Vorrei affrontare con una serie di articoli, sia concetti basilari che gli aspetti pratici e gestionali della produzione di energia elettrica. Si tratta di una materia multidisciplinare, molto vasta, nella quale solitamente si trattano solo le parti elettrotecniche. Qui invece cercherò di rispondere sia a domande di carattere generale che a quelle sul funzionamento, sulla conduzione e sulla gestione di questi “impianti”:
Come si produce l'energia elettrica ? Che differenza c'è tra produrre energia per immetterla in rete e produrre energia per le proprie utenze ? Che differenza c'è tra i generatori fissi equelli portatili? Cosa succede quando l'impianto elettrico resta in isola? Come faccio a produrre l'energia Reattiva? Devo preoccuparmi per le variazioni della frequenza? ecc.
Proverò a trattare questi argomenti con un taglio tra il tecnico ed il divulgativo, per renderlo comprensibile ad una ampia fascia di lettori: dagli studenti agli installatori, dagli utenti industriali a quelli domestici. Gli addetti ai lavori vogliano quindi perdonarmi certe semplificazioni.
L'avventura sarà molto molto lunga, quindi partiamo.

Immagine di Copertina: Cogeneratore gas-metano Intergen

Cos'è un Generatore Elettrico

Nel settore elettrico per “generatore” si intende una macchina che si occupa di trasformare una fonte di energia (di qualunque tipo) in elettricità.
Con questi articoli ci occuperemo specificamente dei generatori che producono energia elettrica in corrente alternata ai valori “standardizzati” dei paesi europei, ovvero a 50 Hz, e che quindi possono essere allacciati alla rete elettrica "tradizionale".
I ragionamenti potranno essere comunque utili anche in altre applicazioni (navali, aeronautiche, ferroviarie, ecc).

I generatori di cui parleremo possono essere identificati in due modi: a seconda delle loro caratteristiche costruttive, oppure a seconda del loro modo di funzionamento.

Se catalogati per le loro caratteristiche costruttive, possiamo identificare due grandi categorie di generatori:

• i generatori di tipo meccanico, chiamati Alternatori
• i generatori di tipo elettronico, chiamati Inverter.

Se invece li cataloghiamo per il loro modo di funzionamento, possiamo identificare le seguenti tipologie:

• i generatori atti a funzionare in isola,
• i generatori concepiti per funzionare in parallelo con la rete,
• i generatori con un funzionamento ibrido tra i due precedenti.

Il modo di funzionamento dei gruppi di generazione merita un articolo specifico, per cui ne parleremo più approfonditamente nella seconda puntata.

Alternatori

Gli alternatori si occupano di trasformare una forza fisica che ha un movimento rotatorio, in una corrente elettrica; detta in breve l'alternatore è l'esatto contrario di un motore elettrico.
L'alternatore più famoso è quello che abbiamo dentro ogni automobile: ogni qualvolta accendiamo il motore “termico” produce elettricità per ricaricare la batteria ed alimentare tutti i dispositivi elettrici, rubando un po' di energia meccanica dal nostro motore.

Alternatore per Auto

Gli alternatori sono naturalmente presenti in tutte le grandi centrali di produzione: idroelettriche, termoelettriche e turbogas, nonché nelle turbine eoliche.

Centrale Santa Massenza, Gruppo Turbine-alternatore

Sono inoltre presenti nei gruppi elettrogeni di emergenza che si trovano in ospedali, aeroporti, alberghi, teatri, industrie, ecc., generalmente a gasolio, che in questi impianti si avviano automaticamente nel caso venga a mancare l'alimentazione dalla rete per alimentare le utenze di sicurezza o comunque "privilegiate".

Gruppo Generatore Diesel da 250 kW (Cummins)

Ed infine si trovano nei gruppi elettrogeni portatili monofase o trifase

Gruppo Elettrogeno portatile (Honda)

Per i gruppi elettrogeni portatili o di emergenza ci sarà da fare un ragionamento a parte, soprattutto per gli edifici dotati di impianti fotovoltaici, ma lo rimandiamo ad un successivo articolo.

Alternatori e velocità di rotazione

Veniamo a qualche dettaglio da sapere sugli alternatori: l'alternatore è una macchina in cui la frequenza della tensione generata è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione.
Per assicurare che la tensione resti sempre nella frequenza prefissata per l'impianto (in Italia 50 Hz), l'alternatore deve essere mantenuto ad una velocità costante, ad esempio 1500 giri/minuto.
Lo stesso alternatore infatti, se installato su una rete elettrica che funziona a 60 Hz (ad esempio negli Stati Uniti), dovrebbe girare a 1800 giri/minuto.
Ciò premesso ne consegue che la turbina o il motore termico che trascinano l'alternatore devono essere dotati di un Regolatore di giri che monitora la velocità dell'alternatore e possa agire “sull'acceleratore” del gruppo per correggere eventuali scostamenti della frequenza dai valori prefissati.

Sistema di regolazione Woodward SPM

Di questi sistemi di controllo/regolazione, ne parleremo in un successivo articolo.

Per quanto riguarda la tensione in uscita, anche per questa ogni alternatore deve essere dotato anche di un sistema di controllo; in particolare ogni alternatore è dotato di un sistema, detto eccitazione o AVR, che serve appunto per mantenere più costante possibile la tensione in uscita o comunque entro i range previsti (per la bassa tensio:ne, 230/400V).
E' generalmente costituito da una scheda elettronica installata che per i piccoli gruppi è dentro lo stesso alternatore, mentre per i grandi alternatori si trova nel quadro elettrico di controllo.

NOTA: Se volete approfondire questo specifico argomento, vi rimando ad un vecchio articolo che ho pubblicato sempre su electroyou, intitolato "a cosa serve l'AVR", disponibile qui: https://www.electroyou.it/m_dalpra/wiki/a-cose-serve-l-avr

Inverter

L'inverter è un dispositivo elettronico, detto anche convertitore statico che si occupa di trasformare una corrente continua, in corrente alternata a valori standard di rete.

NOTA: In commercio esistono inverter anche per altri settori, ad esempio per regolare la velocità dei motori elettrici; una classica applicazione di questi inverter sono le lavatrici, dove sono usati per regolare la velocità in fase di centrifuga; per evitare confusione nel mondo industriale questi inverter vengono chiamati “Drives”.

Torniamo quindi agli inverter utilizzati per ottenere elettricità a 230 o 400V – 50 Hz, che hanno moltissime applicazioni.
Ad esempio sono utilizzati per convertire in corrente alternata la corrente continua proveniente da:

• Moduli fotovoltaici, oppure
• Batterie (succede con gli inverter da campeggio o da nautica, ma anche con i sistemi di accumulo domestici)
• Celle a Combustibile (ad esempio le Fuel Cell ad idrogeno)
• Generatori elettrici che ruotano a velocità variabile, come alcune turbine eoliche oppure le microturbine a gas.
• Ecc.

Gli inverter spaziano da potenze molto piccole a potenze molto grandi: si parte dai dispositivi da poche centinaia di watt (ad esempio quelli da nautica/campeggi, che hanno in ingresso batterie a 12 Volt),

Inverter "trasportabile" per Campeggio & Nautica

agli inverter di stringa impiegati per gli impianti fotovoltaici domestici e nel terziario, che spaziano da qualche chilowatt a 100 kW,

Inverter per Impianto Fotovoltaico (ZCS)

a dispositivi da 1 a 5 Megawatt per gli impianti fotovoltaici a terra o per le grandi turbine eoliche, che accettano in ingresso tensioni anche di 1500 Volt c.c.

Inverter Centralizzato da 2 MW (FIMER)

Come per gli alternatori, anche negli inverter ci sono parti dedicate a controllare la frequenza e la tensione prodotta, ma qui si tratta di componenti integrati nell'elettronica o di “software” compresi nel sistema di controllo.

Conclusione 1. Parte

Si conclude questa prima carrellata sulle tipologie di "generatori" elettrici.
Potrà sembrare strano che abbia messo in un unico articolo macchine molto diverse tra loro (dispositivi molto grandi e molto piccoli), ma questa serie di articoli è stata pensata anche per spiegare quali sono i motivi che rendono incompatibili oggetti apparentemente destinati alla stessa funzione, cioè la produzione di energia elettrica. Ne riparliamo.
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