Che cos’è un generatore sincrono (alternatore)?
Principio di funzionamento
Un generatore sincrono trasforma la potenza all’albero in corrente alternata trifase. Una corrente continua di campo magnetizza il rotore e i poli in rotazione inducono una f.e.m. E_f negli avvolgimenti di statore. Il rotore deve girare esattamente alla velocità di sincronismo n = 120·f/p; una macchina a 4 poli a 1500 giri/min dà 50 Hz. Per fase, E_f = V + jXs·I: la tensione ai morsetti è la f.e.m. di eccitazione meno la caduta sulla reattanza sincrona, ed E_f anticipa V dell’angolo di carico δ. Quasi tutta l’elettricità del mondo è prodotta così, da turbine che azionano alternatori.
Funzionamento isolato e regolazione di tensione
Quando l’alternatore alimenta un proprio carico, la velocità fissa la frequenza e la corrente di campo fissa la tensione, mentre il carico decide la corrente. Un carico induttivo, come un motore, rende smagnetizzante la reazione d’indotto: la tensione cala e il campo va aumentato. Un carico con fattore di potenza 1 la abbassa meno, e un carico capacitivo magnetizza la macchina e può portare la tensione sopra il valore a vuoto. La regolazione di tensione è (E_f − V)/V: positiva con carichi induttivi, negativa con quelli capacitivi.
Funzionamento in parallelo e sincronizzazione
Prima di collegare un alternatore alla rete devono valere quattro condizioni: stessa tensione, stessa frequenza, stessa sequenza delle fasi e angolo di fase nullo, che il sincronoscopio mostra. Chiudere l’interruttore fuori passo causa un forte picco di corrente e un duro colpo di coppia. In rete, tensione e frequenza appartengono alle sbarre: la coppia della turbina fissa la potenza attiva e la corrente di campo fissa la reattiva. Sovraeccitata, la macchina eroga reattiva; sottoeccitata, la assorbe.
Angolo di carico, stabilità e capacità
La potenza attiva è P = 3·V·E_f·sen δ / Xs, quindi δ cresce con la potenza della turbina. A δ = 90° la potenza raggiunge il massimo, circa 3·V·E_f/Xs; oltre, il rotore scorre di poli e si perde il sincronismo. Un campo più forte alza il limite. Il diagramma di capacità (P–Q) raccoglie tutti i limiti: riscaldamento dello statore (cerchio della corrente d’indotto), del rotore (cerchio della corrente di campo), potenza del motore primo e limite di stabilità.
Domande frequenti
- Perché la tensione ai morsetti cala aggiungendo un carico induttivo?
- Una corrente in ritardo produce un flusso di reazione d’indotto che si oppone al flusso di campo e provoca anche una caduta di tensione sulla reattanza sincrona. Entrambi gli effetti agiscono quasi in linea con E_f, perciò V cala più che con un carico a fattore di potenza 1. Per mantenere la tensione si aumenta la corrente di campo. Un carico capacitivo fa il contrario e può far salire la tensione.
- Come si controllano potenza attiva e reattiva di un alternatore in rete?
- La rete mantiene tensione e frequenza, quindi non si possono scegliere. Aprire la valvola della turbina aumenta la coppia all’albero e con essa la potenza attiva e l’angolo di carico. La corrente di campo cambia la potenza reattiva: aumentala per erogarne di più, riducila per assorbirne. Prova entrambe nel simulatore e segui P e Q sul diagramma di capacità.
- Che cosa succede se la potenza della turbina è troppo alta?
- L’angolo di carico cresce fino a 90°, il limite di stabilità statica. Oltre, la potenza elettrica non bilancia più quella della turbina, il rotore accelera e scorre di poli rispetto al campo di rete, e la macchina va sganciata. Una corrente di campo maggiore alza il limite, perciò una macchina poco eccitata è la prima a perdere il sincronismo.