Assorbimento Eccessivo

[bit]

Salve a tutti.

Vengo ad esporre un problema alquanto strano che ho rilevato sulla macchina di un cliente. Si tratta della motorizzazione dello svolgitore (assiale) di una macchina, che ha cominciato a manifestare al brutta abitudine di andare in allarme per temperatura eccessiva del motore.

Queste sono le caratteristiche dello svolgitore:

Diametro minimo: 150 mm

Diametro massimo: 1000 mm

Velocità massima di linea: 800 m/min

Tiro massimo impostabile: 720 N

Il motore, asincrono trifase in trasmissione diretta con l'aspo, ha le seguenti caratteristiche:

Potenza nominale: 44 KW

Tensione nominale: 383 V

Corrente nominale: 89A

Frequenza nominale: 39 Hz

Regime nominale: 1150 rpm

Cosfi: 0.82

Regime massimo: 5000 rpm

A conti fatti, se la meccanica non è un'opinione, il motore dovrebbe poter erogare, al di sotto del regime nominale (quindi nel tratto di caratteristica a coppia costante) una coppia nominale di circa 365 Nm, in linea con la massima richiesta dalle caratteristiche della macchina (360 Nm).

Ora succede che l'assorbimento del motore supera abbondantemente il valore nominale anche con tiri impostati mediocri. Supponendo un errore di calcolo del drive (siemens simoreg masterdrive) abbiamo provveduto ad effettuare una misura del tiro effettivamente prodotto (a svolgitore fermo in coppia), ottenendo i seguenti risultati:

Coppia impostata: 250 Nm

Coppia misurata all'asse: 274 Nm (83 Kg, poco stabili, su diametro 675 mm)

Assorbimento motore: 106 A

Come si vede la coppia effettiva grossomodo torna con quella richiesta (questa prova mi ha anche fatto capire che i motori asincroni sono ben lontani dall'avere la precisione di regolazione dei motori in CC), ma nonostante la prova richiedesse una coppia pari a circa il 75% del valore nominale, l'assorbimento superava abbondantemente il valore nominale, con ovvi problemi.

Preciso che il funzionamento in tiro a velocità zero è previsto nel normale ciclo di lavoro della macchina, e deve poter essere effettuato.

Come posso risolvere il problema?

[Livio Orsini]

Mancano alcuni dati essenziali.

Si spera che il controllo sia vettoriale ma, molto importante in questo caso perchè è uno svolgitore, non dici se è sensorless o se ha il traduttore di posizione.

Non dici come hai misurato la coppia all'asse. Poi con un asincrono la coppia da fermo causa un assorbimento di corrente maggiore.

Non dici nulla in ordine alla ventilazione del motore, dato importantissimo.

E' chiaro che con assorbimenti di corrente maggiori del valore nominale la temperatura del motore tende a raggiungere valori eccessivi.

Da ultimo un rilievo tecnologico: un accoppiamento diretto motore-aspo non è mai la soluzione ottimale.

Sarebbe stato meglio usare un motore a 2860 rpm con riduttore e con un dimensionamento più appropriato.

Coppia impostata: 250 Nm

Coppia misurata all'asse: 274 Nm (83 Kg, poco stabili, su diametro 675 mm)

Assorbimento motore: 106 A

Qui mi sembra che si ecceda dai limiti dichiarati in partenza: tiro massimo impostabile pari a 720 N; con un raggio di 0.3375m (675 mm di diametro) si dovrebbe avere una coppia all'asse motore pari a 243 Nm

Come è stato dimensionato il motore?

Secondo i dati che riporti, ancorchè inusuali, la coppia nominale di questo motore è pari 365 Nm; sempre dalla specifica riportata la coppia max richiesta è pari 360 Nm @ 254 rpm circa, cioè al 22% circa della velocità nominale; a me sembra un dimensionamento un poco ottimistico.

Modificato: 22 novembre 2009 da Livio Orsini

[andreacappellazzo]

la regolazione include anche una cella di carico o è solamente inserita come ulteriore visualizzazione al Tiro ?

..come già ribadito da Livio mancano dati tipo accelerazione però concordo con quanto scritto, il motore è mal dimensionato

[bit]

Si spera che il controllo sia vettoriale ma, molto importante in questo caso perchè è uno svolgitore, non dici se è sensorless o se ha il traduttore di posizione.

Credo di si... almeno penso che questo tipo di inverter lo preveda. L'encoder c'è...

Non dici come hai misurato la coppia all'asse. Poi con un asincrono la coppia da fermo causa un assorbimento di corrente maggiore.

L'ho misurata con una fascia arrotolata sopra una bobina e un dinamometro agganciato ad un punto della struttura...

Il tiro da fermo è fondamentale per questa macchina che ha lunghi tempi di attesa prima di iniziare il ciclo e dopo averlo terminato.

Non dici nulla in ordine alla ventilazione del motore, dato importantissimo.

Il motore è servoventilato, il ventilatore è in buono stato, i filtri sono puliti, il flusso d'aria sembra adeguato (esce dal motore a temperatura relativamente bassa).

Da ultimo un rilievo tecnologico: un accoppiamento diretto motore-aspo non è mai la soluzione ottimale.

Sarebbe stato meglio usare un motore a 2860 rpm con riduttore e con un dimensionamento più appropriato.

Faccio tesoro del consiglio, ma la macchina non l'ho fatta io, ma una grande ditta italiana, nota per le cappellate che lascia nelle sua macchine...

Qui mi sembra che si ecceda dai limiti dichiarati in partenza: tiro massimo impostabile pari a 720 N; con un raggio di 0.3375m (675 mm di diametro) si dovrebbe avere una coppia all'asse motore pari a 243 Nm

Era solo una prova, effettuata passando direttamente il riferimento di coppia all'inverter. Il valore utilizzato è stato scelto per utilizzare al meglio il range dello strumento di misura (dinamometro) e per avere un valore medio alto di coppia. La bobina che avevo disponibile aveva questo diametro, sarebbe stato uguale utilizzarne una di 1 metro e un tiro di 548N. Quello che intendevo è che la coppia è all'interno delle possibilità del motore, quindi deve farmela senza andare fuori range.

Come è stato dimensionato il motore?

Secondo i dati che riporti, ancorchè inusuali, la coppia nominale di questo motore è pari 365 Nm; sempre dalla specifica riportata la coppia max richiesta è pari 360 Nm [at] 254 rpm circa, cioè al 22% circa della velocità nominale; a me sembra un dimensionamento un poco ottimistico.

Questo proprio non lo so... come ho detto la macchina non l'ho progettata io. Il 22% della velocità nominale lo avrai solo alla massima velocità della macchina, il tiro deve essere mantenuto anche se la velocità scende a zero.

la regolazione include anche una cella di carico o è solamente inserita come ulteriore visualizzazione al Tiro ?

Non ci sono celle di carico, la regolazione di tiro è effettuata passando il riferimento di coppia calcolato direttamente all'inverter

..come già ribadito da Livio mancano dati tipo accelerazione però concordo con quanto scritto, il motore è mal dimensionato

La prova l'ho fatta a motore fermo, che c'entra l'accelerazione?

[andreacappellazzo]

CITAZIONE

..come già ribadito da Livio mancano dati tipo accelerazione però concordo con quanto scritto, il motore è mal dimensionato

La prova l'ho fatta a motore fermo, che c'entra l'accelerazione?

..al massimo diametro e max velocità è viene applicata la max potenza disponibile come da dati di impostazione.Tenendo conto che per arrivare alla max c'è di mezzo una rampa di accelerazione..più o meno breve..,durante tale transitorio ( è questa la condizione peggiore,per la decelazione entrano in gioco attriti ) il motore deve fornire Potenza/coppia superiore per sopperire al mom. d'inerzia pertanto sarà sovracaricato con il tiro effettivo che và a "farfalle"

..a porposito,nel tempo potrebbero essere aumentati degli attriti meccanici ?? cuscinetti/bronzine palo,asse motore..

[Livio Orsini]

Non ci sono celle di carico, la regolazione di tiro è effettuata passando il riferimento di coppia calcolato direttamente all'inverter

Quindi si tratta di un servo diametro.

Ripeto due punti fondamentali.

1 - E' quasi indispensabile avere la reazione d'encoder

2 - Se è molto importante, anzi, addirittura fondamentale il tiro da fermo, quel motore non è dimensionato nel modo corretto. Almeno stando ai dati che riporti

Concordo in toto con quanto scrive andreacappellazzo durante i transitori il tiro difficilmente starà entro limiti decenti rispetto all'impostazione. Già un servo diamtro ha proprio nei transitori, specie se rapidi, i momenti in cui il tiro si discosta maggiormente dal valore di riferimento, se poi il sitema satura per mancanza di coppia....

Per curiosità, che materiale si sta lavorando?

[bit]

Per Andrea: questo lo so. Vorrei però concentrarmi solo sul problema. Ho un motore da 365 Nm, gliene chiedo 250, lui me ne fa 275 (e questo potrei anche tollerarlo), però l'assorbimento è già abbondantemente sopra il valore nominale. Perchè?

Che poi la coppia mi vada a finire negli attriti, o nell'accelerazione della bobina, poco importa. Io ho misurato quella generata dal motore. La misura è attendibile, almeno per la prova in questione (5 Nm in più o in meno non fanno differenza). Attriti anomali comunque non ce ne sono, la bobina a vuoto comincia a girare anche con solo 1-2 Nm.

1 - E' quasi indispensabile avere la reazione d'encoder

Infatti ho detto che c'è.

2 - Se è molto importante, anzi, addirittura fondamentale il tiro da fermo, quel motore non è dimensionato nel modo corretto. Almeno stando ai dati che riporti

Potresti spiegarti meglio? Perchè non posso chiedere ad un motore di farmi la sua coppia nominale senza uscire dal suo assorbimento normale? Scusa ma sono abituato ai motori in cc, con questi se gli fornisco la sua corrente nominale ottego la coppia nominale, in qualunque condizione (a flusso costante).

Concordo in toto con quanto scrive andreacappellazzo durante i transitori il tiro difficilmente starà entro limiti decenti rispetto all'impostazione. Già un servo diamtro ha proprio nei transitori, specie se rapidi, i momenti in cui il tiro si discosta maggiormente dal valore di riferimento, se poi il sitema satura per mancanza di coppia....

Questo può starmi anche bene. Io però ho fatto la prova a coppia costante (e ben all'interno dei limiti). Perchè mi deve andare fuori assorbimento?

Per curiosità, che materiale si sta lavorando?

Il materiale può variare. Si va da carta a polietilene, polipropilene, poliestere, nylon, pvc, stoffa, polistirolo... con spessori da 7 a 500 um.

Modificato: 24 novembre 2009 da bit

[Livio Orsini]

Perchè non posso chiedere ad un motore di farmi la sua coppia nominale senza uscire dal suo assorbimento normale?

Semplicemente perchè è un motore in alternata e non in continua. In un motore in corrente continua, ad eccitazione indipendente, c'è una corrispondenza biunivoca coppia motrice - corrente di armatura, con valori di campo costanti, indipendentemente dalla velocità. In pratica la costante coppia/corrente si può ritenere uniforme da velocità zero sino a velocità nominale.

Nei motori in corrente alternata asincroni non è così; con il controllo vettoriale c'è una certa similitudine, nel controllo di coppia, con i motori in corente continua, ma non si può parlare di costante coppia/corrente. Più la velocità si abbassa maggiore può essere la richiesta di corrente per mantenere la medesima coppia.

Questo semplificando molto e banalizzando alquanto i concetti.

Infatti ho detto che c'è.

No, hai scritto che c'è l'encoder, non che c'è la reazione; la reazione può anche essere stata disabilitata e l'inverter può funzionare in madalità sensorless

[Mario Maggi]

Ciao bit,

complimenti per i problemi che sottoponi, spesso interessanti.

Non ho rifetto i calcoli, li prendo per buoni.

Osservo che il rapporto tra frequenza massima di 170 Hz e frequenza nominale del motore 39 Hz e' di ben 4,3 volte, quindi a 170 Hz il motore sara' decisamente deflussato.

Sai certamente che tutti i motori asincroni comandati da inverter a frequenza maggiore della nominale hanno una curva potenza/velocita' che dapprima e' piatta, ad un certo punto comincia a decrescere, e ad un altro punto inizia a decrescere ancora piu' velocemente. Ipotizzo che per poter funzionare con sufficiente potenza anche in quest'ultima zona, qualcuno abbia "rinforzato" i parametri che riguardano la tensione di uscita, creando pero' scompiglio quando funziona a bassa velocita'.

Un'altra possibilita' e' il riavvolgimento del motore. Se il motore era un po' tirato, e' probabile che sia stato riavvolto, ma non nelle condizioni iniziali, quindi i dati di targa non sarebbero piu' validi. Confermo che il motore e' abbastanza critico per questa applicazione, non si possono variare molto i parametri.

Perchè mi deve andare fuori assorbimento?

se le ipotesi precedenti non fossero valide, ipotizzo un pendolamento veloce della frequenza di alimentazione intorno al valore giusto, che determina l'erogazione continua di coppia alternativamente motrice e frenante, stressando gli avvolgimenti ma fornendo in uscita solo la differenza tra coppia motrice e coppia frenante. Per verificare questo caso puoi misurare la temperatura del rotore, che risultera' eccessiva. Ti ricordo che esistono sensori per misurare la temperatura del rotore in movimento.

Livio,

Sarebbe stato meglio usare un motore a 2860 rpm con riduttore e con un dimensionamento più appropriato.

non la vedo come una strada percorribile. Per avere una gamma a potenza quasi costante nel rapporto 1:4,3 si sarebbero dovute raggiungere velocita' eccessive per un riduttore. No problem per il motore, ho visto in fabbrica un 500 kW a 20.000 rpm e non mi impressiono piu'.

Ciao

Mario

Modificato: 25 novembre 2009 da Mario Maggi

[Livio Orsini]

Per avere una gamma a potenza quasi costante nel rapporto 1:4,3 si sarebbero dovute raggiungere velocita' eccessive per un riduttore.

Mario, probabilmente non hai ben considerato il tipo di macchina. Gli aspi necessitano di coppia a velocità bassa, perchè la coppia massima è necessaria con il diametro massimo. Diminuendo il diametro diminuisce la velocità e, linearmente, la coppia richiesta. Anche negli azionamenti cc, se la potenza dell'azionamento ne dava giusificazione economica, si preferiva ridurre la velocità e deflussare, anche con rapporti di 1:4 di flusso.

In questo caso non è necessario un riduttore a ingranaggi; con la coppia in gioco è sufficiente l'uso di cinghie dentate che, tra l'altro, hanno un rendimento prossimo all'unità.

Personalmente, dai dati riportati, giudico sottodimensionato il motore.

Modificato: 26 novembre 2009 da Livio Orsini

[andreacappellazzo]

Secondo i dati operativi e tralasciando i dati di targa del motore, alla max velocità = diametro minimo,la frequenza raggiunge circa 70Hz pertanto il rapporto si ridimensiona.

[Livio Orsini]

Dati di specifica riportati da "bit":

diam_min = 0.15m; Vl_max = 800m/1'; W_n = 1150rpm @ 39Hz W_max = Vl_max / (diam_min * pi) 1698 rpm <==>58Hz circa.

Se si usasse un canonico 2 poli con 2860rpm @ 50Hz e riduzione 1:2 avremm0 una W_max =3396rpm <==> 59Hz

con riduzione a metà della coppia massima necessaria e riduzione a circa 1/4 dell'inerzia riportata all'asse.

Si potrebbe aumentare il rapporto a 1:3 con W_max =5094rpm @ 89Hz che è ancora una frequenza "normale". Usando un motore 230V "D" si potrebbe, se necessario, arrivare in regime di coppia costante sin quasi alla massima velocità, cosa assolutamente non necessaria visto che si tratta di un aspo.

Modificato: 26 novembre 2009 da Livio Orsini

[bit]

complimenti per i problemi che sottoponi, spesso interessanti.

Ciao Mario.

Sono solamente i problemi che incontro quotidianamente e che non riesco a risolvere da solo...

Nei motori in corrente alternata asincroni non è così; con il controllo vettoriale c'è una certa similitudine, nel controllo di coppia, con i motori in corente continua, ma non si può parlare di costante coppia/corrente.

Questo mi chiarisce molte cose... Non farò mai un'applicazione in coppia con un motore asincrono, per quanto i venditori lo pubblicizzino ormai come perfettamente equivalente ai motori in cc.

Esporrò il problema così inquadrato al cliente, che probabilmente si terrà la macchina così com'è, limitando i tiri.

Grazie a tutti!

PS: c'è qualche testo per studiarsi il controllo vettoriale dei motori asincroni e capire come funziona?

[roberto8303]

Non farò mai un'applicazione in coppia con un motore asincrono

Mai dire mai

[Livio Orsini]

Non farò mai un'applicazione in coppia con un motore asincrono, per quanto i venditori lo pubblicizzino ormai come perfettamente equivalente ai motori in cc.

Non è corretta anche questa presa di posizione

Molto dipende dall'applicazione e dal materiale che scegli.

Ad esempio io ho avuto ottimi risultati con azionamenti ABB della serie DCT e con azionamenti composti da motori nazionali e inverter Mitsubishi. Ovviamente il dimensionamento, meccanico ed elettrico, deve essere corretto.

[bit]

Beh, con questa esperienza ho notato diversi aspetti negativi, che non avevo mai trovato con i motori in cc, anche con azionamenti molto datati. Innanzitutto questa necessità di sovradimensionamento, che con i cc mi pare di capire che non serva. Inoltre anche il funzionamento reale mi sembra molto nervoso e instabile, ho rilevato scarsa linearità tra il riferimento e il tiro effettivamente misurato, l'asse vibrava, ecc...

Ho visto grossi motori in cc regolati in coppia, che con riferimenti minimi potevano essere fermati con un dito, con regolazione pulitissima e precisa. Con un ac si potrà fare?

[Livio Orsini]

..con questa esperienza ho notato diversi aspetti negativi, che non avevo mai trovato con i motori in cc,...

Come soleva ripetere un mio vecchio insegnante di elettrotecnica, il motore in cc è un purosanguae da corsa, mentre il motore in ca è un cavallod a tiro. Così come è impensabile vincere un derby di galoppo con un cavallo da tiro pesante, è altrettanto impensabile attaccare un puro sangue ad un carro da trasporto merci.

Nel medesimo modo si deve scegliere l'azionamento più adatto per le esigenze operative. Ci sono applicazioni in cui, ancora oggi, i motori cc sono insostituibili; mi riferisco a quelle applicazioni dove le prestazioni di accelerazione fanno premio su tutto il resto. In alcuni casi neanche i brushless più performanti possono reggere il confronto con servo azioanementi in cc, magari con motori a magneti permanenti a terre rare.

Con l'avvento del controllo vettoriale il motore in ca si avvicina alle prestazioni dell'omologo in cc, ma non le può eguagliare completamente.

Innanzitutto questa necessità di sovradimensionamento,...

No non è così. Non si deve sovradimensionare, si deve dimensionare correttamente.

Non si può sostituire pari pari un motore cc con un ca avente medesima potenza assorbita. Intanto tutti i motori in cc son in grado di erogare la coppia massima anche a velocità zero, non solo possono erogare, da specifica, 1.5*C_n per 120" ogni 600" senza subire danni; non solo ma rispettando la medesiam corrente termica possono anche erogare C_max = 2*C_n

I motori a magneti permanenti a velocità zero, sino a circ ail 20% della velocità nominale possono erogare

C_max <= 8*C_n .

Per quanto rigurada il controllo in coppia di un motore in ca tutto dipende dall'azionamento (inverter o converter + motore + trasduttore eventuale) adottato. Se l'azionamento è stato ben progettato, ben costruito, ben ottimizzato e, soprattutto, ben dimensionato un'applicazione come la tua non ha problemi. La coppia sarà regolata come in azioanmento cc.

nel tuo caso ho la sensazione che tutto quello che ho enunciato prima non sia stato rispettato. Secondo me, da quello che scrivi, ci sono stati errori di progettazione, dimensionamento e la scelta dell'azionamento (marca e tipo) non è, a mio giudizio, una delle migliori. Poi vorrei conoscere meglio come è stato realizzato il controllo di tiro perchè, sempre da quello che ho letto, ho la sensazione che non sia lo stato dell'arte.

Da ultimo, ma non meno importante. Ricordo adesso che neltuo messaggio di apertura dici che trattasi di uno svolgitore.

Ecco questa è un'applicazione dove non si dovrebbe usare un azionamento ca. Almeno di non avere anche un'avvolgotore e/o qualche traino con dc bus in comune. Perchè? Perchè un'avvolgitore, salvo che nelle fasi di accelerazione, è sempre e solo un freno, quindi il motore genera energia. Questa energia, nel caso di mono azionamento in ca, deve essere dissipata sul resistore di un gruppo di frenatura.

Modificato: 6 dicembre 2009 da Livio Orsini