La generazione di corrente alternata

La generazione di corrente alternata
Dobbiamo innanzitutto tener presente che storicamente l'elettricità è stata utilizzata dapprima sotto
forma di corrente continua. Questo perché il primo generatore elettrico inventato dall'uomo, ossia la
pila di Alessandro Volta realizzata alla fine del 1799, generava tensione e quindi corrente continua.
Successivamente, agli inizi della distribuzione elettrica industriale che avvenne verso la fine del 1800
fu quindi adottata la corrente continua (Edison brevettò il sistema di distribuzione dell'energia elettrica
nel 1880).
Di conseguenza anche le prime macchine elettriche per la produzione di energia elettrica furono le
dinamo, ossia generatori di corrente continua. Ma furono proprio questi primi utilizzi di energia
elettrica a rendere evidenti i limiti di questa tecnologia. Per la verità c'è stato un periodo in cui si è
verificata una vera e propria battaglia fra i due sistemi (corrente continua e corrente alternata) con
annessi interessi economici per l'affermazione di un sistema sull'altro: è quella che viene ricordata
dagli storici come Guerra delle correnti.
Guerra delle correnti
La cosiddetta guerra delle correnti (elettriche) è stata una competizione economica di mercato del secolo
passato, per il controllo dell'allora nascente mercato mondiale dell'energia elettrica.
Dopo l'Esposizione Mondiale di Parigi del 1881 e la presentazione a tutto il mondo della lampada di Edison, i
nuovi sistemi d'illuminazione elettrica acquisirono sempre maggiore importanza. Inoltre l'elettricità poteva
sostituire il vapore per far funzionare i motori e il peso di questa innovazione sembrò poter costituire una
seconda rivoluzione industriale: nelle città europee e americane, le centrali elettriche si moltiplicarono, basate
sul modello di Pearl Street, la centrale elettrica che Edison fondò nel 1882 a New York, e che produceva
quindi energia elettrica sotto forma di corrente continua (CC). Fu la prima azienda elettrica commerciale ad
essere impiantata.
La crescente domanda di elettricità presto condusse al desiderio di costruire centrali elettriche più grandi, e a
porsi il problema del trasporto dell'energia su maggiori distanze. Inoltre, la rapida diffusione di motori elettrici
industriali, provocò una forte domanda verso una tensione di esercizio diversa dai 110 V, allora utilizzati per
l'illuminazione.
Corrente continua e alternata
Il sistema di Edison, che utilizzava la corrente continua, era poco adeguato per rispondere alle nuove esigenze
che si andavano delineando. Il problema del trasporto era poi ancora più difficile, dato che la trasmissione
interurbana di grandi quantità di energia elettrica a 110 V CC era molto costosa e soffriva, inoltre, di enormi
perdite per effetto Joule, per via delle correnti elevate necessarie per trasportare grandi potenze con una
tensione così bassa (si ricordi: P=V*I).
Nel 1886, George Westinghouse, un ricco imprenditore appena arrivato nel mercato elettrico, fondò la
Westinghouse Electric per competere con la General Electric di Edison. Quest'ultima si basò sulle scoperte e
le invenzioni di Nikola Tesla, il quale era convinto della superiorità della corrente alternata (CA) per la
distribuzione dell'energia elettrica. La sua convinzione si basava sul fatto che le perdite nella trasmissione
dell'elettricità dipendessero dalla tensione; sappiamo benissimo infatti che, a parità di potenza da trasmettere
su un conduttore, ad una maggiore tensione corrisponde minore intensità di corrente e quindi minori perdite. A
differenza della CC, la tensione della CA si poteva elevare mediante un trasformatore per essere trasportata su
lunghe distanze, subendo pochissime dispersioni. Successivamente, prima di provvedere alla distribuzione
diretta ai clienti, la tensione si faceva tornare a livelli sicuri e commerciali, mediante un altro trasformatore
riduttore.
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Westinghouse Electric, contro General Electric
Edison fu impensierito dalla comparsa di quella che venne definita la "tecnologia Tesla", che minacciava i
suoi interessi in un settore di sua creazione. Le due compagnie si affrontarono quindi in una battaglia di
relazioni pubbliche, che i giornalisti definirono guerra delle correnti, volte a supportare la migliore qualità
dei propri sistemi e imporli come tecnologia dominante.
Durante la Fiera Mondiale di Chicago del 1893, l'illuminazione fu affidata alla Westinghouse, che aveva
presentato un preventivo pari alla metà di quello della compagnia concorrente e Tesla ebbe l'opportunità di
esporre ed esibire i propri generatori e motori a CA. Poco dopo, la Niagara Falls Power Company incaricò la
Westinghouse dello sviluppo dei suoi sistemi di trasmissione: fu la fine della guerra delle correnti, e la CA
s'impose in tutto il mondo.
La corrente alternata sinusoidale.
Prima di passare ad illustrare i fenomeni fisici che portano alla generazione di una corrente alternata,
è necessario acquisire il concetto di grandezza alternata e di grandezza alternata sinusoidale.
Partiamo dal
concetto, già ormai acquisito e consolidato di corrente continua: in questo caso
abbiamo un flusso costante di cariche elettriche attraverso un conduttore; se pensiamo al più
semplice circuito, questo risulta costituito da un generatore (ad esempio una pila) un carico (che può
essere un resistore oppure una lampadina) e due conduttori che collegano il carico ai due poli del
generatore.
I
+
Bene, in questo circuito finché manteniamo il collegamento fra
carico e generatore e finché dura la carica di quest'ultimo, si ha
un flusso di cariche elettriche costante da un polo all'altro del
generatore e quindi attraverso il carico.
-
Se riportiamo su un grafico cartesiano l'andamento dell'intensità
di corrente che
scorre in questo
circuito in funzione del tempo otteniamo un retta
parallela all'asse delle ascisse, ossia
all'asse del
tempo.
Pensiamo ora ad un circuito in cui l'intensità di
corrente non sia più costante (ossia continua) ma vari al passare del tempo; vuol dire che ad ogni
istante il suo valore è diverso dal valore di un istante prima. Pensiamo ancora che per alcuni istanti
l'intensità di corrente diventi negativa: cosa significa in termini pratici? Significa semplicemente che in
tali istanti il flusso delle cariche elettriche nei conduttori si inverte. E come si può realizzare questa
inversione del flusso di cariche? Pensiamo che il generatore al suo interno scambi la polarità, ossia
attribuisca al polo positivo il potenziale del polo negativo e viceversa. Vediamo ora come, ossia con
che modalità, può avvenire questo scambio di polarità. Il modo più semplice che possiamo pensare è
quello che vede uno scambio istantaneo ad intervalli di tempo regolari. Il grafico che ne risulta è il
seguente:
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in cui si vede chiaramente che l'intensità di corrente
si mantiene costante (come la corrente continua)
per un determinato intervallo di tempo, per poi
passare istantaneamente ad un valore negativo
che è l'esatto contrario. Ciò può avvenire se il
generatore scambia istantaneamente al suo interno
il potenziale fra i poli, ossia istantaneamente il polo
positivo diventa negativo e viceversa. Questo andamento viene chiamato onda quadra e, benché
semplice da pensare risulta difficile da ottenere praticamente se non ricorrendo a particolari circuiti
elettronici.
Pensiamo ora che la grandezza in questione (che
può essere l'intensità di corrente come anche la
tensione) invece di passare istantaneamente dal
valore positivo al negativo, passi gradualmente
con andamento costante, per poi riprendere a
crescere non appena raggiunto il valore minimo.
Otteniamo
quella
che
viene
detta
onda
triangolare.
Proseguendo questo ragionamento possiamo ottenere altre forme d'onda; ma la forma d'onda che a
noi interessa nel nostro percorso esplorativo dell'elettrotecnica è quella sinusoidale, ossia quella in
cui il passaggio dal valore massimo positivo verso il minimo (negativo) avviene con andamento
“sinuoso”. Per dirla in termini matematici la variazione nel tempo avviene seguendo l'andamento della
funzione trigonometrica senα, dove α è un angolo che varia in continuazione, incrementandosi con
continuità nel tempo; per questo scriviamo α(t), ossia (l'angolo) alfa (che varia in) funzione del tempo.
Pensate ad esempio alla lancetta di un orologio o di un cronografo che ruota in continuazione: bene
l'angolo che tale lancetta forma con un asse fisso orizzontale varia continuamente nel tempo con
incremento regolare, fino, ovviamente al valore di 360°, dopodiché ricomincia da zero.
Se riportiamo su un grafico il valore della funzione
trigonometrica
senα(t) al passare del tempo
otteniamo la cosiddetta sinusoide.
Se una grandezza varia nel tempo seguendo
questa legge si dice che varia con andamento
sinusoidale, ed è ciò che succede alla corrente e
quindi al potenziale nei circuiti che funzionano in regime di corrente alternata (CA ovvero AC
secondo l'acronimo anglosassone maggiormente utilizzato).
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La generazione della corrente alternata sinusoidale.
Per quale motivo si è scelta la forma d'onda sinusoidale per la tensione e la corrente elettrica
alternata? In realtà tale forma d'onda, all'apparenza più difficile da generare, non è stata scelta, ma è
quella che si genera spontaneamente facendo ruotare un magnete all'interno di una spira, o di un
avvolgimento.
Per spiegare ciò dobbiamo riprendere la legge
dell'induzione di Faraday e la definizione di
flusso magnetico.
Il flusso magnetico concatenato con la spira
sappiamo essere dato da:
Φ = B*S*senα, essendo quindi α l'angolo
formato dall'asse S-N del magnete con il
piano della spira di area S. Se il magnete
ruota con velocità angolare costante ω, l'angolo che istante per istante individua la posizione del
magnete sarà dato da: α(t) = ω * t, ossia dal prodotto della velocità angolare ω (costante) per per il
tempo t (che invece aumenta in continuazione): quindi l'angolo α aumenta con continuità. Di
conseguenza il flusso magnetico attraverso la spira varierà con legge sinusoidale.
La legge di Faraday ci dice che la FEM (forza elettromotrice, ossia differenza di potenziale) indotta ai
capi della spira è data dalla variazione del flusso (che abbiamo appena visto variare con andamento
sinusoidale), nonché dalla rapidità con cui tale variazione avviene. La rapidità con cui avviene la
variazione significa semplicemente che più velocemente facciamo ruotare il magnete, maggiore sarà
la FEM prodotta. Ovviamente questa sarà legata anche all'induzione magnetica B ed all'area della
spira S: ciò, in termini pratici significa che più potente sarà il magnete oppure più grande sarà la spira
maggiore sarà la FEM indotta.
Abbiamo quindi spiegato come si genera una FEM, ossia una differenza di potenziale alternata
sinusoidale; e la corrente? E' sufficiente collegare ai capi della spira un conduttore in modo da
formare un circuito chiuso, per far sì che attraverso di essa circoli una corrente anch'essa alternata
sinusoidale.
Riassumendo:
✔ la rotazione continua con velocità angolare ω costante di un magnete all'interno di una spira o
di un avvolgimento, induce ai capi di questi una FEM alternata sinusoidale.
✔ La FEM indotta risulta direttamente proporzionale all'intensità del campo magnetico, alle
dimensioni della spira ed alla velocità di rotazione.
✔ Collegando ai capi della spira/avvolgimento un carico, in esso circola una corrente alternata
sinusoidale, che è legata alla DDP dalla legge di Ohm.
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