Il generatore.

In particolare, ci focalizzeremo sull'organo più importante dell'aerogeneratore, il generatore elettrico. Esso si divide in:
Generatore asincrono e generatore sincrono.

Il generatore asincrono è appunto l'organo che genera la corrente elettrica, sono derivazioni dei comuni motori elettrici asincroni, essenzialmente diversi per quanto riguarda la costituzione del rotore poiché costituito a gabbia di scoiattolo, da una serie di barre conduttrici collegate alle loro estremità a due anelli e da un nucleo. Il motore asincrono, per poter funzionare come generatore,
preleva energia reattiva dalla rete per magnetizzare il circuito rotorico (essendo i circuiti rotorici a gabbia di scoiattolo privi di eccitazione), il rotore viene poi avviato tramite una sorgente energetica esterna (il vento nel nostro caso) e portato in ipersincronismo, per cui il campo magnetico del rotore gira più velocemente del campo magnetico dello statore (circa 1% a piena
potenza) diventando così generatore di energia elettrica. Questa caratteristica rende il generatore asincrono particolarmente adatto a funzionare con una coppia fluttuante quale è quella prodotta dal rotore eolico. In questa condizione, mentre eroga potenza attiva verso la rete, consuma una certa quantità di potenza reattiva, la quale deve essere fornita da sistemi compensatori quali i
condensatoriper tenere alimentato il campo magnetico rotante. Per quanto riguarda la potenza erogata, questa ovviamente aumenta con l'aumentare del vento. Raggiunta la massima potenza, con l'aumentare del vento, viene ridotto il passo delle pale, fino a portarle a mantenere una velocità costante. Quando la velocità del vento supera una certa soglia, circa 20-25 m/s, l'aerogeneratore non può funzionare perché andrebbe incontro a malfunzionamenti meccanici. I giri al minuto sono molto variabili (come lo è la velocità del vento); tuttavia la frequenza di rete deve essere costante a 50Hz. Perciò i generatori vengono collegati ad una serie di inverter che stabiliscono la frequenza in uscita a 50Hz, la frequenza del campo magnetico rotante
viene quindi modulata per controllare la velocità di rotazione del rotore.

Il generatore sincrono, chiamato anche alternatore, è un motore elettrico il cui rotore è costituito da un elettromagnete a corrente continua o da magneti permanenti. La frequenza della tensione indotta sullo statore (e quindi della corrente prodotta) è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione del rotore. Per consentire un funzionamento a velocità variabile, si interpone tra alternatore e rete un convertitore di frequenza che trasforma dapprima la corrente a frequenza variabile (in funzione della velocità del rotore e quindi del vento) in uscita dal generatore in corrente continua mediante un raddrizzatore elettronico e successivamente riconverte la corrente continua in corrente alternata a frequenza di rete tramite un inverter. Così facendo si svincola la frequenza della corrente generata dalla frequenza di rete, il che può portare anche all'abolizione del moltiplicatore di giri. Grazie al motore
sincrono ed al convertitore di frequenza, quando la forza del vento aumenta improvvisamente, il rotore è lasciato libero di accelerare per alcuni secondi: l'incremento di velocità di rotazione accumula energia cinetica nel rotore stesso e consente un'erogazione costante di potenza. Viceversa quando il vento cala, l'energia immagazzinata nel rotore viene rilasciata nel rallentamento del rotore stesso.

Nella seguente curva completa della coppia della macchina asincrona andremo ad analizzare i tre diversi tipi di funzionamento che può assumere una macchina asincrona:

Le condizioni di funzionamento in cui la macchina si comporta da generatore si verificano se
la coppia meccanica agente sull'albero rotore è motrice anziché resistente e fa aumentare la velocità di rotazione fino a superare la velocità di sincronismo (ipersincronismo), la macchina elettrica asincrona passa dal funzionamento come motore a quello come generatore immettendo energia elettrica in rete. La differenza relativa tra la velocità di sincronismo e la velocità effettiva di
rotazione è chiamata scorrimento (s) che nel funzionamento da generatore diventa quindi negativo.

La condizione di funzionamento in cui la macchina si comporta da motore si verifica quando la velocità del rotore è inferiore a quella del campo magnetico per cui si avrà uno scorrimento s>0.

Quando la macchina funziona da freno sia la potenza elettrica che quella meccanica vengono dissipate in calore, per effetto Joule, negli avvolgimenti della macchina. Questo tipo di frenatura, piuttosto energica, viene utilizzato quando si vuol arrestare il moto di un motore già in funzione: basta invertire due delle fasi dei alimentazione per ottenere l'inversione del senso di rotazione del
campo magnetico, per cui il motore è sottoposto ad una coppia che tenderebbe a farlo ruotare all'indietro. Si tratta della cosiddetta frenatura in "contro corrente", per la quale bisogna dotare la
macchina di dispositivi tali da disinserire l'alimentazione non appena la macchina si ferma, altrimenti essa tenderebbe a ruotare nel verso opposto. 

Uno dei comandi più consueti è l'avviamento, che consiste nel portare la velocità del motore da zero a quella nominale. Affinchè il motore possa avviarsi ed accellerare, è necessario che la coppia di spunto sia superiore alla coppia resistente, sempre all'avviamento, del carico. Inizialmente il rotore è fermo e lo statore non è alimentato; la tensione e la frequenza nominali del motore sono uguali a quelli della linea di alimentazione. Quando si chiude l'interruttore che collega la linea al motore (rotore fermo, s=1) questo, assorbe dalla linea la massima corrente, così elevata (4-8 volte la corrente nominale) che può dar luogo a diversi inconvenienti, tra i quali un eccessivo riscaldamento degli avvolgimenti e della linea. Si accennerà ora agli accorgimenti usati per ovviare a questi inconvenienti:

Se il motore è a rotore avvolto, sarà dotato di anelli, spazzole e resistenze variabili sul circuito di rotore, Figura 3.11, questa terna di resistenze è chiamata reostato d'avviamento ed avviamento reostatico il tipo di avviamento per tali motori. La presenza di una elevata resistenza rotorica all'atto dell'avviamento e con tensione di alimentazione costante, ha un duplice scopo: da un lato l'impedenza rotorica aumenta di modulo con una conseguente diminuzione della corrente assorbita dal motore all'avviamento; dall'altro l'aumento della resistenza comporta una diminuzione dello sfasamento delle correnti rotoriche con conseguente aumento del valore della coppia di avviamento e quindi dell'accelerazione. Il reostato, completamente inserito all'atto dell'avviamento, verrà gradualmente disinserito man mano che la velocità aumenta, verrà escluso completamente quando la velocità avrà raggiunto il suo valore nominale.

Per i motori con rotore a gabbia (o con rotore in cortocircuito) non è possibile inserire resistenze nei circuiti rotorici per cui, all'avviamento, le correnti di spunto sono elevate. Ora, essendo il circuito fortemente induttivo (la gabbia rotorica è immersa nel ferro), le correnti sono notevolmente sfasate rispetto alle f.e.m., cioè piccola è la potenza assorbita e tale risulta anche la coppia motrice. Di conseguenza, si possono avere due tipi fondamentali sistemi di avviamento. Si ha avviamento diretto quando la potenza del motore è piccola (10 kW al massimo), per cui questi motori vengono avviati senza alcun accorgimento particolare perché la corrente di spunto risulta di piccola intensità, (3 ÷ 6) IN, e, quindi, non crea problemi alla linea e la coppia di spunto è pressappoco uguale a quella nominale (0.5 ÷ 1) C N. Si ha, invece, avviamento a tensione ridotta

quando, non essendo possibile avere allo spunto correnti relativamente ridotte con coppie relativamente alte, si mira essenzialmente a limitare la corrente di spunto riducendo la tensione di alimentazione. In questo modo, però, si riduce anche la coppia di spunto che è proporzionale al quadrato della tensione applicata al motore, per cui questo metodo può essere usato solo quando la coppia resistente all'avviamento presenta piccoli valori, oppure quando il motore possiede una coppia di spunto tanto elevata per cui la riduzione di tensione non pregiudica l'avviamento.

L'avviamento stella-triangolo, viene utilizzato per quei motori la cui tensione nominale, per ciascuno dei suoi avvolgimenti statorici, sia uguale alla tensione concatenata della linea di alimentazione. All'avviamento le fasi del motore vengono collegate a stella, a triangolo durante la marcia normale. All'avviamento gli avvolgimenti statorici, collegati a stella, saranno soggetti ad una tensione ridotta 3 volte, la corrente di linea assorbita dal motore si riduce di un terzo come pure la coppia di spunto, proporzionale al quadrato della tensione. Questo metodo, molto usato in passato, ha l'inconveniente di presentare un brusco aumento della corrente e della coppia nel passaggio da stella a triangolo.