L'ALTERNATORE
cos'è, come funziona.
La corrente prodotta dalla dinamo Pacinotti, così come quella prodotta dalla pila di
Volta, è corrente che scorre sempre nella stessa direzione, chiamata perciò corrente
continua (c.c.).
Tale corrente è indispensabile per alcuni usi, come caricare batterie di accumulatori,
per la placcatura elettronica dei metalli e molti processi chimici; essi inoltre è usata
per alimentare motori ferroviari e tramviari.
In genere però, per la maggior parte degli impieghi, si preferisce usare una corrente
alternata (c.a.), che a differenza della corrente continua il verso della tensione e della
corrente si inverte continuamente, fino a raggiungere in alternanza i due valori
massimi di segno opposto.
La generazione di corrente alternata può essere ottenuta molto semplicemente;
sostituendo il collettore a lamelle della dinamo di Pacinotti con un collettore ad
anelli, quindi la corrente inviata all'esterno non è più continua, ma alternata.
Un generatore di corrente alternata, chiamato anche alternatore, è quindi formato
essenzialmente da un avvolgimento di filo di rame (indotto) rotante tra i poli del
magnete (induttore).
Sull'albero sono montati due anelli metallici, isolati fra loro (anelli del collettore),
ciascuno collegato a un estremo dell'avvolgimento rotante, sui quali sono appoggiate
le spazzole striscianti.
Negli alternatori, come in tutte le macchine elettriche rotanti, la parte fissa si chiama
statore e la parte mobile rotore.
Un alternatore avente un solo avvolgimento o una sola serie di avvolgimenti indotti
produce una corrente monofase.
Montando sul rotore due serie di avvolgimenti distinti, possono essere prodotte due
correnti diverse, inversamente proporzionale tra loro; questa è una corrente bifase.
Impiegando tre o più serie di avvolgimenti, si può ottenere una corrente trifase o
polifase.
Funzionamento a vuoto di un alternatore.
Un alternatore funziona a vuoto quando è trascinato in rotazione col circuito
utilizzatore aperto mentre il circuito induttore è r eg ol a r me n t e e c c i t a to . I due
d a ti c he c a r at t e riz z a no il funzionamento a vuoto sono la tensione ai morsetti
U0 e la frequenza f. quest'ultima dipende dalla velocità di rotazione.
In pratica la frequenza di funzionamento di un alternatore costituisce un dato
invariabile dell'impianto e perciò gli alternatori devono funzionare a velocità
costante.
Nel funzionamento a vuoto, essendo nulla la corrente erogata, la tensione disponibile
ai morsetti Uo coincide con la f.e.m. generata Eo, la quale dipende dal valore del
flusso D relativo a ciascun polo e dalla frequenza.
Il valore del flusso può essere variato regolando la corrente di eccitazione della
macchina. Facendo crescere per gradi questa corrente si può rilevare la
tensione a vuoto Uo = E 0 che corrisponde a ciascun valore della corrente di
eccitazione I, :
riportando le correnti I, sull'asse delle ascisse e le tensioni Eo corrispondenti sulle
ordinate, si costruisce la caratteristica a vuoto dell'alternatore, la quale assume il
tipico andamento rappresentato in figura. In relazione ai fenomeni di saturazione dei
nuclei magnetici tale caratteristica comprende un tratto iniziale in cui la tensione
cresce proporzionalmente alla corrente di eccitazione; il tratto successivo, a
saturazione raggiunta, gli aumenti del flusso e della tensione diventano sempre meno
sentiti. Nel funzionamento pratico dell'alternatore si utilizza il tratto della
caratteristica che segue immediatamente il ginocchio di tale caratteristica affinchè le
piccole inevitabili variazioni accidentali della corrente di eccitazione non provocano
delle variazioni di tensione intollerabili. La normale condizione di
funzionamento a vuoto viene rappresentata da un punto come P della
caratteristica, cui corrispondono la tensione nom inale a vuoto Uo i , e
la corrente di eccitaz ione nom inale len.
Funzionamento a carico di un alternatore
Quando un alternatore alimenta un circuito utilizzatore si dice che esso funziona a
carico; le condizioni di funzionamento dipendono allora, oltre che dall'
eccitazione, anche dalle particolari caratteristiche del circuito esterno, il quale
potrà essere: un carico puramente ohmico, un carico induttivo o un carico capacitivo.
Il fenomeno essenziale che interviene nel funzionamento a carico è rappresentato
dalla reazione di indotto, cioè dal complesso dei fenomeni derivanti dalla
comparsa del campo magnetico che viene generato dagli stessi avvolgimenti indotti
dell' alternatore quando sono percorsi dalla corrente che esso eroga sul circuito
utilizzatore.
Gli effetti dipendono da due elementi: dall'intensità della corrente erogata dall'
alternatore e dallo sfasamento della corrente rispetto alla tensione.
Nel caso relativo al carico puramente ohmico, la corona dei poli indotti occupa la
mezzeria fra i poli induttori, ed è spostata rispetto a questi di mezzo passo polare nel
verso del moto. Ne conseguono due fatti: una coppia opposta al moto, la quale
costituisce la coppia resistente dell' alternatore. Il fatto è una diretta conseguenza del
principio della conservazione dell' energia; infatti se l' alternatore eroga una corrente
in fase con la fe.m. vuol dire che l' alternatore stesso genera e invia al circuito esterno
una certa potenza attiva, e per mantenerlo in rotazione si dovrà spendere
necessariamente una uguale potenza meccanica per vincere la coppi a resistente.
In ciò consiste l' effetto meccanico della reazione di indotto.
Un secondo effetto, di carattere puramente magnetico, deriva dal fatto che il campo
di indotto è un campo traverso rispetto al campo induttore, il quale ne risulterà
distorto. Pertanto il flusso induttore viene indebolito in corrispondenza di un corno
polare e rinforzato nell' altro: in conseguenza della saturazione, il primo effetto è
maggiore del secondo e perciò il flusso induttore oltre che distorto risulterà anche
diminuito.
Questa diminuzione di flusso si tradurrà in una diminuzione proporzionale della
f.e.m. generata, e perciò una caduta di tensione ai morsetti denominata precisamente
denominata caduta di tensione per reazione di indotto.
Nel caso, del carico puramente induttivo, i poli indotti risultano esattamente
contrapposti ai poli induttori di egual nome. Ne r i s ul t an o , pe rt a nt o , du e f at ti :
i p ol i i nd ot ti e ind ut to r i direttamente affacciati si respingono, ma queste forze
hanno esattamente direzione radiale e perciò il loro effetto è nullo: e così deve
essere infatti perché se l' alternatore funziona erogando una corrente sfasata
di 900 in ritardo rispetto alla f.e.m. è nulla la potenza elettrica generata, e deve essere
nulla la potenza meccanica assorbita dalla macchina, perciò è nulla la coppia
resistente. Per quanto riguarda l' effetto magnetico, trovandosi ora i poli indotti
direttamente contrapposti ai poli induttori di egual nome il loro effetto sarà
smagnetizzante, il quale produrrà una notevole diminuzione del flusso induttore: ne
consegue una diminuzione della f.e.m. generata assai più sentita che nel caso
precedente.
Infine, nel caso di un carico capacitivo l'effetto meccanico della rotazione di indotto
è ancora un sistema di forze radiali e perciò la coppia resistente è ancora nulla, come
deve essere infatti perché anche in tal caso la potenza attiva generata è zero.
Per quanto riguarda l' effetto magnetico, i poli indotti risultano direttamente affacciati
ai poli induttori di nome contrario e in tali condizioni i poli indotti esercitano essi
stessi un' azione m ag netizza nte sui poli indutto ri il cui f lusso risult er à
conseguentemente rinforzato. In altri termini si verifica in questo caso un
processo di parziale autoeccitazione dell' alternatore e perciò la f.e.m. anziché
diminuire da vuoto a carico, aumenta. L' effetto della reazione di indotto si traduce
così in un aumento della tensione ai morsetti.
