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 M o d u l o  7

La macchina sincrona

L'ALTERNATORE

Il rotore della macchina sincrona, generatrice o motrice, possiede una velocità che si mantiene rigorosamente legata alla frequenza attraverso la nota relazione

in cui p è il numero di coppie polari dell’induttore.

A differenza della macchina asincrona, il campo induttore e quello indotto ruotano sempre in sincronismo fra loro, quindi senza scorrimento alcuno.

Il principio di funzionamento dell’alternatore, la macchina generatrice, è quello noto di fig. 1-§1-Dinamo.

Una spira, portata in rotazione a velocità angolare costante, taglia il campo magnetico induttore e ai suoi capi è disponibile una f.e.m. alternata, che viene prelevata fra due anelli saldati agli estremi della spira rotante. Con due spazzole striscianti si può alimentare in c.a. un utilizzatore di impedenza nota.

Ai fini della produzione di f.e.m. si potrebbe anche pensare di tenere fissa la spira collocandola sullo statore e creare invece un campo magnetico rotante mediante una coppia di poli. E’ questa la disposizione adottata per i grossi alternatori trifase che producono l’energia elettrica nelle centrali.

Si colloca infatti sullo statore un avvolgimento trifase, dello stesso tipo già adottato per lo statore della macchina asincrona. Si fa ruotare a velocità costante il sistema induttore (tanti poli quanti sono quelli per cui è stato costruito l’avvolgimento di statore).

Sagomando opportunamente il profilo delle espansioni polari, in modo che il campo induttore abbia una distribuzione sinusoidale nel traferro, si è in grado di generare nei conduttori dell’indotto tre f.e.m. sinusoidali, disponibili sulla parte fissa della macchina.

In alcuni alternatori l’eccitazione è ancora prodotta da una dinamo eccitatrice coassiale, il cui flusso viene variato attraverso il reostato di campo della stessa dinamo, avente a sua volta l’eccitazione in derivazione.

Attualmente un piccolo alternatore coassiale e un convertitore-raddrizzatore provvedono alla sorgente continua di eccitazione, senza dover ricorrere al sistema delle spazzole e degli anelli.

La struttura magnetica del circuito di eccitazione, non sottoposta a variazioni di flusso, in genere non viene laminata, fatta eccezione per il profilo polare (e a volte l’intero polo), sottoposto a variazioni di flusso dovute ai percorsi a riluttanza diversa causati dalle cave di statore.

Nei turboalternatori i poli sono lisci e in genere p=1; nelle macchine che devono ruotare a velocità ridotte vi sono più coppie di poli, di tipo sporgente. Le velocità ridotte creano minori sollecitazioni meccaniche conseguenti alla forza centrifuga.

Ad esempio una macchina che debba fornire la frequenza di 50 Hz e che ruoti a 500giri/min deve avere 12 poli.

Lo statore delle macchine sincrone è laminato, perché interessato dal campo magnetico rotante.

La carcassa esterna, che costituisce la struttura portante, è generalmente in acciaio fuso o in lamiere saldate.

Si consideri una ipotetica cava "m" (fig.1), posta nella mezzeria tra un polo e il polo opposto, spazio che in genere viene indicato con τ, ed è denominato passo polare.

Nella cava "m" vi siano N conduttori fra loro in serie. Gli N conduttori della cava, dopo mezzo giro della ruota polare in cui si sostituisce il polo Sud al polo Nord, sono investiti dalla variazione completa del flusso polare Φ. Il passo polare viene descritto quindi nel semiperiodo T/2.

Pertanto, se il profilo polare consente la produzione di un andamento sinusoidale della f.e.m., che assume valore iniziale nullo (quello della figura) e massimo positivo quando il Nord è di fronte alla cava "m", il valore medio della f.e.m. indotta negli N conduttori dal flusso costante Φ risulta dalle relazioni seguenti:

Ricordando la definizione del fattore di forma come rapporto fra valore efficace e valore medio (che, in particolare per grandezze sinusoidali, vale 1,11):

può dedursi il valore efficace di una fase della f.e.m. indotta

E = 2 · K_f · Φ · N · f        (1)

Occorre però osservare, a questo punto, che gli N conduttori di una fase non sono collocati tutti nella stessa cava, ma sono distribuiti in più cave, distanziate angolarmente di un angolo α . La f.e.m. risulterà dunque dalla somma non numerica, bensì vettoriale delle f.e.m. agenti in ogni cava. Di ciò tiene conto il fattore di avvolgimento, deducibile trigonometricamente conoscendo il numero di cave per ogni polo e per ogni fase, e quindi l’angolo fra due cave contigue, che rappresenta lo sfasamento elettrico fra i corrispondenti vettori.

Poiché i vettori in questione non sono in fase, il fattore d’avvolgimento è inferiore all’unità.

Indicando con K il fattore di Kapp come prodotto

K = 2 · K_f · K_avv

la (1) diventa

E = K · Φ · N · f            (2)

Questa è anche l’espressione riferita ad una fase dell’avvolgimento induttore della macchina asincrona (rel. 1 del §7 del modulo corrispondente).

Ad ogni giro completo della ruota polare corrispondono tanti periodi della f.e.m. generata quante sono le coppie di poli. Nel caso della fig.1, con una sola coppia di poli, in un giro si ha un periodo della f.e.m.; se la ruota polare avesse due coppie di poli (p=2), ad ogni giro completo si avrebbero due periodi e così via.

Il numero di periodi generati in un secondo (frequenza) alla velocità n" della ruota polare sarà dunque

f = p · n" = p · n / 60

con n" pari al numero di giri al secondo e n numero di giri al minuto primo.

Il legame fra la velocità angolare della ruota polare Ω e la pulsazione ω del vettore elettrico (la velocità angolare a cui ruota il vettore per dare origine alla sinusoide associata) è il seguente:

L’alternatore schematizzato in fig.1 ha una coppia di poli e tre avvolgimenti indotti identici, ma spostati fra loro di 120° meccanici, ai cui estremi è disponibile una terna simmetrica di f.e.m. alternate sinusoidali, con vettori a 120° elettrici.

Si ricorda che l’angolo meccanico coincide con quello elettrico quando, come in fig.1, vi è una sola coppia di poli. Altrimenti l’angolo meccanico, tra il principio di una fase e quello della fase ciclica successiva, è legato a quello elettrico dalla relazione

α_mecc = α_elettr/p = 120 / p