Si definiscono caratteristiche esterne:

Si definisce retta di carico:

dove Z_UY è il modulo dell'impedenza del carico equivalente a stella ed è legato alla pendenza della retta di carico dalla relazione a = arctan(Z_UY).

Le caratteristiche esterne si possono determinare mediante una costruzione grafica che si basa sul triangolo di cortocircuito OAB dell'alternatore tracciato per la corrente nominale, sull'arco di circonferenza g avente centro in O e raggio pari a E₀, sulla semiretta r parallela al lato OA del triangolo e mandata dal punto B (questa semiretta serve come riferimento per lo sfasamento j rispetto al quale si desidera la caratteristica esterna).

Fissata una scala per le tensioni (necessaria per costruire il triangolo e tracciare l'arco di cerchio) 1 [mm] = v [V] e preso un generico punto B* sul segmento O__C , si ha che O__B* è proporzionale alla corrente I secondo la scala 1 [mm] = (v / Z_S) [A]. Se poi dal punto B* si invia una semiretta orientata rispetto ad r secondo un prefissato j , come già visto quando si è discusso l'uso del modello di B. E. il segmento intercettato dall'arco di cerchio g rappresenta la tensione d'uscita stellata V_Y corrispondente alla corrente erogata I ed allo sfasamento j.

Vediamo separatamente i tre casi:

a) carico puramente Ohmico (figura a), ovvero j = 0°. Si nota come la caratteristica esterna sia incurvata e cadente. Per I = 0 [A] si ha il punto di funzionamento a vuoto, per V_Y = 0 [V] si ha il punto di funzionamento in cortocircuito. Partendo dal funzionamento a vuoto si arriva a quello in cortocircuito facendo variare l'impedenza del carico da ¥ [W] a 0 [W]. Sovrapponendo la retta di carico alla caratteristica esterna si individua il punto di lavoro L coi relativi valori di tensione d'uscita V_YL e corrente erogata I_L. Nel funzionamento a vuoto è ovviamente V_Y0 = E₀ [V], mentre nel funzionamento in cortocircuito è I_CC = E₀/Z_S [A].

b) carico Ohmico-induttivo (figura b), ovvero j > 0°. Si nota come la caratteristica esterna sia ancora incurvata e cadente e, generalmente, al di sotto di quella del caso Ohmico. La caratteristica più bassa di tutte è quella relativa ad uno sfasamento d'uscita uguale all'angolo di cortocircuito, infatti in tal caso tutte le V_Y sono sovrapposte al segmento che unisce i punti O e C. Se si considera una generica V_Y* rappresentata dal segmento B*__C, si ha che il segmento O__B* rappresenta la caduta di tensione che la corrente associata I* provoca sull'impedenza sincrona Z_S e la somma di detti segmenti è costante e pari ad O__C per qualsiasi punto B*. Ricordando ciò che ogni segmento rappresenta, si può scrivere , ovvero che è l'equazione di una retta avente pendenza negativa -Z_S ed intersezione con l'ordinata pari ad E₀ = V_Y0.

c) carico Ohmico-capacitivo (figura c), ovvero j < 0°. L'andamento della caratteristica dipende dal valore dello sfasamento: se j > -(90°-q) la caratteristica è ancora cadente, se j < -(90°-q) la caratteristica ha il primo tratto ascendente, ovvero con la tensione d'uscita a carico maggiore di quella a vuoto. In tal caso si nota come la corrente erogata raggiunga e superi quella di cortocircuito quando ancora Z_UY > 0 [W], il fenomeno è tanto più accentuato quanto più grande è lo sfasamento in anticipo. Se accade che j = -(90°-q) allora la caratteristica interseca ortogonalmente gli assi coordinati e non si ha alcun effetto di sopraelevazione della tensione a carico. E' facile verificare che in tali condizioni si ha |X_U| = X_S e la caduta di tensione sulla reattanza capacitiva del carico eguaglia la c.d.t. sulla reattanza sincrona, si dice che l'alternatore è in risonanza.

I risultati ottenuti discutendo la caratteristica esterna confermano quanto già detto con riferimento agli effetti prodotti dalla reazione d'indotto. Infatti la presenza di corrente erogata in quadratura in ritardo determina una maggiore c.d.t. rispetto al caso di sola corrente in fase e ciò concorda con l'effetto smagnetizzante dovuto a tale corrente. Viceversa la presenza di corrente erogata in quadratura in anticipo determina una sopraelevazione della tensione d'uscita e ciò concorda con l'effetto sovramagnetizzante dovuto a tale corrente.

Macchine sincrone
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