Caratterizzazione della macchina sincrona AC

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

I motori sincroni trifase a rotore avvolto sono meno popolari dei motori sincroni a rotore a magneti permanenti a causa delle spazzole necessarie per il campo del rotore. I generatori sincroni sono molto più comuni e disponibili nella maggior parte delle centrali elettriche esistenti, in quanto hanno un'eccellente regolazione della frequenza e della tensione. I motori sincroni hanno il vantaggio di una regolazione della velocità di quasi lo 0% a causa del fatto che la velocità del rotore è esattamente la stessa della velocità del campo magnetico dello statore, causando una costante della velocità del rotore, indipendentemente da quanto viene caricato l'albero del motore. Pertanto, sono molto adatti per applicazioni a velocità fissa.

Gli obiettivi di questo esperimento sono di comprendere i concetti di avviamento di un motore sincrono trifase, curve a V per vari carichi in cui il carico influisce sul fattore di potenza del motore e l'effetto dei carichi sull'angolo tra la tensione terminale e la parte posteriore e.m.f.

Le macchine sincrone si basano sul concetto di campo magnetico rotante introdotto per le macchine a induzione. Le correnti trifase, che fluiscono nello statore della macchina, producono un campo magnetico rotante di grandezza costante alla frequenza desiderata. La differenza tra le macchine sincrone e asincrone è che queste ultime hanno avvolgimenti corti o una "gabbia di scoiattolo" sul lato del rotore, mentre le macchine sincrone hanno un campo magnetico fisso sul lato del rotore. Questo campo magnetico è fornito da un eccitatore o da magneti permanenti. Le macchine sincrone a magneti permanenti stanno diventando sempre più comuni grazie alla loro elevata efficienza e alle dimensioni compatte, ma in genere utilizzano materiali di terre rare. Il termine sincrono è usato perché il campo magnetico del rotore, che è indipendente dallo statore, si blocca sul campo magnetico rotante e fa ruotare il rotore alla stessa velocità (o velocità sincrona) del campo magnetico rotante dello statore.

Per avviare un motore sincrono a rotore avvolto trifase, l'avvolgimento del campo viene cortocircuitato dove la macchina funge da motore a induzione. Una volta che la velocità della macchina è vicina alla velocità sincrona, il cortocircuito viene rimosso e una tensione CC viene applicata attraverso l'avvolgimento del campo. Questo blocca i campi magnetici del rotore e dello statore e, quindi, si ottiene il sincronismo del rotore e dello statore. In questo laboratorio, il motore sincrono viene avviato con l'interruttore superiore sulla sua piastra di interfaccia nella posizione "Induction Start" e, una volta che la velocità raggiunge lo stato stazionario, l'interruttore viene spostato nella posizione "Synchronous Run".

1. Test DC

1. Accendere l'alimentatore CC a bassa potenza con un cortocircuito tra i suoi terminali.
   1. Limitare la corrente dell'alimentatore CC a bassa potenza a 1,8 A.
   2. Spegnere l'alimentazione e scollegare il cortocircuito.
2. Collegare i terminali di alimentazione attraverso le porte 1 e 4 del motore sincrono.
   1. Accendere l'alimentazione e misurare la tensione e la corrente CC. Variare la tensione secondo necessità per raggiungere una corrente di 1,8 A.
   2. Spegnere l'alimentazione, quindi ripetere i due passaggi precedenti per le porte 2 e 5 e le porte 3 e 6.
3. Scollegare l'alimentatore CC a bassa potenza.

2. Avvio sincrono della macchina

1. Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono e l'interruttore del motore CC siano tutti spenti.
   1. Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
   2. Collegare il VARIAC alla presa trifase e collegare la configurazione mostrata in Fig. 1.
   3. Ricordarsi di impostare il ridimensionamento da 1 a 1000 della sonda di corrente del misuratore di potenza digitale.
2. Verificare che l'interruttore "Start/Run" sia in posizione "Start".
3. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
4. Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando il misuratore di potenza digitale legge circa 115 V.
5. Misurare la corrente di armatura I_AC1, tensione di armatura V_AC1, potenza reale e fattore di potenza.
6. Ricorda che la tensione di fase (da linea a neutro) e la corrente di fase sulla fase "a" vengono misurate, quindi la misurazione del fattore di potenza sul misuratore di potenza riflette correttamente il fattore di potenza per fase.
7. Misurare la coppia e la velocità della macchina.
8. Accendere l'alimentatore a 125 V CC. Assicurarsi che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione.
   1. Premere il pulsante di alimentazione "Start" e impostare l'uscita di alimentazione su 125 V.
9. Capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run". Presta attenzione a come cambia il suono della macchina. Il suono della macchina diventa più fluido quando il campo magnetico del rotore si blocca al campo magnetico rotante dello statore.
   1. Registrare la corrente di armatura I_AC1, tensione di armatura V_AC1, potenza reale, fattore di potenza e la tensione e la corrente di campo dal display dell'alimentatore CC.
   2. Misurare e registrare la coppia e la velocità della macchina.
10. Spegnere l'alimentatore CC, capovolgere l'interruttore "Start/Run" in posizione "Start" e riportare il VARIAC allo 0%.
11. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase. Lascia intatto il resto del circuito.

Figura 1: Schema della configurazione per avviare il motore sincrono. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Effetto del carico sull'angolo di coppia

1. Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono "S_1"e l'interruttore del motore CC "S_2"siano tutti spenti.
   1. Si noti che mentre "S_1"si trova sul lato del motore sincrono, viene utilizzato per collegare / scollegare il carico "RL" attraverso i terminali della macchina CC.
   2. Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
2. Collegare il setup mostrato in Fig. 2 e impostare "R_L"su 200 Ω.
3. Verificare che l'interruttore "Start/Run" sia in posizione "Start".
4. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
5. Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando il misuratore di potenza digitale legge circa 115 V.
6. Accendere l'alimentatore a 125 V CC. Assicurarsi che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione.
7. Premere il pulsante di avvio dell'alimentazione e impostare l'uscita di alimentazione su 125 V.
8. Capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run".
9. Registrare la corrente di armatura I_AC1, tensione di armatura V_AC1, potenza reale, fattore di potenza e tensione di campo e corrente dal display dell'alimentatore CC.
10. Misurare e registrare la coppia e la velocità della macchina.
11. Tenere accesa la luce stroboscopica vicino all'albero e misurare l'angolo iniziale δ_o.
    1. Per impostare la luce stroboscopica, collegarla a una normale presa di corrente e accenderla.
    2. Con la manopola grossolana, regolare la lettura della velocità sulla luce stroboscopica per essere abbastanza vicina a 1.800 RPM, che è la velocità sincrona di 1 macchina a quattro poli a 60 Hz. La velocità sincrona è calcolata in round al minuto (RPM) come n= 120xf/P dove f è la frequenza e P è il numero di poli.
    3. Posizionare la luce stroboscopica verso il bordo dell'albero motore e regolare la manopola Fine fino a quando l'albero non appare fermo. L'occhio umano viene indotto a vedere l'albero come stazionario facendo in modo che la frequenza della luce stroboscopica (o la lettura della velocità) corrisponda alla velocità dell'albero.
12. Attiva "S_1"e ripeti i passaggi da 3.9 a 3.11, ma misura il nuovo angolo come δ₁.
13. Attivare "S_2"e ripetere i passaggi da 3.9 a 3.11, ma misurare il nuovo angolo come δ₂.
14. Spegnere "S_2"e cambiare "R_L"in 100 Ω.
15. Attiva "S_2"e ripeti i passaggi da 3.9 a 3.11, ma misura il nuovo angolo come δ₃.
16. Spegnere l'alimentatore CC, capovolgere l'interruttore "Start/Run" in posizione "Start", spegnere "S_1"e "S2" e riportare variaC allo 0%.
17. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase. Lascia intatto il resto del circuito.

Figura 2: Schema della configurazione per studiare l'effetto del carico sull'angolo di coppia. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Effetto della corrente di campo sul fattore di potenza

In questa sezione viene esaminata un lato della curva a V.

1. Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono S₁e l'interruttore del motore CC S₂ siano tutti spenti.
2. Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
3. Collegare la configurazione mostrata in Fig. 3, che è diversa solo dalla Fig. 2 aggiungendo il resistore di campo di serie "R_F"e impostare "R_L"su 200 Ω.
4. Impostare "R_F"sulla posizione 10 Ω. "R_F"non richiede misurazioni per questo esperimento, poiché l'obiettivo è quello di variare solo la corrente di campo.
5. Verificare che l'interruttore "Start/Run" sia in posizione "Start".
6. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
7. Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando il misuratore di potenza digitale legge 115 V.
8. Accendere l'alimentatore a 125 V CC. Assicurarsi che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione.
9. Premere il pulsante di avvio dell'alimentazione e impostare l'uscita di alimentazione su 125 V.
10. Capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run".
11. Per "R_F"= 10, 6, 3 e 1, registrare la corrente di armatura I_AC1, tensione di armatura V_AC1, potenza reale, fattore di potenza, tensione di campo e corrente dal display dell'alimentatore CC.
12. Misurare e registrare la coppia e la velocità della macchina.
13. Ripristina "R_F"su 10 Ω.
14. Attiva "S_1"e ripeti i passaggi da 4.11 a 4.13.
15. Attiva "S_2"e ripeti i passaggi da 4.11 a 4.13.
16. Spegnere "S_2"e cambiare "R_L"in 100 Ω.
17. Attiva "S_2"e ripeti i passaggi da 4.11 a 4.13.
18. Spegnere l'alimentatore CC, capovolgere l'interruttore "Start/Run" in posizione "Start" e riportare il VARIAC allo 0%.
19. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase e scollegare la configurazione.

Figura 3: Schema della configurazione per studiare l'effetto della modifica della corrente di campo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La resistenza di fase CC può essere stimata dal test CC come il rapporto tra tensione CC e corrente CC quando applicata tra un terminale di fase e il neutro. La resistenza del campo può essere misurata in modo simile applicando la tensione CC all'avvolgimento del campo e misurando la corrente di campo. La reattanza sincrona (X_s), indietro e.m.f. della macchina (E_A), e la relativa costante k_φ possono essere trovate dalla misura di potenza reale (P_3φ) nella macchina: P_3φ= 3V_φE_Acos(δ)/X_s (ignorando la resistenza dello statore R_s) e dalle equazioni di flusso di potenza di base per il circuito equivalente per fase (Fig. 4).

Le curve a V determinano il fattore di potenza della macchina visto dalla sorgente (griglia). Le curve a V dimostrano che la macchina può fornire potenza reattiva (fattore di potenza principale) in determinate condizioni e, quindi, agisce come un condensatore in grado di migliorare la stabilità della tensione sulla rete. Quando si opera in tali condizioni, la macchina viene definita "condensatore sincrono".

Figura 4: Schema del circuito equivalente per fase utilizzato per i risultati rappresentativi.

Le macchine sincrone sono comuni nelle applicazioni che richiedono velocità costante sull'albero del motore con normative di velocità molto rigide. Tali applicazioni includono clock elettrici e unità disco rigido, ma si estendono ai condensatori sincroni, che sono motori sincroni che operano nella regione del fattore di potenza leader per fornire potenza reattiva a un carico. La correzione del fattore di potenza è un altro termine usato con le applicazioni sincrone del condensatore. Si noti che i motori sincroni più comuni sono motori a magneti permanenti, mentre i generatori sincroni più comuni sono generatori sincroni a rotore avvolto.