IMPIANTISTICA DI BORDO

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1 IMPIANTISTICA DI BORDO 1 ELEMENTI DI ELETTROTECNICA 2 MAGNETISMO ED ELETTROMAGNETISMO 3 PRODUZIONE,TRASFORMAZIONE E DISTRIBUZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA A BORDO 4 ALTERNATORI E MOTORI SINCRONI 5 MOTORI ASINCRONI 6 DINAMO E MOTORI A CORRENTE CONTINUA 7 DIODO, TRANSISTOR E STRUMENTI DI MISURA 8 CAVI ELETTRICI, ISOLAMENTI E GUASTI 9 SISTEMI ED APPARECCHIATURE DI PROTEZIONE 10 SISTEMA GENERALE DEGLI IMPIANTI ELETTRICI DI BORDO CENTRALE ELETTRICA PRINCIPALE E DI EMERGENZA 2

2 1- ELEMENTI DI ELETTROTECNICA Struttura elettrica della materia Ogni corpo in natura è formato da particelle elementari detti atomi la cui struttura si diversifica per i vari elementi. Nella sua schematizzazione più generale, un atomo, alla stregua di un sistema solare, è formato da una parte centrale detta nucleo e da un insieme di elettroni orbitanti attorno ad esso. Il nucleo, a sua volta, è formato da protoni e neutroni. I protoni hanno carica elettrica positiva, gli elettroni carica elettrica negativa, mentre i neutroni hanno carica elettrica nulla. Si deduce, da quanto detto sopra, che il nucleo ha, nel suo complesso, carica elettrica positiva ed attrae a sé gli elettroni in quanto dotati, come si è detto, di carica elettrica negativa. Infatti, cariche elettriche dello stesso segno si respingono mentre cariche elettriche di segno contrario si attraggono. La carica elettrica complessiva degli elettroni è uguale a quella dei protoni per cui l atomo è elettricamente neutro. Gli elettroni sono distribuiti intorno al nucleo su diversi strati ognuno dei quali può contenerne un numero massimo ben determinato. Se il numero degli elettroni è minore o superiore al numero dei protoni, l atomo non è più elettricamente neutro e si chiama ione. Uno ione può essere quindi positivo (elettroni in numero inferiore ai protoni) o negativo (elettroni in numero superiore a quello dei protoni). La fig. 1 rappresenta schematicamente la struttura di un atomo. Fig. 1 - Struttura schematica di un atomo Gli ioni possono quindi essere sia positivi che negativi e si comportano quindi come cariche elettriche. Una carica elettrica, sia positiva che negativa, genera un campo elettrico che si definisce come la forza alla quale è soggetta la carica positiva di un coulomb posta nel punto considerato. E = newton/coulomb La differenza di potenziale Ponendo una carica positiva q in un campo elettrico generato da una carica Q, pure essa positiva, la carica q viene respinta fino ai limiti del campo. Ciò comporta un certo lavoro che evidentemente viene fatto dalle forze del campo. 3

3 In conclusione, una carica elettrica, posta in un campo elettrico, possiede una certa energia di posizione la quale viene detta energia potenziale elettrica. E evidente l analogia con l energia potenziale gravitazionale. Per sollevare un corpo dal suolo fino ad una certa altezza si spende una certa energia la quale però si ritrova nel corpo sotto forma di energia gravitazionale e viene restituita quando il corpo, se lasciato libero, torna al suolo sotto l azione delle forze del campo gravitazionale. I1 lavoro che si compie quando una carica si sposta tra due punti del campo non dipende dalla traiettoria seguita, ma esclusivamente dai valori dell energia di posizione che la carica possiede nei due punti considerati. I1 potenziale elettrico in un punto di un campo elettrico misura il lavoro necessario per portare la carica positiva di un coulomb da tale punto ai limiti del campo. Si misura in volt. Un volt si definisce quindi colme il lavoro di 1 joule per portare la carica di 1C da tale punto fino ai limiti del campo. I1 potenziale elettrico assume il segno, positivo o negativo della carica che l ha generato. Si definisce differenza di potenziale tra due punti A e B di un campo elettrico generato da una carica Q il lavoro per portare la carica di 1C dal punto A al punto B. Q(VA -VB) LAB La differenza di potenziale tra due punti A e B è pari a 1 volt se per spostare la carica di 1C da A a B è necessario il lavoro di 1 joule. Definita l unità di misura del potenziale, il campo elettrico può essere misurato anche con il rapporto E - V/d (volt/m) Esercizio In un punto posto a d = 2.5m da una carica elettrica positiva vi è il potenziale di 20V. Trovare l intensità del campo in tale punto. E = V/d = 20/2.5 8 V/m Il condensatore I1 condensatore è un dispositivo costituito da due conduttori (armature) A e B separati da un materiale isolante (dielettrico).una delle armature, ad esempio la A, viene elettrizzata mentre l altra, collegata a terra, si elettrizza di segno contrario. Si definisce capacità del condensatore il rapporto tra la carica fornita ad A e la differenza di potenziale tra A e B. Dato che l armatura B è collegata a terra allora il potenziale VB = 0 e quindi tale differenza di potenziale è uguale a VA. In formule si ha C = Q/V La capacità si misura in coulomb/volt cioè in farad (F) 4

4 Un conduttore ha la capacità elettrica di un Farad se dandogli una carica elettrica di un coloumb assume il potenziale di un volt. Se d è la distanza tra le armature di un condensatore ed la costante dielettrica del mezzo interposto, la capacità si calcola con la seguente formula: C = e S/d Poiché il farad è una unità di misura enorme, in pratica si usano sempre i suoi sottomultipli, i più comuni dei quali sono: I condensatori possono essere collegati il millifarad, il microfarad, il millimicrofarad, il picofarad a) in parallelo. In tal caso, la capacità dell intero sistema è pari alla somma delle capacità dei singoli condensatori. C = C1 + C2 + C3 + + Cn b) in serie. In tal caso, l inverso della capacità dell intero sistema è pari alla somma degli inversi della capacità dei singoli condensatori. I/C = l/c1 + 1/C2 + 1/C3 + l/cn Se i condensatori sono tutti di uguale capacità CO allora l/c = n/co e quindi C = Co/n Generatore elettrico Se si congiungono due punti a diverso potenziale allora nel filo che li collega si ha il passaggio di una corrente. Se si vuole che il flusso delle cariche elettriche abbia una durata ragionevole, tale cioè da consentirne l utilizzazione pratica (illuminazione, riscaldamento ecc.) è necessario realizzare dei dispositivi (generatori elettrici) capaci di pompare continuamente le cariche da un polo all altro, in modo da mantenere costantemente tra di essi una differenza di potenziale. Facciamo le seguenti considerazioni: a) un conduttore A possiede elettroni in eccesso e costituisce quindi un polo negativo. Come polo positivo si assume il conduttore B. b) collegando i due poli mediante un conduttore metallico C, gli elettroni fluiscono attraverso di esso da A verso B (corrente elettrica). c) ad un certo punto, i due conduttori A e B raggiungono l equilibrio elettrico: la differenza di potenziale tra di essi si annulla ed attraverso C non passa più corrente. d) l inserimento di un generatore cioè di un dispositivo capace di pompare elettroni travasandoli da B ad A attraverso dei conduttori interni al generatore stesso consente di ristabilire una certa differenza di potenziale tra A e B. e) il generatore, funzionando con continuità, ripristina ad ogni istante la differenza di potenziale la quale altrimenti tenderebbe ad annullarsi. Il generatore garantisce quindi un flusso ininterrotto di 5

5 - Disposizione degli elementi in accumulatore per autoveicoli. 1 - Piastra positiva 2 - Separatori. 3 - Piastra negativa. elettroni da A verso B attraverso C (circuito esterno) pompando ininterrottamente elettroni da B verso A attraverso propri conduttori (circuito interno). Un generatore di tensione continua è l accumulatore, spesso usato come gruppo di continuità di emergenza il cui compito è quindi quello di intervenire in caso di mancanza di alimentazione primaria. I tipi di accumulatori più diffusi nelle piccole imbarcazioni sono quelli al piombo. Questi danno tensioni di circa 2 volt per coppia di elettrodi. Essenzialmente un accumulatore consta di: una vasca (cella elettrolitica) contenente una soluzione di acido solforico (30%) e acqua distillata. una serie di piastre che fungono da separatori. due elettrodi. L uno è realizzato in minio (biossido di piombo) che costituisce il polo positivo. l altro in piombo grigio scuro che costituisce l elettrodo negativo. L acido si dissocia in acqua formando ioni H++ ed SO4. In seguito a fenomeni elettrochimici le cariche positive tendono a separarsi da quelle negative. Le prime si dirigono verso il polo (+) le altre al polo (-) generando una tensione agli elettrodi. Nel caso di accumulatori al piombo la tensione per cella è di circa 2 volt. Pertanto, per avere 12V si devono mettere 6 celle elettrolitiche in serie. I dati caratteristici di targa sono: la capacità, espressa in ampere.ora (Ah). Essa rappresenta la quantità di carica prelevabile da una batteria, come corrente. Ad esempio, se la targhetta dell accumulatore indica 45Ah significa che esso è in grado di erogare 45A per un ora. La sua durata sarà tanto più elevata, quanto minore sarà la corrente richiesta. 6

6 corrente massima erogabile che esprime il numero massimo di ampere prelevabili pena la rottura dei collegamenti interni della batteria. Gli accumulatori devono essere posti in locali aerati in quanto, durante la carica oppure in condizioni di non utilizzazione liberano idrogeno, gas nocivo ed infiammabile. Esistono particolari tipi di accumulatori al nichel-cadmio che sono ermetici, non sviluppano gas, non necessitano di manutenzione e trovano applicazione sempre crescente. Durante la scarica dell accumulatore si verificano fenomeni elettrochimici per cui entrambe le piastre risultano rivestite di solfato di piombo. L acido è combinato nelle piastre e il liquido diventa meno denso. Risulta quindi opportuno eseguire un frequente controllo sia della densità (con un densimetro) che del livello dell elettrolita, facendo in modo che esso superi di almeno 5 mm i separatori. Lo stato di ossido sui morsetti funge da isolante nei collegamenti. Bisogna quindi provvedere alla sua rimozione e al successivo ricoprimento con vaselina non grassa. La ricarica deve essere regolare e va interrotta quando: - la temperatura degli elementi supera 45 - si osserva lo sviluppo di bollicine - la misura densimetrica è costante - la corrente dell amperometro segna una corrente costante, la minima. All atto pratico, gli accumulatori sono protetti da relé in fase di carica e scarica e vengono disinseriti automaticamente dall impianto La corrente Se agli estremi A e B di un filo metallico si stabilisce una differenza di potenziale, il conduttore sarà allora percorso da una corrente, che va dal punto a potenziale maggiore a quello a potenziale minore, la cui intensità [i] è data dal rapporto tra la quantità di carica [q] e il tempo [t]: i = q/t L unità di misura dell intensità di corrente è l ampere che si definisce come l intensità di una corrente che trasporta la carica di un coulomb in un secondo. Per misurare l intensità di corrente che percorre un conduttore si usano strumenti detti amperometri. Il circuito della corrente è sempre chiuso. Si ha perfetta analogia tra un circuito elettrico ed un circuito idraulico nel quale una pompa, grazie alla differenza di pressione che genera agli orifizi di entrata e uscita, genera una corrente liquida continua. L intensità della corrente che percorre un conduttore metallico è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata ai suoi estremi. VA = VB = R.i La quantità R è una costante di proporzionalità che prende il nome di resistenza elettrica del conduttore. La resistenza elettrica si misura in Ohm, che è quindi la resistenza R di un filo che viene percorso dalla corrente di un ampere A quando ai suoi capi è applicata la differenza di potenziale pari a 1 volt V 7

7 La resistenza elettrica di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione. Essa dipende inoltre anche dalla sostanza di cui è costituito il filo e dalla sua temperatura. R - r l/s ρ è la resistività o resistenza specifica ed è uguale alla resistenza eletticca di un conduttore il quale abbia lunghezza [l] e sezione [s] pari all unità. Si dice che due o più conduttori sono collegati in serie quando la corrente li percorre uno dopo l altro ossia quando il secondo estremo del primo conduttore è collegato al primo estremo del secondo, il secondo estremo del secondo con il primo estremo del terzo e così via E facile dimostrare che la resistenza di un conduttore formato da più conduttori posti in serie è uguale alla somma delle resistenze dei singoli conduttori. R = R 1 +R 2 +R Si dice che due o più conduttori sono collegati in parallelo quando essi hanno in comune sia il primo che il secondo estremo; in tali condizioni, la corrente che giunge al loro primo estremo comune si suddivide fra di essi e, dopo averli percorsi, si riunisce nuovamente in un unica corrente; agli estremi dei vari conduttori è applicata evidentemente la stessa differenza di potenziale. In questo caso si ha: i = i 1 + i 2 + i

8 E facile dimostrare che se si hanno più conduttori disposti in parallelo, l inverso della loro resistenza complessiva è uguale alla somma degli inversi delle resistenze dei singoli conduttori. 1/R = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 + Se i conduttori hanno tutti la stessa resistenza R allora si ha: R R /n cioè se si pongono in parallelo n conduttori aventi tutti la stessa resistenza, la resistenza complessiva si riduce a un ennesimo della resistenza di un singolo conduttore. Il passaggio di corrente attraverso un conduttore si accompagna a un riscaldamento del conduttore stesso. Il lavoro compiuto nel tempo t risulta dato da: W = Ri 2 t [joule] e il calore sviluppato, tenendo conto che 1 joule = 0,24 calorie: Q = 0,24 Ri 2 t [calorie] La quantità di calore che si sviluppa in un circuito percorso dalla corrente elettrica è proporzionale alla resistenza del circuito, al quadrato dell intensità di corrente che lo percorre e al tempo. La potenza P dissipata in calore per effetto Joule è data da: P = Ri 2 = (VA-VB) 2 /R La potenza si misura in Watt quando la differenza di potenziale è misurata in volt e la resistenza in ohm. 9

9 2. MAGNETISMO ED ELETTROMAGNETISMO Alcuni corpi, come la magnetite, hanno la proprietà di attirare la limatura di ferro e si dicono magneti o calamite. Una calamita di forma parallelepipeda attira la limatura soprattutto verso gli estremi che si dicono poli: i due poli non sono identici e si distinguono in nord e sud. Campo generato da una carica puntiforme + q Campo generato da una carica puntiforme - q Campo generato da due cariche puntiformi uguali + q e +q Campo generato da due cariche puntiformi opposte + q e - q In vicinanza di un conduttore sferico elettrizzato il Campo è radiale 10

10 I poli di due magneti dello stesso nome si respingono e di segno contrario si attraggono Le forze che si esercitano tra due poli sono dovute al magnetismo. Un filo percorso da corrente elettrica genera un campo magnetico Tra due conduttori percorsi da corrente elettrica si esercitano delle forze di attrazione o di repulsione a seconda che le correnti siano concordi o discordi. Un solenoide percorso da corrente e un ago magnetico si comportano alla stessa maniera. Elettrocalamita è un dispositivo costituito da ferro dolce attorno al quale sono avvolte delle spire conduttrici, ricoperte da materiale isolante, nelle quali circola una corrente elettrica. Ogni spira percorsa da corrente, immersa in un campo magnetico è soggetta a forze elettromagnetiche che tendono a farla ruotare. Su questo principio sono fondati i motori elettrici. Viceversa, agli estremi di un conduttore in movimento in un campo magnetico si desta una differenza di potenziale. Su questo principio si fondano i generatori di corrente. Ogni variazione di flusso d induzione abbracciato da un circuito genera in esso una f.e.m. indotta. La corrente indotta generata in un circuito chiuso tende ad opporsi con i suoi effetti magnetici alle cause che la producono. 11

11 3. PRODUZIONE, TRASFORMAZIONE E DISTRIBUZIONE DELL ENERGIA ELET- TRICA Produzione dell energia elettrica a bordo Dagli inizi del secolo, gli impianti elettrici navali hanno avuto uno sviluppo notevolissimo ed oggi tutte le funzioni vitali di una moderna nave dipendono dell energia elettrica. Di queste si ricordano le principali: - il governo e la navigazione - i macchinari ausiliari di macchina, di scafo e di coperta - gli apparati di telecomunicazione e di comunicazione interna - l illuminazione - la ventilazione e il condizionamento. Un impianto elettrico navale deve essere caratterizzato da: - affidabilità cioè sicurezza di funzionamento di ciascuna delle appareccchiature elettriche, anche nelle condizioni più sfavorevoli dovute al particolare ambiente marino, caratterizzato da salinità, umidità, temperature elevate e vibrazioni. Le vibrazioni richiedono in particolare che le apparecchiature siano collegate allo scafo con sistemi smorzanti. - -continuità di servizio che consiste nella possibilità di garantire anche e soprattutto in condizioni di emergenza, l alimentazione elettrica e quindi il funzionamento delle apparecchiature elettriche o almeno di quelle essenziali alla sicurezza della nave. La continuità di servizio dipende essenzialmente dalle protezioni scelte per l impianto. - semplicità dì condotta e di manutenzione Produzione dell energia A bordo, l energia viene prodotta da un impianto ausiliario che risulta composto da: - un sistema di produzione che comprende le centrali termiche (principali, di porto e di emergenza) con gli elettrogeni e i quadri elettrici principali - un sistema di distribuzione che comprende una rete che collega i quadri di centrale alle sottostazioni e ai sottoquadri, una rete per la distribuzione agli utenti luce e forza; una rete per il controllo, il comando e la regolazione della distribuzione. La produzione di energia elettrica a bordo avviene associando a motori primi (motori diesel o turbine) delle macchine elettriche in grado di trasformare l energia meccanica ricevuta in energia elettrica (generatori). I motori diesel nei confronti con le turbine presentano i seguenti: 12

12 Le macchine elettriche producono corrente continua o alternata (sia monofase che trifase) a seconda della loro costituzione. In entrambi i casi si ha a che fare con macchine rotanti in quanto una delle parti costitutive ruota attorno al proprio asse. La tabella riassume le considerazioni appena fatte. Confronto tra corrente alternata e corrente continua Vediamo quali sono i motivi fondamentali che hanno favorito l affermarsi a bordo della corrente alternata. - maggiore semplicità nella costruzione e manutenzione delle macchine sia generatrici che motrici ( mancanza del collettore a lamelle) - maggiore semplicità nelle apparecchiature (assenza del reostato di avviamento) - minore ingombro, peso (-30%) e costo (anche dei cavi) - possibilità di avere una vasta gamma di tensioni mediante trasformatori - maggiore sicurezza dei generatori contro i cortocircuiti Frequenza e tensione negli impianti navali Oggi la corrente alternata ha praticamente soppiantato la corrente continua su tutte le navi di nuova 13

13 costruzione perché, rispetto ad essa, presenta i seguenti vantaggi: - maggiore affidabilità dell impianto - assoluta superiorità del motore a corrente alternata rispetto a quelli in corrente continua - possibilità di ottenere, tramite trasformatori, qualsiasi valore di tensione - minor costo, peso e ingombro dell impianto. Gli impianti elettrici di bordo sono per la maggior parte a 60 Hz. La tensione di produzione negli impianti a corrente alternata è a 440 V, trifase. 14

14 15

15 3.2 - Trasformazione dell energia elettrica - I Trasformatori Applicata agli estremi di un conduttore. una differenza di potenziale V, esso sarà percorso da una corrente i; la potenza P sviluppata da questa corrente sarà data dal prodotto della tensione V per l intensità di corrente i cioè: P = V * i E chiaro che possiamo avere un altra corrente che sviluppi la stessa potenza P della precedente pur avendo intensità e tensione diverse. Molte volte si presenta il problema di trasformare una corrente alternata di alta intensità e di bassa tensione in una corrente di bassa intensità e di alta tensione conservando possibilmente inalterata la potenza disponibile. Questo problema si risolve con i trasformatori statici, apparecchi che non hanno organi in movimento. Un trasformatore statico è essenzialmente costituito da un nucleo di materiale magnetico, di forma generalmente rettangolare, sul quale sono avvolti due circuiti costituiti da diversi numeri di spire: sia n1 il numero delle spire del primo circuito (primario) ed n2 il numero di spire del secondo (secondario). Se colleghiamo i due morsetti del primario con i poli di un alternatore esso sarà percorso da una corrente alternata che genera un campo magnetico la cui intensità varia nel tempo come la corrente che lo genera. Le linee di forza di tale campo magnetico si concatenano con il secondario dove si genera una forza elettromotrice alternata della stessa frequenza della corrente che percorre il circuito primario. Risulta verificata la seguente relazione: V 2 = n 2 V 1 n 1 la quale dice che la differenza di potenziale fra i morsetti del secondario sta alla differenza di potenziale applicata ai morsetti del primario come il numero delle spire del secondario sta al numero di spire del primario. Il rapporto n 2 /n l si chiama rapporto di trasformazione. La potenza sviluppata al secondario è uguale alla potenza spesa nel primario. 16

16 Riassumendo, un trasformatore è una macchina capace di trasformare l energia elettrica di bassa tensione e alta intensità in energia elettrica di alta tensione e bassa intensità in modo tale che la potenza rimanga costante. E inoltre evidente che un trasformatore statico funziona soltanto con corrente alternata. Ciò rende in molti casi necessario l uso della corrente alternata al posto della corrente continua. I trasformatori trifasi hanno lo stesso principio di funzionamento del monofase ma dovendo trasformare tre tensioni ha bisogno di 6 avvolgimenti disposti come in figura. 17

17 Un applicazione interessante di trasformatore è costituita dal dispositivo di accensione del motore a benzina. Quando le puntine del ruttore sono a contatto tra loro, il circuito primario si chiude ed in esso circola corrente che genera un flusso di campo magnetico nella bobina primaria. All apertura delle puntine, mediante l alberino a camme, si ha una rapida interruzione della corrente primaria e di conseguenza una variazione rapidissima di flusso di campo magnetico nella bobina secondaria. Si determina pertanto ai suoi capi una tensione elevata ( )V che, mediante un contatto rotante, è trasportata alle varie candele secondo un ordine di accensione stabilito. Le puntine sono soggette a deterioramento dovuto: - alle scariche elettriche di interruzione della corrente e per questo motivo sono coperte di platino, materiale molto resistente all usura per scariche elettriche. - ai depositi di materiale che sporcano i contatti e riducono la conducibilità. - al fenomeno distruttivo della scarica che viene ottenuta con un condensatore in parallelo alle puntine. Per questi motivi sono state sostituite nei motori attuali con un transistor elettronico che ha la stessa funzione di interrompere il circuito primario (transistor EBC). Viene comandato mediante una corrente che entra alla base del transistor. Interrompendo tale corrente si interrompe anche la corrente del circuito primario. L apertura della corrente di base può essere effettuata o con puntine come nello schema 2 o con un impulsore magnetico. Anche se il sistema a puntine potrebbe riproporre i problemi dello schema iniziale, in realtà esse devono interrompere la corrente di base cioè la corrente di pilotaggio del transistor che, essendo dell ordine di qualche mma dà luogo a scariche praticamente inesistenti. 1) Generatore di tensione ( es. accumulatore); 2) Bobbina primaria di bassa tensione; 3) Ruttore; 4) Condensatore; 5) Bobbina secondaria per elevate tensioni; 6) Distributore tensione alle candele; 7) Candela 18

18 3.3 - Distribuzione dell energia elettrica L energia elettrica di solito non viene prodotta negli stessi luoghi in cui è consumata. Sorge quindi il problema di trasportarla. Ricordiamo che il passaggio di corrente nei conduttori è accompagnato da sviluppo di calore che è proporzionale al quadrato dell intensità di corrente qualunque sia la tensione applicata alla linea. P = Ri 2 = (VA-VB) 2 /R Quindi, per ridurre al minimo l energia dissipata lungo la linea, conviene mandare lungo di essa, a parità di potenza, una corrente che abbia una intensità molto bassa e una tensione molto alta. I poli dell alternatore della centrale che produce la corrente alternata sono perciò collegati ai morsetti del primario di un trasformatore statico, il quale alza la tensione e abbassa corrispondentemente l intensità della corrente; i due morsetti del secondario del trasformatore sono collegati agli estremi di due conduttori filiformi che costituiscono la cosiddetta linea ad alta tensione. Tale linea giunge fino al luogo di utilizzazione e, attraverso un altro trasformatore, alimenta gli utenti. Impulsore magnetico Consiste in una bobina collegata ad un circuito elettronico che agisce sulla corrente di base del transistor di accensione, ed un rotore a denti magnetizzato, ciò è un magnete con delle sporgenze denti, in numero uguale al numero di candele. E portato in rotazione dall albero a camme. Quando un dente magnetizzato passa davanti alla bobinetta genera nella stessa, a causa della rapida variazione di flusso magnetico, una tensione impulsiva che provoca l interruzione della corrente di base nel transistor e di conseguenza la corrente nel circuito primario. Impulsore 19

19 4 - ALTERNATORI E MOTORI SINCRONI Per esaminare il principio su cui si basa un alternatore si consideri il circuito [1] entro il quale si vuole produrre la corrente alternata. Dinanzi alla spira che ne fa parte si faccia girare una ruota R sui cui raggi siano disposte tante calamite i cui poli, rivolti verso l esterno, siano alternativamente un polo nord e un polo sud. Quando un polo nord si avvicina alla spira, in questa nasce una corrente indotta la quale cambia verso quando questo polo se ne allontana; anzi, questa seconda corrente indotta viene rinforza dal fatto che, continuando la ruota a girare, c è un polo: sud in arrivo e che si avvicina ad essa. Quando questo polo sud oltrepassa il punto P, la corrente indotta si inverte di nuovo, rinforzata dall avanzare di un nuovo nolo nord e così di seguito. Nella spira si genera. quindi una corrente indotta alternata la cui intensità ha andamento sinusoidale, caratterizzata da una frequenza e da Fig 4/1 una ampiezza. Gli alternatori monofase usati nell industria e di cui si è appena mostrato il principio di funzionamento, hanno, invece di una semplice spira, molte spire disposte tutte intorno alla ruota, con gli avvolgimenti collegati in serie in un unico circuito. Questa parte fissa della macchina costituisce lo statore dell alternatore. La parte rotante, che si chiama rotore, porta, invece dei magneti permanenti, degli elettromagneti percorsi da una corrente continua che viene generata a parte. Il rotore, che può avere anche il diametro di qualche metro e che gira alla velocità di molti giri al secondo. è tenuto in movimento da una turbina o da un motore a scoppio o da una macchina a vapore. Fig 4/3 Fig 4/2 Oltre alle correnti alternate monofase si usano molto spesso nell industria le correnti alternate trifasi, le quali sono prodotte da alternatori trifasi. Supponiamo ora che lo statore sia formato da tre circuiti indipendenti, costituiti da tre bobine identiche. La distanza tra due di queste bobine sia uguale ad un terzo della distanza che c è tra due poli nord successivi del rotore. Quando ora il rotore gira, in ogni bobina si genera una corrente indotta identica a quella che si produceva nel caso dell alternatore monofase. Quindi le tre correnti hanno lo stesso periodo però, dato che il polo nord non passa contemporaneamente davanti alle tre bobine, l intensità delle tre correnti indotte non assumerà contemporaneamente il valore zero. Rappresentando sullo stesso diagramma queste intensità in funzione del tempo, si vede che le tre correnti hanno lo stesso periodo ma ognuna passa per il valore zero con un ritardo, rispetto alla precedente, di un terzo di periodo. 20

20 L insieme di queste tre correnti alternate, eguali ma sfasate di un terzo di periodo si chiama corrente trifase. Per trasmettere una corrente alternata trifase sarebbero quindi necessari sei conduttori, dato che per ogni bobina si ha un conduttore di andata e uno di ritorno. Se però si esamina la fig. 4/3 si può riconoscere che in ogni istante la somma delle intensità delle tre correnti alternate costituenti la corrente trifase è uguale a zero. Se quindi i tre fili di ritorno della fig. 4/2 sono uniti in modo da diventare uno solo, in questo passerà una corrente nulla. Per questa ragione un alternatore trifase ha solo 4 morsetti: tre sono collegati ad altrettanti estremi delle bobine mentre il quarto, detto neutro, raggruppa gli altri tre estremi delle tre bobine. Una corrente trifase può quindi essere trasportata a distanza con solo 4 fili invece che 6. Nella fig. 4/4a è rappresentato il modo con cui Fig 4/4a vengono inseriti i tre utilizzatori A,B,C nel circuito alimentato da un alternatore, di cui 1, 2, 3 sono i tre avvolgimenti; dato che la corrente che passa nel neutro è nulla, esso può anche essere soppresso. Una disposizione di questo tipo si chiama a stella. Talvolta si usa anche la disposizione detta a triangolo (fig. 4/4b). La frequenza f nelle macchine bipolari coincide con il numero di giri n al secondo dell induttore (perché nella spira considerata si ha un alternanza di flusso dopo un intero giro della ruota polare); nelle macchine con p paia di poli il periodo Fig 4/4b elettromagnetico si compie dopo che l induttore ha ruotato di l/p di giro. Ne consegue che nella macchina multipolare si verificano p alternanze di flusso ad ogni giro per cui si ha f = p.n Lo schema di fig. 4/3 rappresenta il principio costruttivo dell alternatore, costituito dalle sue due parti essenziali, cioè: l induttore, cui spetta la produzione del campo magnetico l indotto, provvisto di spire che, opportunamente collegate fra di loro, formano l avvolgimento indotto che diventa sede di f.e.m. se si varia il flusso induttore con esse concatenato. La variazione di flusso è ottenuta dalla rotazione dell induttore (rotore) che, calettato sull albero, porta i poli. La variazione di flusso è ottenuta dalla rotazione dell induttore (rotore) che, calettato sull albero, porta i poli. Nel suo funzionamento pratico il rotore di un alternatore viene mosso da un motore primo che può essere un diesel o una turbina. Si evita il motore a benzina perché i vapori di questo tipo di combustibile sono altamente infiammabili. L accoppiamento diretto tra il diesel e l alternatore avviene tramite giunto elastico. Se il motore primo è 21

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