Generatori

I generatori sono dispositivi che convertono altre forme di energia in energia elettrica. Nel 1832, il francese Bixi inventò il generatore.

Un generatore è costituito da un rotore e uno statore. Il rotore si trova nella cavità centrale dello statore. È dotato di poli magnetici sul rotore per generare un campo magnetico. Quando il motore primario aziona il rotore in rotazione, l'energia meccanica viene trasferita. I poli magnetici del rotore ruotano ad alta velocità insieme al rotore, facendo sì che il campo magnetico interagisca con l'avvolgimento dello statore. Questa interazione fa sì che il campo magnetico attraversi i conduttori dell'avvolgimento dello statore, generando una forza elettromotrice indotta e convertendo così l'energia meccanica in energia elettrica. I generatori si dividono in generatori a corrente continua e generatori a corrente alternata, ampiamente utilizzati nella produzione industriale e agricola, nella difesa nazionale, nella scienza e tecnologia e nella vita quotidiana.

Parametri strutturali

I generatori sono solitamente costituiti da uno statore, un rotore, delle calotte terminali e dei cuscinetti.

Lo statore è costituito da un nucleo statorico, avvolgimenti di filo, un telaio e altre parti strutturali che fissano queste parti.

Il rotore è costituito dall'avvolgimento del nucleo del rotore (o polo magnetico, bobina magnetica), dall'anello di protezione, dall'anello centrale, dall'anello collettore, dalla ventola e dall'albero del rotore e da altri componenti.

Lo statore e il rotore del generatore sono collegati e assemblati tramite cuscinetti e calotte terminali, in modo che il rotore possa ruotare nello statore ed eseguire il movimento di taglio delle linee di forza magnetiche, generando così il potenziale elettrico indotto, che viene condotto attraverso i terminali e collegato al circuito, e quindi viene generata la corrente elettrica.

Caratteristiche funzionali

Le prestazioni dei generatori sincroni sono caratterizzate principalmente dalle caratteristiche di funzionamento a vuoto e a carico. Queste caratteristiche rappresentano criteri importanti per la scelta del generatore da parte degli utenti.

Caratterizzazione senza carico:Quando un generatore funziona senza carico, la corrente di indotto è nulla, una condizione nota come funzionamento a circuito aperto. In questo momento, l'avvolgimento trifase dello statore del motore è soggetto solo alla forza elettromotrice a vuoto E0 (simmetria trifase) indotta dalla corrente di eccitazione If, ​​e la sua intensità aumenta con l'aumentare di If. Tuttavia, le due non sono proporzionali perché il nucleo del circuito magnetico del motore è saturo. La curva che riflette la relazione tra la forza elettromotrice a vuoto E0 e la corrente di eccitazione If è chiamata caratteristica a vuoto del generatore sincrono.

Reazione dell'indotto:Quando un generatore è collegato a un carico simmetrico, la corrente trifase nell'avvolgimento dell'indotto genera un altro campo magnetico rotante, chiamato campo di reazione dell'indotto. La sua velocità è uguale a quella del rotore e i due ruotano in modo sincrono.

Sia il campo reattivo dell'indotto che il campo di eccitazione del rotore dei generatori sincroni possono essere approssimati come distribuiti secondo una legge sinusoidale. La loro differenza di fase spaziale dipende dalla differenza di fase temporale tra la forza elettromotrice a vuoto E0 e la corrente di indotto I. Inoltre, il campo di reazione dell'indotto è anche correlato alle condizioni di carico. Quando il carico del generatore è induttivo, il campo di reazione dell'indotto ha un effetto smagnetizzante, portando a una diminuzione della tensione del generatore. Al contrario, quando il carico è capacitivo, il campo di reazione dell'indotto ha un effetto magnetizzante, che aumenta la tensione di uscita del generatore.

Caratteristiche di funzionamento del carico:Si riferisce principalmente alle caratteristiche esterne e alle caratteristiche di regolazione. La caratteristica esterna descrive la relazione tra la tensione ai terminali del generatore U e la corrente di carico I, dati una velocità nominale, una corrente di eccitazione e un fattore di potenza del carico costanti. La caratteristica di regolazione descrive la relazione tra la corrente di eccitazione If e la corrente di carico I, dati una velocità nominale, una tensione ai terminali e un fattore di potenza del carico costanti.

La variazione di tensione dei generatori sincroni è di circa il 20-40%. I tipici carichi industriali e domestici richiedono una tensione relativamente costante. Pertanto, la corrente di eccitazione deve essere regolata di conseguenza all'aumentare della corrente di carico. Sebbene l'andamento variabile della caratteristica di regolazione sia opposto a quello della caratteristica esterna, aumenta per carichi induttivi e puramente resistivi, mentre generalmente diminuisce per carichi capacitivi.

Principio di funzionamento

Generatore diesel

Un motore diesel aziona un generatore, convertendo l'energia del gasolio in energia elettrica. All'interno del cilindro di un motore diesel, l'aria pulita, filtrata dal filtro dell'aria, si miscela accuratamente con il gasolio atomizzato ad alta pressione iniettato dall'iniettore. Man mano che il pistone si muove verso l'alto, comprimendo la miscela, il suo volume diminuisce e la temperatura aumenta rapidamente fino a raggiungere il punto di accensione del gasolio. Questo accende il gasolio, provocando una violenta combustione della miscela. La rapida espansione dei gas spinge quindi il pistone verso il basso, un processo noto come "lavoro".

Generatore di benzina

Un motore a benzina aziona un generatore, convertendo l'energia chimica della benzina in energia elettrica. All'interno del cilindro di un motore a benzina, una miscela di carburante e aria subisce una rapida combustione, con conseguente rapida espansione di volume che spinge il pistone verso il basso, compiendo lavoro.

Sia nei generatori diesel che in quelli a benzina, ogni cilindro funziona in sequenza secondo un ordine specifico. La forza esercitata sul pistone viene trasformata dalla biella in forza di rotazione, che aziona l'albero motore. Un generatore sincrono a corrente alternata senza spazzole, montato coassialmente all'albero motore del motore, consente alla rotazione del motore di azionare il rotore del generatore. Basandosi sul principio dell'induzione elettromagnetica, il generatore produce quindi una forza elettromotrice indotta, generando corrente attraverso un circuito di carico chiuso.