Motore ac funzionamento da freno

[Ste92]

Buonasera a tutti, vorrei sottoporre una domanda per cultura personale agli esperti di inverter.. 

Premetto che ho letto tutte le discussioni riguardanti resistenze di frenatura e le ho trovate molto esaustive e competenti, però avrei dei dubbi da chiarire.. 

Ad esempio, c'è una differenza quando si dice che il motore sta funzionando da "freno" o da generatore? 

E una domanda più specifica, i motori dei carroponti che sollevano carichi, quando li devono calare ad una velocità controllata, stanno funzionando da freno? E scaricano sulla resistenza di frenatura?  Grazie a chi risponderà 😄

[leleviola]

Il motore si comporta da generatore quando la velocità meccanica del rotore supera quella con cui viene eccitato lo statore e perciò essendo il campo magnetico generato dal rotore più veloce di quello generato dallo statore si viene a creare una tensione autoindotta sullo statore maggiore di quella con cui viene alimentato, ciò tramite i finali di comando delle tre fasi viene a ripercuotersi sulla tensione in DC del bus e perciò la tensione sul bus aumenta, è ovvio che ciò può essere tollerato entro certi limiti di tensione se la tensione aumenta troppo la tensione in eccesso viene scaricata verso una resistenza elettrica di frenatura che sarà più potente a seconda dell'energia in eccesso da scaricare. Anche una normale rampa di decelerazione effettuata con un carico con molta inerzia può richeidere l'intervento di una resistenza di frenatura. Il caso invece di un freno continuo necessario nel caso dela discesa di un carroponte non so se può essere sopportato da una resistenza elettrica di frenatura, è ovvio che tale resistenza deve essere dimensionata in base alla potenza di frenatura continua da dissipare

[Livio Orsini]

10 ore fa, leleviola scrisse:

se può essere sopportato da una resistenza elettrica di frenatura, è ovvio che tale resistenza deve essere dimensionata in base alla potenza di frenatura continua da dissipare

 

In base al massimo carico del sollevatore, del rapporto di riduzione, delle perdite per attrito del riduttore, si può dimensionare il resistore ed il chopper di frenatura necessari.

Si frenano(frenavano) i treni su resistori, quindi è possibile frenare anche il carico di una grùe; dipende solo dalla dimensione del resistore di frenatura.

 

Le tecnologie attuali permettono di recuperare in rete l'energia della frenatura a costi competitivi.

La via più semplice per recuperare in rete è l'adozione di un doppio ponte trifase a SCR in antiparallelo, esattamente come un convertitore ca -->cc reversibile; in questo modo quando la tensione del DC bus supera il valore massimo, si attiva il ponte "indietro" e si scarica il dc bus sulla rete, esattamente come avviene in un azionamento in continua.

 

Però oggi il costo dei semiconduttori di potenza è tale da permettere metodi di reversibilità meno rozzi. Sandro Calligaro è sicuramente più aggiornato su queste tecniche e, se leggesse questa discussione, potrebbe dare informazioni più precise ed aggiornate.

[Sandro Calligaro]

Aggiungo un chiarimento riguardo al discorso freno vs. generatore.

Per frenare un carico (abbassare la velocità, oppure mantenerla, in presenza di una spinta attiva che tenderebbe ad accelerarlo) bisogna sottrargli energia meccanica (cioè somma di energia cinetica e potenziale).

Nel caso di un'inerzia che venga frenata, si tratta di convertire energia cinetica, nel caso della gru con carico in discesa a velocità costante si tratta in pratica di energia potenziale.

 

Siccome l'energia non si crea e non si distrugge, va trasformata.

Volendo si potrebbe utilizzare un motore come puro freno dissipativo (converte in energia termica), ad esempio mettendo in corto-circuito i suoi terminali (in determinate condizioni). In quel caso non lo chiamerei "generatore", perché non genera energia elettrica, ma solamente calore, dissipato tramite le resistenze di statore e di rotore, quindi all'interno del motore stesso (non è quindi molto diverso da un freno meccanico). I limiti di questo tipo di frenatura sono piuttosto forti.

Se invece lo si tiene collegato alla rete o ad un inverter, opportunamente controllato, allora l'energia può essere trasformata in energia elettrica e trasferita a monte (alla rete o al bus DC a cui è collegato l'inverter). In questo caso lo chiamerei generatore, ma è pur sempre un funzionamento da freno (sta frenando il carico).

 

Dal punto di vista analitico, si sta frenando quando la coppia e la velocità non sono concordi (2° e 4° quadrante su un grafico coppia vs. velocità), mentre negli altri due casi si sta fornendo energia al carico.

 

 

Riguardo al riutilizzo dell'energia convertita in frenatura, il modo più semplice è quello di collegare il bus DC di più inverter (con carichi diversi) insieme, dove possibilmente solo un inverter per volta funzionerà in frenatura. In questo modo, idealmente, l'energia prelevata frenando un carico viene utilizzata per spingerne un altro. Occorre fare un minimo di attenzione a non sovraccaricare resistenze di precarica e raddrizzatori, ma in genere non è problematico per un numero di inverter basso.

Il recupero verso la rete, ad oggi viene effettuato con i cosiddetti Active Front-End (AFE), ossia degli inverter+induttori di linea, posti tra la rete trifase ed il bus DC. Questi funzionano da raddrizzatori attivi. La tensione di bus può essere controllata (purché più alta del picco della tensione di rete) andando ad imporre l'ampiezza ed il "verso" della corrente di linea (sugli induttori). La corrente avrà forma d'onda (quasi) sinusoidale, di ampiezza come detto funzione della tensione di bus e sarà in fase o in opposizione di fase, a seconda che la potenza da trasferire sia dalla rete al bus (in fase) o viceversa dal bus alla rete (contro-fase).

Oltre che permettere il recupero di energia verso la rete, gli AFE hanno dei vantaggi interessanti anche dal punto di vista dell'assorbimento dalla rete, che diventa quasi ideale (correnti non distorte e cosphi unitario). Il costo li rende ancora proibitivi per potenze piccole, ma il confine potrebbe spostarsi sempre di più in basso. Per potenze alte, diventano importanti dove un raddrizzatore non controllato creerebbe problemi all'intero impianto o dove l'energia cinetica del carico, in funzionamento normale, richiederebbe resistenze di frenatura enormi (in pratica dove l'inerzia del carico è molto alta).

 

Ci sono anche dei converitori a supercondensatori (supercap+convertitori bidirezionali), che permettono di aumentare virtualmente la capacità di bus, mantenendo la tensione di bus praticamente costante ed accumulando l'eccesso di energia (e rifornendolo indietro poi).

Ne avevo visto un modello piccolo e piuttosto bello, che però non riesco più a rintracciare... Una cosa del genere: http://www.bonitron.com/m3800.html, ma questo sembra più artigianale.

 

 

Nota: quello che scrive leleviola è corretto, ma valido solo per motori asincroni. Al momento ci sono poche applicazioni come gru o carriponte con motori diversi, ma arriveranno presto...
Inoltre ci sono applicazioni diverse, come i trasloelevatori per magazzini automatici, dove si usano già motori brushless (sincroni a magneti permanenti).

[leleviola]

C'è poi comunque da considerare che come negli ascensori per diminuire gli effetti delle coppie da frenare ci sarebbero le soluzioni meccaniche dei contrappesi che potrebbero bilanciare maggiormente i caichi e le coppie da frenare, in pratica la motorizzazione tenderebbe a lavorare maggiormente verso la frequenza di sincronismo e quindi a diminuire gli effetti derivanti dall'eccesso di velocità

[Sandro Calligaro]

Scusate, il link che ho postato sopra non sembra corrispondere a quello che avevo in mente.

[Ste92]

Grazie per le risposte, sempre molto esaustivi e super competenti.. 

Ma quando l'inverter sta frenando, cosa da come feedback di corrente assorbita? La si vede di segno negativo?.. 

Poi un'ultima cosa, quindi quando tieni in frenatura un carico non "spendi" energia dunque?  Scusate non mi è ancora chiarissimo questo ragionamento.. 

[leleviola]

Beh quando un motore raggiunge la velocità di sincronismo o la velocità derivante dalla frequenza che lo alimenta in teoria non dovrebbe assorbire corrente perchè non essendoci scorrimento tra la velocità del rotore e quella dello statore non c'è necessità di spendere energia per compensare un evntuale differenza che non è presente, in pratica però c'è comunque un assorbimento perchè sia le perdite derivanti dal ferro che la corrente necessaria per generare il magnetismo sono comunque assorbite dall'inverter, diciamo che andando oltre la velocità di sincronismo potrebbero essere compensate ma la limitazione di tensione sul bus probabilmente non lo fa avvenire perchè scarica la tensione in eccesso sulla resitenza di frenatura

[ilguargua]

8 ore fa, Sandro Calligaro scrisse:

Ci sono anche dei converitori a supercondensatori (supercap+convertitori bidirezionali),

Se non lo conosci già, dai un'occhiata a questo , funziona esattamente con quel principio. Ho avuto modo di visitare anche lo stabilimento di costruzione, macchina interessante, anche se ancora un po' "acerba".

 

Ciao, Ale.

[Sandro Calligaro]

4 ore fa, Ste92 scrisse:

quando tieni in frenatura un carico non "spendi" energia dunque?

In frenatura, la potenza dissipata nelle resistenze di statore e rotore (più in generale, per le perdite) è, tendenzialmente, fornita dalla conversione dell'energia cinetica o potenziale.

Inoltre, se c'è eccesso di potenza si ha, appunto, rigenerazione.

 

 

4 ore fa, Ste92 scrisse:

Ma quando l'inverter sta frenando, cosa da come feedback di corrente assorbita? La si vede di segno negativo?..

Principalmente si invertirà la fase tra corrente e tensione, da quasi concordi (sfasamento quasi nullo, potenza attiva positiva verso il motore) ad opposizione di fase (sfasamento quasi 180°, potenza attiva dal motore all'inverter).

 

Questa cosa è molto più facile da modellare e capire se si applicano le trasformazioni di coordinate opportune (trasformazione di Park per il motore asincrono, tipiche del controllo vettoriale).

La condizione più semplice è quella di asse diretto (d) allineato col flusso di rotore: la corrente di asse diretto in quel caso provvede a generare il flusso di rotore, quella di asse in quadratura (q) "regola" la coppia. In quel caso, la frenatura si ha imponendo corrente di asse q negativa.

 

 

2 ore fa, ilguargua scrisse:

Se non lo conosci già, dai un'occhiata a questo , funziona esattamente con quel principio. Ho avuto modo di visitare anche lo stabilimento di costruzione, macchina interessante, anche se ancora un po' "acerba".

Interessante, è a tutti gli effetti un carrello elevatore ibrido. A dire il vero, forse il vantaggio maggiore è dato dall'assenza di circuiti idraulici, che causano perdite anche da fermi.

Nei carrelli elevatori a batteria, questa funzionalità potrebbe essere ottenuta quasi gratis (a spese, in parte, della vita utile delle batterie).

[Ste92]

Ringrazio ancora tutti per le risposte molto tecniche.. 

Ma che voi sappiate, parlo per un acs 800 dell'Abb, come si capisce se sta lavorando da freno o da motore? 

Spiego meglio, dalla comunicazione in profibus leggo dall'azionamento il feedback di velocità e di corrente ;

Quando il motore gira in un verso (per far salire questa porta) vedo la velocità che sale in verso positivo e la corrente pure, mentre quando gira nel verso opposto per farla scendere vedo la velocità che è di verso negativo, mentre la corrente è sempre positiva, non capisco il motivo.. Ditemi pure se non mi sono spiegato bene.. 

[Sandro Calligaro]

La corrente è, nel normale funzionamento (sia da motore che da generatore), sinudoidale. Non è né positiva nè negativa, quindi.

Il dato che hai è probabilmente l'ampiezza della corrente, espressa in RMS.

 

Se il drive sta lavorando in vettoriale (forse "DTC", visto che è un drive ABB) dovrebbe essere abbastanza facile avere un dato di coppia o di corrente di asse q (ma, come dicevo, essendo il drive un ABB, è difficile che abbia la modalità vettoriale "normale").

Incrociando il dato di coppia con quello di velocità sai se il funzionamento è da motore (coppia e corrente concordi) o da generatore (discordi).

[Ste92]

Ciao Sandro, rispondo un po' in ritardo scusa.. 

Comunque si ho controllato e sta lavorando appunto in DTC, in uno dei due casi, non ho potuto verificare se discesa o salita, si vede che inizialmente la Coppia è discorde rispetto alla corrente e dopo torna in positivo, quindi concorde alla corrente.. Che motivo potrebbe essere? 

[Sandro Calligaro]

il 26/7/2018 at 21:09 , Sandro Calligaro scrisse:

La corrente è, nel normale funzionamento (sia da motore che da generatore), sinudoidale. Non è né positiva nè negativa, quindi.

Il dato che hai è probabilmente l'ampiezza della corrente, espressa in RMS.

Come dicevo sopra..
Il valore RMS è sempre positivo, per definizione, la coppia no.