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FREQUENZA INVERTER


lambda

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Una curiosità per chi sa rispondermi.

non mi è chiaro, dato un qualsiasi inverter ac che alimenti un brushless , come esso possa determinare la velocità di rotazione del motore in relazione alla velocità comandata.come fa L inverter ad accorgersi che il motore sta girando a velocità inferiore per generare il messaggio di errore?

il motore non ha trasduttore di posizione.

 

grazie

 

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Misurando la corrente. Se il motore non riesce a seguire la posizione definita dall'azionamento la corrente diventa alta e irregolare

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Sandro Calligaro

Se non c'è un sensore di posizione, il controllo sarà sensorless.

In quel caso si stima la posizione a partire dalle variabili elettriche. Le tecniche non sono così complesse, ma per capirle occorre una certa conoscenza di controlli automatici e del modello del motore.

 

A velocità medio-alta, le tecniche sensorless di solito si basano sulla back-EMF (back-ElectroMotive Force),

Per un sincrono la tensione indotta dal magnete (back-EMF) è un segnale alla frequenza elettrica (coppie_polari·frequenza_meccanica) ed è 90° elettrici in anticipo rispetto alla posizione dell'asse d (asse di simmetria del magnete). Ricostruendo la back-EMF a partire da tensione e corrente di fase, si riesce ad ottenere una stima della posizione e della velocità elettrica.

Se ti interessa di più, posso provare a spiegarmi meglio, ma mi ci vuole tempo per scrivere...

 

Di che drive si tratta?

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Si, mi servirebbero delle spiegazioni più dettagliate, se sono troppo lunghe da scrivere puoi indicarmi dei volumi.

l'inverter è un sieb meyer e il motore gira a 85000 giri al minuto (albero a levitazione magnetica)

 

grazie

 

 

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Sandro Calligaro

Meglio se ci puoi dare anche il modello e, se non è disponibile su internet, il manuale (anche se credo sia un inverter per uso specifico).

 

Ti serve saperne di più per curiosità, per risolvere qualche problema particolare o, per dire, perché vorresti fare tu il controllo? 

Mastichi abbastanza bene l'inglese?

 

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NOn mi serve per ricerche guasti, ma è un concetto che vorrei approfondire per pura curiosità tecnica. Mi accontenterei anche di una spiegazione teorica e non viscerale sull'argomento, purchè esaustiva.Conosco l'inglese.

 

 

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Sandro Calligaro

Purtroppo, in giro si trova tanto materiale, che spesso è solo buono per creare confusione.

 

Il principio su cui si basano le tecniche di stima ad alta velocità, comunque, è abbastanza semplice.

La back-EMF, cioè la forza contro-elettromotrice del motore, dipende solamente dal magnete, ed è legata alla sua posizione. Stimando quella variabile si ricava la posizione e quindi la velocità. La back-EMF è di fatto la tensione generata dal magnete quando il rotore è in movimento. Se hai il motore a disposizione, te ne puoi rendere conto facilmente facendo ruotare il rotore a velocità costante (o quasi) e misurando le tensioni a vuoto con un oscilloscopio. Saranno sinusoidali e la loro frequenza ed ampiezza saranno proporzionali alla velocità meccanica.

 

Normalmente, per tutti i motori trifase si evita di lavorare su terne di variabili (tensioni, correnti, ecc), ma si lavora su 2 sole variabili. Questo è possibile senza perdere "informazioni", per il semplice fatto che (per le leggi di Kirchhoff), la somma delle 3 correnti e la somma delle 3 tensioni di fase è nulla:

ia+ib+ic = 0

va+vb+vc = 0

E' chiaro quindi che da 2 delle 3 variabili si può ottenere la terza. Per comodità si proiettano le variabili (che sono viste come vettori, o fasori), su due coordinate ortogonali, alpha e beta.

image.png.a888a11bcf27b7cb714137524c50eb95.png        ->  image.png.07750d9fe13a035f6461a14c2402ccb0.png

PS: ialpha = ia, (i due assi sono allineati) quindi la trasformazione della prima variabile è banale.

 

Le fasi del motore possono essere schematizzate come la serie di una resistenza, un'induttanza ed un generatore (back-EMF, "E"), che in funzionamento "normale" (da motore) si oppone alla tensione di alimentazione. Questo è vero sia per un motore sincrono a magneti permanenti che per un motore in continua, quello che cambia è la forma d'onda del generatore, che nel sincrono è una funzione sinusoidale della posizione meccanica, mentre nel continua è un valore proporzionale alla velocità.

image.png.b15f9141c4a0e91253fa224e7dfdfdd4.png

Questo modello circuitale non è esatto, in trifase (ci sarebbero delle induttanze mutue di accoppiamento tra le fasi), ma lo diventa nel sistema di riferimento alpha-beta.

Il motore diventa quindi, dal punto di vista del modello, bifase, con due fasi ortogonali.


La tensione indotta (back-EMF) è dovuta alla variazione nel tempo del flusso del magnete concatenato dalle spire di statore, che dipende dall'allineamento tra la direzione del Nord del magnete e l'asse della spira, cioè la tensione indotta è la derivata del flusso del magnete nel tempo:

per la fase a: Ealpha = d lambdaPMalpha/dt

per beta sarà sfasata di 90° in ritardo.

Il flusso del magnete concatenato da alpha e beta è, appunto, la proiezione del "vettore di flusso" del magnete sull'asse di quella "fase":

fase alpha: lambdaalpha = LambdaPM·cos(thetame)

 

Quindi E è una funzione sinusoidale della posizione meccanico-elettrica (o "elettrica", cioè posizione meccanica x coppie_polari), l'ampiezza è proporzionale alla velocità:

fase alpha: Ealpha = -wme·LambdaPM·sin(thetame)

per beta sarà sfasata di 90° in ritardo.

LambdaPM  è l'ampiezza del vettore di flusso (una costante), wme è la velocità meccanico-elettrica, thetame è la posizione meccanico-elettrica (meccanico-elettrica : meccanica x coppie_polari).

image.thumb.png.0c400bc881cbfc9e3c9ed08a8cf568ac.png

Queste sono le back-EMF per un motore con ampiezza del flusso del magnete LambdaPM = 0.02 a 50 Hz.

 

Se conosco E su alpha e beta, ho una coppia di variabili sinusoidali seno-coseno. Rappresentata sugli assi alpha-beta, è un vettore che ruota alla velocità meccanico-elettrica e si trova 90° in anticipo rispetto al flusso del magnete permanente, e quindi 90° in anticipo rispetto alla posizione meccanico-elettrica. Per estrarre la posizione (meccanico-elettrica), potrei ad esempio calcolare l'arcotangente:

thetame = atan2(Ebeta,Ealpha ) - 90°

 

Quello che si fa normalmente, in realtà, è usare una PLL (Phase-Locked Loop in quadratura, Q-PLL):

image.png.d4885adb4ba32773db8fc5d70fa53e81.png

Ovviamente questo è possibile dopo che si sono stimate le due back-EMF, Ealphaed Ebeta.

Per fare questo si potrebbe calcolare semplicemente

Ealpha = Valpha - R·Ialpha - L·d Ialpha/dt

ma si preferisce di solito usare un osservatore, cioè un oggetto "matematico" che contiene il modello elettrico del motore, calcola una stima di corrente e back-EMF, e le corregge basandosi sull'errore di stima della corrente (cioè in anello chiuso). Le ragioni per cui questo metodo è preferibile sono più che altro legate al rumore di misura, che non permette di calcolare la derivata nel tempo in modo accettabile (si amplifica con la derivata).

 

Spero di non averti creato ulteriore confusione... :)

 

Se vuoi qualcosa di più preciso (ma niente di serio, visto che l'ho scritto io):

https://dspace-uniud.cineca.it/handle/10990/200

 

 

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Sandro Calligaro

Grazie Livio, c'ho provato, per lo meno.

Capire bene come funzionano questi algoritmi richiede un certo tempo e delle basi, ma per cogliere il principio forse basta un post un po' più lungo del solito.:)

 

Aggiungo una cosa: molti controlli sensorless, come quelli di alcuni motori per veicoli o aerei radiocomandati, sono basati sullo stesso principio (la back-EMF), ma applicano il controllo "Brush-Less DC" (BLDC), rendendo le cose molto più semplici. Naturalmente le prestazioni non sono comparabili, ma in molte applicazioni è sufficiente.

In quel caso, infatti, si suppone che la back-EMF sia trapezoidale, per cui, per avere coppia costante, la corrente dovrebbe essere squadrata invece che sinusoidale.

Siccome la corrente di ciascuna fase ha dei tratti che devono essere a zero, in quei momenti una fase sarà aperta, mentre le altre due conducono una corrente uguale ed opposta.

Si va quindi a misurare la tensione a vuoto sulla fase aperta, e si rileva il punto di passaggio per lo zero. Da lì si stima la velocità come frequenza dei passaggi per lo zero e quando commutare la corrente (cosa che è invece legata alla posizione).

 

L'immagine qui sotto mostra le correnti (sono a zig-zag perché si suppone che ci sia un controllo switching che le regola ad un valore costante a tratti, positivo o negativo).

In due tratti del periodo (1/6 ed 1/6) la corrente di ciascuna fase è nulla (fase aperta), ed in quel tratto si misura la tensione a vuoto, cioè la back-EMF (tracce rosso, verde e blu).

Dal passaggio della back-EMF per zero si capisce dove commutare.

 

article-2011october-sensorless-bldc-fig4[1].jpg

L'immagine viene da https://www.digikey.se/en/articles/techzone/2011/oct/sensorless-bldc-motor-control-with-back-emf-filtering-using-a-majority-function

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Questo è un controllo ad anello aperto di brushless trapezoidale? Quindi senza i tradizionali sensori hall per determinare la posizione?

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Sandro Calligaro

Sì, è la tecnica più semplice per fare controllo sensorless su un sincrono a magneti permanenti (che poi la back-EMF sia effettivamente trapezoidale o sinusoidale non importa veramente, si assume che sia trapezoidale).

Riescono ad implementarlo con una logica molto povera.

Al limite, se è l'utente (ad esempio con il radiocomando) a decidere quanto spingere, si può semplicemente commutare la tensione in base al passaggio per lo zero, senza nemmeno controllare la corrente, cosa che si potrebbe fare con qualche comparatore e qualche porta logica.

Nella maggior parte delle implementazioni, il controllo di corrente è uno solo (magari ad isteresi), e lavora a turno sulla fase con corrente positiva.

 

N.B: La tecnica più complicata, cioè quella basata sulla back-EMF sinusoidale (quella del mio post lungo), non è un capriccio, funziona meglio! Per un motore tipico da 400V e 3000 rpm nominali, specie se il numero di coppie polari è alto, si riesce a controllare e sopportare un "gradino" di coppia nominale a partire dal 5-10% della velocità nominale. Molto dipende dalla bontà delle misure di corrente e dall'inerzia (più grande è, meglio è).

La tecnica BLDC, invece, va bene tendenzialmente solo per ventole e giocattoli, forse anche per qualche mandrino.

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Ciao a tutti

 

Di BRUSHLESS non ne ho mai usati ma mi pareva di sapere che per il loro Azionamento/Controllo si dovevano usare specifici AZIONAMENTI PER MOTORI BRUSHLESS.

 

In questa ottica non ho capita il quesito iniziale :

il 21/3/2018 at 21:22 , lambda scrisse:

Una curiosità per chi sa rispondermi.

non mi è chiaro, dato un qualsiasi inverter ac che alimenti un brushless , come esso possa determinare la velocità di rotazione del motore in relazione alla velocità comandata.come fa L inverter ad accorgersi che il motore sta girando a velocità inferiore per generare il messaggio di errore?

il motore non ha trasduttore di posizione

 

Mi sfugge qualcosa (magari devo migliorare le mie nozioni) o la domanda è posta in termini sbagliati ?

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Sandro Calligaro

L'inverter è sempre lo stesso (inteso come convertitore da DC ad AC trifase, misure). Anche il controllore (inteso come HW di digitale per il controllo) può essere benissimo lo stesso.

Quello che cambia è l'algoritmo di controllo, cioè la parte di firmware dedicata al controllo di uno o dell'altro tipo di motore.

 

Molti inverter industriali (per lo meno tutti i modelli di fascia alta delle principali marche) possono controllare anche motori brushless.

C'è un parametro col quale si sceglie il tipo di motore e di conseguenza viene eseguito un certo algoritmo che tiene in considerazione un certo insieme di parametri, di cui alcuni specifici.

 

Come ho detto, ci sono anche algoritmi di controllo per brushless che non necessitano del sensore di posizione (anche questi sono ormai presenti su quasi tutti i modelli di punta delle principali marche). Ovviamente non permettono di fare le stesse cose che si fanno col sensore, come ad esempio il posizionamento ad alte prestazioni in precisione e dinamica.

Vengono venduti di solito per usare i brushless in applicazioni "tranquille" (ventole, pompe), dove però l'efficienza è importante.
Ad esempio:

http://www.baldor.com/mvc/DownloadCenter/Files/BR411

http://www02.abb.com/global/zaabb/zaabb011.nsf/bf177942f19f4a98c1257148003b7a0a/71d80922c9b6b63ac1257b7200343c9b/$file/dmmg+5+-+baldor+cooling+tower+drives+and+motors.pdf

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bravo Sandro, infatti anche il gefran adv 200 che conosci bene.. permette di controllare motori a magneti permanenti sincroni, oppure asincroni

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Ciao Sandro Calligaro

 

Grazie per le precisazioni ed i rinvii alla documentazione.

 

Sarà anche possibile, per le ragioni da te spiegate chiamarli semplicemente INVERTER.

 

Rimane tuttavia il fatto che si tratta di una categoria di INVERTER che sono abbastanza speciali e del tutto fuori dal comune intendere (per i non superspecialisti).

 

Tanto per dire :

 

Nei rimandi a "Baldor Reliance" , che ho letto con una qualche attenzione, non ho potuto trovare nessuna definizione INVERTER. Forse lo faranno per distinguersi, ma usano una montagna di giri di parole pur di non dirlo.

 

Per quanto riguarda la segnalazione fatta da  roberto8303  sul Gefran ADV 200 loro specificano anche ---"Inverter vettoriale ad orientamento di campo"--- e dunque   non sembrerebbe nemmeno lui un "semplice" iInverter (vettoriale).

 

Sarebbe interessante sapere da lambda, che ha iniziato la discussione, che cosa intendeva lui veramente.......

 

Comunque, da oggi, mi si è aperta una nuova finestra conoscitiva perlomeno su una certa forma di linguaggio tecnico.

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Io ho parlato di un inverter che aziona un motore brushless.

l,inverter non impone che ci sia il trasduttore di posizione ad esso collegato

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10 ore fa, Semplice 1 scrisse:

......non ho potuto trovare nessuna definizione INVERTER.

 

Tecnicamente tutti i dispositivi che permettono da ottenere una tensione alternata da una tensione continua sono denomintati invertotori o inverters.

Se si considarano i drives per motorri sincroni o asincroni e i motori "brushless" sinusoidali e trapezoidali, ma anche i motori steppers, dal dc bus in poi sono tutti inverters a frequenza variabile.

 

10 ore fa, Semplice 1 scrisse:

-"Inverter vettoriale ad orientamento di campo"--- e dunque   non sembrerebbe nemmeno lui un "semplice" iInverter (vettoriale).

 

Per questo tipo di controllo è necessaria una regolazione di tipo vettoriale e non semplicemente scalare che permette solo di controllare la freqeunza e la tensione; quindi è un inverter a controllo vettoriale.

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ciao lambda

 

Tu avevi aperta la discussione :

il 21/3/2018 at 21:22 , lambda scrisse:

Una curiosità per chi sa rispondermi.

non mi è chiaro, dato un qualsiasi inverter ac che alimenti un brushless , come esso possa determinare la velocità di rotazione del motore in relazione alla velocità comandata.come fa L inverter ad accorgersi che il motore sta girando a velocità inferiore per generare il messaggio di errore?

il motore non ha trasduttore di posizione.

 

Da qui la mia perplessità sull'Inverter qualsiasi usabile per azionare un motore brushless.

La mia limitata pratica con Inverter qualsisi (quelli che vengono usati normalmente per i tradizionali motori asincroni trifase) non mi aveva mai dato modo di leggere, nei relativi manuali, di questa seconda eventuale possibilità di impiego (brushless).

 

Sulla necessità o meno di "trasduttore/i" io non ho detto nulla in quanto non era questo il punto della mia perplessità.

 

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Ciao  Livio Orsini

 

Seguendo il concetto da te illustrato; allora, anche un interruttore/inversore azionato  più o meno velocemente a mano può essere definito tranquillamente Inverter e venduto/usato come tale.

 

Sarebbe come andare dal droghiere e chiedere 1 Kg di farina (e basta) che lui potrà fornire, secondo il suo estro di giornata, della qualità di :Grano / Segale / Mais / Tapioca / Riso / Orzo/ Castagne...........

 

Ecco perché chi riceve tale tipo di risposte (io in modo particolare) non ci capisce mai nulla e, in generale, aumenta la confusione mentale di molti.

 

Naturalmente, come al solito, sarò io che non capisco a causa dei miei limiti.......

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1 ora fa, Semplice 1 scrisse:

Seguendo il concetto da te illustrato; allora, anche un interruttore/inversore azionato  più o meno velocemente a mano può essere definito tranquillamente Inverter e venduto/usato come tale.

 

 

In effetti i vecchi invertitori elettromeccanici eran proprio fatti così.

Da una tensione continua, in genere da una batteria, si ricavava una tensione altrnata interrompendo ciclicamente il circuito.

Un'applicazione tipica è il rocchetto di Ruhmkorff.

Da wikipedia: "..... È un tipo di trasformatore utilizzato per produrre impulsi ad alta tensione partendo da una sorgente di corrente continua a bassa tensione ....". Ovviamente visto che i trasformatori lavorano solo in corrente alternata è necessario trasformare la corrente continua in alternata. Ai tempi del buon Ruhmkorff nojn esistevano ne semiconduttori e nemmeno tubi termoionici per poter realizzare un invertitore elettronico. Risolse il problema con un interuttore elettromecanico azionato dal rocchetto stesso.

 

Anche le famose "puntine platinate" delle accensioni delle automobili, presnti su modelli prodotti sino aglia nni '90, erano un invertitore elettromeccanico per far si che la "bobina" potesse elevare la tensione da 12V a circa 20kV.

 

A voler essere pignoli gli attuali inverters dovrebbero essere denominati ciclo convertitori perchè non partono da una sorgente continnua, bensì da una sorgente alternata avente una freqeuenza fissa, ricavandone una tensione alternata a frequenza variabile e/o differente. Infatti io ho scritto: "... dal dc bus in poi sono tutti inverters a frequenza variabile. "

 

 

1 ora fa, Semplice 1 scrisse:

Naturalmente, come al solito, sarò io che non capisco a causa dei miei limiti.....

 

Forse basterebbe prestare un poco di attenzione e accettare le opinioni di chi è un esperto di certe problematiche, per non confondere l'elettrotecnica con .....la drogheria :).

 

Se tu ordini in inverter generico senza darne le specifiche ti potrebbe essere offerto un piccolo drive per servo motore ad altissime prestazioni od un enorme inverter V/f per motori da 500 kW e più. Ciò non toglie che in entrambi i casi si tratterebbe sempre e comunque di inverters.;)

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Sandro Calligaro

Mi sono chiesto spesso il motivo di questa confusione a proposito del termine "inverter".

 

La "colpa" se così si può dire, la darei al "marketing", che da un lato ha sempre bisogno di semplificare le spiegazioni, mentre dall'altro cerca di differenziare i prodotti.

 

Faccio qualche esempio...

 

"Inverter" può essere un convertitore che da 12 V genera una tensione alternata 230 V.

In realtà  si tratta molto probabilmente di un convertitore a doppio stadio, o comunque di un convertitore isolato più complicato di un inverter monofase.

 

L'"inverter" usato per il fotovoltaico è, nella maggior parte dei casi, l'insieme di un boost e di un inverter (magari a tre livelli!).

 

"Inverter" viene usato come una sorta di aggettivo per le saldatrici. In realtà si tratta di un raddrizzatore più convertitore isolato (possibilmente risonante o quasi-risonante), che in fin dei conti realizza una funzione AC-DC, cioè proprio il contrario di quello che etun inverter.

 

Con i climatizzatori "DC inverter" siamo arrivati all'ossimoro. Che io sappia, si tratta di climatizzatori nei quali uno o più motori (suppongo quello della ventola, ma potrebbe essere anche la pompa) sono dei "brushless" (anche qui il nome è improprio) pilotati probabilmente in BLDC.

 

Infine, gli "inverter" sono drive per motori trifase, che si differenziano dai "servo" per il fatto che i secondi hanno delle prestazioni dinamiche superiori e delle funzionalità specifiche.

 

Volendo ci sarebbe anche la differenza tra "azionamento" come viene inteso commercialmente (convertitore di potenza elettronico + controllore) e cone viene definito in modo formale (insieme di convertitore, controllo, motore e carico).

 

Tirando le somme, dal punto di vista tecnico e formale le definizioni sono abbastanza precise, ma complicate  (perché cercano di descrivere la realtà che è, purtroppo, complicata). Commercialmente le semplificazioni hanno portato ad un uso improprio dei termini, che in molti casi crea confusione, ma con questo fatto comunque tutti dobbiamo fare i conti.

 

Con un po' di buona volontà, possiamo riuscire a capirci, anche se arriviamo da percorsi diversi. ;)

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Sandro Calligaro
il 23/3/2018 at 18:54 , Mirko Ceronti scrisse:

:) M E R A V I G L I O S O :)

Il mondo degli azionamenti è veramente meraviglioso! ;)

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