Tecniche di Controllo e Modulazione per ridurre le Oscillazioni di Coppia in un Motore Asincrono di Elevata Potenza accoppiato con un Grosso Carico Inerziale

Among the production activities carried on by Ansaldo Energia S.p.a. at the facility in Genoa, Italy, there is a particularly significant one, which is the balancing of rigid rotors. The high precision needed in this process to accomplish such a fine task, is one of a kind. Despite the deployment of specially designed equipment – like Neutral-Point-Clamped (NPC) inverter controlled by advanced control techniques – suitable for a low ripple torque supply from a high-power induction motor, some not negligible oscillations have been recorded. This led the company to activate a special-purpose task force between the inverter provider company, Nidec ASI S.p.a., and the University of Genoa, along with the university professors Mario Marchesoni and Luis Vaccaro from the Electrical, Electronics and Telecommunication Engineering and Naval Architecture Department (DITEN). Studying such unusual oscillations, besides the aim of the task force to avoid them, set up the possibility of a collaboration between the involved company through the Head of Electrical Plant engineer, Giuseppe Alberto Dellepiane, and the University of Pavia. The results of this collaboration are shown in this paper. Beginning from the study of the electrical and mechanical variables concerned with this – uncommon – industrial process, proceeding to their analytical evaluation (using the MathWorks software Simulink) by understanding mutual interactions, including different analysis according to different control setups and mechanical reactions of the ensemble of motor and unbalanced rotor, an alternative control technique based on the commonly known constant V/f scalar control has eventually been found. Several motor models have been tested and compared, then a feeding from a Neutral-Point-Clamped inverter was implemented and, starting from a conventional V/f control technique, various simulation at different load conditions were made. Tweaks had been implemented to the essential V/f control with the purpose of reducing torque oscillations and consequently the mechanical strain. The outcome of this investigation is the possibility to drive a high-power motor, coupled with a large mechanical load, with a scalar control instead of a – although increasingly widespread – vector control, whenever, despite the large power, the required behavior is stability of motion rather than performance. The future perspective of this study and the underneath collaboration carried out is the potential to improve the model to ensure effectiveness and safety, as a way of properly set up the control to be implemented into the real facility and finally assessing its behavior, with the aim to provide the company a new instrument which will enhance the productivity of the process.

Tra le attività produttive gestite da Ansaldo Energia S.p.a. nello stabilimento di Genova vi è l’importante bilanciatura di rotori. Il livello di specializzazione di un impianto in grado di portare a termine questa delicata operazione è elevatissimo e richiede una precisione relativa come pochi altri. Nonostante l’utilizzo di componenti specificamente progettati per ridurre le oscillazioni di coppia in un grande motore asincrono, tra i quali l’inverter di tipo Neutral-Point-Clamped (NPC) guidato da metodi di controllo avanzati, si sono registrati fenomeni di risonanza con ampiezze considerevoli. Questo ha condotto l’azienda ad attivare una speciale unità operativa in collaborazione con l’azienda fornitrice dell’inverter Nidec ASI S.p.a. e l’Università degli Studi di Genova tramite i Professori Mario Marchesoni e Luis Vaccaro del Dipartimento di Ingegneria Navale, Elettrica, Elettronica e delle Telecomunicazioni (DITEN). L’interesse a indagare l’origine di tali anomale risonanze, oltre al primario obiettivo dell’unità operativa di ridurle, ha dato vita attraverso l’Ingegnere capo della centrale elettrica Giuseppe Alberto Dellepiane allo studio condotto nei mesi scorsi del quale si riportano i risultati in questo elaborato. A partire dallo studio delle grandezze in gioco in tale – raro – processo, procedendo ad un’analisi dei fenomeni elettrici e meccanici coinvolti, nonché alla loro interazione dovuta al tipo di controllo del motore e alla risposta meccanica della linea d’assi dell’impianto, si propone tramite simulazioni numeriche con il software Simulink di MathWorks un metodo di controllo alternativo basato sulla modulazione del rapporto tra tensione e frequenza di alimentazione. Dopo aver modellizzato il motore – confrontandone diversi modelli – guidato da un inverter Neutral-Point-Clamped, sono state studiate le risposte in differenti situazioni di carico, iniziando da un controllo in anello aperto con rapporto V/f costante – il controllo scalare più comune e semplice – modificandolo poi gradualmente, ricercando il risultato che generasse le minori oscillazioni di coppia e di conseguenza sollecitazioni meccaniche meno importanti. I risultati di questa ricerca dimostrano la possibilità di utilizzare un controllo scalare contro il più diffuso controllo vettoriale, anche con elevate potenze in gioco, quando la richiesta non è la prestazione, ma la stabilità. La prospettiva futura è di poter affinare la modellizzazione per assicurarne l’efficacia e la sicurezza in operatività, così da esaminare infine il risultato direttamente sulla linea d’assi reale e auspicabilmente fornire all’azienda un nuovo strumento che ne promuova il rendimento.