Gli alternatori

L'alternatore è una macchina elettrica rotante basata sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica, che

trasforma energia meccanica, fornita da un motore primo (turbina idraulica, a vapore, a gas o eolica

oppure motore diesel o a carburazione) ad esso collegato, in energia elettrica sotto forma di corrente

alternata, sia monofase che trifase.

Gli alternatori sono macchine diffusissime e fondamentali per la produzione dell'energia elettrica: infatti

vengono impiegati in quasi tutte le centrali di produzione di energia elettrica, le quali poi la trasformano

in modo da consentirne il trasporto e la distribuzione sul territorio. Sono inoltre impiegati in tutti i gruppi

elettrogeni sia marini (ossia presenti su tutte le imbarcazioni) che terrestri (per tutte le applicazioni sulla

terraferma). Infine 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 l'impianto elettrico di bordo. Poiché

quest'ultimo funziona in corrente continua è presente a valle dell'alternatore un ponte raddrizzatore a

diodi che ha la funzione di trasformare la corrente alternata prodotta, in corrente continua e consentirne

così il suo accumulo nella batteria.

Principio di funzionamento.

Prima di passare ad analizzare come è fatto un alternatore è utile ricordare come si genera una tensione

o una corrente alternata sinusoidale, ossia facendo ruotare un magnete all'interno di una spira, o di

un avvolgimento.

Per spiegare ciò dobbiamo ricordare la legge dell'induzione di Faraday e la definizione di flusso

magnetico.

Il flusso magnetico concatenato con la spira sappiamo essere dato da: Φ = B*S*senα, essendo quindi α

l'angolo formato dall'asse S-N del magnete con il

piano della spira di area S. Se il magnete ruota

con velocità angolare costante ω, l'angolo che,

istante per istante, individua la posizione del

magnete sarà dato da: α(t) = ω * t, ossia dal

prodotto della velocità angolare ω (costante) per

per il tempo t (che invece aumenta in

continuazione): quindi l'angolo α aumenta con

continuità. Di conseguenza il flusso magnetico

attraverso la spira varierà con legge sinusoidale.

La legge di Faraday ci dice: E = - ΔΦ / Δt, ossia la FEM (forza elettromotrice = differenza di potenziale a

vuoto) indotta ai capi della spira è data dalla variazione del flusso (che abbiamo appena visto variare con

andamento sinusoidale), nonché dalla rapidità con cui tale variazione avviene. La rapidità con cui

avviene la variazione significa semplicemente che più velocemente facciamo ruotare il magnete,

maggiore sarà la d. d. p. prodotta. Ovviamente questa sarà legata anche all'induzione magnetica B ed

all'area della spira S: ciò, in termini pratici significa che più potente sarà il magnete oppure più grande

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sarà la spira maggiore sarà la d. d. p. indotta.

L'alternatore

Nell'alternatore invece di avere una sola spira si ha un avvolgimento, ossia un insieme di spire collegate

in serie, al fine di aumentare la tensione prodotta (se una spira mi da tanto, n spire mi daranno n volte

tanto). Inoltre l'avvolgimento si trova immerso in un

cilindro cavo di materiale ferromagnetico (con una

elevata permeabilità magnetica μ), al fine di

contenere e convogliare il flusso prodotto dal

magnete, senza disperderlo nello spazio

circostante. A tal scopo detto cilindro, che

costituisce lo statore della macchina, presenta al

suo interno due scanalature assiali e

diametralmente opposte, atte, appunto, ad

alloggiare l'avvolgimento. Si arriva così allo

schema di figura:

Questo è lo schema dell'alternatore monofase a magneti permanenti ad una coppia polare, ossia

contenente due soli poli magnetici: un NORD ed un SUD.

E' questa una macchina sincrona in quanto una rotazione

completa del magnete (360°) induce nell'avvolgimento un

ciclo di sinusoide; di conseguenza la frequenza della

tensione da esso generata sarà legata alla velocità di

rotazione del rotore, espressa in giri al minuto (rpm) dalla

semplice formula:

f = n / 60 [Hz], ovvero: n = f * 60 [rpm].

Si osserva facilmente che per ottenere una tensione a 50 Hz come quella di rete l'alternatore deve girare

a 3000 rpm; tale velocità deve essere ovviamente la stessa del motore a cui l'alternatore è collegato. Ma

se 3000 rpm per una turbina a vapore o a gas (centrali elettriche) o un motore a ciclo otto (piccoli gruppi

elettrogeni) sono una velocità consona, lo sono di meno per un grosso motore Diesel (grossi gruppi

elettrogeni) ed ancor meno per una turbina idraulica (centrali idroelettriche). Nasce quindi l'esigenza di

ottenere la stessa frequenza di rete con velocità di rotazione inferiori, senza dover interporre fra motore

ed alternatore un moltiplicatore di giri. Ciò si ottiene facilmente

aumentando i poli magnetici del rotore. Osservando la figura si

capisce facilmente che in questo caso (4 poli magnetici, ossia 2

coppie polari) si ottiene un ciclo completo di sinusoide con mezzo

giro del rotore (passaggio da polo N a S e poi ancora N); in altri

termini con un giro completo del rotore si ottengono due cicli di

tensione sinusoidale. Ne consegue che per ottenere la frequenza di

50 Hz è necessario in questo caso n = 3000/2 = 1500 rpm. Possiamo

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iterare il ragionamento con 3 o 4 coppie polari giungendo alla conclusione che:

n=f ∗60

p essendo p il numero di coppie polari presenti nel rotore.

Gli schemi finora visti si riferiscono ad alternatori a magneti permanenti, nei quali quindi il flusso

magnetico induttore è prodotto da magneti. Ciò avviene solitamente per alternatori di piccola taglia

essendo i magneti permanenti costosi e con la tendenza a

smagnetizzarsi.

Per applicazioni più importanti si utilizzano degli elettromagneti,

ossia i poli del rotore sono costituiti da materiale ferromagnetico con

avvolto intorno del filo di rame, nel quale si fa circolare corrente

elettrica continua per produrre il campo magnetico. L'avvolgimento

rotorico che produce il flusso magnetico induttore è chiamato circuito

di eccitazione. Per alimentare questo circuito che ruota assieme al

rotore è necessario ricorrere a dei contatti striscianti, costituiti da

una coppia di anelli in rame solidali all'albero del

rotore a cui sono collegati i due capi

dell'avvolgimento rotorico e da una coppia di

spazzole fissate allo statore, che strisciano sugli

anelli. In questo modo basta collegare le due

spazzole ad un generatore di corrente continua

e questa passa attraverso le spazzole agli anelli

di rame per poi circolare nel circuito di

eccitazione producendo il campo magnetico

induttore. Un vantaggio di questa soluzione consiste nel fatto che regolando la corrente di eccitazione

possiamo variare il flusso magnetico induttore e quindi la tensione prodotta dall'alternatore. In realtà, in

base alla legge di Faraday, la FEM prodotta da un alternatore è legata sia al flusso che alla velocità di

rotazione: E = K*Φ*n, essendo K una costante che dipende dalle caratteristiche costruttive della

macchina ed n i giri/min del rotore. Ma, per un alternatore connesso alla rete elettrica, n non può variare

in quanto legato alla frequenza che deve essere rigorosamente costante, per cui l'unico modo per

variare la tensione è attraverso la corrente di eccitazione che produce il flusso Φ.

Per realizzare poi un alternatore trifase è sufficiente aggiungere

all'alternatore monofase altri due avvolgimenti uguali e sfasati di 120°

fra di loro. Si ottiene così lo schema di figura.

Questi tre avvolgimenti vengono solitamente fra di loro collegati a stella

in modo da aumentare la tensione di linea (concatenata).

Un cenno infine alle caratteristiche costruttive: abbiamo lo statore che

deve essere in materiale ferromagnetico a bassa isteresi e costituito da

tanti lamierini impacchettati, per ridurre le perdite per isteresi e per

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correnti parassite: in esso infatti il flusso magnetico varia in continuazione essendo legato al rotore, che

come sappiamo ruota al suo interno. Il rotore invece è costituito da un albero in acciaio che sorregge il

tutto, dal collettore ad anelli in rame e dalle espansioni polari: queste devono essere in materiale

ferromagnetico in quanto attraversate dal flusso, ma non è necessario realizzarle in lamierini in quanto in

esse il flusso è statico, quindi non genera né fenomeni di isteresi magnetica, né correnti parassite. Sono

quindi realizzate in materiale pieno. Ai due stremi dello statore vi sono infine due flange, in alluminio o

acciaio, che chiudono il tutto ed alloggiano i due cuscinetti che sorreggono l'albero del rotore. Si

riportano di seguito alcune immagini di alternatori di diversa taglia.

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Alternatore Centrale Termoelettrica

Alternatore centrale idroelettrica

Alternatore automobile Alternatore generatore eolico