Sincronismo motori asincroni

[lollons]

Buona sera a tutti,

mi complimento con voi perchè PLC Forum ormai è un riferimento.

Scrivo qui perchè non riesco a farmi una idea chiara sugli azionamenti dell'inverter in AC.

Lavoro in una azienda di motori elettrici asincroni ed ho la necessità di sincronizzarli in velocità e posizione.

Dico anche posizione perchè sono presenti masse eccentriche sull'albero di ognuno e queste devono essere in "fase" fra loro per non creare disequilibrio della struttura.

Al momento ho pensato all'inverter vettoriale e ho letto molte discussioni nelle quali si accenna che il controllo è di coppia e velocità.

Mi piacerebbe sapere se secondo voi è fattibile un controllo sensorless per questo mio caso, con errori al massimo di 4° meccanici sul giro dell'albero?

Fatemi sapere

Vi ringrazio per la disponibilità

 

[fmussolin]

Solo con inverter sensorless la vedo molto dura, dovrai metterci un encoder per quanto riguarda la velocità oltre che per la posizione.

[Livio Orsini]

A parte il fatto che bisognerebbe conoscere il problema nei dettagli, ci sono alcuni punti fermi che si possono enunciare da subito.

 

Concordo con Fmussolin sulla necessità di usare controlli vettoriali con reazione da encoder; inoltre è necessario che l'inverter abbia la funzione integrata di "albero elettrico" oppure la si realizzi con un dispositivo esterno.

 

In linea di principio non dovrebbe essere difficle mantenere ls posizione relatava entro i limiti citati, però è necessario, per dre un parre più mirato, conoscere meglio i dettagli delproblema.

[lollons]

Ciao, vi ringrazio per le risposte.

Beh diciamo che l'applicazione richiede che vengano "affacciati" o "affiancati" due o più motori elettrici i quali devono essere sincroni.

I motori in questione sono motori per la vibrazione, quindi con masse eccentriche, che per creare la corretta ampiezza di oscillazione della struttura vibrante devono essere sincroni. In questo senso solitamente molti costruttori tendono a collegare i motori tramite giunto di Cardano, quindi giunto meccanico.

Io sto pensando ad eliminare questo giunto meccanico quindi devo trovare una soluzione ottimale e anche economica.

Al momento i nostri motori sono asincroni, quindi per non stravolgere il prodotto stavo cercando una soluzione con gli asincroni, ma non ho particolari restrizioni quindi mi stavo documentando anche con i motori sincroni a riluttanza.(vorrei eliminare i magneti perchè essendo motori in S1 e con strutture vibranti non mi fido molto dell'ancoraggio degli stessi)

Il mio interesse sarebbe cercare una soluzione sensorless perchè nelle applicazioni vibranti ci sono accelerazioni anche di 9G e un collega elettronico mi ha detto che è difficile trovare sensore/encoder che tenga questo tipo di accelerazioni.

Dalle mie vecchie dispense di azionamenti elettrici, mi sembra di aver capito che si riesce a ricavare la posizione del rotore del motore retroazionando le tensioni indotte e le correnti del motore.

Non potrebbe essere questo un metodo diretto per ricavare l'angolo con cui si fanno poi la trasformate di Park?

Fatemi sapere se avete qualche idea.

[Livio Orsini]

A parte la pesantezza dell'algoritmo non hai certezza della posizione angolare.

Se usi come sensore di posizione un resolver non hai i problemi di vibrazioni che paventi.

Il resolver lo monti sull'albero motore quindi ha le medesime vibrazioni che affliggono il motore. La tecnologia del resolver è simile a quella del motore (contrariamente a quella degli encoders che fa uso di dischi ottici), quindi è robusto come il motore.

 

L'ordine di grandezza dei motori quale sarebbe?

[lollons]

L'ordine di grandezza varia tra motori da 1kW a motori da 8kW.

I motori di dimensioni più piccole hanno diametri esterni di circa ø125mm mentre quelli di dimensioni maggiori di circa ø210mm.

Stavo anche pensando ad utilizzare le masse eccentriche come riferimento di posizione e la mia idea era quella di usare sensore ottico che rileva in un qualche modo dove è la massa eccentrica 1 del I° motore rispetto alla massa eccentrica 2 del II° motore.

 

 

[SandroCalligaro]

Con l'asincrono confermo che la stima della posizione meccanica non è fattibile.

Quello che ricordi a proposito del controllo sensorless è corretto, si trova la posizione angolare del flusso di rotore, per le trasformate di Park ed in generale per il controllo, ma quella posizione è diversa da quella meccanica e da quella meccanico-elettrica.

In sostanza la stima dello scorrimento non sarà mai così affidabile che, integrata, dia una stima di posizione meccanico-elettrica accettabile.

 

Se supponi che ci sia un sensore semplice, che dia un impulso a giro, forse (ma sono scettico) si può mantenere il sincronismo, andando a modificare leggermente il riferimento di velocità di uno dei due motori rispetto all'altro. Dubito comunque fortemente che si possa mantenere lo scostamento sotto 4° meccanici.

 

Una soluzione di sensore senza contatto (direi quindi abbastanza a prova di vibrazione) può anche essere quella degli encoder magnetici, che usano un magnete montato sull'albero ed un chip affacciato verso di esso (a distanza di alcuni decimi di cm).

Ci sono anche soluzioni commerciali già pronte, ne ho vista una ad SPS martedì, posso trovare il nome dell'azienda.

Le risoluzioni sono molto buone, le precisioni inferiori al ° meccanico, ma si può arrivare a meno con compensazioni.

Ci saranno ovviamente problemi dal punto di vista del fissaggio meccanico, perché la posizione relativa tra sensore ed albero deve essere garantita con una certa precisione (anche se non si tratta di tolleranze eccessive, sempre nell'ordine dei decimi di mm).

 

 

La soluzione sensorless è fattibile con motori a riluttanza e/o a magneti permanenti, specie se IPM (magneti interni al rotore).

La seconda, pur avendo i magneti, non soffre molto del problema di tenuta, ed inoltre permette la stima di posizione anche a bassa velocità.

 

Per il riluttanza, per quanto ne so l'unica azienda al mondo che (da più di 10 anni, peraltro) propone un insieme motore+drive per controllo di posizione sensorless è la REEL (gruppo KSB), della provincia di Vicenza.

Se non ricordo male garantiscono una precisione nel posizionamento (statico, immagino) di 1.5° meccanici.

Non ho mai provato quei drive, ma chi li ha usati dice che funzionano veramente. Ci credo perché ho testato motori a riluttanza in sensorless (con algoritmo nostro, sviluppato per Gefran), ed effettivamente una precisione del genere è ottenibile senza troppe difficoltà.

 

Con il sensorless (e senza alcun sensore aggiuntivo) rimane il problema che quella stimata dall'algoritmo è ovviamente la posizione meccanico-elettrica, quindi all'avvio bisogna assicurarsi che i motori si trovino più o meno nella stessa posizione meccanica, con tolleranza molto ampia (ad es. ±90° per due coppie polari). Se c'è una massa eccentrica, questo potrebbe essere assicurato dalla massa stessa, magari aspettando che si assesti.

[Livio Orsini]

Quote

Per il riluttanza, per quanto ne so l'unica azienda al mondo che (da più di 10 anni, peraltro) propone un insieme motore+drive per controllo di posizione sensorless è la REEL (gruppo KSB), della provincia di Vicenza.

 

Se non ricordo male, perchè è trascorsa una ventina d'anni, li usai parecchio per motorizzare dei godets ed avere il sincronismo d velocità pilotandoli  con inverters con solo controllo scalare.

Buona precisione di velocità e buon a affidabilità.

4° di precisione a regime è una precisone non elevata, Se si ammette un errore dinamico maggiore basterebbero meno di 100 impulsi a giro, però il problema è la velocità di rotazione, quindi la frequenza degli impulsi. Con un 4 poli siamo già a quasi 2500 Hz alla massima velocità, forse un po' troppo per sensori indutivi.

[SandroCalligaro]

Quote

Se non ricordo male, perchè è trascorsa una ventina d'anni, li usai parecchio per motorizzare dei godets ed avere il sincronismo d velocità pilotandoli  con inverters con solo controllo scalare.

Probabilmente in quel caso si trattava di sincroni a riluttanza con gabbia di rotore, che erano usati (e forse lo sono ancora) in settori come il tessile.

Quelli di cui parlo non hanno avvolgimenti di rotore, ed in pratica non sono controllabili in scalare (V/f).

Per contro la stima di posizione è possibile anche da fermo, sfruttando l'anisotropia di rotore (di solito, ed è quello che fa REEL, con iniezione ad alta frequenza). L'anisotropia (come la posizione dei magneti nel caso dei sincroni a magneti permanenti) è fissata meccanicamente alla posizione meccanica, quindi la stima di posizione è molto buona.

 

 

[batta]

Quote

Per il riluttanza, per quanto ne so l'unica azienda al mondo che (da più di 10 anni, peraltro) propone un insieme motore+drive per controllo di posizione sensorless è la REEL (gruppo KSB), della provincia di Vicenza.

Anch'io pensavo che li facesse solo la REEL.

Giusto due giorni fa ho scoperto che li fa anche la Siemens.

 

Quote

Io sto pensando ad eliminare questo giunto meccanico quindi devo trovare una soluzione ottimale e anche economica.

Tutti vorrebbero sempre trovare soluzioni "ottimali e anche economiche", ma sono aggettivi che molto raramente stanno bene nella stessa frase.

[SandroCalligaro]

Quote

Anch'io pensavo che li facesse solo la REEL.

Giusto due giorni fa ho scoperto che li fa anche la Siemens.

A produrre motori a riluttanza sono in più di uno, certamente.

Anch'io ho visto il motore di Siemens ad SPS, dove peraltro un tecnico Siemens mi ha detto che quel motore è prodotto su licenza REEL.

ABB produceva (ad Asti) servo a riluttanza già negli anni '90 (per poi presentare, nel 2011, i riluttanza come la novità del secolo ). Questo fatto è testimoniato da un articolo con il prof. Vagati del PoliTo tra gli autori.

Anche SicmeMotori ed Italian Top Gears li producono da qualche anno.

 

Come dicevo sopra, quello che fa solo la REEL (in base a quello che so io) è il controllo di posizione sensorless. Sul posizionamento garantiscono una certa precisione (se non ricordo male 1.5 gradi meccanici) ed una ripetibilità (qualcosa come 0.2 gradi meccanici, sempre a memoria). Sul sensorless, in generale, che io sappia nessun'altra azienda si sbilancia fino a quel punto.

 

Non si tratta di prestazioni impossibili da raggiungere, specialmente considerando che il motore utilizzato, in quel caso, è stato caratterizzato e testato con quello specifico drive, cioè tutto il controllo è "fatto su misura" per un certo motore.

In generale, con motori sincroni a riluttanza, a magneti interni (IPM) e con alcuni motori a magneti superficiali, si riesce a stimare la posizione abbastanza bene utilizzando algoritmi non molto complicati. La gestione della stima su tutto il range di velocità e coppia, la taratura dei parametri del controllo, oltre all'eventuale stima automatica dei parametri del motore sono molto meno banali, specie se si vuole che funzionino per un motore non noto a priori.

[Livio Orsini]

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Probabilmente in quel caso si trattava di sincroni a riluttanza con gabbia di rotore, che erano usati (e forse lo sono ancora) in settori come il tessile.

 

Si erano impianti per produzione di micro fibra tessile.

 

Quote

dove peraltro un tecnico Siemens mi ha detto che quel motore è prodotto su licenza REEL.

 

Speriamo che Siemens non si compri la fabbrica per poi chiuderla un a volta acquisito il know how, come nel caso, ad esempio, degli interruttori extra rapido di Ansaldo.

[lollons]

Grazie a tutti davvero per il contributo e per i consigli.

Per Soluzione economica intendevo che siccome la mia azienda ha il 98% di motori asincroni per l'applicazione, se facessi dei prodotti ad hoc con motori a riluttanza e driver sarebbe la soluzione più dispendiosa.

L'obiettivo è il sincronismo e come ci arrivo al mio capo diciamo che gli interessa relativamente.

Se, considerando lo spunto di Sandro Calligaro, prendessi spunto dalla Reel per motori a riluttanza, non riuscirei a sfruttare quello che ho già in casa cioè motori asincroni.

Diciamo che le prospettive sono da valutare, ma siccome prima Livio Orsini accennava al fatto che un encoder induttivo non è idoneo, quale sensore di posizione consiglierebbe?

Ricordo che i motori che devono essere sincronizzati potrebbero essere sottoposti a carico differente, quindi teoricamente a scorrimento differente, ma è come se fossero uniti da un giunto meccanico quindi quello che rallenta deve essere trascinato da quello meno caricato e viceversa.

Se avete ancora qualche spunto fatemi sapere che sono molto interessato

Vi ringrazio

Marco

 

 

 

 

[SandroCalligaro]

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Speriamo che Siemens non si compri la fabbrica per poi chiuderla un a volta acquisito il know how, come nel caso, ad esempio, degli interruttori extra rapido di Ansaldo.

Ad acquisire REEL ci aveva già pensato qualche anno fa KSB, per ora l'ha tenuta in vita.

L'accordo (stando a quello che mi hanno detto) prevede che Siemens produca i motori anche per REEL...

Rimane assurdo che, nonostante ci siano tanti produttori di motori in Italia, si sia dovuti andare all'estero per la produzione.

[SandroCalligaro]

Quote

siccome prima Livio Orsini accennava al fatto che un encoder induttivo non è idoneo, quale sensore di posizione consiglierebbe?

Occorrerebbe valutare bene, con chi vende sensori di posizione, se ci sono soluzioni adatte a sopportare quelle condizioni di lavoro.

Ti faccio notare che l'encoder induttivo è diverso da quello a magnete che ho proposto. Quello a magnete è adatto anche a velocità piuttosto alte.

[lollons]

Specifico che le velocità massime che potrei raggiungere sono i 3000 rpm, quindi i classici 2 poli. 

Considerando quindi 360°/4° ottengo 90 impulsi di posizione al giro. 

Considerando 3000 rpm/minuto= 50 rpm/ secondo quindi al secondo dovrei avere 4500 impulsi di posizione. 

Detto questo quindi la frequenza del segnale del sensore dovrà raggiungere i 4500Hz.

Ho trovato una azienda, la Zettlex, che produce sensori di posizione per condizioni di lavoro estreme, quindi anche per alte vibrazioni.

La conoscete già? 

Vi ringrazio

 

 

 

 

 

[SandroCalligaro]

Quote

Specifico che le velocità massime che potrei raggiungere sono i 3000 rpm, quindi i classici 2 poli. 

Considerando quindi 360°/4° ottengo 90 impulsi di posizione al giro. 

Considerando 3000 rpm/minuto= 50 rpm/ secondo quindi al secondo dovrei avere 4500 impulsi di posizione. 

Per fare conttollo di posizione, anche solo con 4 gradi di precisione, ti occorre molta più risoluzione.