinamo), constano di due parti essenziali:

l’induttore, nel cui avvolgimento s’invia corrente continua, destinato a produrre il flusso magnetico, e l’indotto o armatura, che è il sistema di conduttori nei quali si manifestano le forza elettromotrici di induzione che sono sempre alternate.

Una delle due parti è fissa, l’altra è rotante; teoricamente è indifferente quale delle due parti sia rotante poiché ciò che conta è il moto relativi dell’una rispetto all’altra o più precisamente dei conduttori dell’indotto rispetto al campo induttore.

GENERATORI DI CORRENTE ALTERNATA (ALTERNATORI)

Un semplice generatore senza commutatore produce una corrente alternata che cambia di direzione due volte a ogni giro dell’indotto. La corrente alternata è particolarmente vantaggiosa per la trasmissione di energia elettrica ed è per questo che la maggior parte dei grossi generatori di corrente sono del tipo a corrente alternata. Nella forma più semplice il generatore di corrente alternata, più noto come alternatore, differisce dal generatore di corrente continua, o dinamo, in due soli particolari: anzitutto i terminali dell’avvolgimento del rotore sono costituiti non da commutatori, ma da collettori a lamelle (sottili anelli di rame isolati tra loro) fissati sull’albero del generatore; inoltre l’avvolgimento dello statore è alimentato da una fonte esterna di corrente continua anziché dal generatore stesso.

GENERATORI SINCRONI.

Sono così chiamati perché la loro velocità di rotazione deve essere fissa, essendo legata alla frequenza della tensione generata e al numero di poli della macchina.Supponiamo di fare rotare una spira di conduttore in un campo magnetico bipolare; la spira diviene sede di una f.e.m. indotta, variabile nel tempo con legge sinusoidale: precisamente essa passa da zero, quando il piano della spira è perpendicolare alla direzione del flusso, al suo valore massimo positivo, quando il piano della spira è parallelo alla direzione del flusso, ritorna a zero, si inverte, raggiunge il suo massimo negativo e ritorna a zero. Pertanto a ogni giro di rotazione della spira corrisponde un periodo della f.e.m. generata; la frequenza della tensione alternata prodotta da un generatore sincrono bipolare è quindi uguale ala velocità in giri al secondo del rotore. Quando si ha più di un campo induttore come nelle macchine multipolari, a ogni giro si hanno evidentemente P/2 periodi della tensione generata avendo indicato con P il n° di poli. Pertanto la relazione generale che intercorre fra la velocità N e la frequenza F in una macchina sincrona è:

F = N/60 x P/2 = NP/120

I generatori di corrente alternata hanno l’avvolgimento indotto fisso sullo statore. L’induttore costituisce la parte rotante della macchina e porta i poli magnetici e i relativi avvolgimenti di eccitazione; la corrente di eccitazione, che deve essere corrente continua viene adotta a tali avvolgimenti attraverso un collettore costituito semplicemente da due anelli sui quali strisciano due serie di spazzole.

Questa corrente continua è fornita o da un gruppo indipendente motore-generatore, il quale può anche alimentare diverse unità, oppure da un generatore di corrente continua calettato sullo stesso albero dell’alternatore che viene chiamato eccitatrice coassiale. Il generatore sincrono, sebbene possa essere monofase o anche bifase, è quasi sempre del tipo trifase; quest’ultimo permette un migliore sfruttamento dello spazio interno, economia di peso e inoltre alimenta direttamente la rete trifase.

Questi generatori possono avere alcune varianti:

• Sincrono ad alta velocità, caratterizzato dal fatto di avere il rotore liscio di diametro ridotto allo scopo di contenere la velocità periferica nei limiti ammissibili, di conseguenza risulta rilevante la lunghezza. Il rotore consta di un cilindro massiccio di lega di acciaio, i poli che sono soltanto due o al massimo quattro, vengono ottenuti collocando le spire induttrici in scanalature ricavate alla fresa lungo le generatrici del cilindro di acciaio, le parti nono dentate del cilindro vengono così a costituire le facce polari. Le spire sono costituite da piattine di rame nudo trafilate, isolate dalle pareti della cava e fra loro per mezzo di opportuni strati di materiale isolante.
• Sincrono a bassa velocità, caratterizzato dal fatto di avere la ruota polare costituita da un numero notevole di poli salienti, questo numero è evidentemente tanto maggiore quanto più basso è il n° di giri al minuto del motore primo.

Generatore sincrono da 7,5 MVA con 46 poli a bassa velocità

Il rotore di queste macchine consta di un mozzo a raggiera, calettato sull’albero; su di questo non sono fissati i poli formati di materiale magnetico spesso da lamiere magnetiche di spessore di circa 1 mm, oppure da un nucleo massiccio con le sole espansioni laminate. Intorno ad ogni polo è posta la spirale magnetizzante, formata da un solo strato di piattina o di nastro di rame, piegata di costa; fra le spire sono posti anelli isolanti e il complesso è trattato e fortemente compresso in modo da evitare deformazioni causate dalla forza centrifuga. Lo statore non differisce sostanzialmente salvo il diametro maggiore, dagli statori dei generatori ad alta velocità. Questi generatori sono generalmente usati per essere accoppiati a turbine idrauliche oppure a motori a combustione interna.

Un generatore a induzione è costruttivamente identico ad un motore a induzione.

Esso genera energia elettrica quando il motore primo che lo aziona ruota con velocità superiore a quella di sincronismo. Non avendo eccitazione a corrente continua, queste macchine richiedono una corrente magnetizzante, perciò possono lavorare soltanto se collegate in parallelo con una rete a corrente alternata alimentata da generatori sincroni. Per questa stessa ragione il loro fattore di potenza è sempre basso; viene spesso migliorato per mezzo di condensatori statici.

La frequenza della tensione generata è quella della rete alla quale sono allaciati e al potenza resa viene pertanto determinata dalla potenza meccanica che viene loro trasmessa dal motore primo. Queste macchine non sono usate in unità di grande potenza; viceversa nel caso di potenze modeste, esse trovano impiego per l’utilizzazione di piccole forze motrici idrauliche in centraline incustodite, che per la loro semplicità di struttura si prestano ad essere comandate a distanza.

GENERATORI DI CORRENTE CONTINUA

(DINAMO)

Sono macchine elettriche rotanti che forniscono tensione e corrente unidirezionali. Concettualmente un generatore di corrente continua non è altro che un generatore di corrente alternata la cui tensione viene opportunamente raddrizzata.

Costruttivamente è formato da tre parti essenziali: l’induttore che produce uno o più campi magnetici; l’indotto nei cui conduttori si genera la f.e.m indotta; il collettore a lamelle o commutatore, che raddrizza la tensione prodotta.

A differenza dei generatori di corrente alternata, l’induttore è chiuso su se stesso e suddiviso in spirali, dette sezioni, uniformemente distribuite che fanno capo alle lamelle del collettore. Questo è costituito da un cilindro, calettato sull'albero coassialmente all’indotto, sul quale sono appoggiate, a lieve pressione, in corrispondenza dell’asse perpendicolare dei poli, uno o più coppie di blocchetti di carbone speciale, chiamate spazzole, che portano la corrente al circuito esterno.

L’avvolgimento indotto, che è avvolto intorno ad un anello di materiale magnetico avente lo scopo di convogliare il flusso, risulta suddiviso dalle spazzole in due circuiti in parallelo, chiamati "vie interne" ciascuno dei quali ha in serie metà delle sezioni. Alle spazzole si raccoglie tensione diretta sempre nello stesso verso, poiché mentre avviene l’inversione della tensione in una sezione, per la rotazione dell’indotto e del commutatore, la spazzola abbandona tale sezione e viene in contatto con la successiva. Inoltre la tensione è la risultante della f.e.m che si manifestano nelle spire dei due mezzi anelli; la tensione è dunque oltre che unidirezionale quasi costante, poiché l’ondulazione o cresta di commutazione è minima e diventa impercettibile per poco che si aumenti il n° delle sezioni e quindi delle lamelle o segmenti del commutatore: in pratica tale n° si fa tanto maggiore quanto maggiori sono tensione e potenza della macchina; è pertanto giustificato considerare queste macchine come generatori di corrente continua.

Oggi l’indotto ad anello non è più usato essendo stato sostituito dall’indotto a tamburo, più economico; il suo principio è però analogo.

Il nucleo è formato da dischi di lamierino magnetico impilati ad entrambi i lati delle spirali dell’indotto sono collocati entro scanalature praticate alla periferia del nucleo. Nelle macchine multipolari si hanno generalmente tante coppie di spazzole quanti sono i campi e di conseguenza tante vie interne quanti sono i poli; non mancano tuttavia tipi di avvolgimenti nei quali le parti sono collegate in parallelo ed in serie o in combinazione di serie e parallelo cosicché il numero delle vie interne può anche differire da quello dei poli. In ogni caso tutte le spazzole positive sono riunite tra loro e così pure tutte le spazzole negative, in modo da formare i due morsetti, positivo e negativo, della macchina per l'alimentazione del circuito esterno. Per la produzione del flusso e necessario che gli avvolgimento di eccitazione siano percorsi da corrente continua: se questa corrente è fornita da una sorgente indipendente si ha un generatore ad eccitazione separata; se invece la corrente di eccitazione è fornita dalla macchina stessa si ha un generatore autoeccitato. Vi sono tre tipi di macchine ad autoeccitazione: generatori con eccitazione in derivazione, nei quali una piccola parte della corrente prodotta viene derivata nel circuito di eccitazione; generatori con eccitazioni in serie nei quali tutta la corrente prodotta passa anche nel circuito di eccitazione che è collegato in serie al circuito esterno; generatori con eccitazione mista nei quali sono utilizzati entrambi i suddetti sistemi di eccitazione. Ad ogni tipo di eccitazione corrisponde un diverso comportamento della macch9na sotto carico. Con qualsiasi tipo di eccitazione, affinché l’autoeccitazione possa avere luogo, è necessario che nei poli rimanga un certo magnetism9o residuo. L’entità della tensione generata da una macchina a corrente continua dipende dall’entità della variazione del flusso nell’unità di tempo e dal numero di conduttori in serie che sono sede di f.e.m

Pertanto se si indica con Φ il valore Max del flusso in weber, con L la velocità dell’indotto in numero di giri al minuto, con Z il n° di conduttori dell’indotto, con P il numero di poli, con A il n°delle vie interne, la tensione media generata E è data dall’equazione:

E = NPZΦ / 60 A

Quando il circuito esterno è chiuso circolerà una corrente che all’interno dell’indotto si suddivide nelle vie interne. La circolazione della corrente nell’indotto produce uno o più campi magnetici, secondo che si tratti di macchina bipolare o multipolare, con direzione perpendicolare agli assi dei poli induttori. L’effetto di tale campo indotto, chiamato reazione di indotto o reazione di armatura, è di spostare l’asse neutro e di dare luogo ad una riduzione e ad una distribuzione disuniforme del flusso sotto i poli induttori; ciò provoca cadute di tensione supplementari e scintillamenti al collettore poiché le spire in commutazione, non trovandosi più in una zona neutra, diventano sede di f.e.m. Nelle macchine moderne per neutralizzare tale f.e.m. e quella di autoinduzione si pongono, nelle mezzerie tra i poli induttori, dei poli ausiliari, chiamati anche poli di commutazione eccitati dalla corrente dell’indotto e per opporsi alla riduzione e alla distorsione del flusso sotto i poli induttori, si introducono nelle espansioni polari alcune spire dette avvolgimento di compensazione percorse dalla corrente dell’indotto in senso inverso.

Caratteristiche di funzionamento.

Nel funzionamento a carico la tensione ai morsetti varia al variare del carico a causa della caduta per resistenza dell’indotto, della variazione della corrente di eccitazione e della reazione di armatura. Le curve che danno questa variazione di tensione ai morsetti in funzione della variazione della corrente di carico sono chiamate caratteristiche esterne, esse sono diverse secondo i modi di eccitazione delle macchine.

Esistono diversi tipi di generatori a corrente continua diversificati in base al tipo di eccitazione:

• Con eccitazione separata. l’avvolgimento di questo tipo di generatore è alimentato da una sorgente di corrente continua indipendente. Il n° delle spire e la sezione del conduttore dell’avvolgimento di eccitazione dipendono dal valore della tensione la quale è modesta entro ampi limiti di carico. Questo generatore ha un funzionamento stabile anche con diversi valori della tensione; esso trova specialmente impiego in dispositivi di regolazione e di prova.

• Con eccitazione in derivazione. L’avvolgimento di eccitazione è collegato in parallelo con il circuito esterno ai morsetti della macchina. L’indotto fornisce perciò sia la corrente di carico che quella di eccitazione.La resistenza del circuito di eccitazione deve essere perciò elevata e l’avvolgimento è costituito da molte spire di filo sottile. Tuttavia la resistenza totale del circuito di eccitazione deve essere minore di un valore critico, al di sopra del quale la macchina non può autoeccitarsi. La variazione di tensione della caratteristica esterna con il variare del carico è qui più forte del generatore a eccitazione separata; la tensione può essere mantenuta costante mediante la manovra del reostato di campo. Esso è di solito usato negli alimentatori per bagni elettrolitici che richiedono bassa tensione e forte intensità di corrente.

• A eccitazione in serie. In questi generatori l’avvolgimento di eccitazione è collegato in serie con il circuito esterno; tutta la corrente dell’indotto passa anche nelle bobine dell’induttore. l’avvolgimento di eccitazione è avvolto sul nucleo di ogni polo ed è formato da un n° di spire relativamente modesto di conduttore di grande sezione, tale cioè da sopportare l’intera corrente corrispondente al carico nominale presentando una limitata resistenza elettrica. Il flusso magnetico e conseguentemente la f.e.m generata e la tensione ai morsetti aumentano con l’aumentare della corrente di carico. Essi trovano impiego solo per scopi speciali ad esempio sorvolatori in una rete a tensione costante per compensarne le cadute di tensione

• Ad eccitazione mista. Questi generatori hanno due avvolgimenti di eccitazione, uno in derivazione l’altro in serie; entrambi gli avvolgimenti sono disposti sui poli induttori, generalmente uno intorno all’altro. La maggior parte della forza magnetomotrice è fornita dall’avvolgimento in derivazione. Quello in serie produce una forza magnetomotrice variabile, dipendente dalla corrente di carico, e serve per compensare la caduta di tensione, quando l’avvolgimento in serie è avvolto in modo da dare un campo magnetico concorde a quello generato dall’avvolgimento in derivazione, oppure ad aumentare la caduta quando l’avvolgimento in serie è avvolto in modo da dare un campo contrario a quello dell’avvolgimento in derivazione. Nei generatori ad eccitazione mista differenziale aumenti della corrente di carico provocano cadute di tensione elevate per l0’effetto smagnetizzante del campo eccitato in serie. Questi generatori hanno poche applicazioni: sono usati come generatori per saldatrici elettriche ad arco e per escavatrici azionate elettricamente.

• Speciali. Tra questi generatori possiamo avere le dinamo omeopolari caratterizzate dal fatto di non richiedere il collettore a lamelle in quanto la f.e.m che vi si genera non ha adattamento alternativo ma aperiodico. Essa è quindi utilizzata come convertitore di tensione continua e inoltre ha delle applicazioni in apparecchiature radio portatili.