Generalità

Il funzionamento di tutte le macchine elettriche si basa sul principio dell’induzione elettromagnetica, cioè sulla generazione di forza elettromotrice (f.e.m.) ad opera di un flusso concatenato variabile nel tempo.

Occorre distinguere se i flussi concatenati variano perché è l’induzione magnetica a variare di intensità nel tempo, oppure perché sono i circuiti elettrici o i flussi magnetici a variare la loro posizione nel tempo.

Nel primo caso la macchina è completamente statica, nel secondo la macchina deve avere una parete mobile, di solito rotante. Le macchine elettriche si dividono, quindi, in due grandi categorie: statiche e rotanti.

Sono macchine elettriche statiche i trasformatori, sono rotanti, invece, le dinamo, gli alternatori ed i vari tipi di motori.

Si è detto precedentemente del principio di funzionamento delle macchine elettriche. Si comprende, pertanto, come in esse debbano esistere parti destinate alla generazione di flussi magnetici ed altre parti idonee ad utilizzare detti flussi. Per la generazione dei flussi magnetici occorrono particolari avvolgimenti interessanti determinati circuiti ferromagnetici, ma anche per l’utilizzazione dei flussi si fa uso di avvolgimenti che interessano gli stessi circuiti magnetici. Deriva da ciò che una qualsiasi macchina elettrica è costituita da uno o più circuiti magnetici concatenati con due o più circuiti elettrici. Dalla disposizione reciproca di detti circuiti, nonché dalla loro realizzazione pratica, dipendono le caratteristiche della macchina elettrica.

La funzione delle macchine elettriche è quella di permettere la trasformazione di energia. Tale operazione avviene sempre con una perdita che si evidenzia con produzione di calore e conseguente riscaldamento della macchina stessa. E’ necessario, quindi, porre particolare attenzione al loro rendimento elettrico, nonché al problema del raffreddamento.

Diamo di seguito cenno alla costituzione e funzionamento di alcune macchine elettriche di uso più comune, senza soffermarci sul loro studio matematico.

Trasformatori

I trasformatori sono macchine elettriche statiche, cioè non hanno parti in movimento, funzionanti a corrente alternata. Essi permettono di trasformare le due grandezze che definiscono la potenza elettrica apparente , consentendo un trasferimento di potenza fra due o più circuiti, pur essendo essi isolati fra loro. Un trasformatore è costituito da un nucleo magnetico, che realizza uno o più circuiti magnetici e da due o più avvolgimenti, fig. 1.7. Come può notarsi, ad un trasformatore fanno capo, nel caso più semplice, due circuiti elettrici: quello di entrata o primario e quello di uscita o secondario. Da notare che i due avvolgimenti sono reversibili, cioè ognuno di essi può avere indifferentemente funzioni da primario o secondario. Il nucleo magnetico, sia a colonne , fig. 1.7 (a), che corazzato, fig. 1.7 (b), è realizzato sovrapponendo un certo numero di lamierini, con spessori di , di ferro-silicio ed isolati tra loro con carta, vernice o ossido. L’isolamento delle lamelle serve a suddividere il nucleo in tanti percorsi di piccolo spessore, al fine di diminuire le perdite per correnti parassite che ne determinano il riscaldamento. Dal punto di vista del raffreddamento i trasformatori possono essere in aria o olio. Nei primi lo smaltimento del calore avviene per effetto dell’aria che lambisce sia il nucleo che gli avvolgimenti. Nel secondo caso il trasformatore risulta completamente immerso in un cassone pieno di olio isolante con funzione di fluido refrigerante.

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Fig. 1.7 Trasformatore a colonna (a), corazzato (b)

Per comprendere il funzionamento elettrico di un trasformatore notiamo che, indicando con il pedice le grandezze relative al circuito primario e con quelle del secondario, sussiste la relazione:

1.7 

Come può notarsi, variando il numero di spire del primario , rispetto al secondario , il cui rapporto definisce il rapporto di trasmissione, è possibile variare il rapporto tra le tensioni e quindi delle correnti. Per concludere queste brevi note sui trasformatori, è opportuno osservare che essi possono essere: monofase, trifase o speciali. A quest’ultima categoria appartengono gli autotrasformatori, i trasformatori a corrente continua e quelli di misura.

L’autotrasformatore è caratterizzato da un circuito, primario o secondario, costituito da una parte dell’altro. Più precisamente si può dire che l’avvolgimento di tensione minore è costituito da una parte delle spire dell’avvolgimento di tensione più elevata.

Il trasformatore a corrente costante è quel trasformatore che alimentato al primario con tensione costante, riesce a mantenere costante la corrente al secondario, per qualsiasi condizione di carico.

I trasformatori di misura sono quelli adoperati nelle misure elettriche. Essi sono dei trasformatori riduttori che isolando elettricamente lo strumento dal circuito, consentono all’addetto alla misura di operare in maggiore sicurezza, soprattutto quando si opera con tensioni particolarmente elevate e, quindi, pericolose. Ne esistono di due tipi: di tensione (TV) o di corrente (TA). Per entrambi le norme CEI hanno fissato la potenza apparente che possono fornire al circuito secondario.

Macchine sincrone

Le macchine sincrone appartengono alla categoria delle macchine elettriche rotanti; sono dette sincrone perché la loro velocità di rotazione dipende rigidamente dalla frequenza della corrente alternata. Le macchine sincrone, così come tutte le altre, sono costituite da un circuito magnetico il cui flusso si concatena con due circuiti elettrici distinti. Uno di questi genera il flusso (induttore) mentre l’altro (indotto) utilizza il fenomeno dell’induzione elettromagnetica prodotta dal primo. L’impiego più diffuso e comune della macchina sincrona è quello di generatore di energia elettrica, cioè di alternatore. In casi particolari però, essendo reversibile, risulta impiegata anche come motore sincrono.

La struttura più comune di una macchina sincrona è quella della fig. 2.7.

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    Fig. 2.7 Struttura di una macchina sincrona

La parte rotante, chiamata rotore o ruota polare è quella interna ed ha un certo numero di poli necessari per generare il flusso che risulta quindi, rotante ed a cui spetta il compito dell’induzione magnetica. Per tale motivo la parte rotante prende anche il nome di induttore. La parte fissa, denominata statore, è invece quella esterna. È costituita da un pacco di lamierini in ferro-silicio a forma di corona circolare nella cui parte interna sono ricavate delle cave per alloggiare i conduttori del circuito statorico, che subisce l’induzione elettromagnetica e viene denominato indotto. Lo statore, a sua volta, è racchiuso in una carcassa che ha funzione esclusivamente meccanica.

La corrente che alimenta il circuito di eccitazione è continua e viene fornita da una dinamo o da un gruppo separato. Dai circuiti dell’indotto viene prelevata la trifase. La macchina sincrona funziona da generatore, cioè da alternatore, quando l’induttore è mantenuto in rotazione da un dispositivo motore che può essere costituito da una turbina ad acqua o vapore. La indotta nei circuiti statorici, ha la caratteristica che la sua frequenza risulta rigorosamente proporzionale alla velocità di rotazione della macchina, e questa proprietà vale qualunque sia la condizione di carico.

L’espressione della frequenza è la seguente:

2.7  

dove p è il numero di espansioni polari ed il numero di giri al minuto del rotore. Dalla relazione 2.7 può essere ricavato un numero di giri particolare:

3.7  

che prende il nome di velocità di sincronismo. Tenendo, inoltre conto che la frequenza è fissata in su tutto il territorio nazionale italiano, il prodotto deve essere costante e pari a:

4.7  

Per concludere con le macchine sincrone, diciamo che esse sono perfettamente reversibili, cioè se collegate alla rete è possibile avere la disponibilità di una coppia meccanica al rotore. In tali condizioni la macchina sincrona funziona da motore sincrono. La proprietà fondamentale dei motori sincroni, è quella di ruotare a velocità assolutamente costante, cioè a quella di sincronismo . I motori sincroni trovano applicazione nella conversione da corrente alternata in continua.

Macchine asincrone

Le macchine asincrone sono macchine rotanti la cui velocità non è rigorosamente legata a quella del campo magnetico rotante. E’ per questo che la macchina viene detta asincrona, cioè non sincrona. L’impiego principale di questa macchina, che può essere anch’essa reversibile, è quello come motore. La costituzione fisica delle macchine asincrone è simile a quella delle macchine sincrone, cioè sono costituite da una parte fissa, statore, ed una mobile, rotore. Lo statore è formato da lamierini di ferro-silicio a forma di corona circolare recante i circuiti statorici. La parte mobile può essere costituita anch’essa da un pacco di lamierini, portanti alla periferia i circuiti rotorici (tipo avvolto), oppure a gabbia di scoiattolo (tipo in corto circuito) che è il più diffuso.

Il funzionamento della macchina asincrona, o motore asincrono, si basa sul principio che il campo rotante, generato dalla terna di correnti statoriche determina, per induzione, una coppia motrice sulla parte mobile. Mentre la velocità del campo magnetico è costante, perché dipende dalla frequenza della corrente di alimentazione, la velocità del rotore dipende dalla coppia resistente, o frenante, applicata, cioè dal carico. La rotazione della macchina è, dunque, asincrona rispetto al campo magnetico.

Macchine a corrente continua

Le macchine a corrente continua sono costituite, così come quelle viste finora, da una parte fissa, induttore, e da una parte mobile, indotto, fig. 3.7.

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Fig. 3.7 Struttura di una macchina a corrente continua

La macchina è sede di un flusso magnetico costante dovuto all’induttore. I circuiti di indotto vengono ad essere sede di indotte variabili nel tempo periodicamente, perché i conduttori sono dotati di moto rotatorio.

I circuiti dell’indotto sono collegati in modo opportuno ad uno speciale organo, il collettore, che serve a raddrizzare, cioè a rendere continue, le alternate che nascono nei conduttori stessi. La macchina a corrente continua può funzionare da generatore di corrente continua (dinamo), convertendo in elettrica l’energia meccanica fornita all’asse di rotazione. Essendo, però, il processo perfettamente reversibile, le macchine a corrente continua possono anche funzionare da motori se trasformano energia elettrica in meccanica.