Un alternatore è una macchina che trasforma energia, in particolare l’energia meccanica viene trasformata in energia elettrica con corrente alternata sinusoidale. L’energia meccanica viene fornita generalmente da turbine idrauliche (caso delle centrali idroelettriche) o da turbine a vapore (caso delle centrali termoelettriche e nucleari), a gas o da motori a ciclo diesel. Quasi tutta l’energia elettrica prodotta nel mondo è ottenuta con l’uso degli alternatori

Particolarità costruttive:

Gli alternatori sono costituiti da due parti fondamentali, una fissa e l'altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. I due avvolgimenti si dicono induttore e indotto; a seconda del tipo di alternatore l'induttore può essere disposto sul rotore e l'indotto sullo statore e viceversa. Gli alternatori sincroni sono macchine reversibili, ossia possono funzionare anche come motori, cioè si mettono in movimento rotatorio se ricevono energia elettrica. In essi generalmente si dispone sullo statore l'avvolgimento indotto e sul rotore l'induttore. Quest'ultimo è realizzato con elettromagneti eccitati in corrente continua (poli). Si possono avere rotori a poli salienti (nella figura a pagina seguente di sinistra è mostrato un quattro poli) oppure rotori a poli lisci (nella figura di destra è mostrato un due poli), i primi rendono la macchina anisotropa, i secondi isotropa. Il rotore a poli lisci ha un ingombro radiale più contenuto così che la sollecitazione centrifuga cui sono sottoposti i poli con i relativi avvolgimenti durante la rotazione del rotore è più contenuta, per questo motivo il rotore a poli lisci viene adottato per gli alternatori accoppiati alle turbine a vapore od a gas, caratterizzati da elevate velocità di rotazione (1500 o 3000 [g / 1']). Essendo l'eccitazione in corrente continua, il flusso nel nucleo del polo è costante e, quindi, il circuito magnetico del rotore può essere realizzato in ferro massiccio.

Principio di funzionamento:

Il rotore della macchina sincrona, generatrice o motrice, possiede una velocità che si mantiene rigorosamente legata alla frequenza attraverso la nota relazione:             n = 60 f/p in cui p è il numero di coppie polari dell’induttore. A differenza della macchina asincrona, il campo induttore e quello indotto ruotano sempre in sincronismo fra loro, quindi senza scorrimento alcuno. Nell’induttore si crea un campo magnetico tramite le bobine magnetizzanti (che sono avvolte nei poli conduttori) percorsi da C.C. I conduttori attivi posti nello statore vengono tagliati dalle linee di forza del campo magnetico generando in ogni conduttore attivo una f.e.m. alternata indotta e prelevata quindi dalle spazzole in corrente alternata.

Alternatori trifase:

La differenza sostanziale con un alternatore monofase sta nel disporre nello statore apposto di un unico avvolgimento, tre avvolgimenti indotti uguali e distinti i quali vengono angolarmente spostati l’uno rispetto all’altro in modo che le rispettive f.e.m. , uguali in ampiezza e frequenza, risultino sfasate di 1/3 di periodo: tali f.e.m. risulteranno conseguentemente rappresentate da tre vettori uguali spostati fra loro di 120° come in figura.   

P₁ ed F₁ costituiscono rispettivamente il principio e la fine della prima fase: data la disposizione occupata in figura dai poli induttori, la f.e.m. E₁ relativa a questa fase passa nell’istante considerato per il suo valore massimo come rappresenta il vettore E₁. In P₂ ed F₂ si ha rispettivamente il principio e la fine della seconda fase, si nota quindi che dopo 1/3 di giro i poli induttori passeranno in corrispondenza dei conduttori attivi della seconda fase. Concludono la terza fase P₃ ed F₃ che rappresentano la f.e.m. E₃ sfasata di 120° in ritardo da E₃ e 240° da E₁. Nell’alternatore trifase bipolare un periodo completo delle tre f.e.m. corrisponde ad un giro completo del rotore ovvero un periodo corrisponde a 360° elettrici, quindi gli angoli meccanici coincidono con quelli elettrici. Questa coincidenza cessa di esistere negli alternatori multipolari. Si ricorda che col nome di angolo elettrico viene indicato ogni spostamento angolare misurato fra due vettori rappresentativi di grandezze elettriche sfasate tra loro. I tre avvolgimenti trifase possono essere collegati a stella o a triangolo. 

Funzionamento a vuoto:

Un alternatore si dice a vuoto quando non viene applicato ad esso nessun utilizzatore in tal modo anche se il circuito induttore è eccitato conseguendo anche il moto del rotore la corrente (I) erogata è nulla ciò comporta l’uguaglianza U₀ = E_0. Nel funzionamento a vuoto risulta essere particolarmente significativa la caratteristica di magnetizzazione Eo = f(Ie) , ricavata facendo variare la corrente di eccitazione e mantenendo costante (e pari al valore nominale) la velocità di rotazione.

L'andamento di tale caratteristica è quello tipico dei materiali ferromagnetici, la corrente di eccitazione è proporzionale al campo magnetico, la f.e.m. è proporzionale al flusso e quindi all'induzione. Negli alternatori ben dimensionati, la corrente nominale di eccitazione Ien ha un valore tale per cui il punto di lavoro si situa immediatamente dopo il ginocchio, questo per evitare che piccole accidentali variazioni della eccitazione producano sensibili variazioni della f.e.m. Eon e quindi della tensione d'uscita dell'alternatore.

Potenze, perdite e rendimento:

Per potenza erogata di un alternatore si intende la potenza elettrica uscente misurata ai morsetti: essa dipende dalla tensione U, dalla corrente erogata I e dal fattore di potenza del circuito esterno cosj. Per un alternatore trifase con un carico equilibrato, la potenza erogata P_r è tre volte la potenza di ciascuna fase e si esprime mediante la relazione:     P_r = 3 U I cosj

Durante il normale funzionamento in un alternatore si verificano delle perdite di vario tipo che in base alla loro grandezza vanno a determinare il rendimento. Tali perdite possono essere quelle per effetto Joule P_J quindi energia elettrica che si dissipa in calore, si hanno anche le perdite nel ferro dell’indotto P_f, dovute ai noti fenomeni dell’isteresi magnetica e delle correnti parassite, e le perdite meccaniche P_m per attrito e ventilazione. Inoltre è importante considerare la potenza necessaria per eccitare l’alternatore, la quale costituisce la perdita per eccitazione P_e: in definitiva risulta che per ottenere un potenza elettrica dall’alternatore quindi una P_r, esso deve assorbire  (sotto forma di potenza meccanica applicata all’asse) la potenza P_a che è uguale alla potenza erogata più la somma delle singole perdite.    P_a = P_r + P_J + P_f + P_m + P_e

Il rapporto fra la potenza erogata P_r e la potenza assorbita P_a definisce il rendimento dell’alternatore che è dato dalla seguente relazione:   h= P_r / P_a    il rendimento varia col variare del carico e dipende inoltre dal fattore di potenza: in generale per una data corrente il rendimento è tanto più basso quanto minore è il fattore di potenza, come lo dimostrano le curve nella figura sottostante.