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JumpMan

Motore DC vs Motore AC

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JumpMan

Premetto che ho esperienza pressoché nulla nel campo dei motori/azionamenti DC, quindi mi piacerebbe farmi un po di cultura anche in questo campo.

Ho notato che in una certa tipologia di macchine, dove serve una coppia esagerata, si faceva spesso uso di motori in DC.

Questa usanza è ancora attuale? Oppure al giorno d'oggi ci sono delle alternative valide?

Per esempio in una vecchia macchina con cui ho avuto a che fare c'è un motore+azionamento DC da 100A (credo a 400V ma non so altri dati), ho notato che il motore è molto voluminoso a dispetto dell'azionamento che sarà più o meno la metà di un inverter di pari corrente.

Se sostituissi il motore con un asincrono trifase di pari coppia otterrei lo stesso risultato? O per certe applicazioni il DC è insostituibile?

 

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Livio Orsini
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Se sostituissi il motore con un asincrono trifase di pari coppia otterrei lo stesso risultato? O per certe applicazioni il DC è insostituibile?

 

Basta ossevare l'andamento coppia-velocità dei 2 tipi di motori.

Il motore cc eroga la coppia nominale anche a velocità zero.

Un asincrono, pilotato da un buon inverter vettoriale con reazione, ci si avvicina.

Un motore cc può assorbire tranquillamente il doppio della corrente nominale, quindi erogare quasi il 200% della coppia nominale, per 2' ogni 10'. In pratica è solo necesario che la corrente termica risulti non superiore al valore di corrente nominale. Questo consente di avere, ad esempio, forti accelerazioni o forti sovraccarichi istantanei come, ad esempio, vincere elevati attriti di primo distacco.

 

I motori cc a magneti permanenti erogano sino ad 8 volte la coppia nominale nel primo tratto della funzione coppia - velocità, per poi discendere gradualmente sino ad erogare la coppia nominale a circa 2/3 della velcità nominale.

 

Esistono servi in continua che possono erogare anche 10 volte la coppia nominale a velocità zero, ed hanno un momento d'inerzia ridottissimo.

 

Per alcune applicazioni dove si richiedano accelerazioni violentissime ancora oggi il motore in contina, anche se di tipo particolare, è insostituibile.

 

Facendo un paragone equino, il motore asincrono è un cavallo da tiro o, al massimo, da tiro veloce; i brushless sinusoidali possono essere dei buoni purosangue da trotto, ma il vero cavallo da corsa è ancora il motore cc.

Però come tutti i purosangue è un po' delicato e deve essere trattato con i dovuti riguardi.

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JumpMan

Grazie Livio per le delucidazioni.

 

Cosa succede al motore dc se lo faccio lavorare oltre la sua velocità nominale ?

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ken

Se hai il campo separato devi ridurre la corrente di campo. il motore deflessa e perde coppia

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JumpMan

Il campo è separato e collegato all'azionamento, non si arrangia l'azionamento a fare queste correzioni ?

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Livio Orsini

Ci sono convertitori costruito appositamente con 2 regolatori separati: quello di armatura e quello di campo.

Gli anelli di regolazione sono messi in cascata con soglia.

 

Ammettiamo di avere la tensione di armatura nominale di 400V e velocità nominale di 3000 rpm.

La funzione di trasferimento del motore Velocità- tensione di armatura è praticamente lineare sino ai valori nominali; oltre aumentando la tensione si danneggia l'avvolgimento di armatura.

 

Per andare oltre si deve deflussare, ovvero lavorare in regime di flusso non saturo.

Diminuendo il flusso, diminusce la coppia e, contemporanemente, aumenta la velcotà massima in modo proporzionale, così da mantenere costante il valore di potenza erogato.

 

Se si usa un convertitore a doppia regolazione, quando la tensione di armatura raggiunge il valore nominale, 400V nell'esempio, ed è richiesto un incremento di velocità, l'anello di regolazione diminuirà la corrente di campo sino a raggiungere la velocità richiesta.

 

Se non si ha un doppio regolatore si può solo deflussare in modo fisso.

 

la velocità massima non può essere elevata senza limiti, ma è necessrio rispettare i limiti imposti dal costruttore del motore.

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ken

esistono anche regolatori esterni di campo per gestire il deflusso. ma sono cose che si usavano tempo fa. gli azionamenti moderni hanno la regolazione di campo integrata (o almeno in quelli seri)

nei moderni azionamenti digitali è tutto integrato nel drive. basta parametrizzarlo in modo corretto. alcuni hanno anche l'autotaratura dell'anello di corrente di campo per gestire meglio il deflusso.

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JumpMan

L'azionamento è digitale della Santerno, e sembra ben fatto.

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Livio Orsini

Devi leggere il manuale per verificare se è possibile parametrizzare il convertitore (con azionamento si intende il complesso motore-convertitore più eventuale trasduttore di velocità) in modalità di regolazione composita campo-armatura.

 

Su alcuni convertitori, per motivi commerciali, questa possibilità viene bloccata perchè viene venduta con un sovrapprezzo.

 

Se il tuo convertitore è abilitato a questo modo di operare ci sarà un parametro per abilitare la funzione, poi ci saranno i parametri per stabile la soglia di tensione di armatura, ed il limite di velocità. inoltre ci saranno da regolare i parametri di taratura degli anelli di corrente e velocità dei 2 convertitori, a meno che sia previsto un sistema automatico di ottimizzazione dei parametri.

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JumpMan

Ho letto il manuale...

Da quanto vedo nei parametri è possibile inserire una corrente di campo nominale, una velocità di inizio deflussaggio, una corrente minima di campo la quale sarà erogata alla massima velocità.

Quelli che ho sottolineato sono parametri modificabili.

 

Quando il motore supera la velocità di inizio deflussaggio la corrente di campo inizia gradualmente a decrementare fino a portarsi al valore corrente minima di campo quando è alla massima velocità. 

 

Grazie a tutti, inizio a vederci chiaro!

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Livio Orsini

Si è corretto.

Fa attenzione solo a due cose: la massima velocità raggiungibile e la coppia che eroghi.

La massima velocità è un limite fisico del motore imposto dal costruttore.

La coppia che puoi erogare è funzione della velocità a cui stai lavorando; se è insufficiente alla bisogna il motore stalla.

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SandroCalligaro
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Da quanto vedo nei parametri è possibile inserire una corrente di campo nominale, una velocità di inizio deflussaggio, una corrente minima di campo la quale sarà erogata alla massima velocità.

La velocità di inizio deflussaggio e i due valori di corrente di campo sono parametri che il controllore potrebbe determinare da solo, sulla base dei parametri del motore o addirittura a posteriori.

Infatti, un tipo di algoritmo di deflussaggio abbastanza comune è basato su uno schema in catena chiusa, nel quale si confronta la tensione sintetizzata dal controllo di corrente di armatura con quella massima disponibile (decurtata di un margine). La differenza tra le due tensioni viene processato da un regolatore PI, la cui uscita corrisponde al riferimento di corrente di campo.

Questo tipo di schema è prevalente (per quanto ne so) sugli azionamenti per motori trifase, nei quali il problema del deflussaggio è molto simile (anche se non identico).

 

Qui sembrerebbe invece che l'utente imposti una curva fissa per la relazione corrente di campo vs. velocità.

La relazione da imporre in deflussaggio dovrebbe essere

|Va| = Vin - Vmargin

dove Va è la tensione di armatura e Vin è la massima tensione disponibile (che corrisponde a quella di ingresso raddrizzata, se si tratta di un ponte in PWM). Siccome la tensione di alimentazione potrebbe variare, è bene tenersi un margine ragionevole Vmargin (mi aspetto che 5-10% della tensione nominale vada bene).

Quel margine, in realtà, serve anche a coprire la tensione induttiva, nel momento in cui occorre variare la corrente di armatura.

 

La tensione di armatura (a regime) é

Va = Ra · Ia + k_e·Le·Ie · w

Ra è la resistenza di armatura, Ia è la corrente di armatura (massima, perché è il caso peggiore), Le·Ie è il flusso di campo, w è la velocità in rad/s,

 

Visto che la tensione indotta sull'armatura è

Va = K_e·Le·Ie

K_e·Le si può ricavare tramite la tensione nominale

(Va_nom-Ra·Ia_nom)/w_nom / Ie_nom

oppure tramite la coppia nominale

Tnom / Ia_nom / Ie_nom

visto che la coppia è

T = K_e·Le·Ie · Ia

 

Dalla prima relazione puoi trovare i valori della velocità di inizio deflussaggio e della corrente di campo alla velocità massima.

La velocità di inizio deflussaggio dovrebbe essere pari (o molto vicina) a quella nominale, se la tensione nominale è pari o vicina a quella massima del convertitore.

 

Magari saranno necessari piccoli aggiustamenti (se non altro perché la relazione flusso di statore-corrente non è lineare, a causa della saturazione), ma seconde me è utile poter calcolare i parametri in modo analitico, e non completamente per tentativi, se non altro per avere un buon punto di partenza.

E' a questo che dovrebbe servire l'auto-tuning, a mio modesto parere.

 

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SandroCalligaro

Mi sono appena accorto di una funzionalità (in parte discutibile, in parte giustificabile) dell'editor di plcforum!
La cosa ha un effetto piuttosto comico sul mio ultimo post: dopo aver premuto "Invia risposta", tutte le occorrenze di image.png.d155488ea96b8c9afaabdc147f8b1dec.png (che doveva essere il simbolo di una costante) sono diventate "che"! :lol:

 

Ovviamente ho risolto editando "che" in "k_e"...

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Livio Orsini

Sandro bisogna anche tener presente, quando si trattano queste applicazioni, alla prassi consolidata per queste macchine.

Solitamente si hanno delle esigenze ben precise, che sono il superamento della velocità nominale per alcune applicazioni dove al crescere della velocità diminuisce la richiesta di coppia.

In genere il deflussaggio inizia, ovviamnete con il raggiungimento della velocità nominale che corrisponde alla tensione di armatura nominale.

Di regola sin inserisce la velocità massima.

Poi il il regolatore fa tutto da solo, una volta che, ovvimente sono stati ottimizzati i parametri di taratura dei loops. Quelli intelligenti eseguono un autotuning, per quelli "stupidi" o in casi particolari si deve procedere manualmente all'ottimizzazione dei 4 anelli in cascata.

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JumpMan

Sul motore è indicata una corrente di campo di 3A / 1.2A e una velocità di 1160 / 2320 rpm.

Immagino che si debba iniziare a deflussare a 1160 rpm e si possa raggiungere una velocità massima di 2320 rpm.

Quest'ultimo è un limite invalicabile o continuando a deflussare si può andare oltre?

Stasera sono pigro e dopo 12h di lavoro non ho molta voglia di leggere manuali di elettrotecnica, cosa succede alla coppia se dimezzo la corrente di campo?

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Livio Orsini
9 ore fa, JumpMan scrisse:

cosa succede alla coppia se dimezzo la corrente di campo?

 

Meglio cosa succede alla coppia se raddoppio la velocità?

Succede che la coppia si dimezza. Devi sempre tenere presente che P = Cm * W ==> potenza = coppia per velocità angolare.

La potenza rimane costante perchè è un dato di progettazione e costruzione del motore, quindi se aumen ta la velocità nominale deve diminuire proporzionalemnte la coppia motrice.

Il convertitore, se è ben fatto, regola la tensione di campo in funzione della velocità, così come nel primo tratto (a coppia costante) regola la tensione di armatura in funzione della velocità.

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SandroCalligaro
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Sandro bisogna anche tener presente, quando si trattano queste applicazioni, alla prassi consolidata per queste macchine.

Volevo solo spiegare come calcolare i valori (corrente di campo ad una certa velocità e velocità di inizio deflussaggio), siccome sembrava che non fossero disponibili e/o il controllore non li calcolasse autonomamente.

 

Quote

La potenza rimane costante perchè è un dato di progettazione e costruzione del motore

Non sono del tutto d'accordo: la potenza nominale è un dato di progetto, ma, relativamente alla potenza, il problema principale col quale si deve fare i conti è la temperatura, quindi in generale le perdite. Ovviamente esiste anche un limite di velocità per ragioni meccaniche (cuscinetti ecc).

 

Le perdite però non sono necessariamente proporzionali alla potenza in uscita, perciò il deflussaggio non ha lo scopo principale di limitare la potenza meccanica in uscita, anche se la sua applicazione ha come risultato un funzionamento a potenza costante.

Il deflussaggio risponde all'esigenza di permettere il funzionamento a velocità più alta della nominale, nonostante la tensione di alimentazione (di armatura) sia limitata.

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Livio Orsini

Sandro tu, per tua formazione, sei abituato a ragionare con la mentalità dl progettista della macchina elettrica e del progettista del regolatore; io invece, come la maggioranza dei partcipanti al forum, sono abituato a ragionare con la mentalità del progettista del sistema, ovvero a vedere il problema dal lato dell'utilizzatore dell'azionamento.

Quindi la mia precisazione non è ne un appunto ne una critica, ma solo un modo per porre l'accento su quello che è importante per chi utilizza la macchina.

 

Certi concetti, seppur corretti, dal punto di vista dell'applicazione si trascurano perchè qullo che è fondamentale è il risultato finale.

 

La prassi vuole che, quando si usa un azionamento a regolazione mista armatura-campo, si faccia riferimento alla potena resa, quindi si parla di funzionamento a coppia costante, sino al valore nominale di tensione di armatura, ed a potenza costante dal momento che inizia il deflussaggio.

La cosiderazione sulla coppia è molto importante, perchè non tutte le applicazioni ammettono la possiiblità di lavorare in deflussaggio.

Se motorizzi un mandrino, ad esempio, è abbastanza fattibile perchè a velcità di lavorazione maggiore corrispondono sempre minori sforzi sull'utensile; anche in caso di aspi è spesso possiibile lavorare in regime  di potenza costante , visto che le velocità elevate corrispondono a valori di diametro minimi, dove la coppia necessaria per mantenere in tensione il materiale è minore.

 

Questo avviene anche quando si lavora con inverter ed asincroni; superati i 50Hz si dice che si lavora in regime di potenza costante.

Questo anche se formalmente non è del tutto corretto.

In alcuni casi si applica una specie di trucco, "imbrogliando" il motore.

Si collega il motore a "D" (nel caso di tensione "Y" di 400V) e si pone il limite della retta V/f come 400V / 87 Hz.

E' una pratica che può essere utile per risolvere particolari problemi; però il progettista del sistema dovrà tenere conto che la potenza elettrica assorbita diventa rad3 volte la potenza elettrica nominale, con tutti gli effetti del caso.

 

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