Alternatore

L'alternatore è una macchina che viene messa in rotazione da un motore e in seguito alla rotazione genera una tensione alternata sinusoidale nei suoi avvolgimenti di uscita. L'alternatore viene di solito utilizzato nei sistemi di trasporto per la ricarica delle batterie. L'alternatore viene detto anche macchina sincrona per il fatto che la velocità con cui ruota deve essere costante e sincronizzata in base alla frequenza della rete elettrica a cui è collegata, rete che in Italia ha la frequenza di 50 Hz.

In particolare tra frequenza e velocità esiste la seguente relazione:

dove f è la frequenza misurata in Hz, n è il numero di giri del rotore compiuti in un minuto.

Questa formula è valida quando nel rotore vi è un solo polo Nord e un solo polo Sud, cioè vi è una sola coppia di poli.

 

particolari costruttivi della macchina sincrona

La parte fissa dell'alternatore si chiama statore; la parte che ruota si chiama rotore.

Sul rotore vi sono degli avvolgimenti che sono alimentati con una tensione continua; tale tensione continua può essere fornita o da una batteria esterna oppure da una dinamo calettata ( fissata) sullo stesso albero rotore.

Collettore ad anelli

Gli avvolgimenti di rotore vengono collegati al generatore di tensione continua mediante un collettore ad anelli, costituito da due anelli di rame sui quali premono delle spazzole di grafite, che è un materiale conduttore che si autolubrifica; le spazzole sono ferme e sono collegate al generatore di tensione; hanno lo scopo di alimentare il rotore.

L'avvolgimento del rotore è anche detto avvolgimento di eccitazione, in quanto genera un campo magnetico.

Sullo statore vi sono altri avvolgimenti che non sono alimentati ma ai capi di questi avvolgimenti vi si genera una forza elettromotrice indotta, dovuta alla legge di Farady. Tale forza elettromotrice viene poi utilizzata per alimentare un utilizzatore.

Se sullo statore vi sono tre avvolgimenti separati e disposti in modo tale che formino tra di loro degli angoli meccanici del valore ciascuno di 120° anche le tensioni alternate che vi si generano in questi tre avvolgimenti sono sfasate tra di loro di un angolo pari a 120°.

stella di tensioni del sistema trifase

 Un modo di rappresentare le tensioni è quello detto dei vettori rotanti. Nel nostro caso un vettore sta a rappresentare una tensione che ha un suo valore detto modulo, ed è rappresentato da un segmento lungo un certo valore, in base alla scala delle tensioni che si è scelta, è caratterizzato dalla direzione su cui giace il segmento, ed è infine caratterizzato da un verso, indicato da una freccia.

vettore tensione orizzontale con sfasamento nullo

 

Se consideriamo, invece due vettori e li rappresentiamo in questo modo:

vettori sfasati di 90°

Se consideriamo che entrambi i due vettori non siano fermi, ma ruotano attorno alla loro origine con velocità costante, possiamo dire non solo che i due vettori sono sfasati tra di loro di 90 gradi, cioè formano un angolo di 90°, ma possiamo anche dire che il vettore E2 precede E1, e quindi E2 è sfasato in anticipo di 90° rispetto al vettore E1.

 Nel nostro alternatore le tensioni alternate che vi si generano in questi tre avvolgimenti sono sfasate tra di loro di un angolo pari a 120°.

stella di tensioni del sistema trifase

 

Poiché le tensioni generate sono tre il sistema delle tre tensioni, uguali in modulo, ma sfasate tra di loro di un angolo di 120° è detto sistema trifase di tensioni. 

Nel sistema trifase fornito dall'ENEL i valori delle tensioni trifasi sono pari a 400 V, in valore efficace.

Nell'alternatore, una volta costruito, lo sfasamento tra le tensioni generate resta costante; anche la velocità di rotazione del rotore deve essere perfettamente costante, in modo tale che la frequenza resti costante a 50 Hz.

Infatti

dove f è la frequanza della tensione alternata sinusoidale ed n è il numero di giri al minuto del rotore.

L'unica cosa che possiamo cambiare è il valore di tensione che preleviamo ai capi dei tre avvolgimenti di statore.

Per poter cambiare la tensione dello statore possiamo agire sull'avvolgimento di eccitazione, cioè sull'avvolgimento di rotore; in particolare aumentando la tensione continua sul rotore aumenta anche la tensione alternata prelevata sullo statore. Infatti è valida la seguente caratteristica della macchina sincrona utilizzata come alternatore:

caratteristica a vuoto di un alternatore

Tale caratteristica è detta a vuoto perché è valida quando manca il carico, cioè quando manca l'utilizzatore. Tale caratteristica ci dice che all'aumentare della corrente di eccitazione del rotore aumenta anche la tensione alternata prelevabile sullo statore.

In presenza del carico la tensione scende all'aumentare del carico, se il carico è di tipo resistivo o induttivo; se, invece, il carico è di tipo capacitivo, la tensione a carico risulta essere maggiore di quella a vuoto.

Per calcolare il rendimento possiamo fare il rapporto tra la potenza utile Pe, che è quella erogata e la potenza assorbita Pa, che è quella meccanica fornita dal motore meccanico che mette in rotazione il rotore.

La potenza assorbita la possiamo calcolare come somma tra la potenza erogata e la potenza perduta, cioè:

Pa = Pe + Pp

La potenza perduta Pp è dovuta sia agli attriti meccanici sull'albero rotore, sia alle perdite dovute al riscaldamento nei fili di rame per effetto Joule, sia a perdite magnetiche dovute ai flussi dispersi, e sia alle perdite dovute alle apparecchiature addizionali, e cioè i sistemi di raffreddamento e il generatore di tensione che alimenta l'avvolgimento di eccitazione del rotore.

In definitiva possiamo dire che:

Come valori si aggira tra il 90% e il 95%.

La potenza nominale dell'alternatore è:

P = V I

E si misura in VA ( Voltampere)

 

Motore sincrono

La macchina sincrona è una macchina reversibile, nel senso che se alimentiamo lo statore con un sistema trifase di tensioni alternate, ed alimentiamo il rotore con una tensione continua, il motore ruota a velocità costante, anche se aumenta il carico; infatti non rallenta come i comuni motori all'aumentare del carico.

Infatti la sua velocità è, nel caso di una sola coppia polare:

n = 60 f

dove n è il numero di giri al minuto, mentre f è la frequenza. Poiché la frequenza è quella di rete e resta costante a 50 Hz, anche la velocità resta sempre costante, e per questo il motore si dice sincrono, cioè mantiene sempre la velocità di sincronismo.

Un inconveniente del motore sincrono è la incapacità di avviarsi da solo, in quanto non possiede una coppia di spunto, cioè la coppia necessaria a far partire il motore da fermo; per cui necessita di un motore di avviamento, che viene staccato una volta che il motore sincrono ha raggiunto la velocità di sincronismo.

 

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2013