ITCG CATTANEO CON LICEO DALL AGLIO - via M. di Canossa - Castelnovo ne Monti (RE) SEZIONE I.T.I. Le Correnti Alternate Come vedremo è piuttosto semplice produrre tensioni, e di conseguenza correnti, che oscillano periodicamente tra un valore massimo positivo ed un valore massimo negativo, invertendo continuamente il proprio verso. VANTAGGI - semplicità delle macchine generatrici (alternatori) - possibilità di utilizzare semplicemente i trasformatori La tensione alternata viene prodotta utilizzando speciali apparecchi, detti Alternatori, che sfruttano il fenomeno della induzione elettromagnetica. SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DI UN ALTERNATORE B Spira che ruota intorno al proprio asse immersa in un Campo Magnetico uniforme tra le espansioni di un magnete. Mentre la spira ruota, poiché varia il flusso del C.M. ad essa concatenato, si verifica il fenomeno della Induzione Elettromagnetica per cui nasce una f.e.m. (forza elettro-motrice) indotta tra le spazzole, che può essere utilizzata. In realtà non c è una sola spira ma ci sono diversi avvolgimenti, di solito caratterizzati da un elevato numero di spire ed orientati in differenti direzioni. Durante la rotazione il flusso concatenato con la spira ø = BS*cosα varia con legge sinusoidale; di conseguenza nasce una f.e.m. indotta anch essa sinusoidale, ma sfasata di 90 rispetto al flusso. A
Analizziamo, con riferimento alla figura precedente, come varia il flusso concatenato con la spira durante la sua rotazione : α = angolo tra la normale al piano della spira e la direzione delle linee di forza del Campo Magnetico t = 0 la spira è ortogonale alle linee del Campo Magnetico per cui il flusso assume il valore massimo positivo +BS ( cosα = 1) t = π/2ω la spira è parallela alle linee del Campo Magnetico per cui il flusso diventa nullo (non ci sono linee forza che attraversano la spira ; α = 90 quindi cosα = 0 ) t = π/ω la spira è ancora perpendicolare alle linee del Campo Magnetico, ma capovolta per cui il flusso assume il valore massimo negativo BS ( le linee di forza entrano dalla faccia opposta in quanto la spira ha ruotato di 180 ; α = 180 e cosα = -1) t = 2π/ω la spira è ancora parallela alle linee del Campo Magnetico per cui il flusso ritorna ad essere nullo (non ci sono linee forza che attraversano la spira ; α = 270 quindi cosα = 0) Dalla Legge di Faraday-Neumann (e Lenz) sappiamo che : in cui Δø/Δt rappresenta la velocità di variazione del flusso. E facile capire come i valori massimi della f.e.m. indotta corrispondano alle zone in cui il flusso varia più velocemente, cioè in cui è massima la pendenza della tangente alla curva che indica la variazione del flusso. La f.e.m. indotta si avvicina a zero nelle zone in cui la variazione di flusso avviene lentamente ( tangente alla curva parallela all asse delle ascisse) Nella figura precedente sono stati disegnate sullo stesso grafico le due funzioni che rappresentano l andamento del flusso concatenato alla spira (linea blu) ed il valore della f.e.m. indotta (linea rossa) al variare del tempo, per valori dell angolo alfa compresi tra 0 e 360 (2 π). ω = vel. angolare di rotazione della spira (rad/s) T = 2π/ω periodo (s) Flusso ø = BS cosωt val. max E = BS (Wb) F.e.m. indotta Fi = BSω senωt val. max = BSω (V) Le due funzioni sono sinusoidali e periodiche con periodo 2π/ω, quindi proseguono indefinitamente con lo stesso andamento. La tensione indotta è quindi alternata sinusoidale ; il verso cambia ogni mezzo periodo.
Collegando alle spazzole un circuito esterno di resistenza R si otterrà una corrente elettrica : Esistono due categorie fondamentali di Alternatori : Si tratta di una corrente alternata sinusoidale Il verso cambia ogni mezzo periodo ALTERNATORI MONOFASE Il rotore è un elettromagnete a due anelli. Quando i poli passano davanti alle bobine dello statore si producono due f.e.m. indotte che, dato il verso degli avvolgimenti, si sommano. ALTERNATORI TRIFASE Il rotore è sempre un elettromagnete. Lo statore è dotato di tre bobine disposte a 120 Anziché avere tensioni elevate si fa in modo da sommare tre tensioni indotte sfasate tra loro. Nelle centrali elettriche Il moto di rotazione degli alternatori viene normalmente ricavato utilizzando turbine idrauliche o a vapore. Centrali Idroelettriche : sfruttano l energia cinetica dell acqua in caduta da una certa quota (dighe)
Centrali termoelettriche : Centrali Nucleari : le turbine sono messe in rotazione da getti di vapore ricavato tramite caldaie alimentate a gas o petrolio. Il vapore viene ricavato innescando una reazione controllata di fissione nucleare. VALORI EFFICACI Come per le correnti continue il passaggio della corrente attraverso un conduttore determina sempre la produzione di una certa quantità di calore. Il calore prodotto dal passaggio di una corrente è uno dei parametri fondamentali per il dimensionamento degli impianti e dei circuiti in generale. Valore Efficace di una Corrente Alternata Intensità di una ipotetica corrente continua che attraversando una resistenza produrrebbe la stessa quantità di calore Corrente continua Corrente alternata Q = I 2 *R* t Q = I 2 eff *R* t Si può dimostrare che il valore efficace così definito vale : Allo stesso modo può essere definito un valore efficace per la tensione. Valore Efficace di una Tensione Alternata Dove I o e V o sono i valore massimi istantanei raggiunti ; si può quindi concludere che i valori efficaci corrispondono ai 7/10 (70%) dei valori massimi. LA TENSIONE ALTERNATA ITALIANA Nelle prese di casa è presente una tensione alternata caratterizzata da una frequenza di oscillazione di 50 Hertz ; quindi la tensione si inverte 50 volte al secondo. Questo valore è stato dettato dal fatto che in questo modo il nostro occhio non percepisce le variazioni di luminosità conseguenti alle oscillazioni della corrente che attraversa il filamento di una lampadina ; se la frequenza scendesse sotto i 25-30 Hertz la luce delle lampadine ad incandescenza non ci apparirebbe più costante ma tremolante. Tutti sappiamo che la nostra tensione di rete vale 220 v. In realtà quest ultimo è il valore efficace della tensione che in realtà oscilla tra il massimo di + 311v ed il minimo di -311 v.
Misura della Corrente Alternata Amperometro a filo caldo Per misurare l intensità di una corrente alternata, per come è stata definita, è necessario valutare i suoi effetti termici. A questo scopo esistono strumenti appositi, come per esempio l amperometro a filo caldo. Secondo lo schema riportato nella figura a fianco, si può notare come il filo percorso da corrente scaldandosi si dilati e determini il movimento dell indicatore, tenuto in tensione da una molla di richiamo. L intensità di corrente misurata risulta perciò proporzionale all angolo di cui ruota l indicatore. Come è fatto un Alternatore L' alternatore è una macchina elettrica rotante che trasforma l'energia meccanica fornita da un motore (per es., una turbina idraulica) in energia elettrica. Diversamente da quella di altri generatori (per es., la dinamo), la corrente erogata dall'alternatore è alternata (da cui il nome). Struttura di un alternatore L'alternatore è costituito da una parte fissa, detta statore, e da una parte mobile, rotore. Su entrambe sono disposti dei conduttori elettrici collegati tra loro in modo da formare due circuiti. Uno dei due ha la funzione di creare il campo magnetico (avvolgimento induttore o di eccitazione) e l'altro quella di essere sede di forza elettromotrice indotta (avvolgimento indotto). Normalmente il campo magnetico è creato facendo circolare una corrente continua nell'avvolgimento posto sul rotore; in tal caso lo statore ha la forma di un cilindro cavo, nel cui interno, coassiale con esso, è disposto il rotore, che può avere forma cilindrica (rotore a poli lisci) o stellare (rotore a poli salienti). Negli alternatori di piccola potenza, quali quelli usati negli autoveicoli, il campo magnetico può essere generato anche con un magnete permanente, in questo caso manca l'avvolgimento di eccitazione. Con gli alternaori in cui il campo magnetico è creato con una corrente continua si possono raggiungere potenze superiori ai 1000 MVA (megavoltampere), mentre con quelli a magnete permanente non si va oltre i 100 kva. Gli alternatori di grande potenza sono di solito azionati da turbine a vapore (turboalternatori).
Rotore dell alternatore della Centrale di Stazzona (1938) Alternatore da motore Centrale di Grosio: Rotore del nuovo alternatore da 120MVA Centrale di Grosio: Vista del nuovo alternatore gruppo 4; posizionamento della crociera