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Assorbimento corrente con controllo di velocità


Sergio R.

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Buonasera a tutti. E' il primo post che apro in vita mia per cui spero innanzitutto sia la sezione giusta...

 

Ho un motore elettrico trifase i cui dati di targa sono:

P = 18,5kW

Vn = 400V

In = 32A

ɳ = 0,92

cosϕ = 0.95

1 polo

 

Alimentato da rete a 50Hz l'albero gira ovviamente a 3'000giri/min e sviluppa all'asse una coppia di 59Nm.

Questo motore deve essere utilizzato per sostenere la propulsione di una piccola imbarcazione e dal produttore dell'elica da calettare all'asse, mi viene richiesto di farla girare tra i 500 e i 1'500giri/min, in modo che il motore fornisca una coppia di 101Nm (calcolati sempre dal produttore), circa 117 calcolati da me con C=Pn/w.

 

Anche se è il primo controllo di velocità a cui mi approcio in maniera autonoma professionalmente, penso già di poter dire che avere un motore a 2 poli sarebbe stato sicuramente meglio,

ma dovendomi arrangiare con quello che ho già in casa...

 

Considero che per raggiungere i 1'500giri/min richiesti la frequenza di alimentazione debba essere 25Hz, ma da qui in poi iniziano i primi dubbi: se il controllo fosse fatto mantenendo il rapporto V/f costante, la tensione sarebbe quindi 200V ai capi del motore. Con questa tensione quanta corrente assorbirebbe il motore?

 

Vorrei tracciare con excel il grafico della corrente in funzione della tensione/frequenza, perchè devo necessariamente stimare un consumo in Ah per pensare un opportuno vano batterie dedicato alla propulsione dove l'inverter avrà quindi l'ingresso DC e l'uscita AC (l'autonomia sarà comunque decisamente limitata). Vi chiedo aiuto in questo punto, illuminandomi cortesemente dove sono ignorante, perchè calcolando semplicemente il valore assoluto otterrei dei valori di questo tipo:

f=5Hz; V=40V; I=320A

f=10Hz; V=80V; I=160A

f=15Hz; V=120V; I=106A

f=20Hz; V=160V; I=80A

f=25Hz; V=200V; I=64A

f=30Hz; V=240V; I=53A

f=35Hz; V=280V; I=46A

f=40Hz; V=320V; I=40A

f=45Hz; V=360V; I=35A

f=50Hz; V=400V; I=32A

 

E' chiaro quindi, che se così dovesse essere, non potrei mai permettere che il motore assorba 10 volte la In, ma nemmeno tutti gli altri valori...

Per cui vi chiedo di illustrarmi cortesemente quale anello mi manca per giungere alle conclusioni corrette (considerando scarsa conoscenza di azionamenti tramite inverter) e di aiutarmi a tracciare un andamento della corrente in questi casi, che possa rivelarsi buono anche per future applicazioni/progetti.

 

Grazie in anticipo per la Vs. disponibilità.

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Che tipo di motore è? un trifase asincrono? un brushless sinusoidale? un brushless trapezoindale?

 

 

Ammesso, in funzione del tipo di motore e del tipo di controllo, di lavorare a coppia costante

Il tuo sistema lavorando a coppia praticamente costante lavorerà anche a corrente praticamente costante ed a potenza variabile.

Questo è ovvio perchè la potenza è il prodotto coppia * velocità, mentre la corrente assorbita è proporzionale alla coppia erogata.

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Ciao Sergio,secondo me sarebbe meglio scegliere un motore asincrono a 4 poli(1500 rpm) avendo questi,a parità di potenza,maggior coppia ed abbinargli un semplice inverter V/F eventualmente alimentato in DC sui morsetti del bus interno.Per esempio,un 15KW 4 poli standard sviluppa circa 100Nm nominali ed un 18,5 KW circa 120 Nm e quindi potresti anche pensare di ridurre la potenza ed aumentare l'autonomia media.Il motore che possiedi potresti metterlo in vendita e sicuramente ti costa meno un motore nuovo (il 15KW IE3 le trovi su i 500€,il 18,5 sugli 800€) da abbinare direttamente all'albero dell'elica senza interporre costosi riduttori (inefficienti) o driver costosi.

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SandroCalligaro

Fermo restando il fatto che non esistono motori ad un polo :), il consiglio di Blackice è importante. Considera che, altrimenti, senza riduttore (cioè con inverter, a 25 Hz), saresti costretto ad utilizzare un motore di potenza doppia.

 

L'elica dovrebbe avere andamento della potenza approssimativamente proporzionale al cubo della velocità.

Quindi potresti calcolare, a partire dalla potenza nominale, l'andamento della potenza meccanica necessaria alle varie velocità.

 

Da qui, comunque, rimane difficile calcolare la potenza in ingresso, perché il rendimento di un asincrono a carico parziale non è scontato.

Anche la relazione tra coppia e corrente non è lineare, a bassi valori di coppia, visto che parte della corrente serve per mentenere il flusso di rotore.

 

Tieni conto anche di un paio di altre cose...

Un sistema di accumulo a tensione alta (ti occorrono più di 500V) non è un gioco, soprattutto in un'applicazione mobile ed in ambiente marino (acqua, sale, inclinazione, vibrazioni, ...).

La scelta di un motore asincrono (bassa efficienza) è un pessimo primo passo nell'ottica del compromesso tra autonomia e peso/ingombro delle batterie.

Un brushless a tensione bassa potrebbe essere una soluzione molto più adatta.

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Buongiorno a tutti, vi ringrazio per le Vs. pronte risposte e di seguito replico:

 

@Livio Orsini Il motore è un trifase asincrono, per impiego solitamente con pompe sommerse (dovrà necessariamente essere installato in acqua).
Considerando la potenza come prodotto della coppia [Nm] * la velocità angolare [rad/s], siamo d'accordo che il motore eroga sempre 18,5kW, per cui la potenza elettrica noto il rendimento di targa sarà sempre circa 21kW. Fin qui tutto chiaro, in quanto la corrente assorbita non vedo come possa essere diversa da In.

Il mio dubbio sorge quando mi chiedo cosa succede alla tensione e alla frequenza necessarie per rallentare il motore da 3'000giri/min a 1'500giri/minuto, perchè so anche che P=√3*V*I*cosϕ e allora con P = sempre 21kW se la tensione diminuisce la corrente dovrebbe aumentare come da calcoli che ho riportato... Da qui il mio dubbio!

Vorrei solo capire, come "studiare" la corrente e perchè in un modo piuttosto che un altro. Ho premesso anche la mia ignoranza sugli azionamenti tramite inverter, per cui link o altri post del forum che possano essere utili sono ben accetti! Ho solo da imparare!

@Blackice L'equivoco nasce dal fatto che ho scritto che il motore ha 1 polo, invece di una coppia polare, per cui quando ho scritto erroneamente che di base avrei scelto un motore con 2 poli, intendevo dire 2 coppie polari (4 poli) e di conseguenza costruttivamente "già pronto" per essere sfruttato a 1'500giri/min. Sono perfettamente d'accordo con il tuo esempio, ma purtroppo non decido io.

 

@SandroCalligaro Ri-faccio mea culpa, dovevo parlare di coppie polari, lo ammetto! :)

 

ti cito: "Anche la relazione tra coppia e corrente non è lineare, a bassi valori di coppia, visto che parte della corrente serve per mentenere il flusso di rotore".

Ecco è proprio questo il punto, quello che vorrei cercare di capire: la relazione tra la coppia [Nm] e la corrente. Prima di tutto perchè come puoi leggere dalla risposta a Livio sono "al buio", in secondo luogo perchè come accennavo ho la necessità di dimensionare le batterie necessarie.

 

L'applicazione è molto particolare, quasi unica al mondo, difatti si tratta di un prototipo da sperimentare a livello europeo, quindi si sta facendo quasi un salto nel vuoto!

Sono già consapevole di dover avere una tensione in DC più alta di quella necessaria per l'uscita dell'inverter e non nascondo che ci si prospetta un'autonomia relativamente bassa con il costo delle batterie sicuramente oltre diverse decine di migliaia di euro.

In breve, il problema di fondo è che l'imbarcazione è costituita da una camera iperbarica, per cui non potendo installare categoricamente alcun motore "all'asciutto", la scelta obbligata è ricaduta su dei motori asincroni trifase per uso con pompe sommerse perchè sul mercato è l'unica cosa reperita che il costruttore garantisce di poter immergere in acqua anche salata. Il tutto è legato ai vincoli e alle ricerche di mercato fatte (difficoltà anche a reperire un motore con 2 coppie polari / 1'500giri/min).

Potresti indicarmi un motore brushless da te ritenuto adatto? Anche in questo caso sono ignorante... Ma imparo volentieri! Difficilmente poi il consiglio sarà accettato dal mio datore di lavoro, ma io sono pronto a farne tesoro!

Grazie e tutti per avermi dedicato del tempo con le Vs. risposte, spero riuscirete a chiarirmi la relazione tra la coppia e la corrente, in modo da tracciare un grafico... Sarei già stra-felice! :D

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Quote

siamo d'accordo che il motore eroga sempre 18,5kW, per cui la potenza elettrica noto il rendimento di targa sarà sempre circa 21kW.

 

No!

Se sei a 50Hz eroghi 18.5kWM se sei a 5 Hz ed il controllo vettoriale funziona bene, ne eroghi la massimo 1.85 di kW!

Se riduci di un decimo la velocità e riesci a mantenere costante la coppia erogherai un decimo della potenza di targa se la velocità è un decimo della velocità di targa.

Per convenzione si dice che il motore lavora in regime di coppia costante.

 

Dato che al ridursi della velocità si riduce proporzionalmente la tensione, la corrente assorbita è quasi costante se la coppia erogata è costante.

Se la coppia non è costante subentrano anche i fenomeni richiamati da Sandro Calligaro.

 

Io non userei un motore asincrono ma userei un motore brushless.

 

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SandroCalligaro

Per un progetto del genere potrebbe valere la pena di far progettare una macchina ad hoc, o comunque di cercare produttori specializzati...

Considera che non siete gli unici che stanno pensando di elettrificare una barca.

 

E' quello che succede nella trazione: non troverai nessun veicolo elettrico (nemmeno un carrello elevatore) che non abbia motori più o meno custom, o comunque tagliati per l'applicazione.

 

A proposito di autonomia...

Se immagini la guida di un'imbarcazione, ci saranno momenti in cui la coppia da erogare sarà molto bassa, specie in manovra. La differenza di consumo tra un asincrono ed un brushless è in quei casi abissale. I dati sul rendimento, secondo me, non rendono bene l'idea.

Si può arrivare al punto che, quando si è "in folle", l'asincrono potrebbe consumare comunque una potenza non trascurabile, per erogare potenza nulla.

 

Aggiungo una nota sui tuoi ragionamenti. Non sono sicuro, in base a quello che scrivi, ma mi pare che tu abbia fatto un errore che è abbastanza comune.

Fai attenzione al fatto che la potenza di uscita non sarà determinata tanto dal motore, ma principalmente dal carico. Non è assolutamente vero che il motore, alimentato alla frequenza nominale, si troverà a lavorare nel suo punto nominale (corrente, potenza, cosphi), perchè questo avviene solo se la coppia di carico è esattamente pari alla coppia nominale del motore. Nella pratica ti troverai quasi sempre ad avere una coppia di carico (e quindi, a regime, una coppia erogata) leggermente inferiore alla nominale.

Nel tuo caso il punto di funzionamento dipende dal progetto dell'elica.

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Buongiorno a tutti e grazie ancora per le risposte! Sicuramente fino ad ora non sono riuscito a spiegare con precisione su cui necessito chiarimenti:

 

Io sto effettuando solo uno studio e parto dal presupposto (ed è solo tale) per cui non faccio un controllo dove la coppia sia mantenuta costante e sia la medesima di quella di targa a 3'000giri/min (59N*m), perchè indipendentemente da tutto il produttore dell'elica mi chiede 22,8HP (che corrispondono a circa 101N*m) a 1'500giri/min.

Per cui, assumendo di avere un motore esattamente come ho descritto in precedenza, di seguito calcolato come si dovrebbe comportare ad un determinato numero di giri imposto:

 

589

Nm 5 Hz 300 giri/min
294 Nm 10 Hz 600 giri/min
196 Nm 15 Hz 900 giri/min
147 Nm 20 Hz 1200 giri/min
118 Nm 25 Hz 1500 giri/min
98 Nm 30 Hz 1800 giri/min
84 Nm 35 Hz 2100 giri/min
74 Nm 40 Hz 2400 giri/min
65 Nm 45 Hz 2700 giri/min
59 Nm 50 Hz 3000 giri/min
55 Nm 55 Hz 3300 giri/min
49 Nm 60 Hz 3600 giri/min
           

(In verde ho evidenziato il "target" che dovrei raggiungere)

Torno così alla domanda del post precedente dove è vero che così la Passorbita = k = Pmecc./rendimento = (Coppia[N*m]*w[rad/s]) / rendimento = circa sempre 21kW ma la corrente come cambia? Con 21kW di Pass si hanno i 32A di targa, ma essendo il rapporto V/f = K (giusto?), al diminuire della frequenza dovrebbe quindi corrispondere una diminuzione di tensione.

 

Così facendo, per esempio a 5Hz avrei 40V e risulta  I = P / √3*V*cosϕ ( I = 21'000W / 1,73*40V*0.95) = circa 320A.

 

Vorrei solo capire se il mio ragionamento e i miei calcoli sono corretti oppure no, per capire se l'assorbimento di questo motore "X" in maniera empirica si comporterebbe come descritto. Se non ho sbagliato nulla, non potendo ovviamente fornire al motore 10 volte la sua corrente nominale, la mia soluzione sarebbe un controllo di coppia a 59Nm come quelli nominali, applicando poi un riduttore opportuno per far si che si abbiano all'elica 118Nm (trascurando ovviamente il rendimento meccanico che risulta dal sistema) a 1'500giri.

 

 

 

Ribadisco di essere d'accordo sulla possibilità di adottare un motore brushless, ma come ho detto non essendo stato in grado di trovarne uno che sia possibile tenere completamente e costantemente immerso in acqua marina, il mio studio di fattibilità si è orientato su un prodotto innanzitutto in grado di garantire il funzionamento in certe condizioni.

E' uno studio di fattibilità, per cui lo faccio con componentistica reperibile sul mercato da catalogo, altrimenti oltre alla realizzazione di un qualcosa ad hoc, potrei prendere io stesso un motore brushless, "scafandrarlo" e garantire a mio rischio e pericolo la certificazione del fatto che non vi entrerà mai all'interno l'acqua... Ma questa è un'altra storia! :D

 

 

Vi chiedo solo di darmi lumi sui calcoli effettuati e se necessario di correggermi ed insegnarmi in ragionamento giusto da effettuare in questo specifico caso, come ho sempre detto fin dal principio non proprio di base impiantisticamente corretto.

 

 

Grazie ancora a tutti per la disponibilità.

 

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Forse o non ti spieghi bene o forse non riusciamo a spegarci noi.

 

Semplificando molto i concetti.

Il motore tra 0Hz e 50Hz lavora in modalità coppia costante, semprechè il controllo funzioni egrgiamente.

Se il motore è dato per 59Nm a 50Hz e 400V, la coppia massima che potrà erogare sarà sempre 59Nm, al di sootto delle freqeunza nominale, se il controllo lavora bene, erogherà sempre 59Nm, però dato che la velocità decresce decrescerà anche la potenza erogata in modo esattamente proporzionale. Anche la potenza elettrica assorbita diminuisce perchè diminuisce la tensione di alimantazione, mentra la corrente assorbita non ha grandi variazioni.

 

Sopra la velocità nominale, quindo al di sopra dei 50Hz, se la tensione di alimentazione non cresce in modo proporzionale alla freqeunza si andrà a lavorare in modalità "potenza costante"

 

Nel tuo esempio, a 60Hz, 20% in più di velocità, la massima coppia erogabile sarà 47.2Nm, ovvero esattamente 20% in meno. Se vuoi mantenere costante la coppia erogabile dovresti alimentare il motore a 480V, ammesso che si possa fare.

 

Se ti servono 589 Nm a 300 giri o riduci la velocità meccanicamente, però devi partire da una coppia maggiore di 59Nm perchè il riduttore assorbe parte della coppia, oppure scegli un motore che sia in grado di erogare 589 Nm di coppia.

 

Se il tuo targhet di coppia sono 117Nm a 1500 rpm scegli unmotore di eguale potenza a 4 poli. Però considera che più di 117 Nm di coppia non potrai ottenere anche se scendi velocità.

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