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 M o d u l o  6

La macchina a corrente continua

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2.1  Caratteristica di magnetizzazione della dinamo.

Il sistema induttore della macchina, che deve produrre il flusso in cui ruotano i conduttori di indotto o di armatura, può realizzarsi con magneti permanenti, ma in tal caso non è possibile modificare l’intensità del flusso prodotto. Questa soluzione è tipica in molte applicazioni per motori a corrente continua da usare, ad esempio, in sistemi automatici.

Di solito, per generare il flusso, si utilizzano gli avvolgimenti o bobine di magnetizzazione le quali, percorse da una corrente continua, variabile in intensità mediante un reostato di campo, o direttamente modificando la tensione impressa al circuito di eccitazione, modificano il flusso secondo un legame che è quello della curva media di magnetizzazione (fig.1).

La curva di magnetizzazione, o caratteristica a vuoto della macchina a corrente continua, viene ricavata a velocità di rotazione costante.

La caratteristica a vuoto riporta l’andamento della f.e.m. indotta ai capi delle spazzole, con circuito indotto aperto, e quindi in assenza di corrente erogata, al variare della corrente di eccitazione che percorre le bobine del circuito di magnetizzazione (in ordinata si potrebbe anche riportare il flusso o l’induzione magnetica, in ascisse il campo magnetico).

La curva parte da un valore non nullo di f.e.m., esistente in assenza di corrente magnetizzante, in conseguenza del magnetismo residuo.

Al crescere della corrente di eccitazione cresce, inizialmente in modo pressoché lineare, anche la f.e.m. E_o, anche perché la riluttanza totale del circuito, oltre alle parti in ferro, tiene conto anche della presenza del traferro.

All’aumentare dell’eccitazione si giunge alla saturazione, zona nella quale il flusso cresce lentamente e con elevati apporti della corrente. La macchina viene normalmente fatta funzionare intorno al ginocchio, nella zona che precede di poco l’inizio della saturazione.

2.2  Circuiti di eccitazione.

Si distinguono i seguenti tipi di eccitazione.

q Eccitazione indipendente: gli avvolgimenti che creano le polarità (2 poli, 4, 6 poli o più) sono alimentati da una sorgente in corrente continua separata dal circuito di armatura della macchina.

Si tratta di molte spire di piccola sezione, e quindi di resistenza non trascurabile: la costante di tempo dell’avvolgimento induttore τ = L_e/R_e è piuttosto elevata, a causa della presenza del ferro e dell’elevato numero di spire (fig. 2).

La variazione della corrente di eccitazione e, conseguentemente, del flusso generato, avviene mediante il reostato di campo R_c o direttamente variando il modulo della tensione di alimentazione (ad esempio mediante un circuito convertitore ad SCR).

q Eccitazione derivata: l’avvolgimento induttore ha caratteristiche del tutto simili a quello appena descritto, ma la sua alimentazione è prelevata direttamente ai capi delle spazzole della macchina (in derivazione alle spazzole). All’avvio i conduttori di indotto che tagliano il pur debole flusso dovuto al magnetismo residuo sono sede di f.e.m. e quindi di corrente indotta, che si autoesalta e rinforza man mano il flusso stesso, fino a raggiungere il valore di f.e.m. che compete alla velocità di rotazione e alla condizione di saturazione, imposta indirettamente dal valore della resistenza complessiva del circuito di eccitazione e quindi dalla corrente relativa.

q Eccitazione in serie: il circuito di eccitazione e quello di armatura sono posti in serie e quindi sono percorsi dalla stessa corrente. Pertanto qui occorrono poche spire per la produzione della tensione magnetica, ma con sezione che sopporti tutta la corrente del carico alimentato dalla dinamo (fig.4)

La variazione delle amperspire avviene di solito mediante un reostato di campo posto in parallelo all’eccitazione (con alta resistenza del reostato di campo inserita, si ha maggior corrente di eccitazione e quindi maggior flusso prodotto. La macchina si può autoeccitare solamente con circuito chiuso su un utilizzatore R_u.

q Eccitazione compound: coesistono sia un circuito di eccitazione serie che parallelo, distinti fra loro. Quello di fig.5 è detto a corta derivazione, per distinguerlo dalla lunga derivazione, in cui un capo dell’eccitazione in parallelo è derivato all’uscita di quello serie.

Nelle dinamo ad eccitazione composta l'eccitazione in serie normalmente deve produrre un flusso concorde con quello creato dall'eccitazione derivata: si compensano così le c.d.t. dovute al carico.

L'eccitazione è normale, ipocompensata o ipercompensata, a seconda che la compensazione prodotta annulli la c.d.t. relativa al carico nominale, o risulti rispettivamente inferiore o superiore (in quest'ultimo caso a pieno carico si ha una sopraelevazione di tensione che consente di compensare anche le c.d.t. in linea).

L'eccitazione composta con campo serie discorde, che produce elevate c.d.t. al crescere della corrente erogata, trova impiego solamente in applicazioni speciali

 

 

2.3  Espressione della f.e.m. generata a vuoto dalla dinamo.

Dalla legge dell’induzione elettromagnetica si può dedurre che la forza elettromotrice generata dipende dal flusso Φ prodotto dai poli induttori, dal numero N dei conduttori utili dell’indotto e dalla velocità angolare Ω dello stesso indotto, secondo l’espressione

E = k Φ N Ω

in cui la costante ‘k’è legata, in base alla seguente relazione, al numero di coppie di vie interne "a" e al numero di coppie di poli "p", per cui l’espressione generale della f.e.m. generata si scrive:

La f.e.m. generata a vuoto è quindi legata al flusso induttore e alla velocità di rotazione.

Il flusso si può modificare mediante la variazione della corrente di eccitazione, a parità di velocità di rotazione dell’indotto.