Trasformazione di energia meccanica in energia elettrica

Trasformazione di energia meccanica in energia elettrica

Quando un conduttore attraversa un campo magnetico ruotando attorno ad un asse ad esso parallelo, la f.e.m. prodotta non è costante ma varia continuamente in relazione all’inclinazione del conduttore rispetto alle linee di forza.

Consideriamo quindi una spira in rotazione immersa in un campo magnetico costante.

La f.e.m. indotta in un giro completo, cioè in un periodo pari a 360 gradi, non è costante, ma varia continuamente (figura 1).

Nell’istante iniziale, con flusso massimo concatenato con la spira ma senza alcuna variazione, la f.e.m. indotta, secondo la legge dell’induzione elettromagnetica, è nulla.

Quando la spira è ruotata di 90 gradi, flusso concatenato nullo e quindi massima variazione, la f.e.m. indotta è massima.

Con una successiva rotazione di 90 gradi, la spira torna ad essere concatenata col massimo flusso: siamo ancora senza alcuna variazione, quindi con f.e.m. indotta nulla.

Seguendo il medesimo ragionamento per le successive posizioni riportate in Figura 1, arriviamo alle conclusioni viste.

Poiché le variazioni di flusso sono di segno opposto, essendo la posizione della spira simmetrica e opposta rispetto al primo semiperiodo, le f.e.m. indotte saranno negative.

Per ottenere le f.e.m. indotte per qualsiasi posizione angolare della spira rispetto al campo, basta raccordare i punti ottenuti con il ragionamento precedente. Notiamo che quello che si ottiene sia per il flusso che per le f.e.m. indotte è una curva ciclica, che cambia segno ogni 180 gradi e si ripete ogni 360 gradi (periodo). Si dice in questo caso che la f.e.m. indotta è alternata (sinusoidale). Inoltre poiché la f.e.m. indotta può variare ogni istante è preferibile utilizzare il simbolo e anziché E. Quest’ultimo, vale per grandezze costanti o per valori medi.

In modo semplice siamo riusciti a vedere come si possa generare una f.e.m. Se il circuito fosse chiuso, avremmo, quindi corrente elettrica e in definitiva energia elettrica, generata a spese dell’energia meccanica che serve per far ruotare la spira nel campo magnetico.

È più corretto allora parlare di trasformazione di energia meccanica in energia elettrica, anziché di generazione.

Lo schema visto, però, non è adatto nella pratica a produrre consistenti quantità di energia. Completiamolo con alcune osservazioni.

Il circuito ferromagnetico induttore (magnete permanente) non dà valori elevati di induzione magnetica. Per aumentare tali valori si alloggiano nella struttura ferromagnetica degli avvolgimenti, che in base alla corrente da cui sono percorsi possono dare valori a piacimento dell’intensità di campo; per mantenere elevata l’intensità di campo anche nell’indotto, questo dovrà essere composto di una parte cilindrica (rotante) di materiale ferromagnetico che con la parte fissa (induttore) determina uno sviluppo di traferro costante. Ciò fa sì che l’induzione generata dagli avvolgimenti induttori sia abbastanza uniforme e ad andamento radiale; l’indotto porta, come minimo, due scanalature diametralmente opposte in ciascuna delle quali trova posto un certo numero di conduttori.

Se colleghiamo gli estremi posteriori dei vari conduttori e isoliamo fra di loro quelli anteriori, che fanno capo a due anelli metallici (figura 2), noteremo fra le due spazzole conduttrici appoggiate su questi ultimi una f.e.m. indotta ad andamento alternato, del tipo visto in precedenza ma con valori più elevati.

Una macchina così concepita per la produzione di tensione alternata non è molto diffusa; in pratica, come vedremo, si usano più frequentemente, alternatori del tipo trifase.

Con qualche modifica, la macchina suddetta può essere utilizzata per produrre tensioni continue. Supponiamo che i conduttori d’indotto facciano capo anteriormente a due lamelle di rame, isolate fra loro, e dall’asse dell’indotto, che nel loro insieme costituiscono un corpo cilindrico (collettore), sul quale poggiano due spazzole conduttrici.

L’andamento delle grandezze può essere ricavato seguendo un ragionamento simile a quello già visto.

Supponiamo per semplicità che i conduttori dell’indotto siano ridotti a due soltanto, come in figura 2. Quando, durante la rotazione dell’indotto, i due conduttori si trovano nei punti in cui l’induzione è nulla, (figura 2 a) cioè quando il conduttore a si trova in posizione A, e quindi il conduttore b in posizione C, nessuna f.e.m. verrà ad indursi. Un istante dopo, poiché i conduttori ruotano e quindi cominciano a tagliare qualche linea di induzione (figura 2 b), in essi si indurranno delle f.e.m. concordi e tali da rendere l’estremo M positivo rispetto ad N.

Queste f.e.m. andranno rapidamente aumentando di valore man mano che i conduttori si porteranno verso la parte centrale dei poli, ove l’induzione magnetica è massima e abbastanza uniforme. Passando in tale zona, però, le f.e.m. indotte si manterranno abbastanza costanti. Quando i conduttori usciranno da tale zona, le f.e.m. indotte diminuiranno rapidamente di valore, fino ad annullarsi nel momento in cui il conduttore a passerà per il punto C e il conduttore b per il punto A, ove l’induzione è nulla.

Continuando a ruotare l’indotto, il fenomeno riprenderà come precedentemente accennato, salvo che le f.e.m. nei conduttori invertiranno verso (figura 2 c), per cui ora risulterà positivo l’estremo N rispetto a M. Tuttavia il collettore, essendo costituito da due lamelle che seguono la rotazione dei conduttori, farà sì che le spazzole, a cui fa capo il circuito esterno (utilizzatore), rimangano sempre della stessa polarità.

La prima conclusione che si può trarre è che fra le spazzole si rende disponibile una tensione il cui andamento nel tempo è simile a quello riportato in figura 1.

Il valore medio della f.e.m. sarà tanto più alto quanto più forte risulterà la velocità di rotazione dei conduttori.

Ponendo più conduttori sull’indotto, distribuendoli e collegandoli opportunamente, e ricorrendo anche ad un collettore a più lamelle, si riesce in pratica ad ottenere che le spazzole abbiano delle tensioni pressoché costanti nel tempo, e correnti dello stesso andamento nel circuito utilizzatore (Figura 4).

È questo il principio di funzionamento dei generatori in corrente continua o dinamo.

In relazione ai modi di eccitazione che produce il campo magnetico, i generatori in corrente continua possono essere:

• a eccitazione separata o indipendente quando la sorgente della corrente continua di eccitazione è indipendente dalla macchina: ad esempio una batteria di accumulatori, una linea a corrente continua, oppure un’altra macchina a corrente continua;
• autoeccitata, quando la corrente di eccitazione è costituita tutta o in parte, dalla corrente della macchina. Queste macchine, eccitate indipendentemente la prima volta che si mettono in funzione, in seguito sfruttano il magnetismo residuo, che viene a poco a poco rinforzato dalla corrente prodotta dalla macchina.

I sistemi di autoeccitazione si dividono in:

• eccitazione in derivazione: il circuito di eccitazione è derivato ai morsetti della macchina, cosicché una parte della corrente prodotta passa in tale circuito;
• eccitazione in serie: il circuito di eccitazione è in serie con il circuito esterno: tutta la corrente prodotta dalla macchina percorre anche il circuito di eccitazione;
• eccitazione composta: quando vi sono due circuiti di eccitazione, uno in derivazione e uno in serie.

A seconda dei vari sistemi di eccitazione si hanno caratteristiche di funzionamento diverse e diversi campi d’impiego.

Notiamo infine che si definisce statore di una macchina elettrica la parte fissa e rotore la parte mobile. Generalmente lo statore ha funzione di induttore, quindi l’indotto è costituito dal rotore. Fa eccezione il generatore trifase in cui le funzioni sono invertite.