15a Alternatore

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ALTERNATORE
L’alternatore è un generatore di corrente alternata 1 che trasforma l'energia fornita da un
motore primo (turbina a vapore, idraulica o a gas, motore Diesel ecc.) in energia elettrica, sotto
forma di corrente alternata; è una macchina elettrica «sincrona» e, quindi, essendo reversibile, può
funzionare sia come generatore sia come motore. Schematicamente, un alternatore si può
immaginare costituito da una spira girevole intorno a un asse, entro il campo magnetico generato da
una elettrocalamita fissa. I due estremi della spira sono collegati a due anelli, isolati tra loro, detti
collettori, sui quali strisciano due spazzole di carbone. Sia α l'angolo formato dalla normale n al
piano della spira con la direzione del vettore induzione magnetica B del campo magnetico nel
traferro dell'elettrocalamita; se il campo magnetico è uniforme, il flusso concatenato con la spira è
Φ ( B ) = S B cos α , dove S è l'area della spira. Supponendo che la rotazione della spira sia
uniforme, con velocità angolare (pulsazione) ω = 2πf’, dove f’ è la frequenza di rotazione, sarà
α = ωt, per cui Φ ( B ) = S B cos ω t . Il flusso concatenato alla spira varia quindi con legge
sinusoidale. In accordo con la legge di Faraday-Neumann sull'induzione elettromagnetica, nella
dΦ
spira si genera una forza elettromotrice: e = −
= S B ω sin ω t = E sin ω t . Inserendo tra le
dt
spazzole un circuito esterno, si avrà in esso un passaggio di corrente alternata.
Per quanto basati su questo principio, gli alternatori usati
attualmente hanno un aspetto assai diverso. Nei tipi più
comuni di alternatore l'induttore è rotante e interno (rotore),
l'indotto è esterno e fisso (statore). L'induttore riceve la
corrente continua, necessaria per l'eccitazione dei poli, da due
anelli collettori con spazzole striscianti sistemati sull'albero.
Gli avvolgimenti dei poli induttori sono generalmente collegati
in serie alternativamente nord e sud. La corrente continua per
l'eccitazione è fornita da una dinamo detta eccitatrice, la quale
può essere coassiale con l'alternatore, quindi azionata dallo
stesso motore primo, oppure separata e azionata da altro
motore; la corrente continua di eccitazione può anche essere
fornita da altro impianto (convertitore statico).
Gli
avvolgimenti indotti degli alternatori in generale sono del tipo a
tamburo e sono disposti entro cave realizzate nell'indotto dello
statore. Questi avvolgimenti fanno capo a morsetti fissi dai
quali si manda la corrente al circuito esterno. L'indotto è
soggetto al flusso alternato generato dall'induttore; perciò il
pacco è costituito da lamierini magnetici (in genere semilegati
di spessore 0.5 mm) isolati tra loro al fine di ridurre quanto possibile le correnti parassite.
La frequenza f delle grandezze elettriche ai morsetti e la velocità di rotazione n (giri/min)
pn
, dove p è il numero di coppie di poli induttori.
dell'alternatore sono legate dalla relazione f =
60
Così per ottenere una frequenza di 50 periodi al secondo (50 Hz) con induttore bipolare saranno
1
Caratteristica particolarmente importante in una grandezza alternata g(t) è il valore efficace, cioè la radice quadrata
1 T 2
g ( t ) , essendo T il periodo. Per una corrente
della media dei quadrati del suoi valori istantanei: veff =
T ∫0
elettrica alternata sinusoidale i valori efficaci della tensione E e dell'intensità di corrente I sono dati da:
Eeff = E0 2 0.707 E0 e I eff = I 0 2 0.707 I 0 , dove E0 e I0 sono i valori massimi della tensione e della
corrente. Una corrente alternata passante in un circuito ohmico produce effetti uguali a quelli generati da una corrente
continua passante per lo stesso circuito, se il valore efficace della corrente alternata è pari a quello della continua.
necessari 50 x 60 = 3000 giri/min; se i poli sono 4, si hanno due periodi per ogni giro e quindi 1500
giri.
Disponendo nell'indotto due avvolgimenti uguali ma distinti, distribuiti uniformemente e
spostati tra di loro di 1/4 di passo, cioè di 90°, si hanno in essi le forze elettromotrici (f.e.m.)
spostate di 90° e quindi un sistema bifase. Disponendo invece tre avvolgimenti spostati di 1/3 di
passo, cioè di 120°, si ha un sistema trifase in cui le tre f.e.m. risultano spostate di l/3 di periodo.
Negli avvolgimenti trifasi le 3 f.e.m. devono risultare uguali; i tre avvolgimenti fanno capo a 6
morsetti e possono essere collegati a stella, oppure a triangolo. Nel primo caso la tensione tra due
poli di linea del circuito esterno è 1.73 E, essendo E la f.e.m. di ciascuno dei tre avvolgimenti, nel
secondo caso è invece uguale a E. La potenza fornita dall'alternatore, a parità di condizioni, è
uguale nell'uno e nell'altro caso, dato che in ciascun avvolgimento di fase si ha sempre la stessa
corrente e tensione; però nel circuito esterno, con il collegamento a stella è maggiore la tensione e
minore la corrente, mentre con il collegamento a triangolo è vero l'inverso. I rapporti sono 1:1.73
ossia 1: 3
Per collegare una macchina sincrona con la rete elettrica esterna (cioè metterla in parallelo
con la rete), occorre portarla ai giri di sincronismo (1500 giri/min, per esempio, con rete a 50 Hz) e
quindi eccitarla (cioè magnetizzare il suo circuito induttore) in modo che le tensioni indotte ai
morsetti dello statore risultino concordi con quelle della rete esterna (stessa frequenza, stessa
sequenza, stessi valori assoluti, concordanza di fase): a questo punto è possibile chiudere
l'interruttore di macchina collegando i morsetti dello statore alla rete esterna. In tal modo la
macchina sincrona viene a trovarsi in parallelo sulla rete, «a vuoto», cioè senza assorbire né erogare
energia elettrica rispetto alla rete. A questo punto si può, in linea di principio, scegliere il tipo di
funzionamento della macchina applicando sul suo asse una coppia meccanica motrice oppure
resistente. Nel primo caso la macchina passa a funzionare come generatore (erogando energia
elettrica sulla rete), nel secondo caso passa a funzionare come motore (assorbendo energia elettrica
dalla rete): l'energia meccanica applicata si trasforma in energia elettrica, o viceversa (salvo le
perdite della macchina stessa, per attrito, riscaldamento dei conduttori, ecc.). In realtà, oltre al
campo magnetico induttore (campo principale) occorre considerare anche il campo di reazione
generato dalle correnti di statore quando l'alternatore è a carico: i due campi reagiscono fra di loro
trasmettendo così la coppia fra rotore e statore, mentre il circuito magnetico è percorso in effetti dal
flusso risultante.
Il gruppo generatore, formato dal motore primo e dall'alternatore, può funzionare in servizio
separato alimentando un'utenza singola; più frequentemente i gruppi generatori sono posti in
parallelo su una rete generale elettrica alla quale sono connesse tutte le utenze. Il rendimento di un
alternatore (come rapporto fra la potenza elettrica resa ai morsetti dell'alternatore e la potenza
meccanica fornita sull'asse della macchina, espresse in kW) è di solito elevato: nel caso di grosse
macchine, nelle migliori condizioni di impiego, può raggiungere il 98.5%.
Per quanto riguarda le condizioni d'esercizio degli alternatori, occorre inoltre tener presente
che:
1) nel caso tipico di alternatori accoppiati a turbine idrauliche, converrà controllare le
caratteristiche di energia del rotore agli effetti della sovravelocità in caso di brusco distacco del
carico
2) nel caso tipico di alternatori accoppiati a motori Diesel, occorrerà verificare l'eventuale necessità
di un volano per evitare oscillazioni pendolari;
3) nel caso di alternatori destinati a funzionare su lunghe linee di trasmissione dell'energia,
converrà esaminare le caratteristiche della macchina agli effetti della messa in tensione delle
linee e della stabilità di trasmissione.
Quando gli alternatori sono azionati da motori primi alternativi, a vapore o a scoppio, può
verificarsi che le oscillazioni di velocità per determinati rapporti tra il momento di inerzia delle
macchine e la coppia sincronizzante, invece di essere smorzate, diano luogo a oscillazioni pendolari
intorno alla velocità media, la durata di un'oscillazione si chiama periodo proprio dell'alternatore.
Le oscillazioni pendolari sono spesso causa di ronzii; per evitare l'inconveniente si applicano agli
alternatori dispositivi (barre di rame) atti a smorzare queste oscillazioni.
Gli alternatori si possono distinguere in macchine di piccola e media potenza e macchine di
potenza limite, cioè turbogeneratori a 2 e 4 poli, la cui potenza nominale è prossima al massimo
ammissibile in relazione alle limitazioni meccaniche, elettriche e termiche. Allo stato attuale della
tecnica, le più grandi macchine in costruzione sono turboalternatori con potenza su un solo asse di
circa 1000 MVA per i 2 poli e 1400 MVA per i 4 poli.
Grazie ai fenomeni di superconduttività, è oggi possibile realizzare alternatori di dimensioni
ridotte, con potenze praticamente raddoppiate o con rendimenti superiori. In queste macchine,
l'avvolgimento di eccitazione è superconduttore mentre l'avvolgimento dell'indotto ha conducibilità
normale; poiché i superconduttori (per esempio le leghe niobio-titanio a bassa temperatura) sono in
grado di trasportare correnti di intensità estremamente elevata, è possibile accrescere il flusso di
induzione magnetica senza impiegare ferro e disporre quindi di maggiore spazio per l'avvolgimento.
Gli aumenti di rendimento sono dovuti essenzialmente alla minore energia necessaria per alimentare
l'avvolgimento superconduttore. Ciò consentirà vantaggi essenziali nella costruzione dei grandi
alternatori, le cui potenze massime potranno superare le potenze (dell'ordine dei 2500 MVA)
teoricamente raggiungibili con macchine costruite con materiali tradizionali.
Il rotore è raffreddato con idrogeno gassoso in circuito chiuso, a sua volta raffreddato con
scambiatore ad acqua. La statore è raffreddato ad acqua.