Macchine a Corrente Continua: Funzionamento, Costruzione e Tipologie

Introduzione alle Macchine a Corrente Continua

La caratteristica modalità d'uso principale della macchina DC (corrente continua) è il suo utilizzo come motore. Il vantaggio principale dei motori in CC rispetto ai motori in AC (corrente alternata) è sempre stato il maggior grado di flessibilità nel controllo della velocità e della coppia. Tuttavia, va notato che, a causa dello spettacolare sviluppo dell'elettronica di potenza applicata a questi settori, l'uso dei motori DC è in declino a favore dei motori in AC, il cui costo di produzione e manutenzione è ridotto.

D'altro canto, l'uso della macchina DC come generatore (dinamo) è praticamente obsoleto, in quanto la corrente alternata presenta maggiori vantaggi per la produzione, il trasporto e la distribuzione di energia elettrica. Ciò è dovuto alla semplicità e all'economia derivanti dall'uso dei trasformatori per convertire le tensioni da un valore all'altro.

Aspetti Costruttivi

Una macchina DC comprende una parte fissa, lo statore, e una parte rotante, il rotore. Dispone di due avvolgimenti:

• L'induttore: responsabile della produzione del campo magnetico, formato da spire attorno ai poli salienti situati nello statore.
• L'indotto: situato nel rotore, dove si induce una forza elettromotrice (FEM) o contro-elettromotrice, a seconda che la macchina funzioni come generatore o motore.

Gli avvolgimenti delle macchine DC sono chiusi, il che indica che il conduttore è avvolto su se stesso senza inizio né fine. Gli avvolgimenti possono essere imbricati o ondulati, a seconda della disposizione delle parti trasversali della bobina viste dal lato del collettore. Le bobine di avvolgimento hanno le due facce attive che raggiungono poli di nomi diversi al fine di ottenere la massima FEM possibile.

Il collettore a lamelle è l'organo che caratterizza specificamente queste macchine ed è responsabile della conversione meccanica della corrente alternata indotta nelle bobine in corrente continua in uscita. Il fissaggio del gruppo è ottenuto grazie alla pressione di anelli conici alle estremità. Il prelievo o l'alimentazione tramite il collettore avviene attraverso spazzole di grafite, sebbene nei tipi moderni si utilizzino elettrografite e metallo.

Principio di Funzionamento

La macchina DC può funzionare sia come generatore che come motore. Per comprendere il principio di generazione della forza elettromotrice nel rotore, si consideri l'armatura ad anello. In questo avvolgimento, ruotando, la FEM viene indotta nei conduttori posti sulla parte esterna del nucleo che tagliano il flusso dello statore. Nei conduttori interni non si rileva alcuna FEM perché il flusso non attraversa i poli, essendo le linee di forza limitate al circuito a bassa riluttanza dell'anello.

Per utilizzare la forza elettromotrice indotta e portarla a un circuito esterno, devono essere collegate le spazzole di uscita A e B, situate lungo l'asse trasversale dei poli, in modo da prelevare la FEM massima. Queste spazzole dividono l'avvolgimento in due rami in parallelo; l'asse formato dall'allineamento delle spazzole è chiamato linea neutra. Questa linea è fondamentale perché indica la posizione in cui avviene l'inversione della FEM nelle bobine d'armatura nel passaggio da un ramo parallelo all'altro.

Formule della Forza Elettromotrice e della Coppia

La FEM risultante nell'armatura è uguale alla somma delle FEM delle diverse bobine che compongono ciascun ramo in parallelo. Se l'avvolgimento è costituito da Z conduttori divisi in 2c circuiti derivati, la FEM risultante è:

E = (n / 60) * Z * Φ * (P / C) = n * K_e * Φ

In ogni caso, sia come generatore che come motore, il passaggio di una corrente indotta nei conduttori del rotore causa una coppia elettromagnetica. Questa coppia è di carattere resistente nel generatore e motrice quando la macchina muove un carico meccanico. La coppia (T) dipende dal flusso per polo:

T = (1 / 2π) * (P / C) * Z * Φ * I_i = K_T * Φ * I_i

Potenza elettromagnetica: P_i = E * I_i = T * ω = T * (2π * n / 60)

Reazione d'Armatura

Quando una macchina DC funziona a vuoto, non c'è corrente nell'armatura e il flusso nel traferro è prodotto solo dalla forza magnetomotrice (MMF) dell'induttore. Quando si chiude il circuito d'armatura su un carico, appare una corrente nei conduttori del rotore che genera una propria MMF. Questa, combinata con quella dello statore, produce il flusso risultante nel traferro. Questo effetto è noto come reazione d'armatura.

Se le spazzole sono sulla linea neutra e la macchina non è satura, la magnetizzazione trasversale non cambia la FEM totale perché il flusso si conserva. Tuttavia, poiché la reazione è proporzionale al carico, lo spostamento del neutro richiederebbe una regolazione continua delle spazzole. Per evitare ciò, nelle macchine di media e alta potenza si utilizzano avvolgimenti di compensazione per neutralizzare l'effetto della reazione d'armatura.

Commutazione

La commutazione comprende i fenomeni legati alla variazione di corrente nelle bobine dell'armatura mentre si muovono nella zona in cui il circuito è chiuso dalle spazzole sul collettore. Una buona commutazione deve avvenire senza scintille. Una cattiva commutazione causa il deterioramento del collettore e compromette il funzionamento della macchina.

Il tempo in cui la corrente della bobina deve invertirsi è chiamato periodo di commutazione (T). Idealmente, l'inversione della corrente deve completarsi esattamente nel momento in cui la spazzola interrompe il contatto con la lamella precedente.

Generatori a Corrente Continua: Panoramica Generale

I generatori DC o dinamo convertono l'energia meccanica in ingresso in energia elettrica in uscita. Dal punto di vista elettrico, l'equazione del circuito è:

E = V + R_i * I_i + V_esc

Dove V_esc è la caduta di tensione sulle spazzole. A seconda del collegamento degli avvolgimenti, si distinguono in:

• Eccitazione separata: l'induttore è alimentato da una fonte esterna.
• Autoeccitati: la macchina stessa alimenta il proprio campo. Si dividono in:
  • Serie: induttore in serie con l'armatura (poche spire di filo spesso).
  • Shunt (Derivazione): induttore in parallelo con l'armatura (molte spire di filo sottile).
  • Compound (Composti): combinazione di eccitazione serie e shunt.

Caratteristiche di Servizio dei Generatori

1. Caratteristica a vuoto: E = f(I_e) con I = 0 e n costante.
2. Caratteristica a pieno carico: V = f(I_e) con I e n costanti.
3. Caratteristica esterna: V = f(I) con I_e e n costanti.
4. Caratteristica di regolazione: I_e = f(I) con V e n costanti.

Nel generatore serie, quando la macchina è a vuoto (I = 0), si ottiene solo una piccola FEM dovuta al magnetismo residuo. Nel generatore composto, le MMF degli avvolgimenti possono essere additive o sottrattive (differenziali), permettendo di mantenere la tensione costante o addirittura aumentarla con il carico (caratteristica ipercomposta).

Motori a Corrente Continua: Concetti Generali

Un motore DC converte l'energia elettrica in energia meccanica. In questo caso, la macchina produce una forza contro-elettromotrice (E) che si oppone alla tensione applicata (V):

V = E + R_i * I_i + V_esc

Prestazioni e Regolazione dei Motori DC

Esistono diverse tipologie: motori ad eccitazione separata, shunt, serie e composti. La regolazione della velocità (n) può essere effettuata in tre modi:

• Variando il flusso (I_e): se il flusso diminuisce, la velocità aumenta.
• Variando la tensione (V): se la tensione diminuisce, la velocità diminuisce.
• Inserendo una resistenza in serie: la velocità diminuisce.

n = (V - R_i * I_i) / (K_e * Φ)

Sistema di Controllo Ward-Leonard

Il sistema Ward-Leonard è utilizzato per un controllo preciso della velocità. Consiste in un motore asincrono trifase accoppiato meccanicamente a un generatore DC ad eccitazione separata. Questo generatore alimenta a sua volta un motore DC. Variando l'eccitazione del generatore, si può controllare la tensione d'armatura del motore e, di conseguenza, la sua velocità e direzione di marcia in modo fluido e indipendente.

Motori a Corrente Continua con Eccitazione Serie

In questi motori, il flusso dipende direttamente dalla corrente d'armatura (I = I_i). Se il circuito magnetico non è saturo, il flusso è proporzionale alla corrente (Φ = K * I_i). Di conseguenza:

• La coppia è proporzionale al quadrato della corrente: T = K' * I_i².
• La velocità è inversamente proporzionale alla radice quadrata della coppia.

Questi motori hanno una coppia di spunto molto elevata, ma tendono a "fuggire" (raggiungere velocità pericolose) se fatti funzionare senza carico.