Convertitore rotante

Un convertitore rotante è una sola macchina rotante che trasforma la corrente alternata in continua, o viceversa. Il suo avvolgimento d'indotto è collegato insieme ad anelli e a un collettore, così che gira come motore sul lato alternato e agisce come generatore sul lato continuo. Charles Bradley ne descrisse l'idea in una domanda di brevetto del 1887, e i convertitori alimentarono tram e ferrovie a corrente continua del primo Novecento.

Che cos’è

Un convertitore rotante trasforma la corrente alternata in continua, o la continua in alternata, con una sola macchina. Somiglia a un generatore a corrente continua: un induttore, un indotto rotante e un collettore con le spazzole. All’altra estremità dell’albero porta inoltre degli anelli collegati a punti dello stesso avvolgimento d’indotto.

All’inizio del Novecento le centrali producevano corrente alternata, che i trasformatori permettevano di trasmettere lontano ad alta tensione, mentre tram, ferrovie, galvanotecnica e molte reti cittadine usavano la continua. I convertitori delle sottostazioni collegavano i due sistemi. Un motore che azionava un generatore separato, il gruppo motore-generatore, faceva lo stesso lavoro con due macchine.

Come funziona

In un generatore a corrente continua la tensione indotta in ciascuna bobina dell’indotto rotante si inverte ogni volta che la bobina passa da un polo induttore al successivo. Il collettore, un anello di lamelle di rame collegate all’avvolgimento, e le spazzole che vi strisciano invertono in quegli istanti i collegamenti della bobina, a ogni mezzo giro in una macchina a due poli, così la corrente che esce dalle spazzole scorre sempre nello stesso verso.

Se si prendono anche dei collegamenti dall’avvolgimento in punti equidistanti e li si porta a degli anelli, dagli anelli si può prelevare corrente alternata mentre la continua esce dal collettore. Charles Bradley lo mostrò con un indotto ad anello derivato in quattro punti a 90 gradi, ciascuno collegato al proprio anello di contatto. Con tre punti a 120 gradi, gli anelli portano corrente trifase.

Le spazzole strisciano sulle lamelle del collettore e raccolgono corrente continua dallo stesso avvolgimento che gli anelli alimentano.

La macchina funziona nei due sensi. Alimentata in alternata attraverso gli anelli, gira come motore sincrono, al passo con la rete, e il collettore fornisce continua. Nel verso opposto, alimentato in continua e con corrente monofase prelevata da due anelli, l’indotto è interamente motore negli istanti in cui l’uscita alternata passa per lo zero e agisce in parte da generatore vicino ai massimi, così la potenza lo attraversa a impulsi.

Il rapporto tra le due tensioni è fissato dai collegamenti e dipende dal numero di anelli. Per cambiare la tensione continua si regolava l’alimentazione alternata, di solito con trasformatori. L’induttore era eccitato con corrente continua presa dal collettore della macchina stessa.

Come si fa

Girando sotto le sue spazzole, la fascia divisa inverte la corrente nel LED a ogni mezzo giro: la continua diventa alternata.

Un modellino a manovella mostra, con una piccola pila, l’organo che fa la conversione: il collettore collegato agli anelli. Servono un tondino di legno di circa 2 cm di diametro e 15 cm di lunghezza, due montanti di legno che lo reggano, nastro adesivo di rame, filo sottile isolato, quattro strisce elastiche di ottone o rame tagliate da un lamierino, una pila da pochi volt, un piccolo resistore che la protegga e un LED bicolore a due piedini con il resistore in serie che il produttore indica per la tensione della pila.

Avvolgete sul tondino tre fasce di nastro di rame larghe circa 1 cm e distanti 1 cm. Lasciate intere le prime due: sono gli anelli. Tagliate la terza in due metà, con uno spazio di circa 5 mm per lato: è il collettore. Praticate due forellini e fate passare sotto il nastro un filo da una metà del collettore al primo anello e uno dall’altra metà al secondo.

Appoggiate il tondino in tacche dei montanti perché giri liberamente. Avvitate le quattro strisce d’ottone alla base in modo che ciascuna prema sul rame: una su ogni anello e due sul collettore, da parti opposte del tondino. Fate la punta di ogni spazzola più stretta degli spazi. Collegate la pila, attraverso il suo resistore, alle due spazzole del collettore: il resistore limita la corrente ogni volta che una spazzola tocca insieme le due metà. Collegate il LED e il suo resistore in serie tra le due spazzole degli anelli.

Girate piano il tondino. Il LED si accende di un colore per mezzo giro e dell’altro per il mezzo giro successivo: la corrente vi si inverte due volte a giro, come in un’alimentazione alternata. Girando più in fretta i colori si mescolano. Un vero convertitore funziona anche al contrario, ricevendo alternata dagli anelli e restituendo continua dal collettore.

Storia ed evoluzione

La macchina di Bradley del 1887: un solo avvolgimento ad anello, derivato in quattro punti per quattro anelli, con un collettore sullo stesso albero.

Il 9 maggio 1887 Charles S. Bradley, di Yonkers (New York), depositò una domanda di brevetto per una dinamo il cui avvolgimento ad anello era collegato insieme a un collettore e a quattro anelli di contatto. Scrisse che la macchina poteva servire “a trasformare una corrente continua in alternata, o viceversa”. Il brevetto statunitense 390.439 fu concesso nel 1888. In una domanda successiva ridusse le derivazioni a tre e descrisse un motore il cui collettore raddrizzava tutta la corrente per motori a corrente continua, bagni galvanici o lampade ad arco. Alla Westinghouse, Benjamin Lamme progettò un convertitore rotante come un generatore a corrente continua unito a un motore sincrono, e solo più tardi venne a sapere del brevetto di Bradley.

I sistemi polifase fecero del convertitore una macchina comune. L’energia arrivava ad alta tensione alle sottostazioni, dove i convertitori rotanti la trasformavano in continua per le linee tranviarie e ferroviarie. Richiedevano personale sul posto. I raddrizzatori a vapori di mercurio, ampolle di vetro contenenti mercurio e senza parti mobili, convertirono anch’essi l’alternata in continua, tra l’altro per la metropolitana di New York, e furono a loro volta sostituiti dai tiristori, interruttori a semiconduttore.