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Unità 14 - Produzione, trasformazione e impieghi dell'energia elettrica

Premessa: gli argomenti di questa unità riguardano principalmente l'elettrotecnica e verranno solo accennati. Alcuni contenuti saranno presentati diversamente rispetto al libro di testo.

L'energia elettrica è utilizzata per far funzionare gran parte dei dispositivi e delle macchine che utilizziamo perché:

  • può essere prodotta facilmente (con gli alternatori nelle centrali elettriche)
  • può essere trasportare anche a grandi distanze (con le linee elettriche)
  • può essere facilmente trasformata in altre forme di energia (movimento, luce, calore, reazioni chimiche, ecc.)
  • non produce inquinamento dove viene utilizzata

Naturalmente ci sono anche degli inconvenienti:

  • l'energia elettrica viene prodotta quasi esclusivamente bruciando combustibili; questo comporta la produzione di inquinamento e lo spreco di una parte di energia nella conversione da una forma di energia all'altra
  • l'energia elettrica non può essere accumulata in maniera efficiente e in grandi quantità

1 La produzione di energia elettrica

La quasi totalità dell'energia elettrica viene prodotta dagli alternatori, macchine elettriche rotanti che trasformano energia meccanica in elettrica. Gli alternatori possono essere azionati da:

  • turbine mosse da gas in pressione ottenuto bruciando del combustibile 1), nelle centrali termoelettriche
  • turbine mosse da un getto d'acqua proveniente da bacini in alta quota, nelle centrali idroelettriche
  • motori a combustione, nei generatori “di emergenza”

L'energia elettrica può essere prodotta anche da fonti rinnovabili con:

  • pannelli fotovoltaici
  • impianti eolici
  • impianti geotermici
  • biomasse

ma, perlomeno in Italia, il fabbisogno energetico è garantito principalmente dalle centrali termoelettriche.

Gli alternatori generano energia sotto forma di corrente alternata. Ai morsetti di queste macchine è presente un sistema di tensione trifase che si manifestano grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica. La figura 7c può illustrarne il principio di funzionamento:

  • l'albero viene messo in movimento da una turbina
  • la rotazione dell'albero, su cui è montata una calamita, produce un campo magnetico rotante
  • i circuiti posti sulla parte fissa della macchina sono attraversati da un campo magnetico che cambia nel tempo, per l'alternarsi delle polarità nord e sud della calamita
  • nei circuiti nasce una tensione indotta con forma d'onda alternata sinusoidale

Dall'alternatore parte una linea trifase - cioè con tre conduttori sotto tensione - e l'energia prodotta può essere trasportata e distribuita alle utenze.

2 Trasferimento dell'energia elettrica

L'energia elettrica viene generata in grandi quantità nelle centrali elettriche lontano dalle utenze che la utilizzeranno. Allora occorre:

  • trasportare grandi quantità di energia attraverso delle linee elettriche
  • distribuire l'energia alle utenze civili e industriali

Per trasportare in maniera efficiente l'energia si usa il sistema di tensione trifase in corrente alternata. Il sistema trifase, anche se più complicato, risulta infatti più conveniente rispetto a quello monofase presente nelle nostre abitazioni. L'alternata invece permette di utilizzare i trasformatori, che non funzionano in corrente continua.

Il trasformatore trasforma energia elettrica in altra energia elettrica ma con valori di tensione e corrente diversi. Con un trasformatore si può:

  • modificare l'ampiezza della tensione senza sprecare energia
  • trasferire energia tra sistemi che funzionano a tensione diversa

I trasformatori sono fondamentali nella distribuzione dell'energia elettrica dove:

  • per trasportare l'energia in maniera efficiente conviene avere tensioni elevate e correnti basse 2)
  • bisogna fornire alle utenze un valore di 230 Volt (400 V nei sistemi trifase)

Con i trasformatori è possibile realizzare entrambe le cose trasportando e distribuendo l'energia elettrica con diversi livelli di tensioni (vedi figura 11):

  • BT: bassa tensione (230 V) per la distribuzione alle utenze civili
  • MT: media tensione (15-20 kV) per la distribuzione alle utenze industriali e ai grandi edifici e per il trasporto di medie quantità di energia per medie distanze
  • AT: alta tensione (150-200 kV) per il trasporto di grandi quantità di energia a grandi distanze

Il passaggio da un livello di tensione all'altro si effettua con i trasformatori posti:

  • nelle centrali elettriche, dove l'energia è prodotta in media tensione e subito innalzata ad alta tensione
  • nelle stazioni di distribuzione dell'energia
  • presso le grandi utenze che hanno i loro trasformatori

La figura 9 mostra come è fatto un trasformatore monofase. Su un circuito magnetico in ferro sono avvolti due circuiti elettrici, il primario con tensione più elevata e il secondario con tensione più bassa. Alimentando il primario si genera in campo magnetico che, cambiando nel tempo, produce una tensione indotta sul secondario. I due valori di tensione sono legati tra loro da una costante detta rapporto di trasformazione (o rapporto spire n) che non è altro che il rapporto tra il numero di spire dei due circuiti. Con una formula:

`V_1/V_2=N_1/N_2=n`

3 Utilizzo dell'energia elettrica

L'energia elettrica viene impiegata per far funzionare dispositivi molto diversi tra loro. Tra i dispositivi statici - che non hanno parti in movimento - possiamo citare:

  • gli elementi riscaldanti a resistenza, che sfruttano l'effetto Joule per produrre calore e permettono una facile regolazione della temperatura (ad esempio le serpentine di lavatrici, lavastoviglie e forni elettrici che hanno la forma mostrata in figura 15)
  • le lampade realizzate nelle varie tecnologie, in particolare quelle:
    • alogene ad incandescenza, ad alto consumo e bassa durata ma economiche, e con una luce gradevole e facilmente regolabile
    • a fluorescenza (i cosiddetti “neon”), che sfruttano la radiazione prodotta da una scarica e la trasformano in luce visibile grazie allo strato fluorescente interno al tubo, a lunga durata, luce diffusa e basso consumo ma ingombranti e con una luce poco gradevole e non regolabile
    • a LED con tecnologia a semiconduttore, regolabili e poco ingombranti, a basso consumo e lunga durata, ma costose e poco “naturali”
  • le elettrovalvole, che permettono o meno il passaggio di un fluido in una conduttura sfruttando l'elettromagnetismo

Gli attuatori più importanti sono invece i motori elettrici, macchine che trasformano energia elettrica in energia meccanica. La potenza meccanica in uscita viene trasmessa ad un carico (ad esempio un ruota, una puleggia, una pompa) attraverso un albero che ruota a una certa velocità ω imprimendogli una certa coppia C:

`P=C omega [W]`

dove la velocità è espressa in radianti al secondo3) e la coppia in Newton per metro.

Esistono varie tipologie di motori elettrici:

  • i motori in continua sono alimentati in corrente continua
  • i motori in alternata sono alimentati in alternata e sono chiamati anche motori asincroni
  • i motori brushless sono un'evoluzione dei motori in continua ma richiedono un dispositivo elettronico di potenza per funzionare
  • i motori passo-passo richiedono anch'essi un'alimentazione elettronica e hanno la particolarità di muoversi “a scatti” e di assumere solo un certo numero di posizioni fisse

Il principio di funzionamento di tutti questi motori si basa sull'elettromagnetismo e sui fenomeni già discussi nell'unità 2. Nei motori in continua (figura 21) ad esempio:

  • i magneti (poli) generano un campo magnetico costante che attraversa la macchina
  • la parte interna della macchina (il rotore) è in ferro e ruota insieme all'albero
  • il circuito posto sul rotore è attraversato da correnti che interagiscono col campo magnetico dando luogo a una coppia di forze che fanno muovere il rotore
  • le correnti arrivano al circuito grazie a un contatto strisciante che si occupa anche di invertirne il verso quando un conduttore passa da un polo all'altro (se così non fosse la forza che agisce sul conduttore cambierebbe verso passando da N a S e viceversa)

In base all'applicazione occorre scegliere il motore con le caratteristiche giuste. Sintetizzando si può dire che:

  • i motori in continua hanno ottime prestazioni e sono facili da controllare ma sono più delicati
  • i motori brushless hanno caratteristiche simili e sono meno delicati ma sono più costosi e sofisticati
  • i motori in alternata sono semplici ed economici ma difficili da controllare e con prestazioni mediocri alle basse velocità
  • i motori passo-passo hanno prestazioni modeste ma permettono di realizzare controlli di velocità e posizione molto precisi in maniera molto semplice

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1)
in questa categoria rientrano anche le centrali nucleari
2)
in questo modo si spreca meno energia per effetto Joule, si hanno minori cadute di tensione (la tensione alla fine di una linea elettrica è sempre minore di quella in partenza) e si utilizza meno materiale per le linee elettriche (la dimensione dei cavi dipende dalla tensione)
3)
conoscendo la velocità n in giri al minuto quella in radianti al secondo si calcola moltiplicando per 2π e dividendo per 60
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unita_14.txt · Ultima modifica: 2016/03/26 16:16 da admin