Determinazione diretta delle caratteristiche di funzionamento di un motore asincrono trifase

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1 Determinazione diretta delle caratteristiche di funzionamento di un motore asincrono trifase La prova di laboratorio considerata consente di determinare le prestazioni dei motori ad induzione con il metodo della misura diretta della potenza elettrica in ingresso e della potenza meccanica in uscita. Nei laboratori scolastici le prove dirette sono eseguite su motori di piccola potenza, essendo disponibili generalmente sorgenti di alimentazione elettrica limitate, ma soprattutto in ragione della disponibilità di carichi variabili in grado di dissiparla. Il motore viene posto in funzionamento effettivo e per almeno 6 condizioni di carico, comprese tra il 25% e il 125% del carico nominale; si misurano, oltre alle potenze elettrica e meccanica, la tensione, la corrente, la frequenza, lo scorrimento, la coppia e la temperatura. Per poter attuare la prova è necessario applicare all albero del motore una coppia frenante capace di controbilanciare la coppia motrice sviluppata. Il carico meccanico deve poter essere di potenza idonea a consentire il sovraccarico del motore in prova, deve essere modulabile e misurabile facilmente. I dispositivi utilizzati sono di fatto dei freni, di tipo meccanico come il freno a ceppi (freno di Prony) adatto per motori di potenza fino ad un kw, od elettromagnetico (freno Pasqualini) fino a 15 kw o dinamo-freno molto versatile e adatto anche per potenze superiori. I limiti di utilizzo dipendono dalla potenza che, dissipata per effetto Joule riscalda notevolmente i dispositivi, mentre usando la dinamo freno la potenza viene dissipata da adeguate resistenze di carico collegate. La descrizione prende in esame la prova al freno elettromagnetico Pasqualini. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL FRENO Il dispositivo sfrutta l azione frenante dovuta alle correnti indotte in un disco metallico rotante entro un campo magnetico. Il suo funzionamento si basa sulla legge di Lenz, cioè sul fatto che le correnti indotte tendono ad opporsi alla causa che le genera. Sull albero del motore è calettato il disco di rame (o alluminio) che ruota fra le espansioni polari di due elettromagneti alimentati in corrente continua (vedi figura). Quando il motore gira con una certa velocità di rotazione e sviluppa la coppia motrice, il disco di rame diviene sede di correnti indotte, le quali interagiscono con il flusso e si manifesta sul disco la coppia resistente che si oppone alla coppia motrice sviluppata sull albero dal motore, che viene così frenato. Prof. Francesco Rappo Pagina 1 di 6

2 Poiché il flusso dipende dalla corrente di eccitazione, variando questa, si modifica la coppia resistente. Albero motore disco Massa di misura M Massa di taratura m asta Braccio b + - Gruppo freno Sulla struttura oscillante del freno è fissata un asta, sulla quale può spostarsi la massa M. Pertanto si può applicare all equipaggio del freno una coppia frenante Cf pari al prodotto del peso della massa M per il braccio b: in queste condizioni la struttura è sbilanciata. Con il motore in rotazione allora si riporta il sistema in equilibrio orizzontale, variando agevolmente la corrente di eccitazione degli elettromagneti; in queste condizioni la coppia motrice C m e quella resistente si bilanciano e sono pari a quella impostata: C m = C f = M g b (N m) dove g è l accelerazione di gravità, pari a 9,81 m/s 2 ed Il valore della massa M è di 0,974 Kg. Conoscendo il numero di giri al minuto, mediante stroboscopio o tachimetro si risale alla potenza meccanica P m = C m ω r = M g b 2 π n (W) 2π Pm = 0,974 9,81 b n = 1 b n (W) (La massa M da 0,974 Kg viene così dimensionata dal costruttore del freno proprio per semplificare i calcoli, rendendo immediato il risultato della potenza meccanica rilevata, semplicemente leggendo il valore del braccio b e il numero di giri al minuto n. Per coppie elevate, a corredo, vengono fornite masse diverse, multiple (X) di M; in questi casi la potenza si determina con P m = X b n (W) Inizialmente, a motore fermo, il freno va equilibrato: si porta la massa M sulla tacca di zero dell asta; il bilanciamento si ottiene spostando opportunamente la massa di taratura m ed osservando la livella a bolla integrata nel gruppo. La massa di taratura va poi bloccata. Prof. Francesco Rappo Pagina 2 di 6

3 Ciò fatto si eseguono varie prove assegnando diversi valori di coppie resistenti mediante posizionamenti della massa M lungo l asta. Un esempio: Il braccio b in metri relativo alla coppia erogata dal motore a potenza nominale si può predeterminare leggendo i dati di targa del motore,: potenza di targa e velocità in g/min per cui b = Pm/X n (m), dove X e il multiplo della massa unitaria M (1, 2, 3, ecc.) PREDISPOSIZIONE DEL CIRCUITO Schema per la prova al freno Pasqualini Pe misurare la potenza attiva assorbita dal motore in prova, sono inseriti due wattmetri in inserzione Aron collegati con le voltmetriche a monte; in questo modo gli autoconsumi delle bobine amperometriche risultano minori e comunque misurabili ed eliminabili. La potenza è data dalla somma algebrica delle indicazioni dei due wattmetri. Il wattmetro B in base alle considerazioni sull inserzione Aron, nel caso di carichi ohmico induttivi indica valori minori o negativi se il cos φ risulta inferiore a 0,5 quindi, per una maggiore precisione nelle misure va scelto uno strumento a basso cos φ (0,2) e dotato di commutatore per l inversione dei collegamenti voltmetrici in caso l indice scenda oltre lo zero. Il motore asincrono trifase è un sistema trifase simmetrico ed equilibrato, la misura della corrente può essere desunta pertanto da un solo amperometro inserito nella fase libera dalle altre bobine amperometriche e la tensione da un solo voltmetro. In caso di alimentazioni diverse dalla rete nazionale (gruppi elettrogeni o di conversione) e opportuno inserire nel circuito un frequenzimetro. Prof. Francesco Rappo Pagina 3 di 6

4 Per queste prove la frequenza e la tensione devono mantenere i valori costanti pari ai valori nominali del motore. Tutti gli strumenti di misura devono essere di classe di precisione almeno 0,5. Le portate si definiscono in base ai parametri del motore nelle condizioni di sovraccarico (+25%). Altri strumenti necessari sono il tachimetro o lo stroboscopio per la misura della velocità di rotazione in giri/minuto. Il variatore 1 consente l avvio graduale del motore a tensione crescente per non sovraccaricare gli strumenti e per mantenere la tensione ai valori nominali. Il variatore 2 regola la tensione e quindi, all uscita del ponte ac /dc la corrente continua di eccitazione delle bobine del freno e con l amperometro di controllo CONDUZIONE DELLA PROVA Al fine di avere dei risultati riferibili alla temperatura convenzionale di riferimento definite dalle norme, attuando pienamente il concetto di prova diretta, è necessario lasciare sotto carico il motore alle condizioni nominali per un tempo sufficientemente lungo (almeno cinque volte la sua costante di tempo termica) prima di effettuare le misure; poiché in fase di riscaldamento non serve rilevare la coppia, il sistema oscillante del freno può essere tenuto bloccato. Ai fini della sicurezza va ricordato che il disco del freno deve essere inaccessibile poiché avrà subìto un vistoso riscaldamento. La prova puòiniziare dopo aver controllato l azzeramento degli strumenti e selezionato le portate riferite ai valori sovraccarico del motore (5/4 di carico) e data tensione al circuito: 1) si avvia gradualmente il motore agendo sulla manopola del variatore 1 2) si osserva il senso di rotazione del motore e si controlla che la massa M si trovi sul braccio dell asta opposto al verso di rotazione 3) si effettua l equilibratura del freno (vedi sopra) con il variatore 2 disinserito (I ecc=0) 4) portata la massa di misura M nella posizione calcolata pari ai 5/4 del braccio b si regola il variatore 2 fino ad ottenere l equilibrio del giogo del freno (orizzontale) 5) in queste condizioni si riportano in tabella i valori letti sugli strumenti: voltmetro (controllo) wattmetro A Wattmetro B Tachimetro Amperometro di linea 6) si ripetono le procedure come da punto quattro e cinque spostando indietro la massa ai 4/4 del braccio, che in questo caso corrisponde ai valori nominali del Prof. Francesco Rappo Pagina 4 di 6

5 motore. L ultima prova si esegue a vuoto scollegando dall albero il freno e riavviando (gradualmente) il motore alla tensione nominale senza carico meccanico. E opportuno inoltre cambiare le portate quando gli indici degli strumenti scendono al di sotto dei della metà della scala (adottando però opportuni accorgimenti per non danneggiare gli strumenti come il by-pass temporaneo delle amperometriche dei wattmetri). Per ogni valore di carico si determinano le seguenti grandezze: Coppia resa misurata con il freno C m = C f = M g b (N m) Potenza attiva assorbita (somma algebrica) P ass. = P 13 + P 23 (W) Potenza resa P m = C m ω r = M g b 2 π n (W) 2π Pm = 0,974 9,81 b n = 1 b n (W) Fattore di potenza cos φ = P ass 3 V I oppure x= P23/ P13 e quindi cosφ = potenza persa P p = P ass - P m 1+ x 2 2 x x + 1 rendimento effettivo η = P P m ass n0 n f scorrimento s = dove n 0 è la velocità di sincronismo n0 = e p le coppie polari n p 0 ed n la velocità del motore misurata con tachimetro corrente statorica (strumentale) tensione nominale (strumentale) velocità motore (strumentale) Della potenza assorbita ai vari carichi con l inserzione dei voltmetri a monte si rende necessario sottrarre preventivamente gli autoconsumi delle amperometriche dei wattmetri e l autoconsumo dell amperometro: Pa = (Raw13+ Raw23 + Ra) I 2 Prof. Francesco Rappo Pagina 5 di 6

6 Tabella dati per rilievo delle caratteristiche di funzionamento di un motore asincrono trifase Tensione (V) f Hz Pr/Pn I P 13 P 23 P autoc b n C P ass P r η s cosφ (A) (W) (W) (W) (m) (g/min) (Nm) (W) (W) 5/4 4/4 3/4 2/4 1/4 a vuoto Legenda P r /P n = frazione di carico I = corrente assorbita P 13 = potenza misurata dal wattmetro13 P 23 = potenza misurata dal wattmetro 23 P autoc =autoconsumi degli strumenti utilizzati b =braccio utilizzato per la prova n =numero di giri del motore C= coppia sviluppata dal motore P ass =potenza assorbita dal motore al netto degli autoconsumi strumentali P r = potenza resa dal motore η = rendimento del motore s = scorrimento del motore cos φ = fattore di potenza Dai valori riportati in tabella si costruiscono le curve caratteristiche del motore e si osservano gli andamenti delle grandezze riportate in tabella in funzione delle frazioni di carico. Prof. Francesco Rappo Pagina 6 di 6