PROVE SUL MOTORE ASINCRONO TRIFASE. Metodo indiretto

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1 Alunno: Gruppo: Classe: Data: I. T. I. S. P. HEMSEMBERGER XXXX YYY 2 5 B1 22 apr MONZA La relazione deve contenere: Circuito equivalente con il valore di ogni elemento; Diagramma circolare; Curve caratteristiche (come nelle prova precedente). Note Relaz Mot As - Indiretta.doc PROVE SUL MOTORE ASINCRONO TRIFASE MACCHINE ELETTRICHE Franco Cottignoli pag. 400/410, 394/396 Metodo indiretto Oggetto: Motore asincrono trifase a rotore avvolto tipo V 413 Tensione di alimentazione Vn = 220/380 V /Y In = 6,5/3,75 A Pn = 2 Hp f = 50 Hz N = 1500 g/min N N inventario Scopo: 1 Determinare il circuito equivalente 2 Tracciare il diagramma circolare 3 Tracciare le curve caratteristiche di funzionamento (dal diagramma circolare) Procedimento: 1) Misura delle resistenze statoriche e rotoriche. (pag. 394) 2) Misura del rapporto di trasformazione a rotore aperto. (pag. 395) 3) Prova a vuoto. (pag. 401) 4) Prova a rotore bloccato. (pag. 407) 5) Elaborazione dei risultati e disegno del circuito equivalente. (pag. 265) 6) Elaborazione dei risultati e disegno del diagramma circolare (polare). (pag 276) 7) Disegno delle curve caratteristiche attraverso simulazioni sul diagramma circolare. (Vedi tabella EXCEL) MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 1/18

2 PREMESSA Le prove di collaudo delle macchine elettriche devono essere eseguite seguendo i criteri stabiliti dalle Norme CEI a meno che non vi siano accordi particolari tra le parti. Le Norme da seguire per le prove sulle macchine elettriche sono: a) per le macchine rotanti: Norme CEI 2.3 (fasc. 355) del 1974 e 2.6 (fasc. 418) del 1976; b) per i trasformatori: Norme CEI 14.4 (fasc. 253) del Le principali prove da eseguire sulle macchine elettriche sono: a) prova di riscaldamento; b) prova di isolamento; c) prova di funzionamento per la determinazione del rendimento (nel caso di macchine rotanti) e delle perdite (nel caso di trasformatori). Oltre a queste prove che sono obbligatorie e devono essere eseguite secondo quanto fissato dalle Norme, si eseguono normalmente altre prove di funzionamento che consentono di poter meglio studiare il comportamento ed il funzionamento delle macchine. Nel caso di motori asincroni vengono eseguite delle prove per tracciare quelle curve, dette caratteristiche di funzionamento, che consentono di determinare il comportamento del motore in funzione delle condizioni di carico. Tali curve descrivono l andamento di: potenza, fattore di potenza, rendimento, coppia e scorrimento, in funzione della corrente assorbita o della potenza resa (caratteristiche elettromeccaniche) e coppia motrice in funzione della velocità o dello scorrimento a tensione e frequenza costanti (caratteristica meccanica). I metodi usati per il rilievo delle caratteristiche di funzionamento sono due: metodo diretto (prove al freno per motori di piccola potenza, max 10 CV); metodo indiretto (ovvero costruzione del diagramma circolare per motori di grossa potenza). Modalità di svolgimento della prova - Saranno date le fotocopie di questa relazione dove sono mescolati dati relativi al collegamento a Y e dati relativi al collegamento a. - La prova sarà eseguita in 2 gruppi: 1 con macchina collegata a Y; 2 con macchina collegata a. - Saranno solo proiettate le slide relative alla costruzione del circuito equivalente e del diagramma circ. MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 2/18

3 1 - MISURA DELLE RESISTENZE DEGLI AVVOLGIMENTI SCOPO Misura in corrente continua della resistenza (di R < 1 Ω) degli avvolgimenti di rotore e statore. PREMESSA Metodi utilizzabili: Doppio ponte di Thomson per la sua precisione nella misura di resistenze molto basse; Ponte di Wheatstone, Metodo di confronto, Metodo voltamperometrico, ecc.. Metodo utilizzato: Metodo voltamperometrico per la sua semplicità. Attenzione alle R di contatto e dei cavetti. SCHEMA ELETTRICO Alimentatore da banco in corrente continua V = 0 50 Vcc Imax = 5 A Rz A + V u v w M 3 ~ a b c TABELLA DEGLI STRUMENTI UTILIZZATI Nº STRUMENTO TIPO COSTRUT. / MOD. CARATTERISTICHE Nº INV. 1 Voltometro Multim. Digit. FLUKE 87 III V, I, Ω, f, - Cl. 0,2-0,5 2 Amperometro Multim. Digit. FLUKE 87 III V, I, Ω, f, - Cl. 0,2-0,5 3 Reostato A cursore SECI SECI tipo 6D/S 4 Alimentatore Corrente cont. Da banco 0 50 V - 5 A MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 3/18

4 TABELLA SPERIMENTALE AVVOLGIMENTI DI STATORE COLLEGATI A TRIANGOLO??? AVVOLGIMENTI DI ROTORE COLLEGATI A STELLA S T A T O R E R O T O R E V I R V I R mv ma Ω mv ma Ω Ruv 121,3 25,6 4,738 Rab 85,2 99,9 0,853 Ruv 206,2 43,8 4,708 Rab 170,3 201,2 0,846 Ruv 315,3 67,9 4,644 Rab 258,1 301,2 0,857 Ruw 111,3 23,8 4,676 Rac 87, ,862 Ruw 176,3 37,5 4,701 Rac 173,8 202,3 0,859 Ruw 310,2 65,2 4,758 Rac 257,9 300,1 0,859 Rvw 158,1 33,2 4,762 Rbc 85,2 100,5 0,848 Rvw 195,3 41,8 4,672 Rbc 173,2 203,9 0,849 Rvw 325,6 70 4,651 Rbc 256,2 301,5 0,850 Rsm = 4,701 Ω Rrm = 0,854 Ω Rsf = 2,351 Ω Rrf = 0,427 Ω FORMULE UTILIZZATE Corrente max di prova Imax = 10% di In (per non riscaldare gli avvolgimenti durante la prova). Resistenza misurata: Rm = V I Resistenza media misurata di statore: Rms = Resistenza di un avvolgimento di statore: Rs = 3 2 Resistenza di un avvolgimento di rotore: Rr = 1 2 R1ms + R2ms +... Rnms n Rms in quanto gli avvolgimenti di statore sono collegati a triang. Rmr in quanto gli avvolgimenti di rotore sono collegati a stella RISULTATI FINALI Resistenza dell avvolgimento di statore Rsf = 2,51 Ω Resistenza dell avvolgimento di rotore Rrf = 0,427 Ω Temperatura ambiente Ta = 20 C MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 4/18

5 RELAZIONE Esecuzione della prova Le misure sono state eseguite col metodo voltamperometrico nelle seguenti condizioni di prova: a) Macchina fredda (a temperatura ambiente); b) Con corrente adeguatamente bassa (< 10% della In) per non riscaldare gli avvolgimenti. c) Voltometro (con resistenza interna elevata) collegato a valle per poter trascurare l errore sistematico. d) Provvedimenti per eliminare le resistenze di contatto e dei cavetti. La resistenza zavorra Rz è stata inserita per limitare la corrente nel circuito in quanto la resistenza degli avvolgimenti è molto piccola. Attenzione al tipo di collegamento degli avvolgimenti; se nella morsettiera fossero accessibili le coppie di morsetti di ogni avvolgimento sarebbe opportuno collegare i tre avvolgimenti in serie e quindi dividere per 3 il risultato finale. La misura della resistenza degli avvolgimenti di statore è stata eseguita ai morsetti (U V W) del motore collegato a triangolo, pertanto la resistenza del singolo avvolgimento di statore risulta 3/2 la resistenza misurata. La misura della resistenza degli avvolgimenti di rotore è stata eseguita direttamente agli anelli (per escludere la resistenza di contatto delle spazzole) con rotore collegato a stella, pertanto la resistenza del singolo avvolgimento di rotore risulta 1/2 la resistenza misurata. Le misure sono state ripetute più volte e per ogni avvolgimento in modo da ricavare il valore medio della resistenza del generico avvolgimento di statore e di rotore. Considerazioni finali Dai valori di resistenza riportati in tabella non risultano differenze costruttive tra i tre avvolgimenti di statore o di rotore. MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 5/18

6 2 - MISURA DEL RAPPORTO DI TRASFORMAZIONE PREMESSA Il rapporto di trasformazione si può misurare solo in motori con rotore avvolto ed è dato dal rapporto tra le f. e. m. indotte primarie (statore) e secondarie (rotore) a rotore bloccato (scorrim. s = 1) K = Es Er All atto pratico la misura delle f. e. m. i. è praticamente impossibile in quanto (diversamente dal trasformatore) la reattanza di dispersione e la corrente a vuoto sono notevoli, pertanto il valore misurato rappresenta molto approssimativamente il rapporto spire tra statore e rotore. SCHEMA ELETTRICO V 1 V 2 R S T u v w M 3 ~ a b c TABELLA DEGLI STRUMENTI UTILIZZATI Nº STRUMENTO TIPO COSTRUT. / MOD. CARATTERISTICHE Nº INV. 1 Voltometro 1 Multim. Digit. FLUKE 87 III V, I, Ω, f, - Cl. 0,2-0,5 2 Voltometro 2 Multim. Digit. FLUKE 87 III V, I, Ω, f, - Cl. 0,2-0,5 3 Alimentatore Trifase in c. a.. Da banco V - 10 A MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 6/18

7 TABELLA SPERIMENTALE Statore collegato a stella o triangolo???? ALIMENTAZIONE LATO STATORE ALIMENTAZIONE LATO ROTORE Vs Vr K NOTE Vs Vr K NOTE V V V V 90 32,8 2,74 V UV -V ab 25,5 10 2,55 V UV -V ab ,1 2,75 V UV -V ac 76,2 30 2,54 V UV -V ac ,8 2,79 V UV -V bc 155,3 60 2,59 V UV -V bc 90 32,5 2,77 V UW -V ab 25,1 10 2,51 V UW -V ab ,8 2,77 V UW -V ac 75,3 30 2,51 V UW -V ac ,5 2,77 V UW -V bc ,58 V UW -V bc 90 32,3 2,79 V VW -V ab 25,3 10 2,53 V VW -V ab ,9 2,76 V VW -V ac ,53 V VW -V ac ,5 2,77 V VW -V bc 155,1 60 2,59 V VW -V bc K' = 2,77 K'' = 2,55 K = 2,66 FORMULE UTILIZZATE K = Vs Vr (alimentazione lato statore) Vs K = Vr (alimentazione lato rotore) K = K' x K'' RISULTATI FINALI Rapporto di trasformazione K = 2,66 MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 7/18

8 RELAZIONE Esecuzione della prova Per ridurre l errore la prova viene eseguita prima alimentando il motore dallo statore (con rotore aperto) e successivamente alimentando il motore dal rotore (con statore aperto). Per compensare gli effetti di una eventuale differenza costruttiva tra le fasi, le misure vengono eseguite spostando successivamente il voltometro sulle tre fasi secondarie ed eseguendo la media dei valori rilevati. La f. e. m. i. al secondario varia leggermente in funzione della posizione del rotore rispetto allo statore, pertanto prima di rilevare tale tensione è opportuno muovere leggermente il rotore per valutare tale variazione e quindi bloccare il rotore sul valore medio di tale tensione. MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 8/18

9 3 - PROVA A VUOTO Per determinare: Pm Pfe; Io, - Cos ϕo; Ra - Xµ PREMESSA La prova a vuoto viene eseguita per determinare: - Le perdite meccaniche Pm e le perdite nel ferro Pfe; - La Ra e la Xµ che servono per la costruzione del circuito equivalente; - La Io ed il cos ϕ 0 che servono per tracciare il diagramma circolare. La potenza assorbita durante la prova a vuoto è data da: Po = Pm + Pfe + Pjs Pm = potenza meccanica necessaria per vincere la resistenza dell aria e gli attriti nei cuscinetti Pfe = potenza dissipata nel ferro per isteresi e correnti parassite Pjs = potenza dissipata nel rame di statore per effetto Joule La corrente che circola nel rotore è molto bassa in quanto lo scorrimento a vuoto è quasi zero, pertanto sono trascurabili le perdite per effetto Joule nel rotore (nello statore non sono trascurabili a differenza del trasformatore in quanto la corrente a vuoto è circa il 40% contro il 10% del trasformatore) SCHEMA ELETTRICO V * * Wa R S T * * Wb A M 3 ~ TABELLA DEGLI STRUMENTI UTILIZZATI Nº STRUMENTO TIPO COSTRUT. / MOD. CARATTERISTICHE Nº INV. 1 Voltometro Multim. Digit. FLUKE 87 III V, I, Ω, f, - Cl. 0,2-0,5 2 Amperometro Multim. Digit. FLUKE 87 III V, I, Ω, f, - Cl. 0,2-0,5 3 Wattmetro 1 4 Wattmetro 2 5 Alimentatore Trifase in c. a.. Da banco V - 10 A MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 9/18

10 TABELLA SPERIMENTALE E GRAFICI V I Wa Wb n Po Qo cosfo Pjs Pm + Pfe V A W W giri/min W Var W W 408 1, ,54 0,14 41,35 136, , ,26 0,16 39,50 134, , ,18 0,17 31,30 131, , ,51 0,20 26,61 128, , ,07 0,23 21,62 126, , ,60 0,30 16,26 122, , ,89 0,38 12,16 120, , ,63 0,49 9,09 118, , ,76 0,64 7,83 113, , ,87 0,82 9,31 111, , ,94 0,84 14,00 109,00 FORMULE UTILIZZATE Po = Wa + Wb cos ϕ 0 = arc tg Qo Po Po - Pjs = Pfe + Pm Qo = 3 x (Wa Wb) (si trascura l autoconsumo degli strumenti) Pjs = 3 x Rfs x If 2 If = I se lo statore e collegato a Y If = I 3 se lo statore e collegato a GRAFICI MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 10/18

11 Separazione delle perdite meccaniche e nel ferro per estrapolazione Po = Pm + Pfe + Pjs Po - Pjs = Pfe + Pm Pertanto se ad ogni valore rilevato di Po si sottrae la Pjs, si ricava il valore Pfe + Pm. Pjs = 3 x Rfs x I 2 con statore collegato a stella Pjs = 3 x Rfs x (I / 3 ) 2 = Rfs x I 2 con statore collegato triangolo dove: Rfs = resistenza di fase dello statore; I = corrente di linea misurata dall amperometro Tracciando il diagramma Pm + Pfe = f(v) e prolungando (estrapolazione) la curva fino all asse delle ordinate (tensione zero e quindi perdite nel ferro zero), si determina il valore di Pm. Avendo la curva un andamento parabolico è di difficile ricostruzione, mentre la stessa operazione risulta più facile se eseguita sul diagramma Pm + Pfe = f(v 2 ). Si ottiene così una retta il cui prolungamento incontrerà l asse delle ordinate in corrispondenza delle perdite meccaniche. I risultati determinati in questo modo sono: Pm = 67,71 W Pfe = 110,956 W Pjs = 18,92 W Pfe e Pjs sono stati calcolati alla Vn. RISULTATI FINALI VALORI ALLA TENSIONE NOMINALE (valori messi a caso) Un = 220 V Io = 2,85 A Io = 43,85 % di In (In = 6,5 A) Po = 184,59 W Qo = 1065 VAR cos ϕ 0 = 0,17 (ϕ 0 = ) Pm = 67,71 W Pfe = 110,956 W Pjs = 18,92 W MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 11/18

12 RELAZIONE Esecuzione della prova La prova è stata eseguita con statore collegato a triangolo (Vn = 220 V In = 6,5 A) e rotore libero di ruotare (senza carico meccanico). Lo statore è stato alimentato con una tensione variabile da un massimo di circa 110% di Vn e cioè 250 V ad un minimo di circa 40% di Vn e cioè 100 V (al di sotto di tale tensione il motore incomincia a rallentare e la corrente aumenta invece di diminuire;la prova non è più valida in quanto deve essere effettuata a velocità costante per poter separare le Pm dalle Pfe). Per le portate amperometriche bisogna tener presente che la corrente in un motore asincrono trifase di piccola potenza è circa il 40% di In e cioè 3 A. I due wattmetri sono inseriti secondo ARON (in quanto il carico è perfettamente equilibrato contrariamente a quanto avviene nel caso di trasformatore trifase) con voltmetriche a monte per trascurare l autoconsumo degli strumenti. Il cos ϕ 0 è inferiore a 0,5 (il wattmetro b segna sempre negativo) pertanto è necessario utilizzare wattmetri a basso cos ϕ. MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 12/18

13 Considerazioni finali (sulle curve) Curva Io: L andamento è simile alla curva di magnetizzazione del ferro (come nel trasformatore); la presenza del traferro in questo caso attenua (raddrizza) l andamento e non evidenzia la saturazione. Riducendo la tensione sotto il 40% della Vn, la corrente tenderebbe ad aumentare in quanto la macchina rallenterebbe fino ad arrestarsi. Curva Po: La Po è somma di una parte costante la Pm (se la velocità e costante) ed una parte che è funzione del quadrato della tensione (perdite nel ferro + Pj statore), pertanto l andamento è quello di una semiparabola con vertice (per V = 0) che incontra l asse delle potenze nel punto P = Pm. Curva cos ϕ 0 : Cresce col diminuire della tensione perchè le perdite meccaniche che costituiscono una potenza attiva sono costanti ed assumono una importanza sempre maggiore man mano che diminuisce la tensione. Il cos ϕ 0 è piuttosto basso, pertanto attenzione a trascurare gli autoconsumi degli strumenti. MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 13/18

14 4 - PROVA A ROTORE BLOCCATO Per determinare: Pcu; Icc - cosϕcc; Ze - Re - Xe PREMESSA La prova a rotore bloccato viene eseguita per determinare: - Pcu (perdite nel ferro) Pcc; - Icc (riferita alla tensione nominale Vn) e cos ϕ cc che servono poi per tracciare il diagramma circolare; - Ze, Re, Xe che servono per la costruzione del circuito equivalente; - La prova deve essere eseguita necessariamente ad una tensione ridotta (circa il 25% della Vn) in modo che la corrente nello statore SCHEMA ELETTRICO V * * Wb R S T * * Wa M 3 ~ A Voltmetriche a valle R S T Wa Wb V M 3 ~ A Pcc Pcu MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 14/18

15 TABELLA DEGLI STRUMENTI UTILIZZATI Nº STRUMENTO TIPO COSTRUT. / MOD. CARATTERISTICHE Nº INV. 1 Voltometro Multim. Digit. FLUKE 87 III V, I, Ω, f, - Cl. 0,2-0,5 2 Amperometro Multim. Digit. FLUKE 87 III V, I, Ω, f, - Cl. 0,2-0,5 3 Wattmetro 1 4 Wattmetro 2 5 Alimentatore Trifase in c. a.. Da banco V - 10 A TABELLA SPERIMENTALE STATORE COLLEGATO A STELLA (In = 3,75 A) LET. V I Wa Wb Pcc Qcc Cos ϕcc N V A W W W VAR / 1 111,7 4,5 460,0-7,6 452,4 809,9 0, ,5 4,3 417,0-6,1 410,9 732,8 0, ,4 3,9 342,0-2,9 339,1 597,4 0, ,0 3,6 296,0-1,7 294,3 515,6 0, ,0 3,3 248,0-1,0 247,0 431,3 0, ,5 3,0 206,0-0,9 205,1 358,4 0, ,1 2,7 167,3-0,4 166,9 290,5 0,498 FORMULE UTILIZZATE Pcc = Wa + Wb Qcc = 3 x (Wa Wb) (si trascura l autoconsumo degli strumenti) cos ϕ cc = arc tg Qcc Pcc Pcu = 3 x Rfs x If 2 If = I se lo statore e collegato a Y If = I 3 se lo statore e collegato a Pcc =~ Pcu MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 15/18

16 Vcc Pcc cosfcc Pcc=f(I 2) Pcc=f(I) 0 In I 0 In I 0 In I MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 16/18

17 CONDIZIONI DI PROVA In variabile tra un minimo del 40% di In (1,5 A circa) ad un massimo del 120% di In (4,5 A circa). La prova ha inizio dalla I max per portare la macchina a regime termico. La Vcc quando negli avvolgimenti circola la In è circa il 20-30% della Vn (5-10% nel caso del trasformatore). Il coseno si mantiene costante ed intorno allo 0,5. RISULTATI FINALI VALORI ALLA CORRENTE NOMINALE (e alla temperatura della prova 40 C) Un = 220 V In = 6,5 A Pcc = W cos ϕc cc = ϕ cc = Ze = Ω Re = Ω Xe = Ω MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 17/18

18 RELAZIONE Cenni teorici La prova a rotore bloccato viene eseguita per determinare la Icc (riferita alla tensione nominale Vn) ed il cos ϕ cc che servono poi per tracciare il diagramma circolare. La prova deve essere eseguita necessariamente ad una tensione ridotta (circa il 25% della Vn) in modo che la corrente nello statore non superi il 120% della corrente nominale. La corrente di corto circuito alla tensione nominale viene poi calcolata con la formula Icc(Vn) = Vn Vcc x I(Vcc). Per la scelta degli strumenti occorre tener presente che: la V arriva la massimo al 30% della Vn e quindi Vmax = 0,3 x 380 = 120 V; il cos ϕ si mantiene costante durante la prova attorno allo 0,5 (il wattmetro b può segnare negativo o zero); la I = 1,2 x In. Esecuzione della prova La prova si conduce alimentando lo statore con una tensione ridotta in moto tale che la corrente circolante negli avvolgimenti vari da un massimo del 120% fino ad un minimo del 40% della In, per valori decrescenti di corrente in modo che le macchina si trovi sempre alla stessa temperatura. Non è stato fatto il riporto dei valori alla temperatura convenzionale di 75 C. I valori rilevati dagli strumenti sono funzione della posizione del rotore rispetto allo statore, infatti facendo ruotare lentamente il rotore si osserva una oscillazione degli indici degli strumenti tra un minimo ed in massimo. Pertanto, prima di eseguire le misure, il rotore è stato bloccato sulla posizione media segnata dagli strumenti Considerazioni finali Dato che il cos ϕcc è piuttosto basso, sarebbe stato più opportuno non trascurare gli autoconsumi degli strumenti. Le caratteristiche di Vcc e cosϕcc in funzione di Icc sono prevalentemente lineare tipiche di una impedenza costante (siamo lontani dal punto di saturazione del ferro ed è prevalente l effetto del traferro). N. B. Porre Pcc = Pcu nel motore asincrono è una grossolana semplificazione per 2 motivi: 1) Nel trasformatore le Pcc =~ Pcu; nel motore questo non è vero in quanto la tensione Vcc è circa il 30% della Vn e quindi non sono trascurabili le perdite nel ferro durante la prova a rotore bloccato Pcc = Pcu + Pofes + Pofer Pofes = perdite nel ferro di statore durante la prova a rotore bloccato. Pofer = perdite nel ferro di rotore. 2) Le perdite nel ferro del rotore Pofer sono notevoli a rotore bloccato essendo la frequenza delle correnti rotoriche pari a quella delle correnti statoriche, mentre nel funzionamento normale sono trascurabile essendo bassissima la frequenza rotorica. MOTORE ASINCRONO Prove col metodo indiretto Pag 18/18