Le Correnti Alternate

ITCG CATTANEO CON LICEO DALL’AGLIO - via M. di Canossa - Castelnovo ne’ Monti (RE)
SEZIONE I.T.I.
Le Correnti Alternate
Come vedremo è piuttosto semplice produrre tensioni, e di
conseguenza correnti, che oscillano periodicamente tra un valore
massimo positivo ed un valore massimo negativo, invertendo
continuamente il proprio verso.
VANTAGGI
- semplicità delle macchine generatrici (alternatori)
- possibilità di utilizzare semplicemente i trasformatori
La tensione alternata viene prodotta utilizzando speciali apparecchi, detti Alternatori, che
sfruttano il fenomeno della induzione elettromagnetica.
SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DI UN ALTERNATORE
B
Spira che ruota intorno al proprio asse immersa in
un Campo Magnetico uniforme tra le espansioni di
un magnete.
Mentre la spira ruota, poiché varia il flusso del C.M.
ad essa concatenato, si verifica il fenomeno della
Induzione Elettromagnetica per cui nasce una
f.e.m. (forza elettro-motrice) indotta tra le spazzole,
che può essere utilizzata.
In realtà non c’è una sola spira ma ci sono diversi avvolgimenti, di solito caratterizzati da un
elevato numero di spire ed orientati in differenti direzioni.
Durante la rotazione il flusso concatenato con la spira ø = BS*cosα varia con legge
sinusoidale; di conseguenza nasce una f.e.m. indotta anch’essa sinusoidale, ma sfasata di
90° rispetto al flusso .
A
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Analizziamo, con riferimento alla figura precedente, come varia il flusso concatenato con la
spira durante la sua rotazione :
α=
angolo tra la normale al piano della spira e la direzione delle linee
di forza del Campo Magnetico
t=0
la spira è ortogonale alle linee del Campo Magnetico per cui il flusso assume il
valore massimo positivo +BS ( cosα = 1)
t = π/2ω
la spira è parallela alle linee del Campo Magnetico per cui il flusso diventa nullo
(non ci sono linee forza che attraversano la spira ; α = 90° quindi cosα = 0 )
t = π/ω
la spira è ancora perpendicolare alle linee del Campo Magnetico, ma capovolta
per cui il flusso assume il valore massimo negativo – BS ( le linee di forza entrano
dalla faccia opposta in quanto la spira ha ruotato di 180° ; α = 180° e cosα = -1)
t = 2π/ω
la spira è ancora parallela alle linee del Campo Magnetico per cui il flusso ritorna
ad essere nullo (non ci sono linee forza che attraversano la spira ; α = 270° quindi
cosα = 0)
Dalla Legge di Faraday-Neumann (e Lenz) sappiamo che :
in cui Δø/Δt rappresenta la velocità di variazione del flusso.
E’ facile capire come i valori massimi della f.e.m. indotta corrispondano alle zone in cui il
flusso varia più velocemente, cioè in cui è massima la pendenza della tangente alla curva
che indica la variazione del flusso .
La f.e.m. indotta si avvicina a zero nelle zone in cui la variazione di flusso avviene lentamente
( tangente alla curva parallela all’asse delle ascisse)
Nella figura precedente sono stati disegnate sullo stesso grafico le due funzioni che
rappresentano l’andamento del flusso concatenato alla spira (linea blu) ed il valore della
f.e.m. indotta (linea rossa) al variare del tempo, per valori dell’angolo alfa compresi tra 0 e
360° (2 π).
ω = vel. angolare di rotazione della spira (rad/s)
T = 2π/ω periodo (s)
Flusso
ø = BS∗cosωt
val. max E = BS (Wb)
F.e.m. indotta
Fi = BSω∗senωt
val. max = BSω
(V)
Le due funzioni sono sinusoidali e periodiche con periodo 2π/ω, quindi proseguono
indefinitamente con lo stesso andamento.
La tensione indotta è quindi alternata sinusoidale ; il verso cambia ogni mezzo periodo.
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Collegando alle spazzole un circuito esterno di resistenza R si otterrà una corrente elettrica :
Si tratta di una corrente
alternata sinusoidale
Il verso cambia ogni mezzo periodo
Esistono due categorie fondamentali di Alternatori :
ALTERNATORI MONOFASE
Il rotore è un elettromagnete a due anelli.
Quando i poli passano davanti alle bobine
dello statore si producono due f.e.m. indotte
che, dato il verso degli avvolgimenti, si
sommano.
ALTERNATORI TRIFASE
Il rotore è sempre un elettromagnete.
Lo statore è dotato di tre bobine disposte a 120°
Anziché avere tensioni elevate si fa in modo da
sommare tre tensioni indotte sfasate tra loro.
Nelle centrali elettriche Il moto di rotazione degli alternatori viene normalmente ricavato
utilizzando turbine idrauliche o a vapore .
Centrali Idroelettriche :
sfruttano l’energia cinetica dell’acqua in caduta da una certa
quota (dighe)
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Centrali termoelettriche :
Centrali Nucleari :
le turbine sono messe in rotazione da getti di vapore ricavato
tramite caldaie alimentate a gas o petrolio.
Il vapore viene ricavato innescando una reazione controllata di
fissione nucleare.
VALORI EFFICACI
Come per le correnti continue il passaggio della corrente attraverso un conduttore determina
sempre la produzione di una certa quantità di calore .
Il calore prodotto dal passaggio di una corrente è uno dei parametri fondamentali per il
dimensionamento degli impianti e dei circuiti in generale.
Valore Efficace di una Corrente Alternata
Intensità di una ipotetica corrente continua che attraversando una
resistenza produrrebbe la stessa quantità di calore
Corrente continua
Corrente alternata
Q = I2 *R* t
Q = I2eff *R* t
Si può dimostrare che il valore efficace così definito vale :
Allo stesso modo può essere definito un valore efficace per la
tensione.
Valore Efficace di una Tensione Alternata
Dove Io e Vo sono i valore massimi istantanei raggiunti ; si può
quindi concludere che i valori efficaci corrispondono ai 7/10 (70%)
dei valori massimi .
LA TENSIONE ALTERNATA ITALIANA
Nelle prese di casa è presente una tensione alternata
caratterizzata da una frequenza di oscillazione di 50
Hertz ; quindi la tensione si inverte 50 volte al
secondo.
Questo valore è stato dettato dal fatto che in questo
modo il nostro occhio non percepisce le variazioni di
luminosità conseguenti alle oscillazioni
della
corrente che attraversa il filamento di una lampadina
; se la frequenza scendesse sotto i 25-30 Hertz la
luce delle lampadine ad incandescenza non ci
apparirebbe più “costante” ma “tremolante” .
Tutti sappiamo che la nostra tensione di rete vale 220 v .
In realtà quest’ultimo è il valore efficace della tensione che in realtà oscilla tra il massimo di
+ 311v ed il minimo di -311 v .
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Misura della Corrente Alternata
Amperometro a filo caldo
Per misurare l’intensità di una corrente
alternata , per come è stata definita, è
necessario valutare i suoi effetti termici.
A questo scopo esistono strumenti appositi ,
come per esempio l’amperometro a filo
caldo.
Secondo lo schema riportato nella figura a
fianco, si può notare come il filo percorso da
corrente scaldandosi si dilati e determini il
movimento dell’indicatore, tenuto in tensione
da una molla di richiamo.
L’intensità di corrente misurata risulta perciò proporzionale all’angolo di cui ruota l’indicatore.
Come è fatto un Alternatore
L' alternatore è una macchina elettrica rotante che
trasforma l'energia meccanica fornita da un motore
(per es., una turbina idraulica) in energia elettrica.
Diversamente da quella di altri generatori (per es., la
dinamo), la corrente erogata dall'alternatore è alternata
(da cui il nome).
Struttura di un alternatore
L'alternatore è costituito da una parte fissa, detta
statore, e da una parte mobile, rotore. Su entrambe
sono disposti dei conduttori elettrici collegati tra loro
in modo da formare due circuiti. Uno dei due ha la funzione di creare il campo magnetico
(avvolgimento induttore o di eccitazione) e l'altro quella di essere sede di forza elettromotrice indotta
(avvolgimento indotto). Normalmente il campo magnetico è creato facendo circolare una corrente
continua nell'avvolgimento posto sul rotore; in tal caso
lo statore ha la forma di un cilindro cavo, nel cui interno,
coassiale con esso, è disposto il rotore, che può avere
forma cilindrica (rotore a poli lisci) o stellare (rotore a
poli salienti). Negli alternatori di piccola potenza, quali
quelli usati negli autoveicoli, il campo magnetico può
essere generato anche con un magnete permanente, in
questo caso manca l'avvolgimento di eccitazione. Con gli
alternaori in cui il campo magnetico è creato con una
corrente continua si possono raggiungere potenze
superiori ai 1000 MVA (megavoltampere), mentre con
quelli a magnete permanente non si va oltre i 100 kVA.
Gli alternatori di grande potenza sono di solito azionati
da turbine a vapore (turboalternatori).
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Rotore dell’alternatore della Centrale di
Stazzona (1938)
Alternatore da motore
Centrale di Grosio: Rotore del nuovo
alternatore da 120MVA
Centrale di Grosio: Vista del nuovo
alternatore gruppo 4; posizionamento della
crociera
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