Azionamento per gru di sollevamento - Problema sull'eccitatrice del campo

[ingts]

Sono un ingegnere elettrico che si occupa di progettazione di motori in corrente continua e di motori asincroni trifasi per alimentazione da inverter.

Il problema in oggetto ci è stato segnalato da un cliente che ha un nostro motore in corrente continua per una gru di sollevamento.

Fino ad ora il motore era sempre stato azionato a coppia costante.

Ora invece per varie esigenze hanno deciso di deflussare il motore nella fase di discesa con gru quasi scarica ed hanno notato che nell'inversione di velocità per iniziare la discesa (inversione ottenuta per "inversione di campo") si verifica un picco di corrente sull'eccitazione del motore pari a circa 2xIecc e, contemporaneamente, si ha una scarica (flash) sulla superficie del collettore con intervento dei fusibili di protezione.

Questo si verifica solo nella fase di discesa non nella fase di salita con gru carica ed alimentata a corrente di campo nominale.

A cosa può essere dovuto il problema? Può essere un problema di commutazione del convertitore di campo? Se sì di che tipo e come può essere individuato?

Oppure può essere un problema legato al di/dt (inversione di corrente di campo) che associato all'elevata L della bobina di campo dà luogo a qualche fenomeno particolare?

Oppure è un problema legato al fatto che nella fase di discesa la macchina funzioa da generatore con rotazione inversa? In questo caso come può allora essere spiegato il problema?

Grazie fin da ora per qualsiasi intervento e discussione.

Saluti

ing. Davide Giulivo

[Mario Maggi]

Caro Davide,

soprattutto in un'applicazione di sollevamento non bisogna MAI far mancare il campo, neanche per il tempo di una semionda, a meno che la corrente di armatura non sia gia' a zero (motore fermo, non in coppia, frenato da freno meccanico). Nessun commutatore della tensione di campo può impedire che quando il campo passa dallo zero la corrente di armatura non salga eccessivamente.

Il motore ha anche un avvolgimento di campo in serie all'armatura?

Ciao

Mario

[ingts]

Intanto grazie per la gentile risposta.

Sicuramente il flash al collettore è dovuto ad una momentanea "mancanza di campo" però quello che non mi spiego sono 2 cose:

1) Perchè questo si verifica solo nella fase di discesa quando deflussano il motore per far scendere la gru più velocemente e non nella fase di salita quando fanno salire la gru "carica" più lentamente. In fin dei conti se l'inversione di velocità la fanno con inversione di campo questo dovrebbe accadere sia in discesa che in salita (2 inversioni di campo, con conseguenti "buchi", per ciclo). Il fatto che succeda solo in discesa mi risulta un po' strano e cosa ancora più strana finchè hanno lavorato a coppia costante (ossia anche in discesa andavano alla velocità base) non ci sono stati problemi.

2) Perchè si verifica questo picco di corrente di eccitazione, pari a circa 2xIecc, nella fase di discesa.

Sono questi due punti oscuri che non riesco a spiegarmi.

Che ci sia qualche problema nell'azionamento? Come può essere identificato?

Grazie

[Gabriele Corrieri]

Ciao Davide,

Il discorso è estremamente strano, ossia generalmente se si deflussa l'eccitazione l'inversione si controlla con l'azionamento principale (quello dell'armatura, che lavora sul collettore). Stesso discorso: se deflussi il campo non capisco da dove arriva una corrente di eccitazione così grande ...

Non ho chiaro il discorso ... se posti ancora, magari aggiungi un piccolo schizzo (lo puoi mettere in up/download), oppure mandalo a me che lo posto su io ...

Se vuoi contattami pure personalmente, cliccando sull'icona E-MAIL sotto al mio post.

Ciao

[Mario Maggi]

Caro Davide,

prima di pronunciarmi, dovresti rispondere alla domanda che ti ho fatto:

"Il motore ha anche un avvolgimento di campo in serie all'armatura?" cioe', e' di tipo compound? In tal caso, se non commuti anche il compound, l'effetto rilevato e' subito spiegato. Altrimenti fammelo sapere che ci perdo un po' di tempo.

Ciao

Mario

[ingts]

No, l'avvolgimento non ha una serie sull'armatura perchè trattasi di motore di media potenza nei quali di serie è previsto l'avvolgimento di compensazione.

Ciao e grazie per ogni ulteriore possibile spiegazione

[rguaresc]

Ciao ingts

tento una risposta su pochi dati e qualche ipotesi: l'inversione di campo è attuata commutando l'eccitazione tra una alimentazione per la salita e un'altra a tensione più bassa e polarità invertita per la discesa?. Prima la commutazione tra U+ e U- dava luogo a un transitorio di corrente tra +Iecc e -Iecc con costante di tempo L/Recc che attraversava lo zero con pendenza pronunciata e la fase critica di flusso basso era breve. Ora la commutazione da lento a veloce avviene con passaggio per lo zero della Iecc rapido, ma quello tra Iecc alta e Iecc bassa dell'altra polarità passa per lo zero con bassa pendenza e dura più a lungo la fase critica e questo tanto più quanto minore è Iecc, cioè quanto maggiore è la velocità.

Non ho idea del perché ci sia 2 Iecc. Bisognerebbe vedere lo schema. Prima invertivano su un alimentatore solo? e ora scambiano tra due? Potrebbe essere un corto tra i due alimentatori?

Una domanda: la frenatura è a resistenza o con azionamento a 4 quadranti? In quest'ultimo caso tutto si sistema lavorando sulla tensione di armatura.

Saluti

R.G.

[ingts]

Ciao e grazie per la tua risposta.

L'inversione di campo avviene proprio come hai detto. In salita piena tensione di campo (velocità lenta) ed in discesa tensione ridotta causa deflussaggio (velocità alta).

Comunque la scarica secondo me avviene perchè saltano i fusibili del circuito di campo causa l'overshoot di Iecc e quindi viene a mancare il campo. Non credo proprio sia dovuto al passaggio per lo zero tra +Iecc e -Iecc.

Non può essere un overshoot di risposta alla dinamica del circuito di controllo di campo dovuto al passaggio da +I a -I?

A questo riguardo, tra l'altro, come è fatto normalmente uno schema di controllo del circuito di campo per funzionamento in deflussaggio ed inversione di campo?

Non è un sistema di controllo che per sua natura è non lineare?

Questo non può creare dei problemi a livello di risposta dinamica o di stabilità se i regolatori non sono ben tarati?

Grazie

Davide

[rguaresc]

Sono perplesso. Una spiegazione all'aumento della corrente di eccitazione prodotta dal motore potrebbe essere questa:

1) nella fase di inversione del campo c'è ancora tensione alle spazzole col flusso molto basso (errore!)

2) la tensione di reattanza supera il valore critico ed inizia il flash, non completo, si illumina mezzo arco tra una spazzola e l'altra

3) la corrente di armatura produce un campo magnetico, anche gli avvolgimenti compensatori ne producono uno opposto, ma la compensazione funziona solo dove l'indotto è a posto. Le sezioni di avvolgimento ponticellate dal flash non fanno nulla.

4) Mezza espansione polare ha, dagli avvolgimenti compensatori, una forza magneto motrice un po' "di traverso" ma che fa variare bruscamente il flusso principale della macchina perché ha una componente in asse con i poli e non è annullata dalla corrispondente corrente di indotto.

5) La tensione indotta nell'avvolgimento di eccitazione fa il resto.

In conclusione prima c'è il flash e poi di conseguenza l'anomalia nel circuito di eccitazione

Se anche non ci fossero gli avvolgimenti compensatori il danno sarebbe causato dal mezzo indotto. La corrente di un indotto normale produce un campo trasverso, ma se l'indotto è parzializzato il campo ha una componente principale.

Il controllo di questo motore, secondo me, si dovrebbe fare con un azionamento a 4 quadranti per l'armatura e un raddrizzatore regolato senza inversione per il campo. Fare le commutazioni per risparmiare sull'azionamento oggi non è conveniente.

Prima andava tutto bene o semplicemente sfiammava un po' e andava bene per loro?

Saluti

R.G.

[ingts]

Rispondo alle ultime due interessanti repliche.

Nell'ipotesi che, durante l'inversione, quando la Iecc per un brevissimo istante è zero, il sistema di controllo "vede" il massimo errore e quindi agisce in modo da aumentare la tensione potrebbe giustificare credo l'overshoot nella risposta della corrente di campo ma in ogni caso rimane il dubbio....perchè solo in discesa quando deflussano? Anche da discesa a salita c'è un'inversione di campo eppure non succede niente....e se funzionano a coppia costante anche in discesa non succede niente, perchè?.....è evidente per me che c'è qualcosa nello schema di controllo in deflussaggio che non va, per questo chiedevo se qualcuno poteva spiegarmi o mandarmi un tipico schema di controllo di campo in deflussaggio.

I campi sono controllati in corrente tramite un'eccitatrice statica.....l'inversione non avviene tramite commuatore ma agendo sul convertitore di campo....

Davide

[Mario Maggi]

Concordo con Rguaresc e sconsiglio l'inversione di campo, soprattutto in un'applicazione di sollevamento.

Ciao a tutti

Mario

[rguaresc]

Se il campo è controllato da un'eccitrice statica lo schema è semplice. L'eccitatrice è collegata direttamente all'eccitazione. L'alimentazione dell'armatura ha un comando ON/OFF, c'è un sistema di frenatura (a resistenza?) e, immagino, un freno elettromagnetico per bloccare.

Il processo del passaggio salita-->discesa dovrebbe essere:

1) Tensione di indotto OFF,

2) Blocco con il freno elettromagnetico

3) inversione del campo (fase critica)

4) Liberazione del freno elettromagnetico e ripresa (graduale) della tensione di indotto

Prova a tracciare un diagramma cartesiano Y/t

Disegna, nella parte positiva la Iecc di salita

Disegna nella parte negativa la Iecc di discesa, molto più piccola.

Disegna anche nella parte negativa la Iecc di discesa di prima (uguale a quella positiva)

Con costante di tempo Lecc/Recc disegna il transitorio (sistema del primo ordine) tra Iecc positiva e Iecc negativa di salita, discesa, prima e dopo.

L'unica cosa evidente tra le quattro curve è che quella tra la salita e la discesa veloce ci mette più tempo a togliersi dalla situazione di flusso basso, e ci resta più a lungo. Dopo aver cambiato il set dell'eccitazione per la discesa veloce si deve attendere un tempo più lungo prima di dare tensione alle spazzole.

Conclusione: provare a ritardare un po' la marcia prima di ridare tensione alle spazzole.

La costante di tempo del'eccitazione la dovresti conoscere.

Se la tensione alle spazzole è applicata con flusso basso si ha il flash e la sovracorrente nell'eccitazione.

Il regolatore di eccitazione può dare degli overshoot di tensione, ma non credo di corrente, perché questa varia lentamente, ha un Tau grande.

Saluti

R.G.

[ingts]

Come prima cosa grazie e complimenti per l'esauriente ipotesi che è molto buona devo dire....

In pratica, nel passaggio da salita lenta a discesa velocità con inversione di campo, se si dà tensione di armatura subito, la si dà in una fase più o meno lunga di flusso ridotto (simile ad una mancanza di campo) e quindi si verifica la scarica....

E' possibile che alla scarica corrisponda l'overshoot di Iecc? Al flash non corrisponde un overshoot di corrente di armatura, visto che si ha V-E/Ra=Ia con E molto piccolo nella fase a flusso ridotto?

Quando si inverte la rotazione, la E cambia segno, quindi quando si ridà tensione all'armatura i tiristori dell'armatura dovrebbero condurre con angolo di innesco maggiore di 90 gradi, giusto?

Saluti e grazie

Davide

[rguaresc]

Overshoot di Iecc - si, penso proprio di si. Quando c'e' il flash la corrente è alta e parte degli avvolgimenti compensatori sovramagnetizzano la macchina di colpo e inducono nell'eccitazione, come in un secondario una fem che fa circolare una corrente.

Rotazione inversa: si, se l'azionamento è a due quadranti, rigenerativo, l'angolo d'innesco supera i 90 gradi

Saluti

R.G.

[ingts]

Non avevo pensato al contributo degli avvolgimenti di compensazione che potrebbero sovramagnetizzare la macchina....in pratica un fenomeno di induzione elettromagnetica fra l'avvolgimento di compensazione poste nelle cave dei poli principali e l'avvolgimento di campo posto attorno al nucleo polare...interessante......da "motorista" non ci avevo pensato.....

Azionamento a 2 quadranti con stesso verso della coppia e rotazione inversa.....si può definire freno con rotazione inversa, giusto?

Questo tipo di azionamento è tipico delle gru di sollevamento....come voi mi avete insegnato piuttosto da non utilizzare l'inversione di campo per invertire la rotazione, meglio l'inversione di armatura.....in quest'ultimo caso come si mantiene lo stesso verso di corrente (per avere lo stesso verso di coppia)?

Grazie come sempre.....

[rguaresc]

Azionamento 2 quadranti..... questo funzionamento è chiamato comunemente funzionamento da generatore, perché è la tensione che si inverte, mentre la corrente al motore ha lo stesso verso di prima. Si parla di freno quando la rotazione resta quella del motore e la corrente si inverte.

Un azionamento a 4 quadranti ha due ponti in antiparallelo e può ricevere corrente senza ribaltare la tensione. In questo caso si parla di freno, perché puo' proprio rallentare il motore. E' più versatile e sicuro perché non si è costretti a togliere il campo nell'inversione e può imporre sia la rampa di accelerazione che di decelerazione. La gru in discesa avrà lo stesso verso di coppia, perché si rovescierà sia la tensione che la corrente.

Saluti

R.G.

[ingts]

Nella gru in discesa, la corrente di armatura è sempre diretta "verso" il motore....è la f.e.m. del motore che cambia polarità perchè è cambiato il senso di rotazione e anche la tensione fornita dal convertitore di armatura che cambia polarità (agendo sugli angoli di innesco) per mantenere lo stesso verso della corrente, giusto?

[rguaresc]

In quella gru in discesa si rovescia l'eccitazione, cioè il flusso e si deve rovesciare anche la corrente di armatura, rovesciando il ponte, per avere la coppia di verso immutato. Il motore si mette a girare a rovescio per il peso e poichè sono rovesciati il movimento e il flusso la fem ha lo stesso verso di prima e 'spinge' la corrente. L'azionamento deve offrire alla corrente una tensione opposta alla corrente, diretta cioè come prima, e questo si ottiene con angolo di innesco oltre i 90 gradi.

Tutto questo è macchinoso e poco versatile è un sistema nato quando non c'erano le risorse di oggi.

Saluti

R.G.

[ingts]

Quindi, se ho capito bene, rimanendo inalterata la polarità della f.e.m. e dovendo invertirsi il verso della corrente di armatura Ia (dal motore al convertitore, giusto?) allora si controlla il convertitore di armatura in modo che la tensione fornita sia con polarità invertita.....in pratica l'equazione di armatura diventa -V=E-RaxIa ossia Ia=(V+E)/Ra.....è giusto?

La corrente di armatura che quindi ora è invertita dove a finire visto che ci sono i tiristori?......Su resistori di frenatura?....

E' una gru di sollevamento di un'acciaieria.....che abbiamo optato per questo tipo di azionamento per risparmiare?

Al di là del problema specifico, sono argomenti molto interessanti per chi come me progetta motori elettrici ma deve avere anche a che fare con i clienti che comprano i motori ed hanno poi dei problemi legati all'azionamento nel suo complesso.

Avete da consigliarmi qualche buon testo, anche specifico, sugli azionamenti in corrente continua ed in corrente alternata?

Grazie

Davide

[rguaresc]

Dove finisce la corrente. O usano la resistenza di frenatura o invertono il collegamento al ponte. Non credo che abbiano usato la resistenza, perché il funzionamento da dinamo con resistenza è tranquillo, probabilmento hanno optato per la seconda soluzione per evitare resistenza, ventilazione, spazio e regolare la discesa.

Si, probabilmente, se invertono il campo risparmiano sull'azionamento che ha solo un ponte, ma hanno un sacco di problemi come vedi. La via migliore è usare un azionamento a 4 quadranti a doppio ponte che, senza invertire l'eccitazione offre all'armatura una tensione da U+ a U- senza soluzione di continuità e in ogni circostanza accetta l'inversione della corrente operata dal motore che diventa dinamo. Quindi accelera e frena in ogni verso senza interruzioni. E la differenza di prezzo è modesta.

Consigli: prova a fare una ricerca con le parole chiave "Azionamento DC quadranti" o meglio "Drive DC quadrants" e troverai materiale.

Gli esperti di azionamenti e anche i commerciali hanno una visione del problema più attuale di certi progettisti di gru. Chiedi a loro.

Saluti

R.G.

[Livio Orsini]

Ciao a tutti.

Concordo con Mario Maggi circa l'utilizzo non corretto per un problema di sollevamento.

Comunque io, circa 15 anni fa, mi sono trovato ad affrontare un problema simile anche se ò'applicazione non riguardava un impianto di sollevamento.

Avevo un motore in cc da circa 50kW (non ricordo l'esatta potenza) che in fase di rallentamento flashava (anche parechio). Attorno al problema ci avevano lavorato diversi colleghi (allora ero impiegato in una grossa azienda Finmeccanica) senza costrutto.

Risolsi il problema ritarando i 4 anelli di tensione e corrente di armatura e campo del convertitore tenendo le frequenze di taglio dei 4 anallli più distanziate tra loro, ovviamente a partire dall'anellodi corrente dell'armatura, poi tensione armatura, corrente campo e tensione campo.

Il problema era dovuto alle frequenze di taglio troppo ravvicinate che causavano instabilità con conseguenti sovracorrenti sul campo.

[ingts]

Molto interessante....

Gent.le Sig. Orsini,

può darmi qualche altre informazione tecnica al riguardo?

Sarebbe una buona cosa, sia per mia cultura tecnica, sia come argomento da utilizzare con il cliente.

Grazie

Davide

[Livio Orsini]

Ciao a tutti.

Beh, prima di tutto io sono solo Livio, qui sul forum siamo tutti colleghi e, spero, amici.

Ora cerco di riassumere in poche parole un concetto abbastanza complesso e spero di essere sufficientemente chiaro.

In un convertitore classico che agisce sulla tensione di armatura ci sono due anelli di regoalzione: l'anello di corrente e l'anello di tensione (non parliamo dei vecchi e grossi convertitori da siderurgia che ne avevano tre: corrente, tensione e velocità).

L'anello di tensione è contro reazionato dal trasduttore di velocità (tachimetrica o encoder o alternatore tachimetrico), più raramente è reazionato in tensione (per regolazioni particolari o per regoalzioni di velocità dove non si richiede grande precisione).

L'anello di corrente di armatura è il primo anello ed ha la frequenza di taglio la più elevata possibile. In un convertitore r fasi a SCR che lavora su rete Europea a 50Hz, si può avere una variazione di corrente ogni 3.3ms! (2.2ms. se si lavora a 60Hz). Un'ottimo convertitore digitale, ben ottimizzato, può avere l'anello di corrente che va a regime in circa 6 ms. Un convertitore a analogico, generalmente è un poco più lento, diciamo che va a regime in circa 10 ms.

Il secondo anello, quello di tensione - velocità, dovrebbe essere di un ordine più lento, per stare tranquilli. Diciamo che lavorando bene si possono spingere i due anelli al limite ed avremo la corrente che risponde in circa 6 ms, mentre la velocità va a regime in 30-40 ms.

Se oltre alla regoalzione di armatura si aggiunge anche la regolazione sull'eccitazione abbiamo altri due anelli di corrente e tensione.

Ora le costanti di tempo del circuito di campo sono di ALMENO un ordine più grandi di quelle di armatura, inoltre gli anelli aggiunti sono in cascata e più esterni quindi l'anello di corrente di campo dovrà essere di circa un ordine di grandezza più lento dell'anello di velocità e l'anelle di tensione di campo sarà, di conseguenza, ancora più lento.

Quindi, in pratica, bisogna ottimizzare per la risposta la gradino i vari anelli, partendo dal più interno, corrente di armatura, per arrivare fino al più esterno: tensione di campo. E' un lavoro un po' lungo e noioso su una macchina normale, penso che su un sollevamento lo sia ancora di più.

Si può operare tarando tutti gli anelli in modo molto conservativo, l'azionamento avrà una risposta da... centenario con l'artrite, ma almeno è sicuramente stabile (forse).

Poi bisogna considerare l'aggravante, se non ho capito male, dell'inversione di moto con commutazione sull'eccitazione.

Sarebbe molto meglio avere un reversibile sull'armatura con eccitazione variabile in automatico; fissare due limiti di velocità diversi per salita e discesa, e fare in modo che l'inversiane sia gestita in toto dall'azionamento.

Da ultimo, e quasi mi vergogno a porre la domanda, sei sicuro che il motore sia reversibile? In altri termini il piano di commutazione (credo si chiami così perchè io non sono un elettromeccanico e per me le macchine elettriche sono più che altro funzioni di trasferimento) sia corrento per un motore bidirezionale? E' gia successo di avere impiegato un motore non adatto...

Mi rendo conto che forse la condensazione di un argomento così non ha giovato alla chiarezza, ma non posso fare altrimenti.

Saluti e sempre a disposizione

[Mario Maggi]

Bravo Livio.

Anche tu hai lo stesso mio dubbio. Entrambi abbiamo chiesto con parole diverse:

MM-Il motore ha anche un avvolgimento di campo in serie all'armatura?

LO-Sei sicuro che il motore sia reversibile?

Caro ingts, quanti cavi di potenza arrivano alla morsettiera del motore dall'alimentatore? Due per l'armatura e due per il campo? Non bastano! Ce ne vogliono almeno 6.

Rassicuraci su questo punto, altrimenti non arriviamo alla conclusione.

Ciao

Mario

[ingts]

Intanto continuo a ringraziarvi tutti per le esaurienti risposte.

Il motore non ha un avvolgimento serie con l'armatura perchè già dotato di serie di avvolgimento di compensazione, inoltre è pratica normale della nostra sala prove mettere a punto il motore, per quanto possibile, in entrambi i versi di rotazione e nelle varie condizioni di funzionamento, sia a velocità base che a velocità massima....ovviamente, non sempre è possibile raggiungere l'ottimo e allora si raggiungono dei compromessi.