L' eccitazione di una macchina elettrica è necessaria per generare un campo magnetico in un nucleo di ferro dolce. Questo campo magnetico deve ruotare nello statore per una macchina sincrona in modo che possa indurre un campo rotante nel rotore.
Gli elettromagneti necessitano di corrente continua per generare un campo magnetico.
Questa corrente può essere fornita da diversi sistemi che possono essere suddivisi in due grandi gruppi: sistemi statici e sistemi dinamici .
Nei sistemi statici la corrente viene prelevata all'uscita della macchina (o direttamente dalla rete), raddrizzata da un ponte di diodi a corrente alternata in corrente continua e trasferita attraverso un sistema di spazzole che collega la sorgente al circuito rotorico. Il sistema dinamico utilizza una seconda macchina più piccola per generare la corrente necessaria.
L'eccitazione è molto importante nella macchina quando la macchina funziona come generatore perché il sistema può regolare la quantità di potenza reattiva ceduta o assorbita dal generatore. Se la macchina funziona come un motore, il campo magnetico deve essere costante e la sua regolazione non è necessaria.
Tutte le macchine, di bassa e media potenza, utilizzano questo tipo di eccitazione perché è più economica dell'altra perché non utilizza macchine aggiuntive.
La sorgente di corrente continua è costituita da un trasformatore collegato all'uscita del generatore, un raddrizzatore che converte la corrente alternata in corrente continua e un sistema di spazzole rotanti e collettori che trasmettono la corrente dalla sorgente alla bobina del rotore. Il controllo della tensione avviene nel ponte a diodi che può regolare l'ampiezza della tensione di uscita.
L'avviamento della macchina può essere un problema perché all'inizio la macchina non genera elettricità e quindi la bobina del rotore non può avere corrente per creare il campo magnetico necessario nella conversione elettromeccanica. A volte il campo rimanente (il campo dovuto alla saturazione del nucleo che rimane anche se non c'è corrente che scorre nella bobina) è necessario per iniziare a creare elettricità ma se non è sufficiente è necessario aggiungere un sistema ausiliario che funzioni mentre la macchina si sta avviando.
Un altro problema può essere la possibilità di un cortocircuito. Se l'induttore (l'eccitazione) è collegato alla rete senza un interruttore di gruppo (interruttore per proteggere un gruppo di componenti, in questo caso il trasformatore, il ponte a diodi e la bobina del rotore) e se un cortocircuito, la corrente di eccitazione diminuisce a zero e le protezioni non agiscono. Una possibile soluzione è installare in parallelo una seconda sorgente di corrente isolata dalla rete.
I sistemi dinamici utilizzano almeno una seconda macchina più piccola della macchina principale per generare la corrente di eccitazione. La macchina secondaria è normalmente fissata allo stesso albero della macchina principale per sfruttare la potenza meccanica della turbina. Esistono diversi tipi di eccitazione a seconda che la macchina sia in corrente continua o alternata.
Il sistema di eccitazione con la macchina in corrente continua è il primo sistema installato in gruppi idroelettrici (gruppi che ruotano a bassa velocità). La macchina CC ad alta potenza viene utilizzata sempre meno a causa del miglioramento delle macchine CA e dell'elettronica di potenza.
Il vantaggio di utilizzare la macchina a corrente continua è che non è necessario un raddrizzatore e che le perdite di energia corrispondenti sono ridotte. La macchina può avere un sistema di autoeccitazione (trainafilo dell'induttore collegato al trainafilo dell'indotto) oppure un sistema indipendente alimentato da una terza macchina più piccola dell'ultima. In quest'ultimo caso, la prima macchina è chiamata eccitatore principale e il secondo eccitatore ausiliario. Tutti i case delle macchine DC necessitano di un sistema di spazzole per collegare l'eccitatore al rotore.
Il sistema di eccitazione con la macchina AC utilizza una seconda macchina sincrona (a volte anche una terza) più piccola della macchina principale. Poiché genera una corrente alternata, è necessario un raddrizzatore tra l'eccitatore e la macchina principale. A seconda che il raddrizzatore sia statico o rotante ci sono due diversi sistemi, ma il controllo della tensione è sempre fatto dal raddrizzatore principale.
Raddrizzatore staticoL'eccitatore genera un sistema di eccitazione trifase nello statore che viene rettificato e fornito al rotore tramite un sistema a spazzole. Il rotore della macchina ausiliaria può essere alimentato da un trasformatore e un raddrizzatore che prendono la corrente dall'uscita della macchina principale. Questo sistema è una soluzione al problema del cortocircuito del sistema statico dove le protezioni possono agire perché l'eccitazione è isolata.
Eccitatore a diodi rotantiL'eccitatore a diodi rotanti è noto anche come eccitatore brushless ed è il sistema più sofisticato che mira a rimuovere le spazzole in quanto fanno parte del gruppo più instabile e che necessita di maggiore manutenzione. Questo è possibile perché la macchina secondaria è prodotta al contrario, cioè l'induttore (la parte che genera il campo magnetico) si trova allo statore e l'armatura (la parte dove generiamo corrente) al rotore.
La parte mobile è costituita dal rotore della macchina principale, dai diodi (il raddrizzatore) e dal rotore della macchina secondaria. Dall'altro lato, l'induttore della macchina secondaria può essere alimentato da un trasformatore e raddrizzatore dall'uscita della macchina principale o da una terza macchina sincrona a magneti permanenti che genera un sistema trifase bilanciato rettificato prima dell'induttore della seconda macchina.