Fondamenti delle Macchine Elettriche: Motori, Generatori e Loro Applicazioni

Principi di Base della Generazione di Energia Elettrica

Il principio di base della generazione di energia elettrica è il seguente: quando una linea di campo magnetico viene intersecata, si genera un movimento e si crea una corrente. Questa corrente viene generata quando le linee di campo alternano nella bobina.

Avendo due magneti, in modo che la spira sia al suo punto più alto, è necessario che il campo sia perpendicolare alla spira. Dopo aver acceso, la potenza diventa praticamente "0" quando è parallela al campo. Se si continua a girare, la corrente potrebbe invertirsi e diventare negativa. Infine, la corrente sarebbe al suo punto di massima potenza positiva e poi, girando completamente, al suo punto di massima corrente negativa, grazie al collettore.

Le sbarre di una dinamo partono con un solo anello, dove il collettore (o spazzola) assicura che la corrente sia sempre nella stessa direzione. Quando si aumenta il numero delle spire, la corrente diventa più uniforme e più simile a una corrente continua (riduzione del ripple di corrente).

Generazione di Corrente Alternata (CA)

Principio di Funzionamento in una Bobina Rotante

Quando si fa ruotare una spira rettangolare tra le masse polari di un elettromagnete, le parti dell'armatura (conduttori) tagliano il campo magnetico fisso, inducendo in esse una forza elettromotrice (f.e.m.) il cui valore e senso variano in ogni momento con la posizione. I terminali della bobina sono collegati ad anelli conduttivi, dove due spazzole raccolgono la corrente indotta e la forniscono al circuito esterno. Per determinare la direzione della corrente indotta si utilizza la regola delle tre dita della mano destra.

Motori a Corrente Continua (DC)

In un generatore di corrente continua si possono fare diverse configurazioni. I generatori possono avere 4 bobine sul rotore e due parti nello statore. Entrambi possono lavorare da soli, in serie, in parallelo o in configurazione composta, collegando metà di un avvolgimento e l'altra metà in serie o in parallelo.

Principio di Funzionamento del Motore a Corrente Continua

Un motore a corrente continua (DC) è sostanzialmente una dinamo che lavora in regime inverso. Cioè, applicando una tensione, si genera una corrente nell'armatura e una coppia elettromagnetica che fa ruotare l'asse del motore. Questa rotazione produce una forza elettromotrice (f.e.m.) controelettromotrice che si oppone alla tensione applicata.

La direzione della corrente nella bobina deve invertirsi ogni mezzo giro, attraversando la linea neutra. Questo è reso possibile modificando il contatto della spazzola con il collettore.

Tipi di Motori DC e Loro Caratteristiche

• Motori Brushless: Basati su motori a corrente continua a magneti permanenti.
• Motori Universali: Sono motori a corrente continua che possono funzionare anche con corrente alternata, utilizzati in lavatrici e simili.

La tensione indotta è proporzionale alla variazione del flusso magnetico. Nelle configurazioni in serie e parallelo, la variazione di velocità aumenta con l'aumento del flusso. Quando i motori sono separati, per aumentare la velocità il flusso aumenta con l'eccitazione. La velocità viene misurata in giri/min (N). L'eccitazione (Iex) è un'altra variabile che influenza il flusso.

Per cambiare la direzione dei poli, si modifica il senso di rotazione, cambiando i poli con due contattori o scambiando il rotore. Questo vale per le configurazioni in serie, parallelo o composta.

Principio di Funzionamento dei Motori a Corrente

Il principio di funzionamento si basa sulla relazione tra Forza (F), Campo magnetico (B) e Corrente (I). Se abbiamo un campo magnetico (B) e una corrente (I), si genera una forza (F). La coppia è l'equivalente della forza nel moto rotatorio.

La coppia è la forza che un motore è in grado di erogare. Un'auto genera una coppia, e questa coppia è proporzionale alla forza che essa produce. Ricordando la seconda legge di Newton, F = ma: se si ha più coppia, si avrà sempre più accelerazione, quindi una coppia elevata.

L'eccitazione del motore è la stessa dei generatori. È importante regolare sempre la velocità e non lasciarla incontrollata.

Configurazioni dei Motori DC

• Motore Shunt (o in derivazione): L'avvolgimento di eccitazione è posto in parallelo con l'indotto. Si inserisce un reostato in serie con il rotore (indotto) per variare la velocità di uscita.
  • Vantaggi: La velocità è costante. Aumenta la coppia.
• Motori Serie: La corrente indotta (Iindotta) è uguale alla corrente di eccitazione (Iex). La coppia dipende molto dalla velocità (N). Se N è piccolo (cioè N tende a 0), la coppia è molto grande. Erano molto utilizzati nelle gru.
  • Inconvenienti: Quando la coppia è bassa, la velocità può aumentare eccessivamente fino a danneggiare il motore.
  • Rapporto Velocità-Coppia: Maggiore è la coppia, minore è la velocità.
• Motori Compounded (o composti): Combinano le caratteristiche dei motori serie e shunt.

Macchine Sincrone

Nelle macchine sincrone, la velocità del rotore e dello statore è la stessa. I generatori sincroni operano sempre alla velocità di sincronizzazione con la rete a cui sono collegati.

Motori Sincroni

Funzionano alla velocità di sincronismo con la frequenza della rete (N = f * 60 / p, dove p è il numero di coppie polari). Sono molto utili nell'automazione perché mantengono una velocità costante.

Principio di Funzionamento delle Macchine Sincrone

L'eccitatore DC alimenta il rotore, generando un campo magnetico. Il rotore ruota alla velocità di sincronismo (N giri/min). Il campo magnetico del rotore ruota alla stessa velocità del campo magnetico rotante dello statore, alimentato da una corrente alternata (CA). I poli reali del rotore e i poli fittizi dello statore interagiscono, producendo una forza tangenziale e quindi una coppia nel senso di rotazione.

Macchine Asincrone

La differenza tra la velocità di sincronismo (Ns) e la velocità del rotore (Nr) è lo scorrimento (S = (Ns - Nr) / Ns). Questo fenomeno è tipico dei motori asincroni.

Quando si aumenta il carico su un motore asincrono, lo scorrimento aumenta e il consumo di potenza aumenta.

Reazione di Armatura

Nei motori a induzione, il flusso magnetico principale viene distorto a causa del flusso magnetico creato dalla corrente di armatura, che è perpendicolare al flusso magnetico generato dai poli induttori principali. Questo causa un fenomeno analogo a quello della dinamo, la reazione di armatura, con la particolarità che la linea neutra si sposta nel senso di rotazione.

Motori Monofase a Induzione

Il loro funzionamento è simile a quello dei motori asincroni trifase. All'interno di questo gruppo si distinguono i seguenti tipi:

• A fase ausiliaria (o split-phase).
• A condensatore.
• A spira in cortocircuito (o a poli spaccati).

Motori Monofase a Collettore

Simili ai motori a corrente continua per quanto riguarda il loro funzionamento. Esistono due tipi principali:

• Universali.
• A repulsione.

Applicazioni delle Macchine Asincrone

A differenza delle macchine sincrone, normalmente utilizzate come generatori, le macchine asincrone hanno trovato la loro applicazione principale come motori, grazie alla semplicità della loro costruzione. Il motore asincrono trifase è oggi il motore più comune in tutte le reti di distribuzione.

Classificazione delle Macchine Elettriche

• Motori a Corrente Continua (DC)
• Motori Universali (alimentati AC/DC)
• Motori Sincroni
  • A rotore avvolto
  • A isteresi
  • A riluttanza
• Motori Asincroni (a induzione)
  • Trifase
  • Monofase
    • Con avviamento a condensatore
    • A poli ausiliari
    • A spira in cortocircuito

Concetti Fondamentali

Coppia

Nei conduttori del rotore appaiono forze elettromagnetiche che producono una coppia. Questa coppia fa ruotare il rotore per spostare il carico meccanico.