Che cos’è un generatore in corrente continua?
Principio di funzionamento
Un generatore in corrente continua trasforma la potenza meccanica di un motore primo, come un motore termico o una turbina, in potenza elettrica continua. I conduttori dell’indotto tagliano il flusso dei poli di campo e inducono una f.e.m. E = k·Φ·ω, quindi la tensione è proporzionale sia al flusso sia alla velocità. Il collettore e le spazzole invertono il collegamento di ogni bobina quando passa per l’asse neutro, e così la f.e.m. alternata delle bobine diventa una tensione unidirezionale ai morsetti.
Eccitazione e autoeccitazione
Il campo può essere alimentato da una fonte indipendente, oppure la macchina può alimentare da sé il proprio campo. Un generatore derivato parte dal piccolo flusso residuo dei poli: induce qualche volt, questi spingono una corrente di campo, la corrente aumenta il flusso e la tensione sale finché la curva a vuoto incontra la retta di resistenza di campo V = R_f·I_f. Succede solo se R_f è minore della resistenza critica, la pendenza della curva a vuoto, se la velocità supera quella critica e se il campo rinforza il flusso residuo.
Caratteristica di carico e regolazione
Sotto carico la tensione ai morsetti è V = E − I_a·R_a − la caduta alle spazzole, e la reazione d’indotto indebolisce un poco il flusso. Un generatore a eccitazione indipendente perde quindi solo pochi punti percentuali. Uno derivato perde di più perché la tensione che cala indebolisce anche il suo campo e, oltre una corrente massima, crolla a una piccola corrente di corto circuito. Uno serie sale con il carico perché il suo campo porta la corrente di carico, e uno composto unisce i due e tiene la tensione quasi piatta.
Perdite e coppia del motore primo
Il motore primo deve fornire la potenza elettrica in uscita più le perdite: rame d’indotto e di campo, perdite alle spazzole, attrito, ventilazione e ferro. La coppia all’albero è questa potenza divisa per la velocità angolare, un po’ maggiore della coppia elettromagnetica. Il rendimento a carico nominale è di solito tra l’85 e il 92 %. Gli alternatori con raddrizzatori hanno in gran parte sostituito i generatori in corrente continua, ma gli stessi principi sopravvivono nelle dinamo, nelle dinamo tachimetriche e nella frenatura rigenerativa degli azionamenti in c.c.
Domande frequenti
- Perché un generatore derivato non si innesca?
- Ci sono quattro cause comuni: manca il magnetismo residuo, il campo è collegato al contrario e la sua corrente cancella il flusso residuo, la resistenza di campo supera il valore critico oppure la velocità è sotto quella critica. Prova ciascuna nel simulatore: l’avviso indica la causa e il grafico di innesco resta piatto alla tensione residua.
- Che cos’è la resistenza critica di campo di un generatore in c.c.?
- È la pendenza della curva a vuoto nell’origine, in volt per ampere di corrente di campo. Una retta di resistenza di campo più ripida di questa pendenza incontra la curva solo vicino a zero, e la tensione resta al valore residuo. La pendenza è proporzionale alla velocità, quindi una velocità minore abbassa la resistenza critica e alza la velocità critica per un dato circuito di campo.
- Come cambia la tensione con il carico nei diversi generatori in c.c.?
- In uno a eccitazione indipendente cala poco, per la resistenza dell’indotto e la reazione d’indotto. Uno derivato cala di più e può crollare con un forte sovraccarico. Uno serie parte vicino al valore residuo e sale con il carico, e uno composto è quasi piatto. Cambia il collegamento nel simulatore e confronta le caratteristiche di carico sul grafico.