Stima giri di un motore asincrono

[Lunacod]

Salve, provo a farvi una domanda un po’ stana e folle.
La questione è questa: rilevare la velocità di rotazione di un motore asincrono trifase, senza l’uso di sistemi tachimetrici.
Il mio ragionamento parte da questo: gli inverter di ultima generazione per motori asincroni, rendono come dato anche il numero di giri reali. È detto che questo valore è stimato, ma mi è capitato di vedere che spesso è molto vicino ai valori reali anche sotto carico. Questi inverter, che sono di tipo vettoriale, non hanno l’encoder o qual si voglia sistema di misura dei giri. Ora la domanda è: come fanno ad ottenere il numero di giri?
Partendo da questa considerazione, mi ponevo la domanda: senza utilizzare alcun inverter, ma solo misurando tensioni e correnti di alimentazione, sapendo il numero di poli e che la frequenza è di 50Hz, secondo voi esiste un metodo, un processo o altra maniera che per ricavare attraverso dei calcoli, nel modo più accurato possibile, il numero di giri reali? In sostanza si tratterebbe di riuscire a stimare lo scorrimento.
Grazie

[standardoil]

mi viene in mente il diagramma circolare...

[Frenzi]

Ciao, non sapevo nulla di questo argomento, molto molto interessante.
Ho fatto qualche ricerca sul web per curiosità e ho trovato questo https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0196890410003560 e questo https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/9781394216796.ch32, ma se cerchi "sensorless Speed estimation of asynchronous motor" trovi molto altro.

Da quello che ho potuto capire da una rapida lettura, vi sono molteplici approcci possibili, basati (non avendo sensori mi sembra l'unica soluzione possibile) sull'analisi di tensioni e correnti in funzione di un dato ingresso dato dal controller vettoriale.
Ho visto che esistono molti modelli non lineari che permettono di stimare gli RPM, ma occorre avere anche qualche dato in più sulla costruzione del motore. Oggi è anche possibile trainare una rete neurale che stimi la "funzione di trasferimento" ottenendo di fatto gli RPM senza più il bisogno di un modello "ben determinato".

Spero di non aver scritto delle cavolate, seguo con interesse la discussione e aspettiamo qualcuno che abbia una vera conoscenza in materia.

Ciao
Francesco

[elfo]

I asked Chat-GPT:

sensorless Speed estimation of asynchronous motor

Copyright Frenzi

ChatGPT
Sensorless speed estimation of an asynchronous (induction) motor is a common technique used in motor control systems, especially in applications where it may not be feasible or cost-effective to install physical speed sensors (e.g., encoders or tachometers). This estimation relies on various methods and algorithms to indirectly determine the motor's speed based on other measurable parameters.

Here are a few common techniques for sensorless speed estimation of asynchronous motors:

Model-Based Methods:

Voltage and Current Analysis: Analyzing the voltage and current waveforms of the motor can provide insights into its speed. By modeling the motor's equivalent circuit and analyzing these signals, you can estimate the speed.
Motor Equivalent Circuit Models: Using motor equivalent circuit models, you can simulate the motor's behavior under different conditions and adjust the model parameters until they match the actual measurements. The speed can then be estimated from the model.
Back-EMF Estimation:

Induction motors generate a back-electromotive force (back-EMF) that is proportional to their speed. By measuring the phase currents and voltages and using the motor's parameters, you can estimate the back-EMF and, consequently, the motor speed.
Rotor Slot Harmonics:

The rotor of an asynchronous motor has slots that create harmonics in the stator current. By analyzing these harmonics, you can estimate the rotor speed indirectly.
Observer-Based Techniques:

Various types of observers, such as Extended Kalman Filters (EKFs) and Sliding Mode Observers, can be used to estimate the motor's state variables, including speed, based on measurements of current and voltage.
Sensorless Field-Oriented Control (FOC):

Sensorless FOC is a popular control technique for asynchronous motors. It uses mathematical models and algorithms to estimate both the rotor flux position and speed based on the stator current and voltage measurements.
Slip Frequency Estimation:

Asynchronous motors operate at a slip frequency, which is the difference between the electrical and mechanical frequencies. By estimating the slip frequency, you can determine the rotor speed.
Machine Learning and Neural Networks:

Machine learning and neural network models can be trained to estimate motor speed based on historical data and measurements of other motor parameters.
The choice of method depends on the specific motor and application requirements. Additionally, sensorless speed estimation may require initial calibration and tuning to achieve accurate results, and its performance can be affected by factors like load variations and motor aging.

[Lunacod]

Grazie per le informazioni.
A dire il vero essendo iscritto a ResearchGate e ad Accademia.org, mi giungono tante notifiche di studi in merito a controlli per motori. Però, come anche voi ben sapete, tra uno studio teorico; un'analisi matematica; una simulazione, e un sistema reale da usarsi, il passaggio non è così immediato.
Ora va detto che molto spesso costruttori seri di motori elettrici, oggi forniscono ai clienti, anche il modello matematico del motore, proprio per consentire un migliore adattamento tra motore e controllore. Dato che ho accesso a queste informazioni, che però di fatto non servono se il motore è alimentato da rete, pensavo di usarle per dotare il banco prova che sto costruendo, di un sistema che non mi obblighi a modificare un motore ATEX montato su di un compressore, visto che questo non permette l'accesso alla parti rotanti.
Vediamo se per caso nel frattempo scrive qualcuno che magari si è già imbattuto in un problema analogo.
Per ora grazie

[Kagliostro]

Materia interessante ma direi ..... ostica, tutto sommato difficoltosa da mettere in pratica per via di tutti i parametri da conoscere

Personalmente ogni tanto mi capita di aver bisogno di conoscere la velocità di rotazione di un qualcosa (e visto che ogni tanto riparo qualche fonovaligia mi fa comodo conoscere la velocità rotazione del piatto)

Qualche anno fa cercai un contagiri senza contatto e ne trovai uno che sfrutta la riflessione data da un pezzetto di apposito adesivo, il prezzo sul mercato italiano si aggirava sui 90 € ma poi trovai su E-Bay lo stesso identico articolo (venduto dalla Cina) a circa 12 €

Nel tuo caso, il controllo dei giri del motore di un compressore (presumo per aria compressa e non stradale) anche se si trattasse di un modello ad accoppiamento diretto e quindi senza pulegge a vista, dovrebbe esserti ugualmente accessibile (perlomeno in modo abbastanza semplice) la ventola di raffreddamento del motore e su questa potresti posizionare il pezzetto di materiale riflettente autoadesivo

Se poi invece riesci ad organizzare un sistema di calcolo che funzioni almeno per le tue esigenze ..... tanto di cappello

K

[Lunacod]

Eh! se fosse possibile fare come dice Kagliostro, sarebbe molto facile, ma qui la cosa è più complicata perché il motore è chiuso. Per spiegarsi, è un po' come il motore del frigo, che è chiuso in una scatola. Nel mio caso la carcassa del motore è anche contenitore del gas da comprimere (freon refrigerante). Gli avvolgimenti e il rotore sono a contatto con il gas freddo che torna dal circuito, perciò è tutto chiuso in modo ermetico e per non avere tenute, si realizzato un compressore assiale con 4 pistoni azionati da una ralla, un po' come nei compressori per l'aria condizionata delle auto. Il trafilamento del gas tra pistoni e cilindri, finisce nel di fatto nel motore e da lì viene risucchiato dal compressore stesso.
Comunque io pensavo che si potesse mettere in atto un qualche sistema tipo quello usato per il FOC e controllare lo scorrimento e avere così la velocità del motore, anche con un errore del 2/3%, andrebbe bene.

[Kagliostro]

... presumo per aria compressa e non stradale ...

Ed ho presunto male, effettivamente non ho pensato ad un compressore tipo quelli dei congelatori/frigoriferi

e, sì, in quel caso un contagiri del tipo che dicevo servirebbe assolutamente a nulla

Nel contempo (sarò pessimista) vedo scendere verso lo zero la possibilità di arrivare ad un calcolo capace di dare come risultato il numero di giri del motore, troppe variabili in gioco

Comunque tienici informati, sia mai che ti riesca di arrivare a quello che ti serve, la cosa penso sia di interesse per più d'uno

K

[stefanopc]

Se è un compressore a pistone e dovrebbe avere delle vibrazioni dovute alla rotazione della ralla e anche delle variazioni di pressione in mandata e in aspirazione.
In questo caso non sarebbe difficile trovare la sua velocità di rotazione partendo da un sensore fonico ad esempio.
Ciao

[Frenzi]

Se è un compressore a pistone e dovrebbe avere delle vibrazioni dovute alla rotazione della ralla e anche delle variazioni di pressione in mandata e in aspirazione.
In questo caso non sarebbe difficile trovare la sua velocità di rotazione partendo da un sensore fonico ad esempio.
Ciao

Probabilmente con un accelerometro si riesce a vedere qualcosa, ma il segnale va comunque analizzato in frequenza e c'e da determinare quale delle componenti sia correlata alla rotazione (noto il numero di giri approssimativo non dovrebbe essere troppo complicato cercare nello spettro la relativa frequenza o un suo multiplo); il problema è che pilotando con un inverter puoi lavorare ad un numero di giri incognito, e è forse possible "trovare" le frequenze di risonanza di determinate componenti meccaniche che possono rendere più complicato determinare con certezza quale sia la frequenza di rotazione (anche se in realtà si potrebbe anche sfruttare il fenomeno)... Sarebbe interessante plottare lo spettrogramma del segnale acquisito con l'accelerometro facendo uno sweep con l'inverter...
Ma stiamo andando un po' OT

Ciao
Francesco