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Prova a vuoto di un motore asincrono trifase"

elettrotecnica

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LAVORO AL VIDEOTERMINALE

I.T.I.S. G.Cardano

LABORATORIO    DI   ELETTROTECNICA

ESERCITAZIONE          4

"Prova  a  vuoto  di  un  motore  asincrono  trifase"

OGGETTO DELLA PROVA: Motore  asincrono  trifase

SCHEMA    ELETTRICO 

FORMULE   ADOPERATE

RILIEVO   DATI

V

I (A)

n°div

K

Wa

N°div

K

Wb

Ptot

Qtot

tg angolo

angolo

cos

210

1,3

24

8

192

23

-4

-92

100

491,9

4,92

1,37

0,199

240

1,5

30,5

8

244

33

-4

-132

112

651,25

5,81

1,4

0,169

270

1,65

39

8

312

46

-4

-184

128

859,1

6,71

1,423

0,147

300

2,05

50

8

400

61

-4

-244

156

1115,44

7,15

1,432

0,39

330

2,4

63

8

504

80

-4

-320

184

1427,2

7,76

1,443

0,28

360

2,7

81

8

648

107

-4

-428

220

1863,69

8,47

1,453

0,117

370

3,05

90

8

720

118

-4

-472

248

2064,6

8,33

1,451

0,119

380

3,2

96

8

768

125

-4

-500

268

2196,24

8,19

1,449

0,121

                  Voltmetro

              Amperometro

              Wattmetro 13

              Wattmetro 23

       n°div         

K

V

n°div

K

I (A)

n°div

K

W13

n°div

K

W23

26

2

52

13

0,2

2,6

30

4

120

6

1

6

30,5

2

61

43

0,2

8,6

12

4

48

17

1

17

35

2

70

18

0,2

3,6

59

4

236

21,5

1

21,5

40

2

80

22

0,2

4,4

80

4

320

34

1

34

43

2

86

24

0,2

4,8

94

4

376

44

1

44

46,5

2

93

26

0,2

5,2

110

4

440

55

1

55

RELAZIONE

La prova a vuoto di un motore asincronio trifase si esegue alimentando il motore e lasciandolo ruotare liberamente senza applicargli nessun carico meccanico.   Tenuto conto dell'analogia esistente con il trasformatore, si potranno fare spesso riferimenti a questa macchina, anche per delinearne le differenze.

Ruotando a vuoto , con tensione nominale, il motore richiederà dalla rete la potenza necessaria alle perdite nel ferro per isteresi e correnti parassite.

Rileviamo, però, che tali perdite, dipendenti dalla frequenza, sono localizzate nello statore in quanto nel rotore esistono frequenze molto molto basse.

Un motore asincrono in rotazione libera però, contrariamente per quanto riguarda il trasformatore, non può essere considerato rigorosamente a vuoto.  Infatti, mentre per il trasformatore la potenza trasferita al secondario è perfettamente nulla, il motore è chiamato a sviluppare una potenza tale da soddisfare le perdite meccaniche per attrito e ventilazione.  Tali perdite in realtà costituiscono un carico, che non permette al motore di girare in sinscronismo.  E' noto infatti che il motore asincrono a vuoto ideale dovrebbe funzionare in perfetto sincronismo, condizione che non può raggiungere spontaneamente perché si estinguerebbe la corona polare rotorica e con essa ogni azione di trascinamento.

Dall'esame del funzionamento a vuoto appare ancora che il motore presenta una corrente di spunto che raggiunge il 25¸40%  della corrente nominale. Questo significa che la potenza dissipata nel rame di statore non può essere trascurata e va computata nella potenza assorbita.

Le perdite nel rame di rotore invece sono trascurabili, data l'esiguità della corrente di rotore.

In conclusione, un motore a vuoto assorbe una potenza corrispondente alla somma delle perdite nel ferro e delle perdite nel rame a vuoto di statore:

La prova a vuoto completa deve essere condotta fino ad una tensione superiore del 10¸20% del valore nominale. Occorre quindi una sorgente di alimentazione di potenza adatta, nel nostro caso un variac, in grado di permettere la variazione della tensione impressa.

Il circuito di misura comprenderà (schema allegato):

»       un voltmetro di portata adatta, convenientemente superiore alla tensionenominale,

»       un ampermetro, di portata commisurata alla corrente a vuoto prevista, che potrà essere preventivata nel 25-40% della corrente nominale,

»       due wattmetri inseriti in Aron aventi portate ampermetriche e voltmetriche in relazione alle portate degli strumenti precedenti.

L'inserzione degli strumenti dovrà essere eseguita con le voltmetriche a monte delle ampermetriche, per ridurre gli errori di inserzione.

La prova deve essere eseguita avviando il motore e variando la tensione procedendo dai valori alti.  Si deve prestare molta attenzione all'atto dell'avviamento del motore in quanto come è noto esso assorbe una corrente di spunto circa 8-10 volte la corrente nominale.

Per evitare di danneggiare irrimediabilmente gli strumenti inseriti, si può avviare a tensione ridotta e aumentarla  via via fino al valore nominale, sorvegliando che l'ampermetro non vada fuori scala.  Punto per punto, per valori decrescenti, si rilevano le indicazioni degli strumenti.

Si effettua la prova fino ad un valore minimo di tensione giudicato ancora soddisfacente e poi interrotta.  Infatti, la diminuzione della tensione oltre certi limiti provoca il rallentamento della macchina, per cui essa non può più considerarsi funzionante a vuoto e a scorrimento trascurabile.   Questo è messo in rilievo dal comportamento della corrente assorbita che tende a crescere anziché diminuire per il sopravveniente rallentamento del motore.

Per tensione ancora minore il motore si arresta e la corrente assorbita tende al valore di corto.

Il valore di tensione per la quale la corrente inizia a crescere, può essere considerato il limite inferiore della prova, oltre il quale i risultati non sono attendibili.

Dalle letture dei wattmetri si ricavano la potenza assorbita a vuoto e il fattore di potenza a vuoto.   Come si è gia detto la potenza assorbita a vuoto comprende le perdite meccaniche , le perdite nel ferro e le perdite nel rame di statore; quest'ultime rappresentano un apporto indesiderabile ai fini dell'indagine della prova per cui vanno calcolate e detratte con la relazione:

                                                                                                                      

Detratta tale perdita dalla potenza assorbita, si ottiene un valore comprensivo delle perdite nel ferro e meccaniche:

Le grandezze lette e calcolate permettono di tracciare delle caratteristiche a vuoto del motore, tutte in funzione della tensione che agisce da parametro indipendente.

Corrente I0 = f(V)

La corrente a vuoto ha andamento crescente con la tensione, dapprima debolmente e poi sempre più rapidamente ( come in figura ). In perfetta analogia al caso del trasformatore, si tratta di un andamento dovuto alla componente magnetizzante che per valori elevati di tensione tende a crescere a dismisura per l'imminente saturazione del ferro.  Comunque, il fenomeno è meno brusco che nel caso del trasformatore, per la presenza del traferro.

Potenza Pm+Pf = f(V)

La potenza ha andamento crescente con la tensione (come in figura). Essa è la somma di una parte costante, le perdite meccaniche, e di una parte variabile con il quadrato della tensione con andamento quindi parabolico, le perdite nel ferro.

Fattore di potenza  cosj0 = f(V)

Il fattore di potenza decresce con l'aumentare della tensione in quanto la componente magnetizzante della corrente cresce più rapidamente della componente attiva dovuta alle perdite (come in figura).

Come già detto, il diagramma della potenza in funzione della tensione è praticamente una parabola per effetto delle perdite nel ferro.

Ponendo queste perdite proporzionali al quadrato della tensione:

la funzione può essere scritta come:

che per V=0  fornisce soltanto le perdite meccaniche.

In pratica non è possibile raggiungere la condizione di tensione nulla per quanto già detto, quindi, il punto V=0  si potrà ottenere per estrapolazione della caratteristica.

L'estrapolazione della parabola può creare, però, delle perplessità per la scarsa precisione con la quale può essere condotta.

Un miglior risultato può essere ottenuto riferendo la funzione ad una scala quadratica della tensione, in modo che la caratteristica si approssimi ad un andamento rettilineo che si può estrapolare con sicurezza.   Il punto che intercetta sull'asse delle ordinate rappresenta le perdite meccaniche. Se si traccia una orizzontale il grafico sarà ripartito in due aree ben distinte: la parte inferiore rappresenta le perdite meccaniche, la superiore le perdite nel ferro.

Le ordinate lette in corrispondenza del valore nominale della tensione danno singolarmente i valori desiderati delle perdite del ferro e meccaniche.

Naturalmente ai fini della precisione e attendibilità della prova è bene considerare gli errori di autoconsumo degli equipaggi voltmetrici e detrarlo dalla potenza totale, quindi in base al valore di quest'ultima variare tutti i risultati ottenuti.

Cenni teorici sul motore

MOTORE ASINCRONO TRIFASE

Principio di funzionamento e forma costruttiva

Il principio di funzionamento dei motori asincroni trifasi deriva da una diretta applicazione del campo magnetico rotante. La struttura costruttiva dello statore è la parte fissa del motore.

Gli avvolgimenti destinati a produrre il campo rotante vengono allogati entro cave praticate lungo la superficie cilindrica interna del pacco di corone circolari che forma l'anello magnetico di statore.

Il pacco lamellare è realizzato in lamiere magnetiche al silicio fra loro isolate e compresse entro una carcassa di sostegno di ghisa o di acciaio saldato, o anche in lega leggera per i piccoli motori.

L'isolamento verso le cave viene assicurato con cartoccio isolante e fasciando i lati di matassa con lastrature di cotone o mica - vetro successivamente impregnate con vernici polimerizzanti a caldo o con speciali resine sintetiche.

Nella cavità statorica del motore viene introdotto il rotore di diametro tale da realizzare un traferro dell'ordine del millimetro.

Il rotore del motore asincrono è costituito da un pacco cilindrico di lamiere magnetiche, tagliate a dico, isolate fra loro e strettamente serrate. Sulla superficie di questo cilindro vengono ricavate le cave longitudinali entro le quali vengono introdotti i lati attivi dell'avvolgimento rotorico.

Il circuito rotorico è costituito da tante sbarre conduttrici le cui testate sporgenti da una parte e dall'altra del cilindro rotorico sono collegate fra loro per mezzo di due anelli: la struttura che ne risulta prende il nome di rotore a gabbia di scoiattolo.

Nei motori di potenza più elevata, il circuito rotorico è rappresentato da un vero e proprio avvolgimento trifase, e allora si parla di rotore avvolto.

Frenatura dei motori trifasi asincroni

Il problema interviene nel caso di motori destinati al comando di gru, laminatoi, macchine utensili, ecc., come pure in quello della trazione. Si distinguono:

Frenatura dinamica o con corrente continua

Se si alimenta con corrente continua lo statore della macchina, dopo averlo staccato della rete, si viene a creare un campo magnetico fisso nell'interno del quale gira il rotore. In conseguenza di ciò, gli avvolgimenti di questo diventano sede di correnti indotte che, per la legge di Lenz, si oppongono al movimento della macchina.

Frenatura con contro corrente

Se si cambiano fra di loro due qualunque delle fasi di alimentazione, il rotore tende a girare in senso contrario al primo, consentendo così il raggiungimento dello scopo desiderato.

Una manovra del genere comporta però l'inconveniente che, al momento dell'inversione, la tensione rotorica può raggiungere un valore quasi doppio a quello che, con motore fermo, si riscontrerebbe tra gli anelli dell'indotto mantenuto aperto.

Frenatura supersincrona

Si basa sul fatto che il motore asincrono trifase, quando sia trascinato nel senso del campo rotante a velocità maggiore di quella corrispondente al sincronismo, funziona da generatrice asincrona.

Il metodo è sfruttato (anche a scopo di recupero) nella trazione ferroviaria, allorché i convogli corrono in discesa.

Frenatura monofase

Si può usare solo su macchine con rotore avvolto e statore connesso a stella, in quanto che la manovra in ultima analisi si riduce a collegare il primario in modo che esso venga a costituire un complesso formato dalla combinazione di due fasi in parallelo, disposte in serie con la terza.

Frenatura con corrente alternata e continua sovrapposte

Su una delle fasi dello statore (il cui collegamento, all'atto della manovra, deve passare da triangolo a stella) si inserisce l'armatura di una dinamo, che si può eccitare con la stessa comune rete di alimentazione, attraverso un congruo raddrizzatore.

Il campo magnetico fisso, che così si viene a determinare nello spazio, trasforma il motore in generatore sincrono azionato dal carico da frenare e caricato sulle resistenze del rotore.

Ne nasce così una doppia coppia resistente, dovuta in parte al funzionamento asincrono in controcorrente, ed in parte alla frenatura dinamica del motore sincrono.

Difetti dei motori asincroni trifasi

Corto circuito

Nello statore: si rivela, con un forte riscaldamento localizzato, un sordo rumore, un diseguale assorbimento di corrente sulle tre fasi, e una diminuzione della coppia.

Qualche volta se il corto circuito è tra spire vicine si nota solo il rumore, senz'altra alterazione nel funzionamento.

Nel rotore avvolto: al contrario di quanto accade per lo statore, che, anche se parzialmente cortocircuitato, consente egualmente l'avviamento del motore, sia pure con una piccola coppi, un corto circuito nel rotore non permette la messa in marcia della macchina; avviato a mano il motore si può mantenere in moto con irregolarità, rumore e forte riscaldamento locale.

Spingendo il motore si ha pure un'oscillazione di corrente nello statore. Gli stessi fenomeni si presentano quando invece di un corto circuito tra spire si abbia un'intera fase in corto circuito.

Interruzioni degli avvolgimenti

Gli effetti sono niente avviamento o avviamento con piccolissima coppia. Se il motore si trova già in moto, aumenta lo scorrimento e l'assorbimento di corrente, mentre diminuisce la coppia.

Se il motore tende a girare a velocità metà di quella di sincronismo con forte assorbimento di corrente e rumore, si può ritenere che vi sia un'interruzione del rotore.

Una barra dissaldata nei rotori a gabbia di scoiattolo dà una coppia ridotta ed un cattivo avviamento.

Avviamento difficile si ha pure nei rotori avvolti quando si hanno testate dissaldate oppure cattivi contatti nell'apparecchio di corto circuito.

Tutto ciò è rivelato da vibrazioni crescenti col carico, e da oscillazioni della corrente assorbita, che nelle reti di piccola potenza danno anche luogo a sensibili variazioni dell'intensità luminosa delle lampade inserite sulla stessa linea.

Errori nei collegamenti delle fasi

Con collegamento a stella anziché a triangolo si ha una coppia uguale a 1/3 di quella ricavabile nel primo caso, e quindi spesso insufficiente ad avviare il motore a carico.

Se una fase è rovesciata rispetto alle altre nello statore (scambio della fine col principio) non si ha avviamento a carico; il motore può anche partire (purché aiutato), producendo però un forte rumore ed assorbendo già a vuoto correnti diverse e superiori alle normali.

Anche false inserzioni delle bobine comportano delle anormalità, come ad esempio delle sensibili vibrazioni a vuoto.

Sempre si registrano forti oscillazioni nella corrente statorica.

Calcolo e costruzione difettosa dei motori asincroni trifasi

a)      Se il numero dei canali di statore o di rotore è troppo piccolo, come accade di necessità nei motori a numeri di poli elevato, si incorre in un abbassamento del fattore di potenza, della coppia massima e della coppia di avviamento.Se poi il numero di canali statorica non è stato scelto in relazione a quello dei canali rotorici e se questi non sono inclinati, la macchina avrà un funzionamento rumoroso.

b)      Tra ferro troppo grande o troppo piccolo. Se è troppo grande si avrà un forte assorbimento di corrente a vuoto e un basso fattore di potenza a carico. Gli stessi difetti si hanno anche con un tra ferro ben proporzionato, ma non sufficientemente simmetrico; in questo caso quando il rotore è un po' eccentrico rispetto all'asse, in due punti distanti 180° si registra un tra ferro troppo grande e rispettivamente troppo piccolo. L'effetto è una corrente magnetizzante parassita nel rotore, che aumenta l'assorbimento di corrente a vuoto. Un tra ferro troppo piccolo dà luogo a un funzionamento rumoroso a carico, dovuto alle variazioni del flusso di dispersione a zig-zag attraverso le punte dei denti dello statore e del rotore. Inoltre si esaltano tanto la probabilità di squilibrio magnetico, quanto quella di strisciamento del rotore contro lo statore. L'uso di avvolgimenti in parallelo sullo statore e una più solida costruzione meccanica della struttura portante del rotore, possono servire ad ovviare all'inconveniente. Perciò nei riguardi del tra ferro un elevato fattore di potenza ed un funzionamento silenzioso sono elementi antitetici. Volendo un avviamento rapido in un motore con rotore a gabbia di scoiattolo, il tra ferro deve essere aumentato del 50 ed anche del 100% a scapito del fattore di potenza e della corrente assortita a vuoto.

c)      Saturazione del circuito magnetico: anche le induzioni eccessive nella corona dello statore e del rotore o nei denti possono essere causa del forte assorbimento di corrente a vuoto. Ci si deve accertare (dopo avere esclusa tanto l'esistenza di corto circuiti quanto quella di interruzione o rovesciamento di bobine) che la tensione applicata allo statore sia effettivamente quella prevista per l'avvolgimento con quel determinato collegamento delle fasi. E qui va osservato che spesso le piccole officine eseguono il riavvolgimento di motori diminuendone il numero dei poli, senza preoccuparsi delle maggiori induzioni che si vengono a determinare nelle singole parti del circuito magnetico e che possono determinare correnti di magnetizzazione eccessive e molte volte non tollerabili.

Nei motori in corto circuito con avviatore stella-triangolo la coppia all'avviamento (collegamento a stella) risulta 1/3 della normale; conseguentemente se essa si rivela insufficiente occorre rinunciare a tale avviamento e se si vuole ridurre la corrente assorbita all'avviamento si deve ricorrere all'adozione si un autotrasformatore, che permette una riduzione più opportuna della tensione senza incidere troppo sulla coppia.    

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