Macchine Sincrone: Generalità

La macchina sincrona è un particolare tipo di macchina elettrica rotante che ha velocità di rotazione rigidamente collegata alla frequenza delle grandezze elettriche sinusoidali ai morsetti. 
Nel funzionamento da generatore è detta alternatore; quando funziona da motore è detta motore sincrono. 
Non esistono differenze fondamentali tra le due condizioni e spesso la stessa macchina può funzionare sia da alternatore sia da motore. 
Nonostante il motore trovi importanti impieghi, tuttavia l'applicazione fondamentale della macchina sincrona è come alternatore. Infatti, quasi la totalità della potenza elettrica utilizzata al mondo è prodotta con gli alternatori.
Solitamente l'induttore è posto nel rotore e l'indotto nello statore.


Fig. 1 - Macchina sincrona (sezione trasversale)
Fig. 2 - Macchina sincrona (sezione longitudinale)
S = statore P = polo saliente
Ci = cave e conduttori di indotto Sc = sacrpa polare
T = traferro Ce = conduttori di eccitazione
L = linee vettoriali dell'induzione R = rotore
A = albero Cr = corona di rotore
C = cacassa Cr = corona di rotore
S = statore A = albero
Ci = conduttori di indotto Ac = anelli conduttori
T = traferro So = spazzole
Sp = scarpa polare Me = morsetti di eccitazione
Np = nucleo polare Mi = morsetti di indotto
Ce = conduttori di eccitazione
Rotore
Il rotore può essere a poli salienti (o sporgenti), in genere per un numero di coppie polari p>3, oppure liscio (in genere per p<2). Nel primo caso il rotore comprende una corona d’acciaio massiccio a sezione poligonale solidale all'albero. Su essa sono montati i 2p nuclei polari in acciaio massiccio, e le scarpe polari, che possono essere in acciaio massiccio o lamellato, perché la loro induzione presenta fluttuazioni temporali. Intorno ai nuclei polari sono avvolti i conduttori d’induttore o d’eccitazione, per formare 2p bobine identiche tra loro.

Il rotore liscio è realizzato in acciaio massiccio ed è dotato di cave longitudinali che alloggiano i conduttori d’induttore o d’eccitazione; la distribuzione delle cave e le connessioni tra i conduttori sono tali da realizzare due (o quattro) bobine identiche.

Le bobine dei poli consecutivi sono sempre connesse in antiserie e l'avvolgimento d’induttore che ne risulta è alimentato tramite contatti striscianti costituiti da spazzole e anelli; la corrente d’eccitazione costante Ie viene fornita da uno specifico generatore in corrente continua (macchina eccitatrice), che spesso è costituita da un generatore rotante, calettato sullo stesso albero della macchina sincrona.

Talvolta, in macchine di potenza non grandissima, i poli vengono magnetizzati per mezzo di magneti permanenti invece che con bobine d’eccitazione: in questo caso, non essendo richiesta la corrente d’eccitazione, le macchine sono prive d’anelli e spazzole e vengono chiamate brushless.
Esistono anche macchine sincrone (di piccola potenza) nelle quali l'induttore è posto nello statore, che è allora dotato di poli sporgenti, eccitati da bobine o da magneti permanenti.

 
Statore
Lo statore, a forma di corona cilindrica, viene realizzato in ferro lamellato, essendo sede d’induzione magnetica periodicamente variabile. 
Sul suo margine interno sono presenti cave longitudinali di lunghezza l, uniformemente spaziate, che alloggiano i conduttori d’indotto. 
Questi sono collegati per realizzare le matasse d’indotto che, connesse tra loro, formano uno o, più spesso, tre avvolgimenti d’indotto, a seconda che la macchina sia monofase o trifase. I terminali degli avvolgimenti sono connessi ai morsetti principali della macchina, e vanno poi collegati ad una rete in regime sinusoidale monofase o trifase.

 
Conduttori d’induttore ed indotto
I conduttori d’indotto e d’induttore sono generalmente in rame, isolati tra loro e rispetto alle parti in ferro. 
Nell'induttore (che funziona in c.c.) possono venire impiegati conduttori di sezione elevata; invece nell'indotto (che funziona in c.a.), per ridurre l'effetto pelle, si ricorre a più conduttori elementari sottili, reciprocamente isolati, che vengono tra loro trasposti e connessi in parallelo alle estremità.

Valori nominali

Analogamente a quelli dei trasformatori, i valori nominali di una macchina sincrona individuano i livelli delle principali grandezze con le quali si ottiene il funzionamento ottimale della macchina. 
I principali valori nominali della macchina sincrona sono elencati in Tabella. 

Pn Potenza nominale [VA, W]
Un Tensione nominale di indotto  [V]
In Corrente nominale di indotto [A]
fn Frequenza nominale  [Hz]
Ie Corrente di eccitazione  [A]
Ue Tensione di eccitazione  [V]
nn Velocità nominale di rotazione  [rpm]
Cn Coppia nominale all'albero [Nm]

Tensione e corrente nominale d’indotto hanno significato di valori efficaci. 
Nel caso degli alternatori la potenza nominale ha significato di potenza elettrica apparente erogata ed è espressa in VA; nel caso dei motori ha invece significato di potenza resa all'albero ed è espressa in W. 
Per gli alternatori monofasi e trifasi valgono rispettivamente le seguenti relazioni:

invece per i motori sincroni si ha: