Piccoli Tobia
Classe V Elettrotecnica e Automazione
7/4/2009
Prove a vuoto e in cortocircuito su
alternatore trifase
Schema di principio della misura a vuoto:
Legenda:
G.S. : generatore sincrono trifase
M: motore primo (macchina a corrente continua)
G: dinamo eccitatrice
V: voltmetro
A: amperometri di controllo
R1: reostato controllo eccitazione motore CC
Relazione n°6
R2: reostato controllo tensione armatura motore CC
R3: reostato controllo eccitazione alternatore
R4: reostato regolazione dinamo eccitatrice
L1: avvolgimento eccitazione motore primo
L2: avvolgimento eccitazione alternatore
L3: avvolgimento eccitazione dinamo
Laboratorio di misure elettriche
Giudizio:
Schema di principio della misura in corto:
Legenda:
G.S. : generatore sincrono trifase
M: motore primo (macchina a corrente continua)
G: dinamo eccitatrice
A: amperometri di controllo e misura
R1: reostato controllo eccitazione motore CC
R2: reostato controllo tensione armatura motore CC
R3: reostato controllo eccitazione alternatore
R4: reostato regolazione dinamo eccitatrice
L1: avvolgimento eccitazione motore primo
L2: avvolgimento eccitazione alternatore
L3: avvolgimento eccitazione dinamo
Scopo: Esecuzione della prove a vuoto (per il rilievo della caratteristica di magnetizzazione) e in corto
circuito (rilievo della caratteristica di cortocircuito) su un generatore sincrono trifase.
Cenni teorici: Per quanto riguarda gli alternatori (macchine sincrone) si ha che le prova a vuoto ed in
cortocircuito assumono un significato ben diverso da quello che avevano parlando di motori sincroni o
trasformatori: infatti, ora, queste due prove hanno lo scopo di determinare la caratteristiche a vuoto e in
corto circuito appunto; la prima esprime la tensione E0 ai morsetti della macchina in funzione della
corrente di eccitazione Ie mentre la seconda riporta l’andamento della corrente di cortocircuito della
macchina in funzione anch’essa della corrente di eccitazione. La conoscenza di queste due curve risulta
necessaria per regolare la macchina oltre che per determinare la reattanza sincrona Xs e prima
l’impedenza sincrona Zs.
Per quanto riguarda la prova a vuoto questa viene eseguita portando la macchina alla velocità nominale
grazie ad un motore primo (generalmente una macchina in continua una dinamo) e regolando la
corrente di eccitazione a partire dallo zero fino al raggiungimento della condizione di saturazione (in cui
anche forti variazioni della corrente di eccitazioni determinano variazioni di tensioni quasi nulle a causa
del fenomeno della saturazione magnetica), leggendo contemporaneamente la tensione disponibile ai
morsetti della macchina a vuoto e la relativa corrente di eccitazione. Una precisazione ulteriore va fatta
sul motore primo: la potenza sviluppata dall’asse di questo può infatti essere anche inferiore a quella
della macchina in prova, visto che l’alternatore funziona a vuoto e quindi assorbe una potenza di molto
inferiore a quella nominale (richiedendo quindi all’asse della dinamo una coppia altrettanto bassa vista
la relazione P = Ω*T). Anche nel caso della macchina sincrona è possibile determinare le perdite a
vuoto (cosa non eseguita in questo caso per la mancanza di alcune indicazioni).
Come nel caso precedente, nella prova in corto la macchina viene portata in rotazione da un motore
primo e il circuito è praticamente uguale a quello usato per la prova a vuoto, con la differenza che in
questo caso le tre fasi statoriche vengono chiuse in cortocircuito e si effettua la misura della corrente che
le attraversa. Anche durante questa prova resta possibile la misura delle perdite nel rame nella macchina.
Ottenute le due curve è poi possibile trovare l’impedenza sincrona della macchina definita, in ogni
punto, dal rapporto: Zs = E0/Icc
Scelta delle apparecchiature:
Generatore sincrono trifase
Sn: 6kVA
Un: 380V
In: 9.1A
4 poli, eccitazione coassiale
f: 50-60Hz
Vecc: 40V
Neutro accessibile
Servizio continuo
Dinamo eccitatrice
P: 0.24kW
V: 40V
I: 6A
n:1500g/min
Ie: 2A
Eccitazione derivata
Motore primo
Motore CC
P: 5.9kW
Un: 220V
I: 32.5A
Ie: 0.65A
n: 1500g/min
Stroboscopio
General radio
Strobotak
Voltmetro
Norma
Mod: 65130
Portate: 130/260/520/650V
Ampermetri
Galileo Weston
Portate: 1.5/3/15A
150 divisioni
Reostato dinamo eccitatrice
Galileo
Rmax: 33Ω
In: 5A
Reostato regolazione eccitazione
Galileo
Rmax: 33Ω
In: 5A
Analizzatore di rete trifase
EL Control Energy NET s.p.a.
Mod: Vip system 3
N° 15329
Esecuzione della prova:
Prova a vuoto:
Per eseguire tale prova si porta dapprima il complesso motore primo – alternatore – dinamo a ruotare
alla velocità di sincronismo dell’alternatore, tenendo inizialmente diseccitata la macchina sincrona; tale
operazione viene eseguita alimentando la dinamo e regolando la sua velocità grazie ai reostati R1 (che
regola la corrente di eccitazione) ed R2 (che regola la tensione d’armatura). Per controllare la velocità
raggiunta ci si serve dello stroboscopio. Portato al sincronismo il complesso, si inizia ad aumentare per
gradi la corrente di eccitazione dell’alternatore (servendosi dei reostati R3 e R4, il primo per una
regolazione grossolana il secondo per una regolazione fine della corrente) leggendo di volta in volta
l’amperometro di eccitazione ed il voltmetro. Si procede quindi aumentando la corrente di eccitazione
fino a quando gli incrementi di eccitazione iniziano a produrre variazioni di tensione molto piccoli, tali
da attestare che si è raggiunta la saturazione del mezzo magnetico.
Prova in corto:
Per il rilievo sperimentale della caratteristica di cortocircuito si chiudono i morsetti dell’alternatore in
cortocircuito, inserendo un amperometro (meglio tre, uno per ogni fase) per la misura della corrente di
corto circuito. Come per la prova a vuoto si trascina il complesso in rotazione, fino a raggiungere la
velocità di sincronismo (sempre tenendo l’alternatore diseccitato), e si passa quindi ad aumentare
gradualmente la corrente di eccitazione leggendo di volta in volta le indicazioni degli amperometri.
Questa volta ci si fermerà quando la corrente di cortocircuito raggiungerà la corrente nominale della
macchina. Durante tale prova non è necessario che la velocità di rotazione dell’alternatore sia
rigorosamente quella di sincronismo: infatti, in questo caso, la corrente di cortocircuito è praticamente
indipendente dalla frequenza entro un largo intervallo. I dati raccolti nelle due prove sono riportati nelle
seguenti tabelle:
Prova a vuoto:
N°
Ie
Valore
A
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Portata
k
V
Divisioni
65
130
260
0,5
1
2
2
2
2
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
2
2
1
26
75
69
88
99
106
56
59
61
63
65
66
67
69
70
68
67
66
65
63
62
59
57
54
51
46
75
45
13
520
520
260
130
Valore
V
Valore medio
V
13
75
138
176
198
212
224
236
244
252
260
264
268
276
280
272
268
264
260
252
248
236
228
216
204
184
150
90
13
13
82,5
144
180
201
214
226
236
246
252
260
264
268
274
280
Note:
Ove non direttamente dato, il valore finale della grandezza misurata è calcolato come
valore = k*divisioni
La tensione a vuoto è stata misurata due volte, in salita (ossia con corrente di eccitazione da 0 in su) ed
in discesa (ossia dal valore nominale fino a 0); ciò al fine di ottenere una curva media (colonna “Valore
medio”, correggendo così gli errori introdotti dai fenomeni di isteresi.
Prova in corto:
N° Portata
1
2
3
4
1,5
3
15
15
k
0.01
0.02
0.1
0.1
Ie
Divisioni
72
75
23
60
Valore
A
0.72
1.5
2.3
6
Icc
Valore
A
3
6
9.1
30
I dati appena elencati sono rappresentati nel seguente grafico, che riporta in ascissa la corrente di
eccitazione ed in ordinata la tensione a vuoto e la corrente di cortocircuito
Per quanto riguarda la corrente di cortocircuito questa è stata riportata nel grafico e mediante apposito
software (Excel©) si è ricavata l’equazione che esprime l’andamento generale della Icc; conoscendo tale
espressione (riportata nel grafico al di sopra della corrispondente curva) è possibile calcolare il valore
assunto dalla corrente di cortocircuito per tutti i valori della corrente di eccitazione per i quali si era
misurata la tensione a vuoto; I dati estrapolati sono riportati nella seguente tabella:
N°
Ie
Valore
A
Icc
Valore estrapolato
A
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
0,073
2,129
4,087
6,000
7,921
9,904
12,001
14,266
16,753
19,514
22,603
26,073
29,977
34,369
39,301
Note:
Come già detto per calcolare la Icc si è preso l’equazione data dal software ed è stata inserita come
variabile indipendente la corrente di eccitazione misurata durante la prova a vuoto, ossia:
Icc = 0.071*Ie³ - 0.303*Ie² + 4.246*Ie + 0.073
Calcolati i valori di Icc per tutti i valori di Ie a disposizione è possibile trovare l’impedenza sincrona
della macchina, come rapporto tra la tensione a vuoto media e la corrente di cortocircuito
corrispondente:
Ie
Tensione a vuoto media E
Icc
Zs
A
V
A
Ω
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
13
82,5
144
180
201
214
226
236
246
252
260
264
268
274
280
0,073
2,129
4,087
6,000
7,921
9,904
12,001
14,266
16,753
19,514
22,603
26,073
29,977
34,369
39,301
178,1
38,7
35,2
30,0
25,4
21,6
18,8
16,5
14,7
12,9
11,5
10,1
8,9
8,0
7,1
N°
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Il seguente grafico riporta le curve trovate:
Conclusioni ed osservazioni: Le curve trovate ricalcano l’andamento che ci si aspettava; da notare che
trovata l’impedenza sincrona risulta possibile anche trovare le caratteristiche esterne della macchina:
perché si generi una f.e.m pari a 220 volt (tensione di fase) la corrente di eccitazione deve avere valore
pari 2.75A alla quale corrisponde una Icc di 10.9A. Da qui si ha una Zs = 20.1Ω. Grazie a questa si
costruisce il triangolo di Behn Eschemburg dal quale risulta facile trovare le caratteristiche esterne della
macchina. Risulta comunque necessario a tal fine conoscere la resistenza di fase degli avvolgimenti
statorici.
