Alternatore

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Un alternatore trifase

L'alternatore è una macchina elettrica rotante basata sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica, che trasforma energia meccanica in energia elettrica sotto forma di corrente alternata assumendo la funzione di trasduttore.

Svolge in pratica l'azione inversa rispetto al motore sincrono e presenta la stessa struttura di base.

Indice

[modifica] Principio costruttivo

Il principio costruttivo e di funzionamento varia seconda del tipo di generatore.

[modifica] Generatore sincrono

La macchina è costituita da una parte cava fissa, chiamata statore, al cui interno ruota una parte cilindrica calettata sull'albero di rotazione, detta rotore. Sullo statore sono presenti gli avvolgimenti elettrici su cui vengono indotte le forze elettromotrici che sosterranno la corrente elettrica prodotta. Il rotore genera il campo magnetico rotante per mezzo di elettromagneti, i quali sono a loro volta opportunamente alimentati oppure vengono utilizzati dei magneti permanenti i quali non necessitano di alimentazione. La tipologia costruttiva varia notevolmente a seconda del tipo di macchina a cui sono accoppiati. In caso di alternatori siti in centrali idroelettriche dove la turbina idraulica ruota a frequenze di centinaia di giri al minuto l'avvolgimento rotorico sporge rispetto all'albero (si parla di macchina ad N "poli salienti"). La velocità dipende dalle caratteristiche della turbina idraulica ed è inversamente proporzionale al numero dei poli. Alternatori accoppiati a turbomacchine (turbine a gas o a vapore) hanno anche l'avvolgimento rotorico alloggiato in cave, ruotano a frequenze maggiori, comparabili con la frequenza di rete, e si distinguono ulteriormente per tipologia di raffreddamento, ad aria, acqua e ad idrogeno.

Il rendimento di questi alternatori è molto altro, intorno al 0,97 (97%) per scendere fino al 0,85 (85%).

[modifica] Generatore asincrono

Nel caso invece si utilizzi come base un motore asincrono, tale motore viene utilizzato come generatore soltanto quando le potenze in gioco sono contenute e principalmente quando è collegato a una rete elettrica prevalente (rete nazionale), che è mantenuta in tensione da alternatori sincroni. Il motore asincrono per poter funzionare come generatore preleva energia reattiva dalla rete per magnetizzare il circuito rotorico (essendo i circuiti rotorici a gabbia di scoiattolo sono privi d'eccitazione), il rotore viene poi avviato tramite una sorgente energetica esterna (fonte meccanica) portandolo in ipersincronismo (il campo magnetico del rotore ruota più velocemente del campo magnetico dello statore), diventando generatore di energia, in questa condizione mentre eroga potenza attiva verso la rete prevalente, assorbe contemporaneamente potenza reattiva per tenere alimentato il campo magnetico rotante. Secondo alcuni studi il rendimento di tali macchine dovrebbe essere attestato intorno a 0,6 (60%), per scendere fino al 0,4 (40%) risultando quindi molto inferiore in confronto al sistema sincrono, ma col vantaggio d'essere robusto e semplice da gestire, in quanto in caso d'aumento della velocità dell'albero non si ha la sovrafrequenza (frequenza più elevata), ma fenomeni meccanici all'albero del tipo frenatura.

Per far funzionare un generatore asincrono in isola (senza rete principale esterna in collegamento, ma a essere il solo generatore), si utilizzano dei condensatori per il rifasamento collegati ai morsetti del motore, che consentono lo scambio dell'energia reattiva (potenza reattiva) necessaria al motore, permettendone il suo funzionamento come generatore, il difetto di quest'applicazione è la richiesta obbligata di una sorgente d'energia alternata per l'avviamento, mentre una volta avviato il sistema va in stabilità e avviene l'erogazione di potenza attiva.

[modifica] Impieghi pratici

Molti sono gli utilizzi degli alternatori. Vengono impiegati in tutte le centrali di produzione di energia elettrica le quali poi la trasformano in modo da consentirne il trasporto e la distribuzione per uso industriale e domestico. Il procedimento che alimenta meccanicamente l'albero dell'alternatore è simile a tutte le tipologie di centrali e si basa su una turbina o un motore endotermico. Nel primo caso rientrano quelle in grado di sfruttare l'energia potenziale, come le centrali idroelettriche, o l'energia termica del vapore, come le termoelettriche, le geotermiche e le termonucleari. In questi grandi alternatori, la tensione prodotta è nell'ordine di migliaia di volt, solitamente trifase alla frequenza di 50 Hertz (60 negli Stati Uniti e pochi altri paesi).

Grazie alla capacità raggiunta dall'industria elettronica nella miniaturizzazione dei componenti, l'alternatore ha progressivamente sostituito la dinamo nella produzione di energia elettrica nelle automobili ed in tutti gli altri veicoli a motore. Esso ha la funzione di mantenere carica la batteria, necessaria all'avviamento del motore ed alimentare tutte le funzioni elettriche di bordo. Poiché non esiste un mezzo per immagazzinare energia elettrica in corrente alternata, è presente un ponte raddrizzatore che ha la funzione di trasformarla in continua e consentirne così accumulazione nella batteria. Anche nelle biciclette si è imposto l'uso di un piccolo alternatore, in sostituzione della dinamo, per alimentare i dispositivi di illuminazione.

[modifica] Come funziona in linea di principio un alternatore

L'alternatore, nella sua forma più semplice è composto da una spira che è investita da un campo magnetico ed è vincolata a ruotare attorno ad un asse perpendicolare alle linee di campo. La legge di Faraday-Neumann afferma che in una spira metallica immersa in un campo magnetico si produce una differenza di potenziale pari a:

$V =\frac {\Delta \Phi} {\Delta t}$

quindi in questo caso, dato che la spira ruota ci saranno variazioni del flusso magnetico che attraversa la spira e la suddetta relazione può essere indicata come:

$V = BS\frac{d \cos \left( \omega t \right)}{dt}$

che, applicando le regole delle derivate, diventa:

$B S \left( - \omega \; \mathrm{sen} \left( \omega t \right) \right)\,\!$

e ponendo $f_{em} = B S\omega \,\!$ si ottiene che:

$f_{em}(t) = f_0 \; \mathrm{sen} \left( \omega t + \alpha_0 \right)\,\!$

per $α 0$ si intende l'angolazione iniziale da cui parte l'alternatore; quindi dividendo tutto per la resistenza:

$i(t) = i_0 \; \mathrm{sen} \left( \omega t + \alpha_0 \right)\,\!$

La formula trovata quindi descrive l'andamento della corrente o della tensione generata da un alternatore, essa ha un andamento sinusoidale.

[modifica] Conclusioni

Dopo aver analizzato il funzionamento dell'alternatore si può concludere:

La tensione è direttamente proporzionale al campo magnetico e alla velocità di rotazione
La frequenza è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione ed al numero di poli

[modifica] Vantaggi tecnici rispetto ad una dinamo

I vantaggi tecnici nella produzione di energia elettrica rispetto alla dinamo sono sostanzialmente due:

L'eliminazione di parti striscianti
La produzione di energia elettrica in corrente alternata.

L'eliminazione delle spazzole, ovvero i contatti striscianti che hanno la necessità di un contatto meccanico con il collettore, riduce la quantità di parti necessaria alla sua costruzione e la necessità di una revisione periodica della macchina a causa del consumo delle parti in contatto. Seppure la tecnologia negli anni ha contribuito a migliorare le qualità meccaniche ed abbassare la resistenza elettrica nei materiali usati, il rendimento totale dalla macchina risente comunque delle frazioni di energia sottratte nella dinamo, per cui a parte i rari casi nei quali si renda necessaria un utilizzo in corrente continua e non si possa utilizzare o risulti poco conveniente l'uso di un raddrizzatore, gli alternatori l'hanno sostituita quasi del tutto nel compito della produzione di energia elettrica.