misura tensione di fase AC brushless

[giobos]

Ciao a tutti,

 

ho un oscilloscopio sotto mano con cui mi viene richiesto di misurare la tensione su una fase di un motore AC brushless.

Lo scopo è puramente didattico.

Come faccio a misurare la tensione sulla fase del motore non avendo a disposizione il centro stella?

 

Allego una immagine del manuale che faccio fatica ad interpretare...

 

 

[Livio Orsini]

Devi usare un oscilloscopio a doppia traccia; due canali con due sonde usati in modo differenziale su 2 fasi

[SandroCalligaro]

Provo a dettagliare quello che dice Livio.

 

N.B: se parli di "misurare la tensione di fase di un motore brushless", in generale si potrebbe pensare che tu debba misurarla durante il funzionamento, il che pone vari problemi, visto che l'alimentazione avviene nel 99.99...% dei casi tramite inverter con uscita PWM.

Da quanto scrivi si capisce che sei interessato a misurare la tensione a vuoto, cioè la tensione indotta (o "forza contro-elettromotrice" o "back-EMF").

 

Per risalire alle tensioni di fase ("stellate") hai almeno due opzioni:

 

1. Misurare le tensioni concatenate e trasformarle in tensioni stellate.

Se il motore è isolato dal resto (cioè le fasi non sono collegate a nient'altro che all'oscilloscopio), puoi collegare le due masse delle sonde (non serve che siano differenziali) ad una stessa fase, per poi misurare le differenze tra quella fase e le altre due.

Ora conosci il potenziale dei tre capi delle fasi, quindi (supponendo che le fasi siano bilanciate lo si può dimostrare) puoi ricavare il potenziale del centro stella come media dei tre potenziali (di cui uno è nullo).

Da qui ricavare le tensioni stellate è ovvio (differenza).

 

2. Utilizzare un "centro stella fittizio", cioè una stella di 3 impedenze (solitamente resistenze) uguali e di valore elevato (in modo da non alterare troppo la misura), collegate ai capi delle fasi ed al centro tra di loro. Il centro stella delle tre impedenze sarà allo stesso potenziale del vero centro stella.

 

N.B.: attenzione al rating di potenza delle eventuali resistenze (nella soluzione 2): a me è capitato (preso dalla foga di fare la misura) di bruciare letteralmente delle resistenze.

N.B: attenzione al rating (di misura e di isolamento) dell'oscilloscopio.

 

 

[Livio Orsini]

15 ore fa, SandroCalligaro scrisse:

N.B: attenzione al rating (di misura e di isolamento) dell'oscilloscopio.

 

Questo è il dato principale; è indispensabile usare sonde per alta tensione con isolamento adeguato.

 

15 ore fa, SandroCalligaro scrisse:

Se il motore è isolato dal resto (cioè le fasi non sono collegate a nient'altro che all'oscilloscopio), puoi collegare le due masse delle sonde (non serve che siano differenziali) ad una stessa fase, per poi misurare le differenze tra quella fase e le altre due.

 

Meglio anche assicurarsi che l'oscilloscopio non sia messo a terra.

Altrimenti meglio fare una misura differenziale.

[SandroCalligaro]

Se il motore è scollegato dal resto, non vedo problemi nel collegare un terminale a terra tramite la massa dell'oscilloscopio, visto poi che si tratta di una misura e non di un collegamento permanente.

 

Il rating delle sonde passive e dell'oscilloscopio può essere piuttosto alto (infatti la scala verticale spesso arriva a 50 V/div, con sonda 1:10).

Si può inoltre collegare il tutto su un banco non conduttivo e solo dopo far ruotare il motore ed avviare la misura senza toccare il motore o i collegamenti.

 

Una sonda attiva può essere molto costosa, e peggiora la precisione della misura, visto anche che i rapporti di riduzione sono molto alti.

[Livio Orsini]

14 ore fa, SandroCalligaro scrisse:

Il rating delle sonde passive e dell'oscilloscopio può essere piuttosto alto

 

Il vero problema è la tensione d'isolamento della sonda.

 

14 ore fa, SandroCalligaro scrisse:

Se il motore è scollegato dal resto,

 

Scusa ma è questo che non capisco.

O provi il motore come motore, e ci deve essere qualche cosa che lo alimenta, oppure lo provi come generatore e ci sarà un motore primario che lo fa ruotare.

Ma forse sono io che non riesco a comprendere il tipo di misura che si vuole eseguire.

[roberto8303]

Quote

 

O provi il motore come motore, e ci deve essere qualche cosa che lo alimenta, oppure lo provi come generatore e ci sarà un motore primario che lo fa ruotare.

Ma forse sono io che non riesco a comprendere il tipo di misura che si vuole eseguire.

 

mi associo

 

[SandroCalligaro]

Purtroppo mi sto basando su quello che ho intuito anche dalla figura, giobos non ha risposto.

Se, come penso, la misura da fare è di tensione indotta, il motore dovrà funzionare da generatore ed essere azionato meccanicamente.

Quando ho scritto "scollegato dal resto", sono stato impreciso, intendevo "elettricamente". In sostanza le fasi non sono collegate ad altro se non all'oscilloscopio.

 

La tensione indotta non cambia tra funzionamento da generatore o da motore, è solo la parte di tensione dovuta al magnete.
Per questo la misura si fa di solito in funzionamento da generatore, a vuoto, a velocità costante, in modo da togliere di mezzo le cadute resistive ed induttive.

 

La misura si può fare anche a velocità, e quindi tensione, relativamente bassa.

In ogni caso molte sonde passive, se usate in 10:1, sono rated 300 Vrms CAT II, tanto per fare un esempio, queste: http://it.farnell.com/keysight-technologies/n2140a/sonda-passiva-1-1-10-1-200mhz/dp/2706571

Detto questo, soprattutto se si usano sonde o oscilloscopi economici, è bene fare molta attenzione.

Ad esempio, sconsiglierei la sonda del link qui sopra, perché con un semplice interruttore può essere impostata su 1:1 invece che 10:1, il che potrebbe anche significare un danneggiamento dell'oscilloscopio, e comunque un declassamento del rating (secondo le caratteristiche riportate).

[Livio Orsini]

44 minuti fa, SandroCalligaro scrisse:

In ogni caso molte sonde passive, se usate in 10:1

 

Si, appunto, bisogna sempre verificare cosa si sta usando; io poi, essendo vecchio, mi affido alla mie passate esperienze e sto molto attento con questi strumenti. "Sfondare" un canale o entrambi, specialemte se poi devi risponderne, non è mai bello, quin di meglio prendere prima le opportune precauzioni.

 

47 minuti fa, SandroCalligaro scrisse:

Purtroppo mi sto basando su quello che ho intuito anche dalla figura, giobos non ha risposto

 

Portroppo questo è abbastanza comune.

 

48 minuti fa, SandroCalligaro scrisse:

il motore dovrà funzionare da generatore ed essere azionato meccanicamente

 

Perfetto ora mi è chiaro e son sicuro di non aver avuto interpretazioni errate.

Io invece intendevo con motore alimentato.

[giobos]

Grazie a tutti delle risposte,

 

per cui quella che vado a misurare sarà la forza controelettromotrice del motore (che sarà a questo punto posto in rotazione da un altro motore).

 

Ora però mi sorge un'altra domanda, anche vedendo le vostre considerazioni. Come posso misurare la tensione su una fase (tensione tra fase e centrostella) del motore quando questo è alimentato dal suo azionamento? So che il driver effettua una modulazione PWM sulle tre fasi...

 

Grazie

[SandroCalligaro]

La misura di tensione di fase (indipendentemente dal fatto che sia la back-EMF o PWM) si può fare trasformano le tensioni concatenate.

 

Nel caso PWM, la misura della tensione è una cosa viene fatta raramente (almeno per il controllo motore), anche perché ci sono due ordini di problemi:

- uno pratico, legato al fatto che occorre l'isolamento (quindi una sonda di tensione attiva isolata, il che ha un costo).

- uno "teorico", legato al fatto che raramente si è interessati a misurare la tensione di fase istantanea in sé (risultato delle 3 PWM), tanto più che come tensione di fase sarebbe relativamente difficile da "leggere" (intendo interpretare).

Di solito, infatti, nel controllo motore (come in molti altri casi di conversione in cui è coinvolta la PWM), si considerano i segnali mediati nel periodo di modulazione, cioé

1/T_sw · integrale_{t-Tsw -> t} (x_PWM)

oppure la sua versione campionata con T_sw.

Il problema della media nel periodo è abbastanza complicato da risolvere e, attualmente, non ci sono soluzioni semplici (o economiche) che siano anche valide ed accurate.

 

Volendo si può applicare, in analogico, un'approssimazione della media nel periodo. Sempre tramite sonda attiva isolata si possono ad esempio acquisire le tensioni filtrate con filtri R-C (con R grandi, in modo da realizzare un partitore, dissipare poco ed usare condensatori piccoli). Stabilire quale sia la banda giusta da adottare per evitare eccessivo sfasamento non è semplice.

 

Probabilmente la soluzione più accurata consiste nell'acquisire il segnale con frequenza di campionamento alta, ed applicare poi la media nel periodo in post-processing.

Aggiungo che pochi inverter industriali implementano la misura di tensione vera e propria. Se lo fanno, a volte è per ragioni particolari (come ad esempio l'avvio "al volo" di motori sincroni), oppure per migliorare il funzionamento in controllo sensorless (high-end come ABB), visto anche il costo associato agli stadi di misura isolati.

Normalmente, i segnali di tensione utilizzati negli algoritmi di controllo (ad esempio per la stima di altre grandezze come il flusso, la posizione, o per l'identificazione dei parametri) sono in realtà le tensioni "comandate", cioè le uscite del controllo in base alle quali viene calcolato il duty-cycle.

In pratica, si assume che le tensioni di ramo (cioè tra uscita inverter e negativo del DC bus) siano uguali a duty-cycle x Vdc, eventualmente corrette per compensare l'effetto dei tempi morti dell'inverter.

Una delle sfide, nella ricerca sul controllo motore, è proprio minimizzare il numero di sensori (e i costi associati), senza perdere troppo in termini di prestazioni.

 

 

[Livio Orsini]

Si può faare una misura su di uncarico fittizio costituito da tre induttori collegati in "Y"; se il valore di induttanza è sufficiente elevato si avrà un'integrazione della modulazione PWM in un segnale pseudo sinusoidale. Poi basta disporre di un voltmetro true rms serio ed è possibile effettuare una misura con sufficiente approssimazione.

E' una misura che facevo molti anni fa quando provavo un inverter in fase di sviluppo, prima di collegarlo al motore, per verificare che funzionasse in modo regolare.

[SandroCalligaro]

Quote

Si può faare una misura su di uncarico fittizio costituito da tre induttori collegati in "Y"

Induttori a stella o meno, la tensione di uscita manterrebbe la stessa forma d'onda.