Transistor come interruttore (6L6S)

Rilievo della caratteristica a vuoto di una dinamo
Marco Coppelli - Bruno Stortoni
20. Rilievo della caratteristica a vuoto di una dinamo
Scopo della prova
Determinare la curva che fornisce la tensione ai morsetti della dinamo funzionante a vuoto e alla
velocità nominale al variare della corrente di eccitazione.
Materiali e strumentazione
Dinamo
Alimentatore stabilizzato
Voltmetro
Amperometro
Interruttori bipolari (3)
Reostato per la regolazione della corrente
Contagiri elettronico
Motore primo (asincrono o a corrente continua)
Schema elettrico
Fig. 1. Prova a vuoto di una dinamo. Schema di montaggio.
RICHIAMI TEORICI
Si chiama prova a vuoto di una dinamo (o motore a corrente continua) il test di laboratorio,
effettuato sulla dinamo predisposta con l’eccitazione separata, che consente di misurare la tensione
ai morsetti al variare della corrente di eccitazione, nel funzionamento a velocità costante. La curva
che si ottiene riportando in un riferimento cartesiano la tensione a vuoto in funzione della corrente
di campo si chiama caratteristica di magnetizzazione della dinamo o caratteristica a vuoto (fig.
2).
Fig. 2. Caratteristica di magnetizzazione (a vuoto).
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Rilievo della caratteristica a vuoto di una dinamo
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La figura 2 mostra che al crescere del flusso induttore (cioè, al crescere della corrente di
eccitazione) la tensione ai morsetti U0 (e, quindi, la tensione interna generata E0) cresce
inizialmente con legge pressoché lineare. Raggiunta la corrente di saturazione, il flusso cresce
molto più lentamente seguendo la curva di magnetizzazione del materiale ferromagnetico
costituente la dinamo (caratteristica ascendente). Al diminuire della corrente di eccitazione fino a
zero, la tensione ai morsetti riprende a diminuire ma con valori sempre superiori a quelli precedenti
(caratteristica discendente). In pratica, la caratteristica di magnetizzazione descrive il ciclo di
isteresi del materiale ferromagnetico costituente la dinamo; dopo un tratto iniziale rettilineo (di
proporzionalità diretta tra corrente e tensione), la curva si abbassa mostrando che, anche per elevati
incrementi della corrente di eccitazione, si hanno solo piccole variazioni di tensione a vuoto. Come
caratteristica di magnetizzazione si assume la curva media tra quella ascendente e quella
discendente (cioè la curva avente come ordinate la media aritmetica delle caratteristiche rilevate in
laboratorio).
Il valore U0R della tensione ai morsetti quando la corrente di eccitazione è nulla è dovuto al
magnetismo residuo, cioè all’isteresi magnetica che lascia, nel materiale che ha già subito il
fenomeno della magnetizzazione ciclica, un piccolo magnetismo residuo sufficiente comunque a
produrre una apprezzabile f.e.m.i. nell’avvolgimento anche con corrente di eccitazione nulla. Il
punto di lavoro della dinamo viene volutamente collocato subito dopo il ginocchio di saturazione
per evitare intollerabili variazioni della tensione ai morsetti dovute a variazioni accidentali (e
contenute) della corrente di eccitazione. Solo nelle dinamo utilizzate come trasduttori nei sistemi di
controllo, il punto di funzionamento viene scelto nel tratto lineare della curva in quanto, in questa
applicazione, è indispensabile avere un comportamento lineare da parte della dinamo.
Procedura
La prova viene eseguita con la macchina alla velocità nominale e con il circuito di eccitazione
alimentato separatamente, anche se la dinamo è del tipo autoeccitato. Questo è necessario per
realizzare la condizione di funzionamento a vuoto; infatti, la dinamo con eccitazione derivata
erogherebbe corrente nel suo circuito di campo mentre quella con eccitazione serie non potrebbe
eccitarsi.
L’alimentazione esterna può essere fornita da batterie o da un’altra dinamo o da alimentatori
stabilizzati. Importante osservare che, nel caso di dinamo a eccitazione derivata o composta, questa
tensione esterna deve essere superiore alla tensione di targa della dinamo per consentire di
raggiungere la condizione di saturazione. Nelle dinamo con eccitazione serie, invece, la tensione
può essere anche di pochi volt ma la corrente erogabile dall’alimentatore deve essere tutta quella
nominale.
Il reostato R0 aggiuntivo di figura 1 serve per ridurre la corrente di eccitazione If a valori più piccoli
di quelli che si hanno nel funzionamento ordinario.
Il motore primo che deve portare in rotazione la dinamo può essere un motore asincrono o un
motore in corrente continua. La sua potenza è commisurata a quella a vuoto della dinamo e si aggira
circa attorno al 10% della potenza nominale (deve fornire la sola potenza a vuoto della macchina,
necessaria per vincere le perdite meccaniche e nel ferro a vuoto).
Se durante il rilievo della caratteristica a vuoto la velocità di rotazione della macchina è diversa da
quella nominale, si può effettuare una correzione dei valori letti della tensione a vuoto con una
semplice proporzione in quanto essa dipende proporzionalmente dalla velocità di rotazione.
Infatti, dette E0 la tensione generata alla velocità nominale n ed E01 quella alla velocità n1, abbiamo:
E0  k  n f
E01  k  n1 f
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che, messe a rapporto, conducono alla relazione:
E0
n

E01 n1
da cui:
E0 
n
 E01
n1
Utilizzando l’ultima relazione possiamo calcolare la tensione a vuoto E0 alla velocità nominale n
con E01 misurata alla velocità n1.
Gli interruttori T1 e T2 (bipolare) di figura 1 possono servire per la sostituzione degli strumenti nel
caso di portata insufficiente. L’interruttore bipolare del voltmetro consente di effettuare questa
operazione in sicurezza quando la tensione prodotta dalla dinamo supera circa i 100 V.
L’interruttore posto in parallelo all’amperometro ha invece lo scopo di cortocircuitare lo strumento
prima della sua sostituzione e serve per evitare di interrompere la corrente nel circuito. Infatti,
durante il rilievo della curva (cioè del ciclo d’isteresi del materiale ferromagnetico costituente la
macchina) è indispensabile procedere prima sempre per valori crescenti della corrente (caratteristica
ascendente) fino alla saturazione e solo dopo per valori decrescenti (caratteristica decrescente).
L’eventuale interruzione della corrente, o la sua variazione in senso opposto rispetto a quello di
prova prima di aver raggiunto la saturazione, fornirebbe dei punti al di fuori delle curve cercate.
Esecuzione della prova
L’esecuzione della misura prevede i seguenti passi.
1. Si mette in rotazione la dinamo fino a portarla alla sua velocità nominale (un tachimetro
consentirà il controllo diretto del valore) lasciando tutti gli interruttori del circuito aperti. Il
motore primo deve avere una potenza circa del 10% di quella nominale della dinamo perché
deve fornire la potenza a vuoto che serve a compensare le sole perdite meccaniche e nel ferro.
2. Si chiude l’interruttore T2 e si effettua la prima lettura del voltmetro collegato ai morsetti della
dinamo. Nonostante la dinamo sia ancora diseccitata, il voltmetro misurerà comunque una certa
tensione a vuoto dovuta al magnetismo residuo presente nel circuito ferromagnetico
(naturalmente solo se la dinamo ha già subito almeno un ciclo di magnetizzazione).
3. Si chiude l’interruttore T0 dopo aver completamente inserito il reostato di campo Rf e quello
addizionale R0, aggiunto appositamente per ottenere un piccolo valore della corrente di
eccitazione.
4. Si procede poi nel ridurre poco alla volta la resistenza dei reostati facendo assumere alla
corrente valori sempre maggiori.
5. Per ogni valore della corrente di eccitazione si legge il corrispondente valore della tensione ai
morsetti. Le letture proseguiranno fino a quando, per effetto della saturazione del circuito
magnetico, gli incrementi della corrente di campo non producono più significativi incrementi
della tensione ai morsetti.
6. A questo punto la prova viene completata dalle misure ottenute con valori decrescenti della
corrente di eccitazione. In pratica, si inseriscono progressivamente i reostati portando
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gradatamente la corrente a zero in modo da determinare anche i punti della caratteristica
discendente.
Durante la fase crescente della corrente, i valori di tensione misurati sono minori di quelli
corrispondenti nella fase decrescente (curva di figura 2). Per questo motivo (isteresi), nella fase di
crescita della corrente occorre prestare attenzione a non provocare una sua riduzione, anche
momentanea, che corrisponderebbe a un punto al di fuori dalla curva cercata (esso apparterrebbe
alla caratteristica discendente). Lo stesso si verifica quando la corrente, nella fase di diminuzione,
viene invece aumentata.
A ogni lettura della tensione e della corrente occorre fare anche quella della velocità di rotazione
che può non rimanere costante.
La caratteristica rilevata dovrà avere l’andamento di figura 2. La curva di magnetizzazione da
assumere sarà quella media tra le due curve tracciate.
La sottostante tabella suggerisce come raccogliere i dati letti dagli strumenti per poi effettuare
rapidamente i calcoli.
Misura
U [V]
If [A]
n [giri/min]
Tratto ascendente
E0 [V]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tratto discendente
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ricorda…
La tensione generata da una dinamo può essere variata cambiando la corrente di eccitazione e/o la
velocità di rotazione.
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