Gli alternatori e tutte le macchine sincrone per funzionare hanno bisogno di un sistema elettronico di controllo che gestisca l'eccitazione. Questo dispositivo, meglio conosciuto come "Regolatore di Tensione" o "AVR" (Automatic Voltage Regulator), garantisce non solo il buon funzionamento della macchina, ma soprattutto della rete elettrica ad essa sottesa. Vediamo molto brevemente come funziona perché a breve questi concetti potranno servire a tutti coloro che si occupano di generazione diffusa.

Brevissimo cenno sulle macchine sincrone

Premetto che qui trattiamo delle macchine elettriche rotanti trifasi, solitamente di potenza notevole o comunque superiore ai 100kW.
La macchina sincrona è praticamente un motore elettrico, ma applicandogli energia meccanica all'asse diventa anche un generatore; è quindi una macchina completamente reversibile.
Le macchine sincrone usate come motore sono molto rare, e comunque riguardano applicazioni di grande potenza nelle quali è richiesta molta precisione nella velocità.

Vista la larga diffusione dei sistemi di generazione, sono invece molto diffuse per la produzione di energia elettrica, dai Gruppi Elettrogeni di emergenza ai cogeneratori, agli impianti a biogas ed alle centrali idroelettriche, ecc.
Ricordo infine che la macchina sincrona consente la produzione di energia attiva e reattiva, nel senso di corrente e tensione, mentre il classico motore asincrono trifase se spinto da una coppia meccanica diventa anch'esso un generatore, ma può produrre solamente energia attiva. L'energia reattiva induttiva necessaria per la propria magnetizzazione dovrà invece essere richiamata dalla rete. In poche parole il generatore sincrono può controllare la tensione mentre l'asincrono no.

Stranezze delle macchine sincrone

Le macchine sincrone, a differenza da qualsiasi altra macchina elettrica, sono in grado di mutare le loro caratteristiche elettriche, assumendo comportamenti propri di altri tipi di componenti.
In particolare la macchina sincrona, indifferentemente che stia funzionando come motore o come alternatore, può essere vista dalla rete come una resistenza, come un induttanza o come una capacità, a seconda di come si regola la corrente di eccitazione (Iecc).

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La corrente di eccitazione è la corrente continua che viene immessa nell’avvolgimento rotorico (detto anche induttore) e può essere liberamente regolata dall’utilizzatore della macchina; tipicamenteè generata da un dispositivo statico detto “eccitatrice”, regolatore di tensione o AVR.

Differenza Sincrone - Asincrone

La differenza sostanziale tra le macchine rotanti (trifasi) sincrone ed asincrone, è che le macchine sincrone hanno un dispositivo di eccitazione in corrente continua che eroga la corrente necessaria per la magnetizzazione dell'elemento rotante. La macchina sincrona inoltre ruota alla velocità di sincronismo, e cioè resta costantemente allineata alla frequenza della rete.
Ricordo invece che le macchine asincrone sfruttano per la loro magnetizzazione il "ritardo" che hanno rispetto al campo magnetico imposto dalla frequenza di rete.

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La macchina sincrona, sia usata come motore che come generatore, per funzionare ha quindi bisogno di un dispositivo di eccitazione esterno che garantisca la sua magnetizzazione.

Cosa succede dentro gli Alternatori ?

L'alternatore trifase è la macchina sincrona per antonomasia.
Negli alternatori, ad esempio nei gruppi elettrogeni, lo scopo dell’AVR è quello di mantenere stabile la tensione in uscita, tensione che viene rilevata dall'AVR sui morsetti di uscita.
Il funzionamento è piuttosto semplice quando vengono alimentati carichi resistivi, ma vediamo cosa succede quando invece vengo alimentati dei carichi prevalentemente induttivi.
Sostanzialmente la corrente sfasata in ritardo contrasta il campo magnetico induttore facendo un’azione di smagnetizzazione sul rotore, come se venisse ridotta la corrente di eccitazione; questo fenomeno provoca un calo della tensione ai morsetti di uscita dell’alternatore.
In tal caso, per compensare il fenomeno il regolatore di tensione interviene automaticamente aumentando la corrente di eccitazione finquando la tensione in uscita ritorna al valore nominale.

Viceversa, se il carico è capacitivo la corrente agisce in modo “magnetizzante” sul rotore/induttore e causa un aumento della tensione in uscita; l’AVR in tal caso opera riducendo la corrente di eccitazione.
Fin qui quello che succede quando un alternatore alimenta delle utenze proprie, dette anche in isola.

Alternatori in Parallelo con la Rete

Nelle macchine sincrone generatrici connesse alla rete lo scopo dell’AVR è leggermente diverso : serve per mantenere costante il fattore di potenza con il quale funziona la macchina (ad esempio Cos φ = 0,9).
La tensione infatti è imposta dalla rete pubblica ed il regolatore non è in grado di variarla.
Tipicamente il fattore di potenza viene stabilito contrattualmente dall’ente che gestisce la rete pubblica, e può variare a seconda di una programmazione settimanale.

Generatori con funzionamento Misto

Negli impianti in cui l'alternatore può funzionare sia in parallelo con la rete che in isola, il regolatore di tensione ha in ingresso un contatto che solitamente è prelevato dal DISPOSITIVO DI INTERFACCIA.
Se il contatto è chiuso l'AVR considera l'impianto in parallelo con la rete e mantiene il Fattore di potenza al livello prefissato dal regolamento di esercizio; se invece il contatto è aperto l'AVR considera l'impianto in isola e opera come regolatore di tensione.

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Nei Motori Sincroni

Nei motori sincroni lo scopo principale dell’AVR è quello di mantenere il funzionamento della macchina costante e soprattutto nel regime di maggior rendimento.
Solitamente significa mantenere il fattore di potenza a valori prossimi ad 1, ma potrebbe essere regolato a valori diversi se si utilizza la macchina sincrona anche per rifasare altre utenze presenti nello stesso insediamento.

Vediamo brevemente cosa succede variando la corrente di eccitazione rispetto al valore di targa:

Sottoeccitazione

Se la corrente di eccitazione (Iecc) della macchina sincrona ha un valore inferiore al valore nominale, la macchina sincrona vista dalla rete appare come un carico ohmico induttivo, causando un assorbimento di corrente in ritardo rispetto alla tensione. In tal caso a parità di potenza attiva, aumenta la corrente che circola negli avvolgimenti statorici e quindi le perdite nel rame.

(Ad esempio cos φ = 0,8 in ritardo - in inglese lagging)

Da un punto di vista pratico tale fenomeno è abbastanza ovvio: diminuendo la corrente di eccitazione la macchina sincrona non ha sufficiente energia reattiva induttiva per magnetizzare i propri circuiti magnetici e quindi è “costretta” a richiamarla dalla rete.

Sovraeccitazione

Se la corrente di eccitazione (Iecc) ha un valore superiore al valore nominale, la macchina sincrona vista dalla rete appare come un carico ohmico-capacitivo, e si avrà un assorbimento di corrente in anticipo rispetto alla tensione.

Ad esempio cos φ = 0,8 in anticipo (in inglese leading)

In particolare la “sovraeccitazione” delle macchine sincrone è utile perché può essere usata per rifasare la rete senza ricorrere a condensatori statici, e questo indipendentemente se stanno funzionando da motore o da generatore.

Conclusione : la generazione diffusa

Oggi con il moltiplicarsi degli impianti di generazione diffusa le Norma CEI 0-16 e 0-21 hanno imposto ai dispositivi di generazione, sia statici che rotanti, di essere dotati di sistemi per l'erogazione di energia reattiva, cioè di poter regolare il Fattore di Potenza a valori diversi da 1.
Le nuove norme hanno modificato soprattutto le caratteristiche dei generatori con potenza superiore a 6kW, cosa che invece in precedenza non era richiesta, soprattutto per gli impianti fotovoltaici ed eolici.
Gli attuali inverter sono quindi dotati di funzionalità tali da poter erogare non solo energia attiva, ma anche energia reattiva, a seconda del valore della tensione della rete (in pratica l'inverter si comporta come un AVR agendo in sovraeccitazione o sottoeccitazione sfasando la corrente in uscita rispetto alla tensione).

Per finire, non escluderei di poter usare questa funzionalità per operare il rifasamento degli impianti di utenza semplicemente programmando il funzionamento degli inverter, cioè andando in sovraeccitazione per compensare in modo "software" la mancanza di sistemi di rifasamento tradizionali, visto che tendenzialmente proprio il fotovoltaico tende ad "inondare" la rete di energia attiva.