alternatóre
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Definizione
sm. [sec. XIX; da alternare]. Macchina elettrica rotante che trasforma energia meccanica in energia elettrica a corrente alternata, monofase o polifase (generalmente trifase). L'energia meccanica è fornita da motori primi: turbine idrauliche, a vapore o a gas, motori a carburazione o Diesel. L'importanza dell'alternatore negli impianti elettrici è legata alla convenienza di produrre energia elettrica a corrente alternata piuttosto che a corrente continua, perché in tal modo, grazie ai trasformatori, è possibile trasportarla a grande distanza con ottimi rendimenti. Gli alternatori sono sempre costituiti da due parti fondamentali, una fissa e l'altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Dal punto di vista del funzionamento elettrico i due avvolgimenti si dicono induttore e indotto; a seconda del tipo di alternatore l'induttore può essere disposto sul rotore e l'indotto sullo statore o viceversa. Gli alternatori di impiego comune sono gli alternatori sincroni; esistono inoltre generatori di tipo diverso, come gli alternatori a magnete permanente, a ferro rotante e i generatori asincroni, detti talvolta alternatori asincroni.
Alternatori sincroni
Sono macchine reversibili, ossia possono funzionare anche come motori. In base alla legge dell'induzione elettromagnetica, facendo ruotare le spire costituenti gli avvolgimenti indotti dell'alternatore in un campo magnetico induttore, costituito da un certo numero (p) di coppie polari nord-sud, si inducono in esse forze elettromotrici (f.e.m.) alternate sinusoidali di frequenza (f) proporzionale alla velocità di rotazione (n in giri al minuto primo) e al numero delle coppie polari secondo l'equazione:
Da questa relazione si desume che se l'alternatore ha due poli, è necessario che esso ruoti a 3000 giri al minuto primo per generare una f.e.m. indotta alla frequenza industriale europea di 50 Hz (infatti
, oppure a 1500 giri se la macchina è a quattro poli (2 coppie di poli) e così via. Per ragioni di semplicità costruttiva si preferisce generalmente disporre sullo statore l'avvolgimento indotto e sul rotore l'induttore. Quest'ultimo è realizzato con elettromagneti eccitati in corrente continua (poli) allo scopo di disporre di campi di elevata intensità e nello stesso tempo regolabili. In relazione alle forme costruttive del rotore si hanno due tipi di alternatore sincrono: a poli salienti e a poli lisci. Gli alternatori con rotore a poli lisci, detti turboalternatori, sono azionati da motori primi ad alta velocità (per esempio turbine a vapore) e hanno generalmente due o quattro poli. I rotori a poli salienti vengono impiegati su macchine a velocità di rotazione non molto elevata, per evitare le forti sollecitazioni centrifughe a cui sarebbero soggetti, e possono avere anche diverse decine di poli. I rotori a poli salienti, che possono avere asse verticale od orizzontale, sono costituiti da un mozzo (lanterna) sul quale sono montati i poli, formati essenzialmente da un nucleo di ferro o di acciaio, di sezione rettangolare o ellittica che porta le bobine costituenti l'avvolgimento induttore. I rotori a poli lisci, sempre ad asse orizzontale, constano di un lungo cilindro di acciaio, ricavato da masselli pieni forgiati, sul quale sono praticate delle scanalature parallele all'asse del rotore in cui sono posti gli avvolgimenti induttori. La corrente (corrente di eccitazione) necessaria per creare il campo magnetico è fornita all'avvolgimento induttore da una sorgente ausiliaria di tensione continua che può essere una dinamo eccitatrice coassiale all'alternatore o, più modernamente, un sistema di raddrizzatori statici che convertono in tensione continua la tensione alternata prodotta dall'alternatore stesso. In ogni caso la corrente di eccitazione è addotta all'avvolgimento induttore tramite due anelli montati sul rotore ai quali fanno capo gli estremi dell'avvolgimento; su di essi appoggiano delle spazzole collegate alla sorgente di tensione continua. Gli avvolgimenti indotti sono collocati in apposite cave ricavate nella parte interna di un nucleo a forma di cilindro cavo, realizzato con lamierini magnetici isolati. Il raffreddamento può essere effettuato per autoventilazione o con ventilazione forzata (per macchine di piccola e media potenza), oppure, per potenze maggiori, in circuito chiuso in cui il fluido refrigerante (generalmente idrogeno) viene spinto all'esterno o all'interno dei conduttori. Nei moderni alternatori di grande potenza (fino a 1400 MVA) il raffreddamento, sia dello statore sia del rotore, viene realizzato integralmente ad acqua, adottando particolari accorgimenti che consentono il passaggio dell'acqua di raffreddamento attraverso il rotore in rotazione; si ottengono così riduzioni del volume e del costo della macchina anche superiori al 20%. Gruppi di alternatore-raddrizzatore trascinati da un motore primo termico o di altro tipo vengono oggi usati sempre più di frequente al posto di dinamo per ottenere corrente continua. I gruppi Diesel-elettrici per locomotive, per impianti navali, per usi diversi (per esempio gruppi elettrogeni) anche per potenze rilevanti e per tensioni in uscita fino a 3000 V sono spesso realizzati con un alternatore-raddrizzatore al silicio e un sistema regolatore dell'eccitazione dell'alternatore. Alternatori speciali, a frequenze elevate, di costruzione leggerissima e tecnologicamente molto sofisticata hanno totalmente soppiantato le dinamo negli impianti elettrici di bordo degli aerei (vedi brushless). Negli autoveicoli pesanti, per la carica della batteria e per i servizi di bordo (fari, luci interne, ecc.), è normale l'installazione di alternatori a magnete permanente, che portano incorporati un raddrizzatore e un regolatore. Sono dette alternatori-motori le macchine sincrone, di solito ad asse verticale che vengono installate nelle centrali idroelettriche ad accumulo e funzionano come alternatori nei periodi di maggiore richiesta di energia, mentre nei periodi di minor consumo (per esempio nelle ore notturne) funzionano come motori, accoppiati a pompe (vedi centrale).
Altri tipi di alternatore
Alternatori a magnete permanente. Sostanzialmente simili ai precedenti, utilizzano magneti permanenti in sostituzione dei poli di eccitazione. La costruzione risulta semplificata in quanto non necessita di avvolgimento induttore e di dinamo eccitatrice. Usati per lungo tempo per impianti mobili di piccola potenza (aeronautica, alimentazione di ricetrasmittenti, di radar, di fanali di bicicletta, ecc.), sono attualmente in grado di raggiungere potenze di 50÷100 kVA. § Alternatori a ferro rotante. In questo tipo di alternatori gli avvolgimenti indotti e induttori sono fissi, montati sullo statore; la variazione di flusso, e conseguentemente la produzione di f.e.m. indotte, si ottiene col movimento del rotore, costituito da un cilindro di ferro lamellato sulla cui periferia sono ricavati dei denti che assolvono alla stessa funzione dei poli degli alternatori sincroni. Sono usati per generare correnti alternate a media e alta frequenza per l'alimentazione di forni e saldatrici (1000-10.000 Hz). § Alternatori asincroni. Sono costituiti da motori asincroni fatti ruotare da motori primi a velocità leggermente superiore a quella di sincronismo. La produzione di energia elettrica è condizionata all'allacciamento a una rete esterna che fornisce la corrente magnetizzante per la creazione del campo magnetico induttore. In queste condizioni le macchine assorbono energia meccanica e la trasformano in energia elettrica che mandano alla rete. Sono usati per realizzare centraline (spesso idroelettriche) atte a sopperire alla scarsità della potenza disponibile sulla rete, la cui entità è comunque tale da non giustificare l'onere di un complesso e costoso impianto idro- o termoelettrico. Sono inoltre in sperimentazione prototipi di alternatori superconduttori. Si tratta di macchine caratterizzate da rendimenti elevatissimi (fino al 99,5% contro il 98,5 massimo degli alternatori più avanzati), ingombro e peso ridotti, campi magnetici molto intensi, limiti di potenza elevati (fino a 2000 MVA). Le principali difficoltà riguardano l'avvolgimento superconduttore che deve essere mantenuto con elio liquido a una temperatura di 4,2 K, e gli schemi magnetici ed elettromagnetici per contenere il campo e per ridurre le sollecitazioni sui materiali superconduttori.
Impiego degli alternatori nei trasporti
Nei trasporti è ormai generalizzato l'uso di alternatori, al posto della dinamo, anche sulle autovetture di piccola cilindrata. Gli equipaggiamenti elettrici del veicolo, ma soprattutto le difficoltà del traffico comportano, infatti, un funzionamento al minimo del motore e si richiede un'erogazione di corrente costante per tempi lunghi e discontinui. La dinamo, per queste esigenze, ha il difetto di erogare corrente in misura proporzionale al numero di giri del motore, ne consegue che, durante il funzionamento al minimo di quest'ultimo, fornisce meno corrente di un alternatore che eroga potenza costante sin dall'avviamento del motore; ciò rappresenta anche un vantaggio per la durata della batteria non più sollecitata a fornire energia quando il numero di giri del motore è troppo basso. Con l'alternatore, inoltre, si realizza una notevole riduzione di peso rispetto alla dinamo, l'eliminazione del limitatore di corrente e la possibilità di far raggiungere elevati regimi di rotazione all'albero motore; di contro, la corrente generata dall'alternatore, che è una corrente alternata, deve essere raddrizzata con diodi, mentre la batteria fornisce direttamente corrente continua.
Bibliografia
G. Giuliani, Teoria elementare delle macchine elettriche, Torino, 1964; A. E. Fitzgerald, C. Kinsley jr., Macchine elettriche, Milano, 1987.