SIMATICS S120 e rampe di decelerazione

[giuseppe2705]

Buongiorno a tutti.
Sono nuovo in questo forum e non ho trovato la sezione delle presentazioni. Dato che in molti forum è richiesto che prima di postare venga scritto un saluto, colgo l'occasione per farlo qui.

Sono un neofita degli azionamenti e sto iniziando a cimentarmi con il SINAMICS S120 e la CU320.

 

Il mio sistema presenta due assi che devono essere sincronizzati in velocità. Quindi devono girare alla stessa velocità, accelerare e decelerare allo stesso modo. La differenza fra le due velocità deve essere quasi nulla, quindi è richiesta una assoluta precisione di regolazione. I due assi possono spingersi fino a 5000 giri.

Il sistema presenta due motor module, uno da 3A e uno da 9A. Sui servomotori siemens sono montati degli encoder assoluti da 24 bit.

 

Quello che volevo chiedere è in caso di improvvista mancanza di alimentazione, come posso fare in modo che i due assi, che magari hanno due inerzie completamente diverse, decelerino fino a zero con la stessa identica rampa? Sul manuale Simenes, che fralaltro mi permetto di dire che è tradotto con il c##o e non si capisce bene, sono descritte delle rampe di decelerazione di emergenza fra le safety functions. Ho qualche dubbio però che in questi casi la rampa di decelerazione si perfettamente lineare e sul datasheet non c'è alcuna informazione precisa a riguardo.

Quanto può essere lo scostamento di velocità dalla rampa teorica in questi casi?
Eventualmente è teoricamente possibile (qualcuno lo ha già fatto?) dotarsi di un sistema di alimentazione temporaneo con batteria per mantenere la potenza il tempo necessario per decelerare in maniera perfetta fino a velocità zero i due assi?

Grazie.

Ciao
 

[SandroCalligaro]

Se i due drive hanno il DC bus in comune, in frenatura la rigenerazione può mantenere l'alimentazione di entrambi.

Non so se ci sia la funzione specifica sui drive che stai usando, in alcuni inverter è presente (Yaskawa la chiama "Kinetic energy braking").

[Livio Orsini]

Oltre a quanto ti ha scritto Sandro Calligaro, devi assicurarti che la regolazione preveda l'alimentazione da DC Bus, inoltre dovresti avere i 2 assi legati con funzione "albero elettrico" rapporto 1:1. solo così la rampa di decelerazione avrà la medesima pendenza e l'errore di velocità relativa sarà minimo.

 

Questo tipo di prestazioni è particolarmente richiesto in alcune lavorazioni tessili ed è abbastanza usuale, però gli inverters devono essere previsti per poter lavorare in questo modo, come quelli citati da Sandro Calligaro.

[giuseppe2705]

i due inverter condividono il dc bus. Sono due motor module booksize collegati ad uno smart line module. Tutto il sistema è siemens.
Adesso sto cercando la funzione asse elettrico sul manuale ma non la trovo.

[Livio Orsini]

Non è detto che ci sia di serie.

[giuseppe2705]

non so non me ne intendo. E' la prima volta che affronto un problema di questo tipo. Sto cercando di capirci qualcosa sul manuale schifosamente tradotto ma non trovo alcun riferimento specifico. Bisognerebbe capire se è possibile vincolare un parametro di un asse ad un parametro di un asse diverso. Quindi mettere il vincolo fra il riferimento di velocità del primo motore con quello del secondo. In pratica un motore master e uno slave. E probabilmente ci sarà un certo ritardo.
Difficile capirlo senza avere STARTER in funzione, ancora non ho il gruppo azionamento fra le mani per fare le prove, posso solo leggere i manuali.

[Livio Orsini]

No, l'asse elettrico prevede che ci sia un master ed uno slave.

Il riferimento di velocità dello slave è la velocità reale del master.

Se la precisione richiesta è relativamente bassa è sufficiente usare il segnale analogico 0 -10 V corrispondente alla velocità del master come riferimento di velocità per lo slave.

Se la precisione di velocità richiesta è elevata è necessario che i 2 inverters lavorino in modalità vettoriale con reazione di encoder.

Il master dovrà generare una frquenza proporzionale alla velocità reale, questi impulsi vengono usati come riferimento di velocità per lo slave.

 

Quindi bisogna che:

1. L'inverter accetti come riferimento di velocità un treno d'impulsi
2. L'inverter possa generare un segnale con frequenza direttamente proporzionale alla velocità reale.
3. Parametrizzare gli inverters master e slave in modo tale che le velocità siano identiche.

 

[giuseppe2705]

Ci sono delle cose che non mi risultano chiare a livello generale.
Una di queste è:

Questi inverter impegati sulle macchine automatiche di che tipo sono? Qual'è la forma d'onda nei 3 morsetti d'uscita? Su internet ho visto che ci sono varie tecniche di modulazione PWM anche multilivello. Quindi la tipologia di impulsi in uscita è modulata in pwm per controllare la coppia mentre viene fatta variare la frequenza di attivazione delle fasi per regolare la velocità? Le onde in uscita hanno l'andamento della tensione di tipo pseudosinusoidale o sono di tipo rettangolare on off con duty cicle variabile?

 

Il sistema del circuito intermedio raddrizza l'alternata in tensione continua. Quindi questi azionamenti lavorano in continua e di conseguenza i motori sincroni sono trifase in continua in pratica dei brushless dc di grossa potenza? I motori sincroni sono quasi sempre a magneti permanenti in ambito automazione?

 

Ad esempio nel mio caso il sistema impiega motori sincroni Siemens della serie 1FT. Nel datasheet trovo scritto che ha 8 poli e può raggiungere i 6000 rpm. Da tali dati deduco che l'inverter genererà delle forme d'onda su ciascuna fase a 400HZ alla massima velocità. E ciascuna onda di fase è sfasata di 120 gradi l'una per l'altra.
Nel datasheet dell'S120 leggo ad un certo punto che possono essere installate le bobine motore per ridurre il carico di tensione sugli avvolgimenti del motore. Ma queste bobine usualmente non vengono impiegate quasi mai? Inoltre leggo che incaso di impiego di bobine motore la frequenza di impulsi massima deve essere 4KHz e la frequenza di uscita 120Hz. Cioè il motore nel mio caso avendo 8 poli con le bonine può girare massimo a 1800rpm e la frequenza degli impulsi pwm deve essere massimo 4KHz?

Sapresti consigliarmi un libro dove vengono riassunte una volta per tutte in maniera chiara e completa tutte le tipologie motori elettrici, azionamenti e tecniche di regolazione impiegati in ambito macchine industriali?

[Livio Orsini]

Quote

Questi inverter impegati sulle macchine automatiche di che tipo sono? Qual'è la forma d'onda nei 3 morsetti d'uscita?

 

Devo dedurne che d'inverters ne sai poco o nulla.

 

per rispondere compiutamente a tutte le tue domande ci vorrebbero parecchie pagine, non un messaggio. Cercherò di darti un0idea di base

Il tipo d'inverter te lo deve dire il costruttore. Attualmente sono o a controllo scalare, detto V/f, oppure a controllo vettoriale con o senza reazione da sensore di posizione del rotore; sono distinti dalla dicitura "sensorless" se non necessitano reazione. Quasi tutti gli inverter moderni a controllo vettoriale possono lavorare con o senza reazione ed anche, ovviamente, in modalità scalare o V/f.

Il nome corretto dell'inverter dovrebbe essere ciclo converter perchè si parte da una corrente c.a. a frequenza fissa, la si converte in cc per poi riconvertirla in una corrente c.a. a frequenza variabile.

La forma d'onda della tensione d'uscita è, in genere, un tensione rettangolare a freqeunza di qualche kHz con il rapporto di duty cycle variabile in modo da ricreare una variazione sinusoidale alla freqeunza desiderata per pilotare il motore. Questi sistema è conosciuto come modukazione PWM o a larghezza d'impulso variabile. L'induttanza del motore effettua poi una sorta d'integrazione e ricrea una corrente pseudo sinusoidale.

 

Non ti serve un solo libro, ma parecchi libri.

Per prima cosa dovresti leggerti un buon libro o manuale che descive i vari tipi di motori. Io ho un ottimo manuale, ma essendo in vacanza, non ricordo l'esatto titolo e gli autori (lo consulto solo secondo necessità del momento per casi particolari).

 

poi dovresti farti una cultura di base sui principi di funzionamento degli inverters. Qualche anno fa trovavi ottime spiegazioni sui manuali degli inverters dei grandi costruttori. Oggi non più, danno per scontato le conoscienze di base e si dedicano all'installazione, ottimizzazione e matuntenzione.

Puoi trovare del buon materiale su internet, magari non leggere documenti prettamente teorici dei siti universitari, ma ricerca tra quelli divulgativi o tra quelli dedicati agli istituti professionali.

 

Da quello che scrivi tu stai usando dei brushless c.a., quindi tutto il discorso dell'albero elettrico è quasi inutile. Se ben tarati ed ottimizzati correttamente basta predisporre una rampa di discesa che generi il segnale di riferimento di velocità per entrambi e si arresteranno in modo coordinato.

 

 

[giuseppe2705]

Perfetto.

Infatti il sinamics s120 può funzionare sia V/f che in vettoriale con o senza encoder. Sul manuale tuttavia viene indicata una terza tipologia di controllo e la definisce "Servoregolazione" con encoder ma ho qualche difficoltà a capirne le differenze dal controllo vettoriale con encoder.
Il manuale dice che la servoregolazione è per un controllo estremamente dinamico del movimento mentre il vettoriale è per elevate precisioni del numero di giri e coppia nel funzionamento senza encoder.
Poi però quando accenna alla possibilità del vettoriale usato con l'encoder, allora la precisione aumenta ancora e la dinamica diventa nettamente superiore. Quindi a questo punto le prestazioni con vettoriale + encoder e servoregolazione sono comparabili? E che differenza c'è fra le due?
Ho letto varia documentazione sul controllo vettoriale e ho capito bene o male di cosa si tratta. Non riesco a capire invece cosa intende Siemens quando sul manuale scrive Servoregolazione. Non può essere solo un discorso di feedback poichè anche in vettoriale lo si può avere.

[SandroCalligaro]

Avevo iniziato a risponderti, Livio mi ha preceduto...

 

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Questi inverter impegati sulle macchine automatiche di che tipo sono? Qual'è la forma d'onda nei 3 morsetti d'uscita?

[...] Le onde in uscita hanno l'andamento della tensione di tipo pseudosinusoidale o sono di tipo rettangolare on off con duty cicle variabile?

 

Il sistema del circuito intermedio raddrizza l'alternata in tensione continua. Quindi questi azionamenti lavorano in continua e di conseguenza i motori sincroni sono trifase in continua in pratica dei brushless dc di grossa potenza? I motori sincroni sono quasi sempre a magneti permanenti in ambito automazione?

Gli inverter industriali sono quasi sempre trifase a due livelli (le poche eccezioni sono per potenze e tensioni elevate, o usi particolari).

Ciascuno dei tre "rami" dell'inverter è fatto da due interruttori, come nella figura. Quindi l'uscita può venire collegata "istantaneamente" al positivo o allo zero del bus DC.

Ciascuna tensione di uscita di ramo (cioè tra negativo del bus DC e morsetto di fase dell'inverter) è una PWM, cioè un'onda quadra con frequenza normalmente fissa e duty-cycle variabile.

La tensione che viene considerata normalmente come tensione di uscita è in realtà la media della tensione in un periodo di PWM, e in questo senso (cioè applicando per un certo tempo 0 e per un certo tempo Vdc) ad ogni periodo è possibile ottenere come media qualsiasi valore di tensione concatenata tra 0 e Vdc.

 

A questo punto, se si guarda alla differenza tra le uscite di due rami, siccome ciascuna può andare da 0 a Vdc, la differenza potrà andare con continuità da -Vdc a +Vdc, ed questo il concetto di "inversione" della tensione (da cui "inverter").

L'idea è quindi che l'inverter diventa un generatore di tensione controllato, dove la media nel periodo di PWM delle tensioni tra uscite, cioè le concatenate che vanno verso il motore, possono essere impostate a qualunque valore tra -Vdc e +Vdc. In realtà, siccome la somma delle tensioni è nulla (avendo solo tre nodi), si potranno decidere due delle tre tensioni, mentre la terza verrà di conseguenza.

 

I motori brushless utilizzati come servomotori sono dei motori fatti per funzionare con tensioni sinusoidali, non sono dei "brushless DC".

L'inverter "emula" le tensioni sinusoidali con delle PWM che contengono le tensioni sinusoidali necessarie più delle armoniche ad alta frequenza. L'effetto delle armoniche ad alta frequenza, che sono concentrate attorno alla frequenza di switching (cioè dell'onda quadra della PWM) hanno effetto sulla corrente quasi trascurabile, perché vengono "filtrate" dall'effetto dell'induttanza del motore (quindi praticamente non provocano effetto sulla coppia).

 

 

Quote

Non riesco a capire invece cosa intende Siemens quando sul manuale scrive Servoregolazione. Non può essere solo un discorso di feedback poichè anche in vettoriale lo si può avere.

Potrebbe essere che nella "nomenclatura" Siemens il controllo " Servoregolazione" sia la modalità di controllo per i brushless, ma non ne sono sicuro...

Puoi postare il link al manuale italiano e dire in quale punto se ne parla? Così si può fare un confronto almeno con la versione inglese.

[giuseppe2705]

Ok.
Quindi il segnale viene ottenuto dal confronto fra una modulante, onda triangolare, e da una portante, onda sinusoidale. Quindi per variare la velocità di rotazione del motore si varia la frequenza della portante?

Il manuale in italiano è a questo indirizzo:

 

https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/99686093/FH1_042014_ita_it-IT.pdf?download=true

 

La versione inglese a questo indirizzo:

https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/99686093/FH1_042014_eng_en-US.pdf?download=true

 

Il capitolo sulla servoregolazione inizia a pagina 83. Viene riportata anche una tabella comparativa fra servoregolazione e vettoriale in cui si dice anche che in servoregolazione la frequenza di uscita massima è 3200Hz mentre in vettoriale 300Hz. Ma sarebbe la frequenza della portante nel grafico dell'SPWM? E se è così come fa un motore a 8 poli a raggiungere la velocità di 6000 giri come da specifica?

[SandroCalligaro]

Quote

Quindi il segnale viene ottenuto dal confronto fra una modulante, onda triangolare, e da una portante, onda sinusoidale. Quindi per variare la velocità di rotazione del motore si varia la frequenza della portante?

Sarebbe corretto se scambiassi "modulante" con "portante": come nelle telecomunicazioni, la portante è quella fissa, la modulante... è quella che modula il segnale.

 

In un controllo V/f succede praticamente quello che dici, cioè per variare la velocità si variano frequenza e tensione (della modulante) in modo proporzionale tra loro.

Per il controllo vettoriale la cosa è un po' più complicata, le tensioni da applicare (cioè in pratica i valori della modulante) vengono da due anelli di regolazione di corrente e/o di flusso. A regime però vale sempre il fatto che tensione e frequenza sono praticamente proporzionali tra loro. Nei sincroni (tra cui i brushless) a regime la frequenza è esattamente proporzionale alla velocità, negli asincroni c'è di mezzo una differenza relativamente piccola (qualche percento della frequenza nominale, al massimo), cioè lo scorrimento, che dipende in pratica dal carico.

 

 

NB: Qui abbiamo riassunto parecchie ore di corsi di azionamenti elettrici in poche righe, cosa che ha un senso solamente per intuire l'essenza del funzionamento.

[giuseppe2705]

Ciao.

Non riesco a capire come possa variare la frequenza dell'uscita al variare della frequenza e dell'ampiezza dell'onda triangolare. Per tale ragione ti ho scritto che nel sistema suddetto per cambiare la frequenza dell'uscita occorre cambiare la frequenza della portante. Non vedo altro modo.

 

Ora nello schema sopra al variare della frequenza e dell'ampiezza della triangolare, si ottiene l'effetto di avere in uscita una forma d'onda più o meno squadrata (in termini di valore efficace) rispetto ad una ipotetica onda sinusoidale. Ma la frequenza rimane la stessa.

Ti invito a provare la simulazione su spice, mettendo l'onda triangolare e la sinusoidale sugli ingressi di un comparatore e poi mettendo un filtro in uscita. La frequenza non cambia al variare della triangolare.
 

 

[SandroCalligaro]

Continui a confondere portante e modulante: la portante è la triangolare.

 

La tensione di uscita che si considera solitamente per il controllo motore non è quella istantanea che si trova sulle uscite dell'inverter, ma una sua versione "campionata", che è la media della tensione nel periodo di PWM.

Se guardi le 3 forme d'onda in basso nella figura (che sono riferite allo zero del bus DC), vedrai che il loro valor medio (calcolato su un periodo di PWM) cambia nel tempo in modo sinusoidale (coerentemente con le modulanti).

In quel modo si possono generare 3 forme d'onda qualunque, purché abbiano frequenza molto minore di quella della portante (cioè di PWM) ed ampiezza compresa tra 0 e +Vdc.

 

Le tensioni concatenate che vanno alle fasi del motore sono le differenze tra le tre forme d'onda PMW, quindi ad esempio la continua che contengono, se è uguale non arriverà al motore. Le tensioni conterranno anche componenti ad alta frequenza (a multipli della frequenza di PWM, cioè quella della portante, che è alta), che come già detto vengono filtrate ed hanno quindi effetto trascurabile sulla coppia prodotta.

 

 

Qualche simulazione e qualche misura su queste cose l'ho fatta, sono circa 6 anni e mezzo che faccio ricerca sul controllo di azionamenti e convertitori, anche se naturalmente c'è ancora tanto da imparare.

[giuseppe2705]

rintengo che il concetto sia invertito. La triangolare è la portante e la sinusoidale è la modulante.

[giuseppe2705]

si si è tutto chiaro. Almeno per i principi di funzionamento. I manualli siemens molto meno.

[Livio Orsini]

Quote

Almeno per i principi di funzionamento. I manualli siemens molto meno.

 

i manuali dei costruttori di inverters sono manuali per installazione, parametrizzazione e manutenzione del'inverter.

Si da per scontato che o l'utente conosca già i fondamentali, oppure che si attenga alle indicazioni del manuale senza voler conoscere "cosa c'è dietro".

un manuale di prodotto non può essere un libro di testo.

 

Quote

NB: Qui abbiamo riassunto parecchie ore di corsi di azionamenti elettrici in poche righe, cosa che ha un senso solamente per intuire l'essenza del funzionamento

 

[SandroCalligaro]

Dando un'occhiata al manuale si intuisce che la modalità "servoregolazione" è una modalità di controllo di coppia, velocità e (forse) posizione che comprende funzionalità specifiche per il controllo ad alta dinamica, come ad esempio guadagni variabii, filtri antirisonanza ecc.

Inoltre, se ho visto bene, c'è la possibilità di utilizzare adattamenti automatici dei parametri.

 

Dal punto di vista strettamente del controllo motore, dovrebbe trattarsi comunque di vettoriale con sensore, sia per asincrono che per sincrono a magneti permanenti.

[giuseppe2705]

Nel manuale fa dei distinguo ben chiari, Servoregolazione ha un capitolo, controllo vettoriale ne ha un altro. In entrambe le modalità c'è il controllo di velocità e di coppia. Sembrerebbero essere due cose diverse quindi. Ma probabilmente è come dici tu, la servregolazione è chiamata così perchè ha delle funzionalità specifiche in più restando comunque un controllo vettoriale. Del resto cos'altro potrebbe essere? Certo non è molto chiaro. Vai a capire i tedeschi come ragionano.

[SandroCalligaro]

Quote

Del resto cos'altro potrebbe essere?

Infatti. Per fare controllo di velocità bisogna avere un controllo di coppia, il che per un motore AC presuppone una forma o un'altra di controllo vettoriale.