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 M o d u l o  6

La macchina a corrente continua

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3.1   La reazione d'indotto

Nel funzionamento a vuoto della macchina, ovvero ad una certa velocità di rotazione ma senza collegare alcun carico alle spazzole, nei conduttori di armatura vi è solo la presenza di f.e.m. detta E_o, ma non vi è passaggio di corrente. In fig.1, pertanto, i punti e le crocette stanno ad indicare i versi della E_o a vuoto e le linee del campo induttore sono ritenute orizzontali, a formare un campo magnetico pressoché uniforme, dove l’asse neutro è perpendicolare alle suddette linee.

Quando viene derivato un carico alle spazzole, il circuito interno della macchina e la f.e.m. risultante alla spazzole impongono il passaggio della corrente: si produce così nel circuito magnetico d’indotto un campo magnetico trasverso rispetto a quello induttore (l’azione risultante dai singoli conduttori, ognuno percorso da corrente come in fig.2).

Il campo indotto, quello di fig.2, crea sostanzialmente un campo supplementare, perpendicolare a quello di eccitazione, con le polarità N’ e S’ indotte segnate in figura.

Il sovrapporsi di questi due campi dà luogo al fenomeno di reazione d’indotto, che consiste nella formazione di un campo magnetico risultante che, come si intravede in fig.3, è distorto nel senso della rotazione:

q si evidenzia un rinforzo delle linee del campo risultante nelle espansioni polari che i conduttori stanno abbandonando,

q si evidenzia un indebolimento sotto ai corni polari di entrata.

A causa della saturazione magnetica prevale però l’indebolimento rispetto all’addensamento delle linee, per cui il flusso risultante a carico risulta diminuito, rispetto a quello esistente a vuoto.

Anche la f.e.m. generata a carico sarà di conseguenza ridotta: si considera in effetti una caduta di tensione interna che tenga conto del fenomeno di reazione d’indotto (c.d.t. per reazione d’indotto).

Figura 3) Distorsione del flusso risultante nel senso della rotazione, con addensamento sotto ai corni polari d'uscita e rarefazione delle linee di flusso sotto ai corni polari d'entrata.

In fig.3 si nota anche la rotazione dell’asse neutro, che per definizione è l’asse perpendicolare al campo risultante: in corrispondenza del passaggio dei conduttori su quest’asse non dovrebbe verificarsi taglio di flusso!

Ritornando all’azione delle polarità indotte dal passaggio della corrente nei conduttori d’armatura, la rotazione viene ostacolata dall’azione repulsiva fra le coppie N-N’ e S-S’. Ciò come conseguenza della reazione d’indotto, ma coerente col principio di conservazione dell’energia.

Più alta è la corrente che produce la macchina generatrice (e quindi maggiore è la potenza elettrica prodotta), maggiori sono lo sforzo e quindi la potenza meccanica richiesta al motore primo per mantenere la velocità costante. Per produrre una maggiore energia elettrica, come ci si aspetta, occorre una maggiore potenza meccanica sull’albero.

A vuoto, naturalmente, la potenza richiesta al motore primo deve solo vincere le perdite meccaniche e manca il disturbo inevitabile prodotto dalla reazione d’indotto.

Nella fig.3 sono rappresentate le forze attrattive e repulsive fra poli induttori e polarità indotte dal passaggio della corrente nei conduttori.

Le forze risultanti F creano la coppia frenante, che deve essere uguagliata, all’equilibrio, dalla coppia motrice prodotta meccanicamente dal motore di trascinamento.

Concludendo, deve valere il seguente bilancio fra potenze (elettrica e meccanica), da cui, ricordando la rel.1 del §2, si ricava l’espressione della coppia resistente esercitata dalla dinamo:

- RIASSUMENDO -

La reazione d'indotto è l'insieme dei fenomeni elettromagnetici dovuti al passaggio della corrente negli avvolgimenti indotti delle macchine. La reazione d’indotto dà luogo a un effetto torcente, che provoca irregolarità nella commutazione ed effetti smagnetizzanti che si traducono in cadute interne di tensione.

Campo trasversale: quando si chiude il circuito esterno di una dinamo circola nell'indotto una corrente che origina un campo magnetico trasversale, di direzione perpendicolare al campo induttore del funzionamento a vuoto.

Effetto torcente: il campo trasverso tende a rinforzare il campo induttore nei corni polari di uscita e tende a indebolirlo nei corni polari d’entrata; il campo risultante appare così distorto nel senso del movimento e il piano d’inversione delle f.e.m. risulta spostato anch'esso nel senso del movimento.

Effetto smagnetizzante: se si è prossimi alla saturazione magnetica, il rinforzo del campo sotto i corni polari d'uscita non compensa l’indebolimento del campo sotto i corni polari d'entrata.

Irregolarità delle f.e.m.: per il motivo precedente si ha un'esaltazione della f.e.m. nei conduttori che si trovano a passare sotto al corno polare d'uscita, con pericolo di scarica fra le corrispondenti lamelle del collettore, specie in occasione di bruschi sovraccarichi.

Effetto smagnetizzante conseguente allo spostamento delle spazzole: se si spostano le spazzole nel senso del moto (come si faceva in passato) si ottiene un ulteriore effetto smagnetizzante; cambia infatti la ripartizione della corrente nell’indotto e, mentre alcuni gruppi di spire generano ancora il campo trasverso, altri gruppi producono un campo opposto a quello induttore principale. Le cause precedenti generano una diminuzione del flusso totale e quindi della f.e.m. totale (c.d.t. per reazione d'indotto o di armatura). Per riportare la f.e.m. al valore primitivo si deve aumentare convenientemente la corrente di eccitazione.

 

 

3.2  La commutazione

E' l’insieme dei fenomeni che si manifestano durante l’inversione della corrente in una sezione dell’indotto, nel passaggio delle corrispondenti lamelle del collettore sotto una spazzola (fig.4).

Per la continuità del circuito, per un istante la spazzola resta in contatto con almeno due lamelle, cosicché una o più sezioni sono chiuse in corto circuito (in fig.4 la spazzola poggia sulle lamelle 1 e 2 e la spira rossa è corto circuitata).

Possono manifestarsi degli scintillii nell'istante in cui la lamella abbandona la spazzola. Infatti la sezione in corto circuito possiede una induttanza per cui, al variare della corrente, diventa sede di una f.e.m. di auto induzione che contrasta la regolare variazione della corrente. A causa inoltre della distorsione del flusso conseguente alla reazione d'indotto, la commutazione non avviene nel piano neutro, ma in presenza ancora di flusso: nelle spire in commutazione si genera pertanto una f.e.m. per la rotazione dell’indotto. Come conseguenza si produce una forte scintilla nell'istante in cui la lamella del collettore abbandona il bordo della spazzola e si ha un forte riscaldamento.

La fig.4 evidenzia i successivi istanti di commutazione, quando la spazzola passa dalla lamella 1 alla lamella 2. La spira in cui avviene l’inversione è quella colorata in rosso. In figura le correnti hanno i valori riferiti a una commutazione lineare, ma a causa dell’induttanza delle spire i ritardi d’inversione portano a scintillii inevitabili.

L’unico modo per migliorare notevolmente la commutazione è quello di riportare il campo magnetico risultante all’andamento regolare del campo a vuoto, eliminando le distorsioni di flusso esaminate.

a) formare le sezioni col minimo numero possibile di spire, in modo da ridurne l'induttanza;

b) adottare cave aperte in modo da aumentare la riluttanza del circuito magnetico che circonda la sezione dell’avvolgimento.

-Spostamento del piano di commutazione (sistema non più usato): si spostavano le spazzole nel senso del moto di un angolo di poco superiore allo spostamento del piano neutro al variare del carico (angolo di calaggio). In questo modo veniva a prodursi una piccola f.e.m., contraria a quella indotta che complicava la commutazione. Poiché la reazione d'indotto è dovuta alla corrente di carico, ad ogni sua variazione occorrerebbe spostare le spazzole (ottenendo anche un conseguente effetto smagnetizzante).

I poli ausiliari (o poli di commutazione, ìnterpoli o polini) sono poli supplementari destinati a migliorare la commutazione ed evitano lo spostamento del piano delle spazzole al variare del carico.

Sono eccitati dalla corrente di carico e devono avere lo stesso nome del polo verso cui stanno per entrare i conduttori d'armatura.

Servono a ricondurre il piano neutro nella posizione di funzionamento a vuoto e inoltre creano un piccolo flusso sufficiente a generare una f.e.m. che compensa quella che ostacola la commutazione. Vengono collocati in corrispondenza delle polarità create dal campo magnetico trasverso N’ e S’ di fig.3 e, per annullarne gli effetti, devono quindi avere le stesse polarità.

Nella fotografia della macchina, all’inizio del §1, si vede la collocazione dei poli ausiliari, sistemati a metà strada rispetto ai poli principali.

Gli avvolgimenti compensatori, percorsi dalla stessa corrente del carico, sono situati in cave poste sulle espansioni polari dell’induttore e lì contribuiscono ad eliminare gli effetti della distorsione di flusso.

Vengono di solito costruiti solo per macchine di grande potenza o quando sono previste gravose esigenze di servizio.

Si sottolinea che gli avvolgimenti dei poli ausiliari e quelli compensatori sono percorsi dalla corrente del carico: ciò comporta un adeguamento automatico agli effetti dovuti ai campi di disturbo, tanto più intensi quanto maggiore è la corrente del carico e quindi quella d’indotto.

Una attenta scelta degli accorgimenti descritti può portare anche alla commutazione praticamente priva di scintillio sul collettore, ma i costi di realizzazione e di manutenzione sono molto elevati.

Figura 4) L'inversione della corrente nella spira in commutazione durante la rotazione del collettore. Nella commutazione lineare, dalla spazzola esce sempre la corrente I/2 + I/2 = I . La spira in commutazione è quella saldata alle lamelle 1-2.