DINAMOELETTRICHE, MACCHINE
DINAMOELETTRICHE, MACCHINE (XII, p. 874; App. II, 1, p. 786)
Le macchine elettriche mantengono la loro fondamentale importanza, nonostante i notevoli recenti progressi negli altri campi dell'ingegneria elettrotecnica. Tutta l'energia elettrica ora utilizzata, salvo una piccola aliquota, è prodotta da generatori elettrici e più della metà di tale energia viene trasformata in energia meccanica da motori elettrici dei diversi tipi. Lo sviluppo teorico e pratico delle macchine elettriche procede ininterrottamente; macchine sempre più potenti, efficienti e sicure vengono costruite; le prove di collaudo ed i risultati di esercizio permettono di affinare ulteriormente la teoria, di conseguire altri miglioramenti, di superare i limiti di potenza, di rendimento e di sicurezza prima raggiunti.
Generatrici (o generatori) di corrente continua. - Le macchine a corrente continua hanno avuto più larga utilizzazione negli ultimi anni, per l'estendersi della automazione, ma soprattutto per risolvere problemi particolari (amplificazione) e per trasformare energia elettrica in energia meccanica. Il motore a corrente continua rimane insostituibile per i comandi a velocità regolabile (impianti di laminazione, di estrazione, di trazione tranviaria, filoviaria ed in alcuni Paesi, ferroviaria), sia per la possibilità di regolarne la velocità, la corrente assorbita, la coppia con continuità, in modo semplice e rapido, sia per l'elevata sovraccaricabilità in fase di accelerazione, frenatura ed inversione.
L'energia elettrica di corrente continua necessaria per alimentare i corrispondenti motori o gli altri apparecchi di utilizzazione, nei quali essa è richiesta, non è più ottenuta da generatrici (dinamo), salvo casi particolari.
Il problema della conversione dell'energia elettrica di corrente alternata, di solito disponibile, in energia elettrica di corrente continua è stato risolto dai raddrizzatori (v. raddrizzatore, in questa App.), disponibili oggi in varî tipi, ciascuno adatto a impieghi particolari.
Gruppi di conversione, comprendenti un motore asincrono o sincrono, a seconda delle esigenze, ed una generatrice a corrente continua, sono ancora impiegati, ove si verifichino punte di carico che non possono essere sopportate dalle reti di alimentazione (ad es., i motori per laminatoi reversibili vengono spesso alimentati da gruppi Ilgner costituiti da un motore asincrono, un generatore a corrente continua ed un volano; questo funziona come accumulatore di energia, fornendo le punte di potenza ed assorbendo l'energia di frenatura, in modo che il motore asincrono, con regolazione dello scorrimento, preleva dalla rete potenza costante entro limiti pratici).
Motivi economici giustificano la tendenza ad adottare la velocità più elevata possibile per i gruppi di conversione: infatti, è la coppia, dipendente dal rapporto tra la potenza e la velocità angolare, a determinare le dimensioni e quindi il costo delle macchine elettriche. I problemi della commutazione impongono tuttora un limite al prodotto della potenza, espressa in kilowatt, per il numero di giri/minuto; tale limite è dell'ordine di 6•106 kW/min, con le sollecitazioni massime elettriche e meccaniche oggi ammesse, per generatori con avvolgimento indotto embricato doppio e per carico di punta di breve durata.
Nei generatori veloci la costruzione dei rotori e dei commutatori a lamelle deve essere adeguata alle notevoli sollecitazioni centrifughe. I lamierini di indotto, spessi o,5 mm, isolati tra loro, sono sistemati con forzamento a caldo o con incastri a coda di rondine sulla lanterna rotorica, per la quale si adotta ora generalmente acciaio laminato saldato; fasciature a diversi strati di filo di acciaio amagnetico irrigidiscono l'avvolgimento indotto; particolari accorgimenti (bulloni di fissaggio con interposizione di anelli di pressione ed anelli elastici) richiedono i commutatori a lamelle, le cui velocità periferiche giungono fino a 45 m/s.
Il giogo statorico dei generatori, la cui tensione deve essere variata rapidamente, viene ormai costruito con lamierini di piccolo spessore, isolati fra loro, allo scopo di diminuire le correnti parassite che si opporrebbero ad ogni variazione del flusso di induzione magnetica.
Sono da segnalare tra i perfezionamenti conseguiti in tempi recenti nei generatori (e nei motori) a corrente continua: a) il portaspazzole a pressione costante, che semplifica la manutenzione, poiché non richiede alcuna regolazione durante il periodo di durata delle spazzole; b) il metodo "Null point" che, pur essendo qualitativo e non quantitativo, rappresenta un concreto contributo alla soluzione del problema, grave per la costruzione e l'esercizio, della messa a punto della commutazione. Il metodo proposto da Roumanis utilizza le oscillazioni elettriche che vengono generate durante la commutazione in uno spettro di frequenze tra circs 14 kHz e 1 MHz. Attenuate fortemente con apposito filtro tutte le frequenze inferiori ad un dato limite (15 kHz) ed eliminate quindi le armoniche dovute alle cave, alle lamelle del collettore e ad altre pulsazioni di flusso, uno strumento indicatore misura la tensione media del segnale residuo che viene denominato "indice di arco". Dall'andamento di caratteristiche curve ad U, che si tracciano riportando in ordinate l'indice di arco ed in ascisse la corrente del campo di commutazione per il funzionamento a vuoto od a carico, si può individuare la corretta posizione delle spazzole, regolare l'intensità del campo di commutazione, stabilire l'origine meccanica o chimica di eventuali cause perturbatrici (vibrazioni, mica sporgente, superficie ruvida del collettore, inadatta qualità delle spazzole, ecc.).
Generatrici sincrone di corrente alternata (alternatori). - Lo sviluppo di questa categoria di macchine elettriche può essere bene messo in evidenza rilevando che la potenza complessiva installata nelle centrali italiane, idroelettriche e termiche, supera i 13 milioni di kVA ed aumenta, ogni anno, di circa 1 milione di kVA.
La struttura fondamentale non ha subito sostanziali modifiche, ma le potenze unitarie sono state elevate in modo sensibile e continuano ad essere ulteriormente elevate, sia per gli alternatori con nucleo anisotropo (rotore a poli sporgenti), comandati da turbine idrauliche Pelton, Francis e Kaplan, sia per gli alternatori con nucleo di tipo isotropo (rotore liscio), comandati da turbine a vapore (turboalternatori). La costruzione di macchine di più elevata potenza è giustificata principalmente dalla maggiore richiesta di notevoli quantitativi di energia elettrica; dal migliore rendimento ottenibile; dalla riduzione che si consegue, nelle spese di impianto e di esercizio, diminuendo il numero dei gruppi. Potenze unitarie che superano ora 150.000 kVA e 300.000 kVA in alternatori già costruiti, mossi rispettivamente da turbine idrauliche e da turbine a vapore, hanno richiesto la risoluzione di numerosi e complessi problemi riguardanti i materiali magnetici, isolanti, conduttori e strutturali, la lavorazione delle singole parti, il raffreddamento e la ventilazione, l'eccitazione, il trasporto per ferrovia e per via ordinaria, l'installazione.
Esaminando separatamente gli alternatori delle centrali idroelettriche ed i turboalternatori, vi è da rilevare per i primi che il tipo ad asse orizzontale, preferito in passato per la maggior semplicità di costruzione e di montaggio, viene adottato generalmente per le turbine Pelton e, solo se la potenza è modesta, per quelle Francis e Kaplan; il tipo ad asse verticale, invece, è normale per le turbine Francis e Kaplan di media e grande potenza, dati i vantaggi che esso presenta per il rendimento, la maggiore regolarità del flusso, il ricupero dell'energia cinetica allo scarico della turbina, l'eliminazione degli effetti della cavitazione (che si ottiene installando la girante a piccola altezza sul livello di scarico, od addirittura sotto il livello stesso).
Nei gruppi verticali veloci, l'alternatore viene generalmente costruito con albero, crociera superiore, crociera inferiore, eccitatrici principale ed ausiliaria coassiali, alternatorino per il comando del pendolo del regolatore della turbina anche coassiale; il supporto di spinta, che deve sostenere il peso del rotore dell'alternatore, il peso della girante e la spinta idraulica esercitata dalle pale di questa (per un valore complessivo che, in grandi unità, può superare 1.000 t), è sistemato al di sopra del rotore e scarica il peso sulle fondazioni tramite la crociera superiore e la carcassa dell'alternatore; l'albero è ancora guidato superiormente da un supporto, combinato per lo più con il supporto di spinta, ed inferiormente da altro supporto affidato alla corrispondente crociera. L'esecuzione descritta subisce alcune varianti, nei gruppi verticali lenti, quando si intenda ridurre la lunghezza dell'albero e quindi l'altezza complessiva del gruppo stesso, per particolari esigenze di ingombro.
Singolare è la soluzione cosiddetta "ad ombrello", nella quale l'alternatore viene costruito senza crociera superiore ed il suo rotore non è guidato superiormente; i supporti di spinta e di guida e lo statore dell'alternatorino del pendolo sono sistemati nella crociera inferiore; la corrente continua per l'eccitazione è fornita da un gruppo separato comandato da una turbina ausiliaria o da un motore asincrono, se è disponibile l'energia di alimentazione.
Per i turboalternatori l'aumento della potenza unitaria è stato conseguito migliorando la qualità dei materiali utilizzati per i rotori e per i pacchi statorici; riducendo le perdite meccaniche per attrito nei supporti; installando ventilatori ad alto rendimento, ma soprattutto adottando il raffreddamento con circolazione di idrogeno ed introducendo, in modo effettivo dal 1950, il raffreddamento diretto dei conduttori.
I rotori dei turboalternatori, che sono generalmente bipolari e funzionano quindi, per la frequenza di 50 Hz (normale in Europa) e la frequenza di 60 Hz (diffusa in America), rispettivamente a 3.000 e 3.600 giri/m, dal punto di vista costruttivo rappresentano le parti più delicate e difficili per le velocità periferiche, in qualche caso superiori a 200 m/s. L'industria siderurgica è riuscita però a produrre grandi pezzi fucinati di acciai legati (al nichel-cromo-molibdeno), che opportunamente trattati hanno pregevoli caratteristiche di resistenza meccanica; il prelevamento e l'analisi di provette, il controllo magnetico, l'esecuzione eventuale di un foro centrale e specialmente l'esame con gli ultrasuoni danno la possibilità di rivelare difetti nell'interno dei pezzi fucinati.
Il problema delle cappe di sostegno delle testate dell'avvolgimento rotorico, anche sollecitate da sforzi considerevoli a grandi velocità periferiche, è stato normalmente risolto impiegando acciaio al manganese-nichel-cromo, di tipo amagnetico per ridurre i flussi dispersi e quindi alcune perdite addizionali dello statore.
Lamierini a cristalli orientati, laminati a freddo, con più bassa cifra di perdita sono stati impiegati per la composizione dei pacchi statorici, di solito tagliando i settori in modo da avere i cristalli orientati secondo lo andamento medio delle linee di flusso magnetico nella corona statorica ed accettando quindi maggiori perdite nei denti, per i quali l'andamento delle linee di flusso è diverso; infatti, nei lamierini a cristalli orientati finora disponibili, a parítà di induzione, la forza magnetica e la cifra di perdita aumentano all'aumentare del valore assoluto dell'angolo formato dalla direziorie delle linee di flusso e da quella di laminazione e, pertanto, di orientazione dei cristalli.
Il raffreddamento dei turboalternatori con circolazione di idrogeno (v. fig.) è stato sviluppato dalla tecnica costruttiva americana ed è generalmente adottato per macchine aventi potenza superiore a 20.000 e 50.000 kVA, rispettivamente a 3.000 e 3.600 g/m. L'indicato tipo di raffreddamento riduce le perdite per ventilazione a circa un decimo di quelle corrispondenti al raffreddamento in aria e rende più silenzioso il funzionamento della macchina, data la piccola densità dell'idrogeno; permette di aumentare la potenza per unità di volume di materiale attivo, per effetto dei più alti valori che l'idrogeno presenta per la capacità e la conducibilità termiche, rispetto all'aria; prolunga la vita dei materiali isolanti, per l'assenza di ossigeno e quindi per l'impossibilità di formazione di ozono sotto l'azione di campi elettrici; elimina i sistemi di prevenzione contro gli incendî.
Gli inconvenienti principali del raffreddamento con idrogeno sono l'esplosività delle miscele aria-idrogeno, ma solo per una percentuale di idrogeno che giunge approssimativamente fino al 70%, e la spesa del gas occorrente per compensare quello perduto. Allo scopo di superare tali inconvenienti, si racchiudono tutte le parti attive ed i refrigeranti della macchina in un involucro capace di resistere alle pressioni derivanti da una eventuale esplosione con la miscela aria-idrogeno più sfavorevole; si provvede, mediante un controllo continuo, a mantenere la purezza del gas nella macchina al 97÷98%, raggiungendo la sicurezza quasi completa contro le esplosioni, anche alle maggiori temperature che possono verificarsi in seguito a guasti interni; si adottano dispositivi atti ad assicurare la tenuta stagna dell'involucro della macchina, rispetto all'aria dell'ambiente, e soprattutto la chiusura a tenuta di gas del passaggio dell'albero nell'involucro stesso per il collegamento alla turbina di comando (la tenuta assiale o radiale è realizzata finora con sistemi ad olio).
Infine, con il raffreddamento diretto, nel quale sono stati portati direttamente a contatto del fluido refrigerante i conduttori dell'avvolgimento rotorico e dell'avvolgimento statorico, la potenza unitaria dei turboalternatori, che fino al 1950 non superava 200.000 kVA, è stata elevata ad oltre 300.000 kVA e più ardite realizzazioni sono progettate. Il raffreddamento diretto agevola la trasmissione del calore tra i conduttori ed il fluido refrigerante, eliminando la barriera termica costituita dall'isolamento degli avvolgimenti, ma pone problemi tecnici nuovi, ai quali i costruttori danno soluzioni diverse; in particolare, mentre per il rotore è mantenuto l'idrogeno quale fluido refrigerante, per lo statore si tende ad adottare refrigeranti liquidi (acqua, olio con bassa viscosità, pyranol, ecc.), aventi capacità termiche sensibilmente più alte e richiedenti quindi, a parità di altre condizioni, portate minori.
Generatori asincroni ad induzione. - I generatori asincroni trifasi ad induzione, rispetto agli alternatori sincroni, non richiedono regolatori, per mantenere costante la velocità, od operazioni di sincronizzazione per l'accoppiamento in parallelo; presentano costo inferiore, a parità di potenza, e costruzione più robusta, essendo possibile costruire il rotore con avvolgimento a gabbia. Essi, con potenze di alcune migliaia di kilovoltampere, possono essere utilmente impiegati in piccole centrali automatiche con comando a distanza, facenti parte di reti che comprendano alternatori sincroni per una potenza complessiva molto più elevata.
La macchina asincrona viene avviata come motore e funziona come tale, a vuoto, mentre si mantiene chiuso il distributore della turbina di comando. Appena le esigenze di esercizio lo richiedano, si agisce sul distributore in modo che la macchina, passando al funzionamento di generatore, fornisca parte della potenza attiva assorbita dal carico (alla potenza reattiva richiesta dal carico e dallo stesso generatore asincrono, per la caratteristica di questo, debbono provvedere gli alternatori sincroni della rete). Vedi tav. f. t.
Bibl.: M. Liwtschitz - Garik, Electric machinery, New York 1954; Th. Bodefeld e H. Sequenz, Elektrische Maschinen, Vienna 1952; B. Adkins, The general theory of electrical machines, Londra 1957; W. Schuisky, Induktionsmaschinen, Vienna 1957; B. Focaccia, Applicazioni elettriche, Milano 1948; Rendiconti della LVIII Riunione annuale dell'A. E. I., 1957; Transactions of American Institute of Electrical Engineers, 1956-1959; Comptes Rendus C. I. G. R. E., 1956-1958.