Macchina sincrona

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di Marco Pancetti

La fissione nucleare viene utilizzata nelle centrali termo-nucleari per generare calore che vaporizza l’acqua e questa dà energia meccanica ad una turbina che muove un generatore trifase, generando energia elettrica.

La macchina sincrona, come tutte le macchine elettriche, può funzionare sia come motore che come generatore; per il momento studieremo il generatore.

Nel funzionamento come generatore prende il nome di alternatore, è solitamente trifase, ma per piccole potenze può essere monofase.

Tutta l’ energia prodotta dalle centrali elettriche è generata da alternatori di adeguata potenza, costituiti da uno statore  e da un rotore.

Lo statore è costituito da un circuito magnetico laminato o provvisto di scanalature, nelle quali viene avvolto l’avvolgimento poli fase e sviluppa un numero di poli pari a 2P.

il rotore è costituito da poli magnetici affacciati verso lo statore e possono essere realizzati in tre modi diversi:

1) magneti permanenti costituiti da ferrite;

2) poli salienti avvolti costituiti da nuclei di ferro eccitati da bobine che lavorano in corrente continua generata da una dinamo coassiale, oppure da gruppi convertitori statici.

Questo tipo di costruzioni è usato negli alternatori azionati da turbine idrauliche.

3) rotore scanalato il rotore ha forma cilindrica con scanalature simili a quelle dello statore, che sviluppano un avvolgimento di eccitazione in corrente continua.

Questa struttura è usata nelle macchine veloci a due o quattro poli, azionati da turbine a gas o vapore.

La differenza maggiore fra le macchine in corrente continua e le macchine sincrone è l’inversione che abbiamo nello statore e nel rotore, ovvero, mentre nelle macchine in corrente continua il magnete induttore è sullo statore, nelle macchine sincrone il campo magnetico induttore è posto sul rotore.

 

Funzionamento a vuoto

Se consideriamo un generatore trifase con i morsetti aperti, quando ruotiamo il rotore opportunamente magnetizzato, viene generata tensione nei conduttori dello statore e indicando con:

Bm   l’induzione magnetica

w      la velocità angolare

L   la lunghezza della porzione di avvolgimento investita dall’induzione Bm

r        il raggio del rotore

si ricava il valore massimo della tensione (e) sul singolo conduttore

eM = Bm*L*w*r .

Le tensione che si genera è la somma vettoriale delle tensioni indotte nei singoli conduttori, poiché questi si trovano in posizioni diverse nello statore.

Le tre tensioni ricavate da un generatore trifase avranno modulo identico e fase sfalsata di 120 gradi, la somma dei tre vettori è uguale a zero  (centro stella).

Avremmo due livelli di tensione 230 / 400 come mostrato in figura.

La frequenza della tensione generata coincide con i numeri dei giri al secondo per il numero di coppie di poli n=60f/p.

Una macchina con due poli (p=1) che ruota a 50 giri/secondi genererà una tensione che avrà frequenza 50 Hz.

 

Funzionamento sotto carico

Se ai morsetti dell’alternatore colleghiamo un carico resistivo equilibrato, gli avvolgimenti dello statore verranno percorsi da una corrente I in fase con la tensione V , le correnti hanno fasi tali che i poli del campo rotante assumono posizioni intermedie rispetto ai poli del rotore (campo di quadratura), creando una coppia meccanica opposta a quella del moto.

Collegando ai morsetti un carico puramente induttivo la corrente risulta sfasata in ritardo di 90° rispetto alla tensione indotta e per questo anche i poli risulteranno in ritardo di 90° rispetto a quelli del rotore, quindi contrapponendosi poli di segno uguale avremmo un effetto smagnetizzante (campo in contro fase).

In questa condizione le forze tra i poli non producono alcuna coppia perché contrapposte, quindi l’ alternatore non richiedere potenza meccanica, ma non verrà neanche erogata potenza attiva ai morsetti.

Ultimo caso: se colleghiamo un carico puramente capacitivo le correnti questa volta si troveranno in anticipo rispetto alla tensione indotta, quindi anche i poli del campo rotante dello statore risulteranno in anticipo.

I poli del rotore verranno ad essere rafforzati dal campo magnetico rotante dello statore (campo in fase).

Anche in questo caso le forze magnetiche saranno radiali e, quindi, non verrà generata potenza elettrica.

Una volta prodotta energia elettrica ci si trova al problema di distribuirla. Se P = √3 * V * I * cos Ф, per trasportare grandi potenze si devono usare grandi correnti, quindi si devono usare cavi di grande sezione, dove avremmo grandi perdite. Se aumentiamo la tensione V, a parità di potenza diminuirà la I, quindi possiamo trasferire potenze elevate a correnti ridotte.

 

 

TRASFORMATORE

 

L’operazione indicata nel paragrafo precedente  è possibile grazie al trasformatore che varia i valori di tensione e corrente e il cui funzionamento è espresso dalla legge di Faraday –Neumann: e = ΔΦ/Δt .

È costituito da due avvolgimenti avvolti su una struttura costituita da lamierini di materiale ferroso, questo per ridurre le correnti parassite. Se applichiamo ai capi di un avvolgimento “ primario “ e lasciamo il “ secondario “ a vuoto avremmo una corrente di magnetizzazione Iμ: questa creerà un flusso Φ che, nel trasformatore ideale, si concatenerà completamente con l’avvolgimento del secondario, creando una tensione “Indotta“ e”.

Se al secondario colleghiamo un carico Z, nell’ avvolgimento scorrerà una corrente I2 , questa creerà  un flusso Φ2 che andrà a ridurre il flusso creato dal primario, che però, non può variare perché imposto dalla tensione e’, per compensare questo flusso Φ2 nel primario scorrerà una corrente I1′ detta ” corrente di reazione “, quindi la I1 sarà la somma della I di reazione e la I di magnetizzazione.

Trattandosi di un trasformatore ideale possiamo trascurare la i di magnetizzazione; avremo la I1=I1′, quindi il rapporto tra le correnti i1 e I2 è inversamente proporzionale al rapporto spire n1 , n2 .

In un trasformatore ideale si può affermare che in ogni istante la potenza entrante nel primario sia uguale alla potenza uscente nel secondario.

Nel trasformatore reale le cose sono differenti perché non tutto il flusso si concatenerà, gli avvolgimenti in rame avranno una resistenza, ci saranno perdite nel ferro

per correnti parassite

ed isteresi e la corrente di magnetizzazione non

è trascurabile. 

Per analizzare il suo funzionamento aggiungeremo al suo schema dei componenti fittizi per simulare le varie perdite che differenziano il trasformatore ideale da quello reale, in particolare aggiungeremo delle resistente e delle reattanze, in particolare: R0 che simula le perdite nel ferro la, χμ che simula la corrente di magnetizzazione, la R1 e R2 che simulano le perdite per effetto Joule e xd1 e xd2 che simulano le perdite di flusso.

La corrente generata nelle centrali elettriche è in media tensione (MT), da un trasformatore viene portata in alta tensione (AT) e immessa nella rete di trasmissione, poi riportata in MT .

Da MT viene portata in bassa tensione (BT)  e distribuita alle varie utenze, ma se ci troviamo davanti un fabbisogno molto alto,  per esempio capannoni industriali, gli verrà fornita MT.

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