ELETTROTECNICA Livello 15 La corrente alternata Andrea Ros sdb
Livello 15 La corrente alternata
Sezione 1 Grandezze alternate La tensione ai capi di una batteria viene detta continua : il polo negativo è sempre da una parte mentre quello positivo dall altra. La tensione che arriva nelle nostre case però è alternata : il polo positivo e il polo negativo si invertono continuamente nel tempo, come nella figura che segue: Questo andamento nel tempo viene detto onda sinusoidale. La tensione ci arriva così perché nelle centrali essa viene prodotta dagli alternatori, enormi generatori elettrici che sfruttando la forza del vapore, dell acqua o del vento: essi funzionano esattamente come la dinamo della vostra bicicletta, il cui nome corretto è proprio alternatore. 2
L inversione dei due poli avviene 50 volte al secondo: si dice allora che la nostra tensione ha una frequenza f di 50 Hz (hertz). Dalla frequenza possiamo calcolare il periodo, e cioè la durata di ogni singola ripetizione: T = 1 f = 1 50 = 0,02 s = 20 ms Se il ciclo si ripete ogni 20 ms significa che l inversione dei poli avviene ogni 10 ms. raggiunge un valore massimo, detto di picco, pari a: V p+ = V eff 2 = 311 V e un valore minimo, quando i poli si invertono, di -311 V. Si definisce allora la tensione picco-picco come il doppio della tensione di picco, nel nostro caso: V pp = 2 V p = 2 2 V eff Le ripetizioni sono così veloci che quando colleghiamo una lampadina alla presa non riusciamo a vederle. Il valore di 220 V di cui normalmente parliamo è detto valore efficace : ci dice che una tensione alternata di 220 V (efficaci) produce lo stesso effetto di una tensione continua con lo stesso valore. Questo valore è anche quello che possiamo misurare con il multimetro se tocchiamo con i due puntali la fase e il neutro del nostro impianto. In realtà se andassimo a vedere l andamento della tensione istante per istante, vedremmo che essa 3
Sezione 2 Funzionamento dell alternatore L alternatore è una macchina elettrica che trasforma l energia meccanica in energia elettrica a corrente alter nata sfruttando il principio dell induzione elettromagnetica. Ruotando il rotore genera un campo magnetico variabile all interno dello statore, sul quale viene quindi indotta una forza elettromotrice come abbiamo visto nei livelli precedenti. Il rotore (induttore) è un magnete o un elettromagnete messo in movimento dalla turbina e ruota all interno dello... Questa f.e.m. indotta avrà proprio l andamento sinusoidale che abbiamo descritto poco fa, e viene chiamata tensione alternata monofase....statore (indotto): costituito da una o più bobine fisse. Se l indotto è costituito da tre avvolgimenti a 120 tra di loro, in ogni avvolgimento si produce una f.e.m. monofase, e l insieme delle tre f.e.m. viene detta tensione alternata trifase. 4
Sezione 3 Valore istantaneo della tensione Immagina un semplice alternatore costituito da una sola spira che produce una tensione alternata: abbiamo detto che l onda sinusoidale compie un oscillazione completa ogni T secondi (periodo). Questo è anche il tempo necessario alla spira per fare un giro completo sul suo asse. La posizione della spira può essere indicata tramite un angolo: 0, 90, 180, 270 e un giro completo corrisponde a 360. Studierai in matematica che gli angoli possono essere rappresentanti anche in radianti, dati di solito come dei multipli di pi-greco: gradi radianti 0 0 90 π/2 180 π 270 3π/2 360 2π Un giro completo dell alternatore corrisponde quindi a 360 o 2π radianti. Definiamo allora come velocità angolare o pulsazione della nostra tensione sinusoidale la grandezza data da: ω = 2π f dove f è la frequenza. La pulsazione si misura in radianti al secondo (rad/ s) e in altre parole ci dice di quanto ruota la spira per ogni secondo che passa. Il valore istantaneo di una tensione sinusoidale con valore di picco Vp è dato da: v(t) = Vp sinωt dove sin rappresenta la funzione seno, che la tua calcolatrice conosce meglio di te (per fare questi calcoli ricorda di impostarla in radianti!) 5
Sezione 4 Coppie di poli del rotore Se il rotore possiede una coppia di poli (N e S), per ottenere una frequenza di 50 Hz esso deve fare 50 giri al secondo (3000 giri al minuto). Utilizzando un rotore con due coppie di poli, fatto con due avvolgimenti a 90 tra di loro (attenzione, non confondere gli avvolgimenti del rotore con quelli dello statore), ad ogni giro del rotore il campo magnetico farà due variazioni complete... è come se l albero ruotasse al doppio dei giri. In generale allora la frequenza della corrente alternata prodotta dipende dal numero delle coppie di poli (p) del rotore e dal suo numero di giri (n): f =p n Ad es. se un alternatore possiede otto coppie di poli: p=8 e ruota a 375 giri al minuto: 375 n= = 6,25 giri /s 60 avremo: f = p n = 8 6,25 = 50 Hz 6