Motori e generatori elettrici

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Introduzione

Motori e generatori elettrici Macchine elettriche rotanti, usate per convertire energia elettrica in energia meccanica o viceversa. In particolare, le macchine che trasformano energia elettrica in energia meccanica sono dette motori elettrici, quelle che eseguono l'operazione inversa sono invece chiamate generatori elettrici.

Il funzionamento delle macchine elettriche rotanti si basa su due fenomeni fisici correlati. Il primo è il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, scoperto nel 1831 dal fisico britannico Michael Faraday: se un conduttore si sposta in un campo magnetico, o, più precisamente, se varia il flusso di induzione magnetica concatenato con il conduttore, in quest'ultimo viene indotta una corrente elettrica. Il secondo fenomeno fu invece osservato per la prima volta nel 1820 dal fisico francese André-Marie Ampère: un conduttore percorso da corrente e immerso in un campo magnetico è sottoposto a una forza che dipende dalla geometria del sistema.

Il più semplice di tutti i generatori elettrici è il disco di Faraday, costituito essenzialmente da un disco di rame montato in modo che una parte di esso si trovi fra i poli di un magnete a ferro di cavallo (e dunque senta il campo magnetico da essi generato). Quando il disco viene messo in rotazione, il campo magnetico induce una corrente elettrica fra il centro e il bordo del disco, che può essere utilizzata per alimentare un circuito. Il disco di Faraday funziona anche come motore, applicando fra il bordo e il centro una tensione che produce una corrente elettrica; per effetto del campo, il disco è sottoposto a una forza che lo fa ruotare.

Il campo magnetico generato da un magnete permanente può essere utilizzato per azionare generatori o motori elettrici di piccole dimensioni, mentre per le macchine più grandi è necessario fare uso di elettromagneti. Motori e generatori risultano quindi costituiti da due unità fondamentali: l'induttore, cioè l'elettromagnete con il suo avvolgimento, e l'indotto, cioè la struttura che porta i conduttori immersi nel campo magnetico e percorsi dalla corrente indotta (nei generatori) o dalla corrente di alimentazione (nei motori). L'indotto è in genere costituito da un nucleo di ferro dolce laminato attorno al quale sono avvolti a bobina i conduttori (avvolgimento).

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Generatori di corrente continua

Se l'indotto è un rotore che ruota tra i poli di un campo magnetico stazionario, la corrente fluisce in una direzione nella prima metà di ogni giro e nella direzione opposta nell'altra metà. Per ottenere una corrente uniforme e unidirezionale (o continua) occorre quindi un dispositivo che inverta il flusso di corrente in uscita dal generatore nel corso di ogni rotazione. Nelle macchine di vecchia concezione questa inversione viene realizzata mediante un commutatore, che nella forma più semplice è un anello metallico diviso in due e montato sull'albero del rotore. Le due metà dell'anello sono isolate fra loro e costituiscono i terminali dell'avvolgimento del rotore. Sul commutatore in rotazione strisciano due blocchetti di metallo o di carbone (le cosiddette spazzole) fissati sui due lati contrapposti e premuti da molle, che connettono elettricamente l'avvolgimento con conduttori esterni. Con il rotore in movimento, ciascuna delle due spazzole viene alternativamente a contatto con l'una e l'altra delle due metà del commutatore, cambiando contatto nel momento in cui la corrente dell'avvolgimento inverte la direzione. Nel circuito esterno collegato al generatore si induce così una corrente unidirezionale. I generatori di corrente continua (detti comunemente dinamo, termine nato come abbreviazione di 'macchine dinamometriche') vengono di solito impiegati per produrre tensioni relativamente basse, fino a un massimo di 1500 volt, perché tensioni più elevate possono produrre scintille fra le spazzole e il commutatore. Nelle macchine più recenti l'inversione viene realizzata mediante dispositivi elettronici come i raddrizzatori a diodo o a semiconduttore.

I moderni generatori di corrente continua, ovvero le dinamo, impiegano rotori a tamburo, di solito costituiti da numerosi avvolgimenti inseriti nelle scanalature longitudinali di un nucleo metallico e connessi con le lamelle di un commutatore multiplo. Con il rotore ad avvolgimento unico, la corrente prodotta aumenta o diminuisce a seconda della regione del campo magnetico in cui si trova l'avvolgimento, mentre con i rotori a tamburo muniti di commutatore a lamelle il circuito esterno è connesso con la parte di avvolgimento che si sta muovendo nella zona ad alta intensità di campo e di conseguenza la corrente erogata è praticamente costante. Di solito l'induttore (o statore) delle dinamo moderne ha quattro o più poli elettromagnetici, che consentono di aumentare l'intensità del campo magnetico. In alcuni casi vengono inseriti piccoli poli di commutazione che servono a compensare le distorsioni provocate nel campo magnetico dal rotore.

Comunemente le dinamo sono classificate in base al sistema impiegato per fornire corrente agli elettromagneti dello statore. Nelle dinamo con avvolgimento in serie lo statore è in serie con il rotore, mentre in quelle in parallelo lo statore e il rotore sono collegati in parallelo. Nelle dinamo a eccitazione mista, una parte degli avvolgimenti è connessa in serie e una parte in parallelo. Sia le dinamo con avvolgimenti in parallelo sia quelle a eccitazione mista offrono il vantaggio di erogare una tensione relativamente costante anche in presenza di carichi elettrici variabili. La dinamo con avvolgimenti in serie viene usata principalmente per fornire corrente costante in risposta a una tensione variabile.

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Motori a corrente continua

In genere, i motori a corrente continua sono strutturalmente simili ai generatori di corrente continua e possono essere descritti come 'dinamo al contrario'. Quando l'avvolgimento dell'indotto rotante (o rotore) di un motore a corrente continua è percorso da corrente elettrica, il campo magnetico produce una coppia di forze che lo mette in rotazione. La funzione del commutatore e le connessioni dell'avvolgimento dello statore dei motori sono identiche a quelle delle dinamo. Per effetto della rotazione dell'indotto si induce nel suo avvolgimento una tensione che ha direzione opposta a quella della tensione esterna applicata e per questo è nota come tensione d'arresto o forza controelettromotrice. Quando il motore gira più rapidamente, la tensione d'arresto aumenta fino a essere quasi uguale alla tensione applicata. A questo punto la corrente è piccola e il motore, finché non è sotto carico, ruota a velocità costante e non esegue lavoro meccanico oltre a quello necessario per la rotazione dell'indotto. Quando viene applicato il carico, l'indotto ruota più lentamente, la tensione d'arresto si riduce e all'indotto affluisce una corrente più intensa; in queste condizioni il motore assorbe più energia elettrica dalla fonte di alimentazione ed è in grado di svolgere lavoro meccanico.

Poiché l'afflusso di corrente nell'indotto è regolato dalla velocità di rotazione, per l'avvio del motore occorre impiegare speciali dispositivi. Quando è fermo, infatti, l'indotto non offre praticamente alcuna resistenza al passaggio di corrente e quindi, se viene applicata la normale tensione di esercizio, fluisce una corrente troppo intensa, che può danneggiare il commutatore o l'avvolgimento dell'indotto. Per ovviare a questo inconveniente si usa in genere una resistenza in serie con l'indotto, che consente di ridurre la corrente finché la tensione d'arresto non raggiunge un livello sufficiente; man mano che il motore acquista velocità, la resistenza viene gradualmente ridotta.

Oltre che dalla corrente dell'indotto, la velocità del motore a corrente continua dipende dall'intensità del campo magnetico che agisce sull'indotto stesso: più intenso è il campo, minore è la velocità di rotazione necessaria a generare una tensione d'arresto sufficientemente alta da contrastare la tensione applicata, e quindi la velocità del motore può essere regolata variando la corrente di alimentazione.

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Generatori di corrente alternata

Come già detto, un semplice generatore senza commutatore produce una corrente alternata che cambia direzione due volte a ogni giro dell'indotto. La corrente alternata è particolarmente vantaggiosa per la trasmissione di energia elettrica, ed è per questo che la maggior parte dei grossi generatori di corrente sono del tipo a corrente alternata. Nella forma più semplice, il generatore di corrente alternata, più noto come alternatore, differisce dal generatore di corrente continua, o dinamo, in due soli particolari: anzitutto i terminali dell'avvolgimento del rotore sono costituiti non da commutatori ma da collettori a lamelle (sottili anelli di rame isolati fra loro) fissati sull'albero del generatore; inoltre l'avvolgimento dello statore è alimentato da una fonte esterna di corrente continua, anziché dal generatore stesso.

Gli avvolgimenti degli alternatori a bassa velocità possono avere fino a 100 poli, e altrettante lamelle, per migliorare l'efficienza e raggiungere più facilmente la frequenza richiesta, mentre gli alternatori azionati da turbine ad alta velocità sono spesso bipolari. La frequenza della corrente erogata dall'alternatore è uguale al semiprodotto del numero dei poli per il numero di giri al secondo del rotore.

Quando conviene generare una tensione molto alta, gli indotti rotanti non si rivelano pratici a causa delle scintille, che potrebbero formarsi fra le spazzole e gli anelli collettori, e del rischio di guasti meccanici, che possono provocare cortocircuiti. Si costruiscono perciò alternatori con indotto fisso, entro il quale gira un rotore costituito da elettromagneti. Il principio di funzionamento è identico a quello dell'alternatore prima descritto, tranne per il fatto che ruota il campo magnetico anziché l'indotto.

La corrente generata dagli alternatori sopra descritti raggiunge un valore massimo, cala fino a zero, raggiunge un valore minimo negativo e ritorna a zero un certo numero di volte al secondo, a seconda della frequenza di progetto della macchina. Tale corrente è nota come corrente alternata monofase. Se l'indotto è costituito da due avvolgimenti, perpendicolari fra loro e con connessioni esterne separate, vengono a crearsi due onde di corrente, ciascuna delle quali ha intensità massima quando l'altra è nulla. Tale corrente è chiamata corrente alternata bifase. Se si dispongono tre avvolgimenti a 120° uno rispetto all'altro, la corrente viene prodotta sotto forma di onda tripla e viene chiamata corrente alternata trifase. Per ottenere un maggior numero di fasi è sufficiente aumentare il numero degli avvolgimenti. Nell'elettrotecnica moderna si usa più comunemente la corrente alternata trifase, e l'alternatore trifase è il generatore elettrico tipico.