Stima giri di un motore asincrono

[SandroCalligaro]

Lunacod, hai posto una domanda interessante...
Il tuo problema assomiglia molto a quello (che citavi) del controllo "sensorless" (in sostanza, di stima delle grandezze meccaniche, negli azionamenti, a partire dalle grandezze elettriche), anche se potrebbero esserci delle semplificazioni.
Purtroppo, per scrivere cose sensate (e comprensibili) questi argomenti ci vuole del tempo...


Nello specifico del tuo problema, ci sono un po' di cose che non mi sono chiare, in particolare:
- quale sarebbe lo scopo (misura in laboratorio? sul campo? per effettuare un controllo in catena chiusa?);
- se questa cosa la vuoi/devi fare per un motore specifico (sempre lo stesso) o se il motore cambia e quindi è di fatto "incognito";
- se, almeno nel momento in cui si sviluppa e prova la stima (quindi non quando viene usata sul campo), si ha accesso alla misura di velocità vera e propria, per verificare la correttezza della stima, appunto;
- se ti basta veramente una precisione attorno al 2-3%;
- con che velocità vorresti che venisse aggiornata la stima (ogni secondo? ogni 10 secondi? ogni millisecondo?);
- se l'alimentazione è solo da rete.


Da quello che dici, le misure di corrente e tensione dovrebbero essere disponibili (o comunque si potrebbe realizzare qualcosa che le applichi). In caso contrario, rimarrebbe solo la stima a partire dalla vibrazioni (che alcuni aggeggi in commercio fanno, anche se non saprei che precisione garantiscano).

Rimanendo sulle tecniche basate su misure elettriche (correnti e tensioni), la precisione di cui parli (2-3%) forse si può ottenere con relativamente poco sforzo. Questo perché (per lo meno nel caso di motori alimentati direttamente dalla rete, che quindi lavorano con un flusso di rotore vicina al valore nominale), lo scorrimento (cioè la differenza tra la velocità di sincronismo e quella reale) è abbastanza piccolo (meno del 10%). Per rendersene conto è sufficiente guardare la velocità nominale riportata in targa e confrontarla col più vicino sottomultiplo intero di 3000 rpm, ad esempio:
- velocità nominale 2900 rpm, frequenza nominale 50 Hz -> velocità di sincronismo 3000 rpm (una coppia polare) -> scorrimento 100rpm/3000rpm = 3.3%;
- velocità nominale 1400 rpm, frequenza nominale 50 Hz -> velocità di sincronismo 1500 rpm (una coppia polare) -> scorrimento 100rpm/1500rpm = 6.7%.

Per fare un esempio, questi sono dati di una serie di motori a 2 poli, 400V 50Hz, di Motovario (pag. 77 di questo catalogo):

Codice: Seleziona tutto

P_n [kW]    n_n [rpm]   s_n [%]
0,12        2650        11,7
0,18        2800        6,7
0,25        2800        6,7
0,37        2790        7,0
0,37        2820        6,0
0,55        2810        6,3
0,75        2800        6,7
0,75        2810        6,3
1,1         2830        5,7
1,5         2810        6,3
1,5         2840        5,3
2,2         2860        4,7
3           2870        4,3
4           2870        4,3
4           2900        3,3
5,5         2910        3,0
5,5         2910        3,0
7,5         2910        3,0
9,2         2910        3,0
11          2910        3,0
11          2910        3,0


Quindi, se si trattasse dei motori qui sopra, escludendo la taglia da 120 W, sapremmo che la velocità sarà vicina a quella di sincronismo, alla peggio il 6.7% in meno (a meno che la coppia non salga a valori oltre il nominale).
Quindi, conoscendo solamente la frequenza di alimentazione, anche senza complicati algoritmi potremmo dire (sparando quasi a caso) che lo scorrimento è la metà di quello nominale (preso dalla targa), arrivando ad un errore che alla peggio sarebbe del 3.4%, ma in molti casi è al massimo dell'1.5%.


Con un po' di sforzo in più si potrebbe migliorare la stima tenendo conto del fatto che lo scorrimento è quasi proporzionale alla coppia erogata (per valori di scorrimento piccoli) e la coppia a sua volta è legata all'ampiezza della corrente.


Volendo ottenere una precisione migliore (o una "velocità di aggiornamento" maggiore), si potrebbe replicare (come proponevi tu) quello che si fa col controllo vettoriale sensorless negli azionamenti, dove si stima la velocità meccanica (e non solo) "in tempo reale" (cioè con banda passante ampia), sulla base delle misure elettriche e di diversi parametri di un modello equivalente del motore.

Qui mi sento di fare una nota... La difficoltà, nel caso del controllo, è che occorre avere una stima delle varie grandezze molto "veloce", ossia con una banda relativamente elevata. Inoltre, si deve garantire la stabilità del controllo, che dipende dal controllo stesso e dalla stima, con la stima che dipende a sua volta da quello che si fa con il controllo... quindi le cose sono molto complicate, rispetto al caso di chi solamente "osserva" quello che sta succedendo, senza intervenire (come sarebbe nel tuo caso).
Questo per dire due cose:
- la stima che vorresti fare tu (se capisco bene) serve per conoscere la velocità "a regime", o comunque come misura indiretta, non per avere una traccia fedele di variazioni di velocità "in tempo reale", quindi è più semplice rispetto al caso del controllo;
- replicare un metodo come quelli applicati negli azionamenti, quindi, potrebbe essere fattibile, ma forse occorrerebbe uno sforzo esagerato, rispetto allo scopo.


PS: come mi ha fatto ricordare il post [4] di elfo, generato dall'IA, dovrebbe essere possibile stimare la velocità a regime con una precisione molto buona, sfruttando effetti di secondo ordine come quelli dovuti alle cave di statore (sapendo in anticipo con che motore si ha a che fare). Nono si tratta, però, di cose semplici da implementare.

[SandroCalligaro]

velocità nominale 1400 rpm, frequenza nominale 50 Hz -> velocità di sincronismo 1500 rpm (una coppia polare) -> scorrimento 100rpm/1500rpm = 6.7%.

Ovviamente, qui ho sbagliato, sarebbero due coppie polari.

[Lunacod]

Sandro Grazie 1000 per l'esaustiva spiegazione.
Metto qualche dato in più per capire meglio le condizioni di prova.
La misura dei giri ottenuta dai segnali di vibrazione o pulsazione della pressione, funziona alla grande, solo però se si ha un analizzatore di spettro e si sa cosa leggere. Questo lo dico per rispondere a chi aveva proposto questa soluzione e infatti nel reparto sperimentale lo fanno, però loro hanno un BBM Muller... e tre ingegneri, di cui uno è un acustico. Ma dato che nel nostro caso l' operatore è un operaio generico privo di formazione ingegneristica, perciò è meglio lasciar stare.
Veniamo ai dati che mi servono e quelli che ho:
Mi serve stimare la velocità di rotazione media, con una costante di tempo di un paio di secondi.
La misura serve per un banco di test fine linea, dove si fa la qualifica Go / No-Go. Serve perciò valutare la velocità con un errore del 2%. Mi hanno detto che anche il 3% va bene.
Il motore è alimentato a frequenza di rete tramite un trasformatore di isolamento schermato. Il tutto è in trifase.
Cosa complicata: il carico sul motore varia ampiamente, si va da carico 5% (trascinamento degli organi meccanici) fino al 80% del carico.
Del motore non so quasi nulla, il costruttore diceva di avere il modello matematico dello specifico motore, ma poi ho scoperto che il tutto si riduce a quattro misure di resistenza e induttanza dello statore, misurate con uno strumento a ponte RLC. Del rotore non si sa nulla se non che il numero delle cave e il diametro.

[Kagliostro]

La butto lì

Mettiamo che ad arrivare a stabilite con sufficiente precisione la velocità di rotazione non ci si riesca

Per un test GO / NO-GO non si potrebbe più semplicemente organizzare un test che partendo da una specifica pressione iniziale verifichi che per arrivare ad una pressione stabilita il tempo impiegato non sia superiore ad uno specifico ?

Va da sé che per motori diversi si imposteranno tempi diversi, in ogni caso la.pressione è un parametro che mi sembra utilizzabile per un simile tipo di test

K

[Lunacod]

Quel che dici Kagliosto, sarebbe subito fatto, il problema è che a richiedere il numero dei giri è un procedura, e come spesso accade, le procedure sono scritte facendo rifermento a norme, che al oro volta sono scritte da persone che poco sanno del problema tecnico.
Te ne racconto una bella, raccontatami da un collega di provenienza automotive: nelle procedure di test in cella anecoica radio, per ottenere la conformità alla circolazione stradale dei veicoli in generale, la norma prescriveva che si dovesse tenere il veicolo acceso, frenando il motore in modo che esso erogasse una potenza compresa tra il 25 e il 30% del suo massimo. Per fare ciò serviva che nella cella anecoica radio fosse installato un banco freno su rulli. Problema, in tutta Europa non c'era una cella fatta così. Poi la norma è stata cambiata, però dico: prima di scrivere la norma, perché non hanno fatto una verifica?
Quante cose funzionerebbero meglio se a fare le leggi fossero dei Tecnici Competenti!

[Kagliostro]

Sicuramente, di cose pianificate da emeriti incompetenti ce ne sono in giro fin troppe

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Tornando al problema

Visto che in quei motori sigillati ci si dovrebbe appoggiare a sistemi che si basano su vibrazioni e simili per arrivare ad una stima del numero di giri, non si potrebbe basarsi sulla cilindrata del motore e sulla pressione per scriversi una formula che ne derivi un numero di giri ?

Ad ogni giro il pistone muove un certo numero di cm3 di gas (aria ?), sapendo questo ed il volume del serbatoio collegato in uscita al compressore dovrebbe essere possibile arrivare al volume in cm3 di gas spostato e riferendosi al tempo trascorso per arrivare ad una certa pressione si potrebbe scoprire quante volte il volume della cilindrata entra nel volume di gas del serbatoio di uscita e considerando il volume della cilindrata uguale ad un giro dell'albero motore si arriva ai giri motore

Ovviamente qualche esperimento di verifica lo si dovrà fare per vedere entro quale percentuale di errore si riesce a stare

K

[Lunacod]

Mumble Mumble... Un misuratore di portata c'è e c'è anche una misura della pressione. Ci faccio una ragionata.
Certo se fosse acqua o un liquido sarebbe una bazzecola, dato che è un gas inerte (usiamo azoto)... forse serve tirare in ballo anche la temperatura. Vediamo, intanto tiro fuori il vecchio libro di Macchine e quello di Fisica.
Comunque al di là di tutto, l'idea di usare le grandezze elettriche, come: Corrente e Tensione, non mi fa dormire.

[Kagliostro]

La soluzione migliore è sempre quella più semplice

Tutto sta a scoprire quale essa sia

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Se ci fosse un misuratore di portata avresti già risolto, non è che invece si tratta di un sensore che sente la presenza di flusso ?

Un flussostato non è un flussometro

K

[Lunacod]

No No, flussimetro a cuneo = Litri al minuto. So che il sistema ha un'uscita dove si legge la portata e la pressione. Uscita 4-20mA

[Kagliostro]

Se c'è un flussimetro e si considerasse la pressione pari ad una atmosfera la lettura del flussimetro (1 LT = 1000 cm3) divisa per i cm3 della cilindrata dovrebbe dare i giri al minuto

almeno in teoria

K