L'elettricità non è un'energia primaria, liberamente presente in natura in quantità significative, e per il suo utilizzo nell'industria e nella vita di tutti i giorni, deve essere prodotta. La maggior parte è creata da dispositivi che convertono la forza motrice in corrente elettrica: è così che funzionano i generatori, per i quali turbine a vapore e ad acqua, motori a combustione interna e persino la forza muscolare umana possono fungere da fonti di energia meccanica.

Storia ed evoluzione

La scoperta da parte di Michael Faraday nel 1831 delle leggi dell'induzione elettromagnetica divenne la base per la costruzione di macchine elettriche. Ma prima dell'avvento dell'illuminazione elettrica, non c'era bisogno di commercializzare la tecnologia. Nei primi consumatori di elettricità, ad esempio, nel telegrafo, le batterie galvaniche venivano utilizzate come fonte di alimentazione. Era un modo molto costoso per generare elettricità.

Alla fine del 19° secolo, molti inventori stavano cercando di applicare il principio di induzione di Faraday alla generazione di energia meccanica. Alcuni dei risultati importanti furono lo sviluppo della dinamo da parte di Werner von Siemens e la produzione da parte di Hippolyte Fontaine di modelli funzionanti dei generatori di Theophilus Gramm. I primi dispositivi sono stati utilizzati in combinazione con dispositivi di illuminazione ad arco per esterni noti come candele Yablochkov.

Sono stati sostituiti dal sistema di lampade a incandescenza di grande successo di Thomas Edison. Le sue centrali elettriche commerciali erano basate su potenti generatori, ma i circuiti CC non erano adatti alla distribuzione di energia su lunghe distanze a causa delle massicce perdite di calore.

Nikola Tesla ha sviluppato un alternatore migliorato e un pratico motore a induzione. Queste macchine elettriche, insieme ai trasformatori step-up e step-down, hanno fornito la base per la creazione di reti di distribuzione più grandi da parte delle società elettriche che utilizzano grandi centrali elettriche. Nei grandi sistemi di corrente alternata, i costi di generazione e trasporto sono stati diverse volte inferiori rispetto allo schema Edison, che ha stimolato la domanda di energia elettrica e, di conseguenza, l'ulteriore evoluzione delle macchine elettriche. . Le date principali nella storia dei generatori possono essere considerate:

Principio di funzionamento

I generatori che funzionano secondo il principio dell'induzione elettromagnetica non creano elettricità. Con l'aiuto dell'energia meccanica, mettono in moto solo cariche elettriche che sono sempre presenti nei conduttori. Il principio di funzionamento di un generatore elettrico può essere paragonato a una pompa dell'acqua che provoca il flusso dell'acqua, ma non crea acqua nelle tubazioni. stragrande la maggior parte dei generatori a induzione sono macchine elettriche di tipo rotativo costituito da due componenti principali:

• statore (parte fissa);
• rotore (parte rotante).

Per illustrare come funziona un generatore elettrico può servire la macchina elettrica più semplice, costituita da una bobina di filo e da un magnete a forma di U. I principali elementi principali di questo modello sono:

• un campo magnetico;
• movimento di un conduttore in un campo magnetico.

Un campo magnetico è l'area attorno a un magnete in cui si sente la sua forza. Per capire meglio come funziona il modello, si possono immaginare le linee di forza che escono dal polo nord del magnete e tornano a sud. Più forte è il magnete, più linee di forza crea. Se la bobina inizia a ruotare tra i poli, entrambi i lati inizieranno ad attraversare linee magnetiche immaginarie. Ciò provoca il movimento degli elettroni nel conduttore (generazione di elettricità).

Secondo la regola della mano destra, durante la rotazione della bobina, in essa verrà indotta una corrente, che cambia direzione ogni mezzo giro, poiché le linee di forza ai lati della bobina si intersecheranno in una direzione o il Altro. Due volte per ogni giro, la bobina passa attraverso posizioni (parallele ai poli) in cui non si verifica l'induzione elettromagnetica. Pertanto, il generatore più semplice funziona come una macchina elettrica che produce corrente alternata. La tensione che crea può essere modificata da:

• intensità del campo magnetico;
• velocità di rotazione della bobina;
• il numero di spire di filo che attraversano le linee del campo magnetico.

Una bobina di conduttore che gira tra i poli di un magnete crea un altro effetto importante. Quando una corrente scorre in una bobina, crea un campo elettromagnetico opposto al campo di un magnete permanente. E più elettricità viene indotta nella bobina, più forte è il campo magnetico e la resistenza alla rotazione del conduttore. La stessa forza magnetica nelle bobine fa ruotare il rotore del motore elettrico, cioè in determinate condizioni i generatori possono funzionare come motori e viceversa.

Caratteristiche dei generatori di corrente alternata

La corrente alternata (AC) produce il generatore più semplice descritto. Affinché l'elettricità generata sia utilizzabile, deve in qualche modo essere consegnata al carico. Ciò avviene per mezzo di un gruppo di contatto sull'albero, costituito da anelli rotanti e parti fisse in carbonio scorrevoli su di essi, detti spazzole. Ciascuna estremità del conduttore rotante è collegata ad un anello corrispondente e la corrente così creata nella bobina passa attraverso gli anelli e le spazzole al carico.

La struttura delle macchine industriali

I generatori pratici differiscono da quelli più semplici. Di solito sono dotati di un eccitatore, un generatore ausiliario che fornisce corrente continua agli elettromagneti utilizzati per creare un campo magnetico nel generatore.

Invece di una bobina nel modello più semplice, i dispositivi pratici sono dotati di avvolgimenti di filo di rame e le bobine su nuclei di ferro svolgono il ruolo di un magnete. Nella maggior parte degli alternatori, gli elettromagneti che creano un campo alternato sono posizionati sul rotore e l'elettricità viene indotta nelle bobine dello statore.

In tali dispositivi, il collettore viene utilizzato per trasportare corrente continua dall'eccitatore ai magneti. Ciò semplifica notevolmente il design, poiché è più conveniente trasmettere correnti deboli attraverso le spazzole e ricevere alta tensione dagli avvolgimenti dello statore stazionari.

Applicazione nelle reti

In alcune macchine, il numero di sezioni di avvolgimento è uguale al numero di elettromagneti. Ma la maggior parte dei generatori CA sono dotati di tre serie di bobine per ciascun polo. Tali macchine producono tre flussi di elettricità e sono dette trifase. La loro potenza specifica è molto superiore a quella dei monofase.

Nelle centrali elettriche, i generatori CA fungono da convertitori di energia meccanica in energia elettrica. Questo perché la tensione CA è facile da aumentare o diminuire con un trasformatore. I grandi generatori producono una tensione di circa 20.000 volt. Quindi sale di più di un ordine di grandezza per poter trasportare elettricità su lunghe distanze. Nel luogo di applicazione dell'energia elettrica viene creata una tensione idonea all'uso mediante una serie di trasformatori step-down.

Dispositivo dinamo

Una bobina di filo che ruota tra i poli di un magnete cambia i poli alle estremità del conduttore due volte in ogni giro. Per trasformare il modello più semplice in un generatore CC, devi fare due cose:

• deviare la corrente dalla bobina al carico;
• organizzare il flusso della corrente deviata in una sola direzione.

Il ruolo del collezionista

Un dispositivo chiamato collettore può fare entrambe le cose. La sua differenza dal gruppo spazzola di contatto è che la sua base non è un anello di conduttore, ma un insieme di segmenti isolati l'uno dall'altro. Ciascuna estremità del circuito rotante è collegata al corrispondente settore del collettore e due spazzole di carbone fisse rimuovono la corrente elettrica dal collettore.

Il collettore è progettato in modo tale che, indipendentemente dalla polarità alle estremità della bobina e dalla fase di rotazione del rotore, il gruppo di contatti fornisce la corrente con la direzione desiderata quando la trasferisce al carico. Gli avvolgimenti nelle pratiche dinamo sono costituiti da molti segmenti, quindi, per i generatori in corrente continua, per la necessità di commutarli, si è rivelato preferibile uno schema in cui l'indotto con bobine indotte ruota in un campo magnetico.

Fornitura di elettromagneti

Le dinamo classiche utilizzano un magnete permanente per indurre un campo. Il resto dei generatori CC necessita di alimentazione per gli elettromagneti. Nei cosiddetti generatori ad eccitazione separata, a tale scopo vengono utilizzate sorgenti CC esterne. I dispositivi autoeccitati utilizzano parte dell'elettricità autoprodotta per controllare gli elettromagneti. L'avvio di tali generatori dopo l'arresto dipende dalla loro capacità di accumulare magnetismo residuo. A seconda del metodo di collegamento delle bobine di eccitazione con gli avvolgimenti dell'indotto, sono suddivisi in:

• shunt (con eccitazione parallela);
• seriale (con eccitazione seriale);
• eccitazione mista (con una combinazione di shunt e serie).

I tipi di eccitazione vengono applicati a seconda del controllo di tensione richiesto. Ad esempio, i generatori utilizzati per caricare le batterie necessitano di un semplice controllo della tensione. In questo caso, il tipo appropriato sarebbe shunt. Come macchine che generano energia per un ascensore passeggeri, viene utilizzato un generatore eccitato separatamente, poiché tali sistemi richiedono un controllo complesso.

L'uso di generatori di collettori

Molti generatori CC sono alimentati da motori CA in combinazioni chiamate gruppi motogeneratori. Questo è un modo per cambiare AC in DC. Gli impianti che eseguono la zincatura, producono alluminio, cloro e altri materiali mediante processo elettrochimico, necessitano di una grande quantità di corrente continua.

Con l'aiuto di generatori diesel-elettrici, la corrente continua viene fornita anche a locomotive e navi. Poiché i collettori sono dispositivi complessi e inaffidabili, i generatori CC sono spesso sostituiti da macchine che producono CA combinate con l'elettronica. I generatori di commutatori hanno trovato applicazione nelle reti a bassa potenza, consentendo l'uso di dinamo a magneti permanenti senza circuiti di eccitazione.

Esistono altri tipi di dispositivi in ​​grado di produrre elettricità. Questi includono batterie elettrochimiche, celle termoelettriche e fotovoltaiche, convertitori di carburante. Ma rispetto ai generatori a induzione AC/DC, la loro quota di produzione globale di energia è trascurabile.