Caratterizzazione del motore a induzione CA

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

Gli obiettivi di questo esperimento sono di trovare i parametri di circuito equivalenti di un motore a induzione trifase utilizzando il circuito equivalente per fase e test simili a quelli utilizzati nella caratterizzazione del trasformatore. Nell'ingegneria elettrica, un circuito equivalente (o circuito teorico) può essere determinato per un dato sistema. Il circuito equivalente conserva tutte le caratteristiche del sistema originale e viene utilizzato come modello per semplificare i calcoli. Un altro obiettivo è quello di azionare il motore nella regione lineare della velocità di coppia.

Il motore a induzione trifase è alimentato da tensioni o correnti trifase che inducono tre campi magnetici. Questi campi si sommano a un campo magnetico cumulativo, che ruota nello spazio ad ampiezza costante ed è chiamato campo magnetico dello statore. Il campo magnetico induce corrente nelle barre o bobine metalliche del rotore, che a loro volta inducono il proprio campo magnetico, chiamato campo magnetico del rotore. Il rotore si blocca all'interno dello statore e il campo magnetico del rotore cerca di bloccarsi al campo magnetico dello statore rotante, causando la rotazione del rotore. Il rotore è tipicamente costituito da barre del rotore legate con anelli terminali, formando quella che è comunemente nota come "gabbia di scoiattolo".

Il circuito equivalente per fase modella la resistenza all'avvolgimento lato statore e rotore R₁ e R₂, rispettivamente, l'induttanza di perdita dovuta al flusso di perdita tra il rotore e lo statore(L₁ è l'induttanza di perdita dello statore e L₂ è l'induttanza di perdita del rotore), l'induttanza di magnetizzazione reciproca(L_m o reattanza X_m)e le perdite del nucleo nella resistenza equivalente alla perdita del nucleo R_C . Questi sono simili al modello di circuito equivalente del trasformatore, ma includono l'effetto del ritardo del campo magnetico del rotore dietro lo statore, che è chiamato slittamento.

Per trovare il modello di circuito equivalente del motore, è necessario eseguire diversi test (test a vuoto, rotore bloccato, CC e carico). Questi test richiedono la conoscenza delle classificazioni del motore. Per la tensione nominale di 208 V a 60 Hz, dalla targhetta è necessario annotare quanto segue: potenza nominale (HP e W, dove 1 HP = 746 W), corrente nominale (A) e velocità nominale (RPM e rad/s). Da queste valutazioni, la coppia nominale (N·m) può essere trovata dividendo la potenza nominale in Watt rispetto alla velocità nominale in rad / s (1 RPM = 2π / 60 rad / s), che non è mostrata sulla targhetta.

Per caricare l'albero della macchina a induzione, un generatore DC (configurazione del dinamometro) è accoppiato meccanicamente all'albero. Il motore a induzione funge da motore principale del generatore. All'aumentare del carico elettrico sul generatore, la potenza meccanica aumenta nel generatore e fuori dal motore a induzione, aumentando così il carico sull'albero motore a induzione.

1. Test DC

Si noti che una macchina a induzione a gabbia di scoiattolo ha solo terminali statori accessibili.

1. Accendere l'alimentatore CC a bassa potenza e limitare la corrente a 1,8 A.
2. Disattivare l'alimentazione.
3. Collegare i terminali di alimentazione attraverso due dei terminali del motore a induzione (etichettati A, B e C).
4. Accendere l'alimentazione e registrare la tensione e la corrente di uscita.
5. Ripetere l'operazione per le altre due combinazioni di fasi.
   1. Si noti che la resistenza misurata è per due fasi in serie, quindi la resistenza per fase è la metà della misurazione.

2. Test a vuoto

Testare la macchina a induzione senza carico per trovare i parametri di diramazione di magnetizzazione per fase X_m e R_C. Per questo test, assicurarsi che il dinamometro di carico abbia tutti i suoi terminali scollegati, dove non genera energia e non supporta alcun carico.

1. Assicurarsi che la sorgente trifase sia disattivata.
2. Verificare che il VARIAC sia allo 0%, quindi collegare il VARIAC alla presa trifase e collegare il setup (Fig. 1).
3. Verificare che le connessioni del circuito siano come mostrato in Fig. 1, quindi accendere la sorgente trifase.
4. Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando ciascuno dei misuratori di potenza digitali legge circa 208 V.
5. Registrare le letture di potenza, tensione e corrente da entrambi i contatori.
6. Misurare la velocità utilizzando la luce stroboscopica (regolare la luce stroboscopica a una velocità ragionevole) ed etichettare la misurazione come ω_o.
7. Registrare la lettura della coppia in N·m o lb·ft ed etichettare la misurazione come T_o nel caso in cui il torsiometro o l'apparato di misurazione della coppia non sia ben calibrato. Questa è la coppia a vuoto.
8. Impostare il VARIAC su 0%, quindi spegnere la sorgente trifase. Lascia intatto il resto del circuito.

Figura 1: Configurazione elettrica per test a vuoto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Test del rotore bloccato

Testare la macchina a induzione con un rotore bloccato in modo simile al test di cortocircuito di un trasformatore. Utilizzare questo test per trovare le resistenze della serie per fase e le induttanze di perdita. Per questo test, assicurarsi che il dinamometro di carico abbia tutti i suoi terminali scollegati.

1. Assicurarsi che la sorgente trifase sia disattivata.
2. Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
3. Bloccare il rotore sul lato del dinamometro utilizzando un morsetto meccanico o un'impostazione di coppia zero, se il dinamometro è controllato digitalmente.
4. Si noti che la configurazione è ancora simile a quella della Fig. 1, tranne che con un rotore bloccato.
5. Verificare che i collegamenti del circuito siano come mostrato in Fig. 2.
6. Accendere la sorgente trifase e l'interruttore della macchina a induzione.
7. Aumentare lentamente e con attenzione il VARIAC fino a raggiungere la corrente nominale su uno o entrambi i misuratori di potenza digitali.
8. Registrare le letture di potenza, tensione e corrente da entrambi i contatori.
9. Impostare il VARIAC su 0%, quindi spegnere la sorgente trifase. Lascia intatto il resto del circuito.

Figura 2: Configurazione per il test di carico.

4. Prova di carico

Utilizzare questo test per tracciare la caratteristica lineare coppia-velocità della macchina a induzione. Per questo test, utilizzare il dinamometro con un campo di shunt come generatore (maggiori informazioni su questa condizione operativa sono fornite più avanti nel video delle macchine CC, ma l'armatura è la porta di uscita del generatore).

1. Assicurarsi che la sorgente trifase e l'interruttore della macchina a induzione siano spenti.
2. Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
3. Rimuovere il morsetto di bloccaggio dall'albero del rotore.
4. Collegare il circuito (Fig. 2). Utilizzare R_L= 300Ω ma tenere S_D spento.
5. Non utilizzare il campo serie.
6. Controllare il circuito, quindi accendere la sorgente trifase e l'interruttore della macchina a induzione.
7. Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando ciascuno dei misuratori di potenza digitali legge circa 208 V.
8. Registrare le letture di potenza, tensione e corrente da entrambi i contatori.
9. Misurare la velocità ed etichettarla come ω₁. Per misurare la velocità, regolare la manopola di frequenza "Grossolana" sulla luce stroboscopica fino a quando l'albero sembra quasi fermo, quindi regolare l'impostazione della frequenza utilizzando la manopola "Fine".
10. Registrare la lettura della coppia ed etichettarla come T₁.
11. Si noti che questo punto operativo (ω₁, T₁) non è lo stesso di nessun carico, perché l'avvolgimento del campo agisce anche come un carico in parallelo con l'armatura. Quando S_D viene girato più tardi e R_L viene diminuito, il carico aumenta poiché la corrente di carico aumenta man mano che R_L diminuisce.
12. Accendere S_D. Misurare la velocità ed etichettarla come ω₂.
13. Registrare la lettura della coppia ed etichettarla come T₂.
14. Spegnere S_D. Cambiare R_L in 200 Ω, quindi accendere S_D.
15. Misurare la velocità ed etichettarla come ω₃.
16. Registrare la lettura della coppia ed etichettarla come T₃.
17. Accendere S_D. Cambiare R_L a 100 Ω. Accendere S_D.
18. Misurare la velocità ed etichettarla come ω₄.
19. Registrare la lettura della coppia ed etichettarla come T₄.
20. Impostare variaC su 0%, spegnere la sorgente trifase e smontare il circuito.

Un errore comune nel trovare i parametri di circuito equivalenti delle macchine a induzione è quello di utilizzare la potenza misurata trifase nei calcoli del circuito equivalente per fase, mentre un terzo della potenza dovrebbe essere utilizzato: tre fasi consumano la potenza misurata e, quindi, un terzo della potenza è in una fase.

I calcoli dei parametri del circuito equivalente sono simili a quelli dei trasformatori, ma è comune dividere X₁ e X₂' per il telaio NEMA della macchina. Ad esempio, se il motore è del telaio NEMA A o D, allora X₁ e X₂' sono considerati uguali, mentre se il motore è del telaio NEMA B, allora X ₁ e X₂' sono divisi come 40% e 60% di X _eq, rispettivamente, e se il motore è di telaio NEMA C, quindi X₁ e X₂' sono divisi rispettivamente come 30% e 70% di X_eq. Ci si aspetta di scoprire che X₁ e X₂' sono l'1-10% di X _m, R₁ e R₂' sono dell'ordine di mΩ a diversi Ω a seconda della potenza nominale del motore, e R _C sarebbe dell'ordine di decine a centinaia di Ω, in quanto è di diversi ordini di grandezza più grande di R₁ e R₂'.

La regione lineare della curva coppia-velocità del motore a induzione si trova utilizzando la prova di carico e può essere estrapolata da condizioni di carico a vuoto a pieno carico o a carico. Una tipica curva coppia-velocità è mostrata in Fig. 3 per diversi fotogrammi NEMA e la regione lineare è la regione più a destra vicina alla velocità del 90-100%.

Figura 3: Curve torque-speed tipiche per vari telai NEMA. 

Le macchine a induzione trifase, in particolare i motori a induzione, sono i cavalli di battaglia dell'industria moderna. Caratterizzare in modo appropriato un motore a induzione fornisce a ingegneri e tecnici informazioni sull'efficienza del motore e sulle caratteristiche di coppia-velocità. Questi sono essenziali per determinare quale dimensione del motore e telaio si adatta meglio a un'applicazione. Una volta che un motore è caratterizzato e la curva coppia-velocità è conosciuta da parametri di circuito equivalenti utilizzando i test descritti, diversi telai NEMA hanno forme di curva diverse. Ad esempio, un'applicazione per ascensori richiede una coppia di avviamento elevata; pertanto, i fotogrammi, come il telaio NEMA D, sono più adatti di A o B. Quando si ha a che fare con le parti integranti del motore a induzione di sistemi più grandi che consumano notevoli quantità di energia(ad esempio,refrigeratori), conoscere i parametri del circuito equivalenti di un motore può fornire buone stime dell'efficienza del motore e del suo contributo al consumo di energia in quel sistema più grande.