Introduzione ai Generatori di Corrente Alternata
I generatori sincroni di corrente alternata (AC) rappresentano il tipo principale di generatore impiegato nella produzione di energia elettrica nel settore dell'ingegneria elettrica. Oltre il 95% dell'energia elettrica consumata oggi è generata da alternatori trifase (3~). Il funzionamento di tutti i generatori AC si basa sulla legge dell'induzione elettromagnetica di Faraday.
Motore Diesel Collegato a un Generatore AC
Legge di Faraday
Due principi fisici governano il funzionamento della maggior parte dell'ingegneria elettrica.
- Legge di Faraday – un campo magnetico variabile induce una tensione in qualsiasi conduttore presente in quel campo.
- Legge di Ampere – una corrente elettrica che attraversa un conduttore genera un campo magnetico attorno a quel conduttore.
Legge di Ampere - Campi Magnetici Creati Attorno ai Conduttori a Causa del Flusso di Corrente
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Flusso di Corrente Convenzionale e Reale (Flusso di Fori)
Quando la corrente (misurata in Ampere) attraversa un conduttore, si genera un campo magnetico attorno a quel conduttore. La direzione del campo magnetico dipende dalla direzione del flusso di corrente.
Regola della Mano Destra
La regola della mano destra indica la direzione del campo magnetico in base al flusso di corrente convenzionale (positivo a negativo). La regola è così chiamata perché se una mano afferra un conduttore, il pollice indica la direzione del flusso di corrente mentre le dita avvolte attorno al conduttore indicano la direzione del campo magnetico.
Regola della Mano Destra
Regola della Mano Sinistra
La regola della mano sinistra mostra la direzione del campo magnetico basata sul flusso di corrente reale (negativo a positivo). La maggior parte delle industrie di ingegneria elettrica utilizza il flusso di corrente convenzionale mentre le industrie elettroniche preferiscono il flusso di corrente reale (noto anche come ‘flusso di fori’). Per la maggior parte delle applicazioni, la direzione del flusso di corrente non è critica, quindi l'errore storico di assumere che la corrente fluisca da positivo a negativo non è mai stato corretto.
Importante – La maggior parte delle pubblicazioni utilizza la REGOLA DELLA MANO DESTRA. Assumi il flusso di corrente convenzionale a meno che non sia indicato diversamente.
Regola della Mano Sinistra
Regola della Mano Sinistra di Fleming
È utile conoscere un'altra regola della mano sinistra, utilizzata più frequentemente della precedente; questa è la ‘regola della mano sinistra di Fleming’.
La regola della mano sinistra di Fleming è impiegata per determinare la forza esercitata su un conduttore carico (elettricamente carico) quando è posizionato all'interno di un campo magnetico. Questa regola è spesso utilizzata per determinare la direzione di rotazione nei motori elettrici.
Regola della Mano Sinistra di Fleming
Legge di Faraday
La legge di Faraday sarà ora esaminata in dettaglio poiché è direttamente correlata alla generazione di elettricità (la legge di Ampere sarà discussa più avanti).
La legge di Faraday afferma che se un conduttore si muove attraverso un campo magnetico, una tensione (differenza di potenziale elettrico) sarà indotta in quel conduttore. Allo stesso modo, una tensione sarà indotta in un conduttore stazionario se si trova all'interno di un campo magnetico variabile. Nessuna tensione sarà indotta se il campo magnetico è statico (non variabile).
Magnete con Linee di Campo Magnetico
Nota che la legge di Faraday è anche chiamata ‘legge dell'induzione elettromagnetica di Faraday’. I termini ‘induzione magnetica’ e ‘induzione elettromagnetica’ hanno lo stesso significato e sono usati in modo intercambiabile.
Campi Magnetici
I campi magnetici sono rappresentati disegnando una serie di linee che si estendono da un'estremità di un magnete all'altra.
- I campi magnetici più forti sono rappresentati da linee di campo magnetico ravvicinate.
- I campi magnetici più deboli sono più distanziati tra loro.
La forza del campo di un magnete è proporzionale alla distanza dal magnete, cioè la forza del campo è più forte più vicino al magnete e diventa più debole man mano che la distanza dal magnete aumenta.
Conduttori
Un conduttore è qualsiasi sostanza che consente il flusso di corrente (consente il flusso di elettroni). Alcuni conduttori hanno migliori proprietà di conduttività (capacità di condurre corrente) rispetto ad altri. Nell'ingegneria elettrica, rame e alluminio sono conduttori popolari perché hanno alta conduttività.
Cavi di Rame (Fili Conduttori di Rame)
Funzionamento dei Generatori AC
La legge di Faraday afferma che una tensione è indotta in qualsiasi conduttore che viene posizionato all'interno di un campo magnetico variabile; questo processo di induzione è noto come ‘induzione elettromagnetica’. Per generare una tensione di corrente alternata (AC), dobbiamo quindi:
- Muovere costantemente un conduttore attraverso un campo magnetico stazionario.
- Muovere costantemente un campo magnetico attraverso un conduttore stazionario.
Le grandi strutture di generazione di energia producono elettricità utilizzando l'opzione ‘muovere costantemente un campo magnetico attraverso un conduttore stazionario’. Le centrali elettriche non sono costruzioni semplici, ma i principi fondamentali di come viene generata l'elettricità da oltre il 95% delle centrali, sono mostrati di seguito.
Conduttore che Si Muove Attraverso un Campo Magnetico Stazionario
Nota che l'immagine sopra mostra un conduttore rotante, ma le centrali elettriche hanno conduttori stazionari e magneti rotanti (il contrario dell'assetto mostrato nell'immagine).
Per generare energia, è necessario un magnete e un mezzo per muovere quel magnete continuamente in modo che il campo magnetico cambi costantemente. È possibile muovere il magnete avanti e indietro linearmente (in linea retta), ma questo sarebbe leggermente impraticabile e inefficiente. Il modo più economico per mantenere le linee del campo magnetico in movimento costante è ruotare/far girare il magnete. Questo può essere facilmente realizzato collegando il magnete a una macchina il cui output è un moto rotatorio. Ad esempio, collegando un albero di uscita alle macchine sottostanti e quindi accoppiando un magnete all'albero di uscita, possiamo trasferire il moto rotatorio della macchina (potenza meccanica) al magnete:
- Motore diesel.
- Turbina a vapore.
- Turbina a combustione.
- Turbina idroelettrica (Kaplan, Francis, Pelton).
- Turbina eolica.
Nel mondo reale, le macchine sopra menzionate sono chiamate ‘mover primari’ perché trasferiscono la potenza meccanica necessaria a un generatore per produrre energia elettrica. È importante capire che i ‘generatori’ non ‘generano’ energia elettrica. È possibile solo trasferire energia da una forma all'altra.
L'energia non può essere distrutta o creata/generata (Prima Legge della Termodinamica)
I mover primari trasferiscono energia meccanica ai generatori tramite un albero e/o un cambio. I generatori convertono l'energia meccanica in energia elettrica.
Esempio di Generazione di Energia di Base
Il video sottostante è un estratto dal nostro Corso Online di Ingegneria Meccanica ed Elettrica Spiegata.
Per simulare un mover primario, possiamo fisicamente collegare un magnete all'albero di uscita di una ruota idraulica (turbina idraulica). L'acqua passa sopra la ruota idraulica, facendola ruotare e di conseguenza il magnete ruota. Se l'approvvigionamento idrico è continuo, la ruota idraulica ruota continuamente, così come il magnete. Ora che è stato trovato un mezzo per cambiare continuamente il campo magnetico, un conduttore deve essere posizionato all'interno del campo magnetico variabile in modo che una tensione possa essere indotta.
Configurazione di Base per la Generazione di Energia AC
Posizionare un singolo conduttore all'interno del campo magnetico non indurrebbe molta tensione in quel conduttore, ma se il conduttore è avvolto nella forma di una bobina, è possibile indurre molta più tensione. Per rendere l'induzione della tensione ancora più efficiente, il conduttore può essere installato il più vicino possibile al magnete. Inoltre, aggiungere più spire alla bobina indurrà più tensione, mentre rimuovere spire dalla bobina indurrà meno tensione.
Quando il magnete sta girando e un conduttore è stato posizionato all'interno del campo magnetico, la tensione sarà indotta nel conduttore. Se il conduttore è collegato a un circuito elettrico chiuso, la corrente alternata fluirà. L'elettricità può ora essere consegnata/distribuita ai consumatori per l'uso!
Esempio di Generazione di Energia AC di Base
Rotore del Generatore
I generatori industriali si basano su componenti più complessi rispetto a semplici magneti e bobine, ma i principi di funzionamento della generazione di energia rimangono gli stessi. Il magnete rotante di un generatore è chiamato ‘rotore’ mentre la bobina è chiamata ‘statore’. È possibile che lo statore funzioni come il magnete e il rotore come la bobina, ma questa configurazione non sarà discussa in questo momento.
Un rotore normalmente consiste in una serie di magneti montati su un nucleo laminato di sottili piastre d'acciaio; le sottili piastre laminate d'acciaio sono chiamate ‘laminazioni’. Le laminazioni influenzano la forma del campo magnetico perché l'acciaio contiene ferro, che è magnetico (capace di funzionare come un magnete o essere attratto da un magnete). Inoltre, le laminazioni focalizzano il campo magnetico in modo che il maggior numero possibile di linee magnetiche intersechi il conduttore. Focalizzare il campo magnetico migliora l'efficienza di un generatore perché la tensione indotta in un conduttore aumenta, man mano che aumenta il numero di linee di campo magnetico che intersecano il conduttore.
Per applicazioni nel mondo reale, l'esempio di base ‘magnete che ruota vicino a una bobina’ descritto in precedenza non ci permetterebbe di soddisfare le esigenze di energia elettrica della nostra civiltà. I magneti permanenti non sono pratici da utilizzare (difficili da trasportare, rappresentano pericoli per la sicurezza, ecc.) e sono costosi. È necessario un tipo alternativo di magnete, questa esigenza è soddisfatta dai elettromagneti.
Suggerimento: Un magnete permanente è uno i cui poli Nord e Sud sono fissi e non cambiano. I magneti permanenti sono anche noti come ‘ferromagneti’.
Magneti Permanenti
Cos'è la legge di Ampere?
Prima di discutere degli elettromagneti, è necessario comprendere la legge di Ampere.
La legge di Ampere afferma che la corrente elettrica che scorre in un conduttore crea un campo magnetico attorno a quel conduttore. La forza del campo magnetico creato è proporzionale alla quantità di corrente che scorre. La corrente continua scorre in una direzione e la dimensione del campo magnetico risultante e la polarità sono costanti. La corrente alternata scorre in due direzioni e i risultati sono:
- La dimensione del campo magnetico aumenta e diminuisce.
- La forza del campo magnetico aumenta e diminuisce.
- La polarità del campo magnetico si inverte (da Nord a Sud e poi da Sud a Nord).
I risultati sopra si verificano in sincronia con il cambiamento della direzione della corrente elettrica. Un onda sinusoidale viene utilizzata per indicare la forza del campo magnetico nel tempo e la sua polarità (Nord è positivo, Sud è negativo).
Onda Sinusoidale che Cambia nel Tempo
Cos'è la polarità?
I magneti permanenti hanno un polo Nord e un polo Sud. Se i poli Sud e Nord del magnete invertono le loro posizioni (in modo che il Nord diventi Sud e il Sud diventi Nord), si dice che la polarità è ‘invertita’.
Elettromagneti
Come menzionato in precedenza, la legge di Ampere afferma che ‘la corrente elettrica che scorre in un conduttore crea un campo magnetico attorno a quel conduttore’.
Se la corrente continua (DC) scorre in un conduttore, il campo magnetico sarà costante.
Se la corrente alternata (AC) scorre in un conduttore, il campo magnetico varierà (si espanderà e si contrarrà).
La forza di un campo magnetico che circonda un conduttore è proporzionale alla quantità di corrente che scorre attraverso il conduttore.
È possibile creare un campo magnetico focalizzato avvolgendo un conduttore nella forma di una bobina. Se la corrente scorre attraverso la bobina, verrà effettivamente creato un polo Nord e Sud a ciascuna estremità della bobina.
Campo Magnetico Dovuto al Flusso di Corrente Attraverso una Bobina
Un elettromagnete viene creato quando la corrente scorre attraverso una bobina e si forma un polo magnetico Nord e Sud risultante. Nota che la posizione del Nord e del Sud può essere invertita invertendo la direzione del flusso di corrente. La corrente continua creerebbe un polo Nord e Sud fisso perché il flusso di corrente è in una sola direzione. La corrente alternata creerebbe poli Nord e Sud variabili perché il flusso di corrente è in due direzioni (avanti e indietro).
Se le bobine sono installate su un rotore del generatore, è possibile applicare una corrente elettrica a queste bobine per creare un elettromagnete. L'installazione di più bobine sul rotore consente di creare più poli magnetici Nord e Sud. Creare il campo magnetico di un generatore utilizzando elettromagneti ha diversi significativi vantaggi rispetto all'uso di magneti permanenti:
- Controllare la corrente alimentata all'elettromagnete(i) rende possibile controllare la forza del campo magnetico, quindi è possibile controllare quanta tensione è indotta negli avvolgimenti dello statore (bobine conduttrici).
- Variare il numero di bobine utilizzate da un elettromagnete determina la potenziale forza del campo magnetico che un elettromagnete può creare; questa è una caratteristica importante e utile durante il processo di progettazione.
- I materiali delle bobine sono generalmente molto più facili da ottenere, mantenere, e/o sostituire, rispetto a grandi magneti permanenti.
- Gli elettromagneti sono più economici rispetto a grandi magneti permanenti.
- Gli elettromagneti sono più facili da maneggiare rispetto a grandi magneti permanenti.
Cosa sono i ‘poli del rotore del generatore’?
I rotori del generatore sono talvolta indicati come aventi ‘2 poli’, o, ‘4 poli’ ecc. I ‘poli’ si riferiscono al polo Nord o Sud di un magnete. Un rotore a 2 poli ha un polo Sud e un polo Nord. Un rotore a 4 poli ha due poli Nord e due poli Sud ecc.
Statore del Generatore Elettrico
Le bobine conduttrici che circondano un rotore sono collettivamente chiamate ‘statore’. Circondare il rotore con una bobina, o una serie di bobine, assicura che le linee del campo magnetico prodotte dal rotore intersechino una grande area delle bobine, questo produce più tensione indotta.
Uno statore con una singola bobina indurrebbe una tensione monofase (1~). L'installazione di più bobine produce fasi aggiuntive. Una ‘fase’ è il potenziale di tensione misurato attraverso un singolo conduttore. Indurre tensione in 3 bobine separate esattamente nello stesso momento non sarebbe pratico perché il sistema elettrico oscillerebbe pesantemente tra tensione positiva e negativa, e non sarebbe possibile installare le bobine esattamente nello stesso spazio fisico. Installare tre bobine 120 gradi l'una dall'altra consente di indurre tensione in tre bobine separate in modo più bilanciato. Le centrali elettriche producono tensione AC trifase.
Tensione AC Trifase
Potenza Elettrica (P=VI)
La potenza elettrica è rappresentata dall'equazione:
P = V I
Potenza = Tensione x Corrente
Si può dedurre dall'equazione sopra che la potenza sarà sempre 0 se il valore della tensione è 0, o se il valore della corrente è 0. Un circuito aperto non ha flusso di corrente, ma se il circuito è chiuso, la corrente fluirà (se la corrente è presente). Mentre è possibile avere tensione senza corrente, non è possibile avere corrente senza tensione. Per produrre potenza elettrica, dobbiamo quindi avere sia tensione che un circuito chiuso per il flusso di corrente.
Come le Centrali Elettriche Generano Elettricità
Indipendentemente dal tipo di centrale elettrica (impianto elettrico) considerato, oltre il 95% di esse utilizza il principio fondamentale di ‘muovere costantemente un campo magnetico attraverso un conduttore stazionario’ per generare energia elettrica. Ad esempio:
- Centrale elettrica a carbone (e qualsiasi centrale elettrica a combustibili fossili) – brucia combustibile per rilasciare la sua energia chimica come calore, che viene quindi utilizzato per trasformare l'acqua in vapore. Il vapore viene alimentato a una turbina a vapore, che fa ruotare la turbina. La potenza meccanica risultante dalla turbina viene trasferita a un generatore tramite un albero (e di solito un cambio).
- Turbina eolica – il vento passa sopra le pale del rotore di una turbina eolica, che fa ruotare le pale. Il moto rotatorio (energia cinetica) delle pale viene alimentato a un generatore.
- Centrale nucleare – genera calore (energia termica) per aumentare la temperatura dell'acqua; l'acqua viene quindi alimentata a uno scambiatore di calore. L'acqua sul lato shell dello scambiatore di calore a guscio e tubo si trasforma in vapore mentre viene riscaldata; questo vapore viene quindi alimentato a una turbina a vapore che è collegata a un generatore.
- Centrale idroelettrica (diga, stoccaggio pompato, corrente di marea, sbarramento di marea, corsa del fiume) – l'acqua viene alimentata a un rotore della turbina, che fa ruotare il rotore. Il rotore è collegato su un albero a un generatore.
Rotore della Turbina Idroelettrica e Generatore
- Forno solare – le onde elettromagnetiche del sole sono focalizzate su un punto specifico (forno solare) per generare una grande quantità di calore in quel punto. Un fluido termico (spesso sale fuso) assorbe il calore e lo trasferisce all'acqua tramite uno scambiatore di calore. L'acqua cambia fase in vapore e il vapore viene alimentato a una turbina a vapore, che è collegata a un generatore.
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Come Funzionano le Reti Elettriche
Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_generation
https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/how-electricity-is-generated.php