Posición del codificador para motores PM

Cómo solucionar problemas y ajustar el codificador para proporcionar un funcionamiento sin problemas

por Tyler Pecha y Tony Heiser

Los motores de imán permanente (PM) se han convertido en opciones populares en aplicaciones de ascensores a lo largo de los años debido a su mayor eficiencia y características de rendimiento. Dado que el rotor de un motor de PM está magnetizado por imanes permanentes, en lugar de inducido, el variador de frecuencia (VFD) debe conocer la posición del rotor en relación con un par de polos del estator para modular en el ángulo de conmutación correcto para producir la salida de par máxima. La posición del rotor se puede determinar mediante un codificador de posición absoluta montado en el eje del motor. Este artículo explicará cómo se mide la posición del rotor de un motor PM con el VFD y algunos problemas comunes asociados con la posición incorrecta del codificador.

¿Por qué el VFD necesita conocer la posición del rotor?

Los motores PM consisten en un rotor con PM montados en la superficie (o en el interior del rotor) y bobinas del estator, que son magnetizadas por la salida de corriente del VFD. La interacción entre las partículas del rotor y los campos electromagnéticos del estator sigue las leyes generales del magnetismo, donde los opuestos se atraen y las fuerzas similares se repelen. Luego, a medida que el variador modula la frecuencia del voltaje de salida, se crea un campo de estator magnético giratorio para producir torque. Sin embargo, el ángulo de conmutación del campo magnético del estator adecuado es necesario para obtener la máxima salida de par. La salida de par máxima se produce cuando los campos magnéticos del estator y del rotor están a 90 ° entre sí (Figura 1). De lo contrario, si el ángulo entre el estator y los campos magnéticos es mayor o menor de 90 °, se debe aplicar más corriente al estator para crear un campo magnético más fuerte para producir la misma cantidad de torque.

Por lo tanto, la rotación de la tensión CA trifásica aplicada al devanado del estator debe estar sincronizada exactamente (por ejemplo, conmutada eléctricamente) con la rotación del campo PM en el rotor. Esto se puede lograr utilizando un codificador de posición absoluta montado directamente en el eje del motor. Los codificadores de posición absoluta tienen un par de canales, además de los canales de velocidad típicos para la posición del rotor de una sola vuelta, y se debe realizar un procedimiento de referencia durante el arranque para que el variador tenga un valor de posición correspondiente a una posición conocida, como un polo de motor, que luego se utiliza como referencia de desplazamiento. La relación física entre el eje del motor y el codificador es crucial para proporcionar el ángulo de conmutación correcto al campo magnético de PM.

¿Qué sucede cuando la posición del rotor aprendida es incorrecta?

A continuación se muestran algunas indicaciones de que la posición del rotor medida puede ser incorrecta:

• Alta corriente de motor
• Coche a la deriva (tirado en la dirección del peso)
• Movimiento leve o nulo del eje del motor

Si la posición del rotor es incorrecta, el variador conmutará el campo del estator en el ángulo incorrecto o, quizás, no estará sincronizado con el campo del rotor. El error en el ángulo de conmutación da como resultado que se requiera más corriente en el estator para crear un campo electromagnético más fuerte para producir la misma cantidad de torque. Para grandes grados de error, esto puede resultar en un alto consumo de corriente en el motor, pero no suficiente par para mover o sostener el motor. A medida que aumenta la cantidad de error en el ángulo de conmutación eléctrica, el consumo de corriente del motor aumenta a una tasa exponencial (Figura 2).

En la Figura 2, "Iqds" es el estator total o la corriente de fase del motor. A medida que aumenta el grado (eléctrico) de error en el ángulo de conmutación, el motor tiene que consumir más corriente para generar el par requerido. Es esencial que la posición del codificador en el eje del motor no cambie para mantener la conmutación adecuada del campo estator.

Posición y precisión del eje del codificador

360 ° (eléctrico) corresponde a un ciclo de la forma de onda de voltaje de CA de una frecuencia determinada. Aplicado a los devanados del estator del motor, esto se traduce en un polo electromagnético norte durante el semiciclo positivo y un polo electromagnético sur durante el semiciclo negativo. Por lo tanto, 360 ° (eléctrico) en el estator corresponde a un par de polos de motor norte / sur (Figura 3). La ecuación 1 se puede utilizar para determinar la relación entre grados mecánicos y eléctricos:

A medida que aumenta el número de polos del motor, los grados mecánicos que el rotor debe girar 360 ° (eléctrico) disminuyen. Por ejemplo, un motor de seis polos tendría 120 ° (mecánicos) grados entre pares de polos, mientras que un motor de 20 polos tendría 36 ° (mecánicos) entre pares de polos.

La posición eléctrica del codificador se puede expresar en un rango de cuentas que corresponde a 0-360 ° (eléctrico). Si bien la posición eléctrica se puede usar para relacionarse con el ángulo de conmutación activo para la rotación del motor, se le conoce más comúnmente como un desplazamiento de posición estática (por ejemplo, con respecto a uno de los polos del motor). Para este artículo, se considera una resolución de 16 bits de los recuentos de la posición eléctrica del codificador entre pares de polos; en este caso, la posición eléctrica del codificador entre pares de polos correspondería a un rango de 0 a 65,535 XNUMX cuentas. La relación entre recuentos y grados mecánicos se puede expresar como:

or

A medida que aumenta el número de polos del motor, aumenta el número de recuentos por grado mecánico; es decir, el grado de error mecánico se traduce en el grado correspondiente de error eléctrico y aumenta a medida que aumenta el número de polos del motor. Esto hace que la alineación mecánica del codificador sea mucho más crítica para un funcionamiento adecuado. Esto se puede resaltar continuando con el ejemplo anterior; un motor de seis polos tendría 546 cuentas por grado mecánico, mientras que un motor de 20 polos tendría 1,820 cuentas por grado mecánico.

Para los motores de imán permanente, el par se puede maximizar cuando los campos magnéticos del estator y del rotor están separados por 90 °. Por lo tanto, el grado de error eléctrico dictará el par máximo para una corriente dada suministrada al motor. El grado de error eléctrico se muestra en la Ecuación 4, y el porcentaje de torque máximo para un error eléctrico dado se muestra en la Ecuación 5:

or

Este par máximo se producirá dentro de una ventana de aproximadamente 4,000 cuentas (± 2,000 cuentas). Un error de 2,000 cuentas corresponde a un error eléctrico de 11 ° en el ángulo de conmutación de la onda sinusoidal del campo magnético del estator de la Ecuación 6:

Un error de 10.98 ° (eléctrico) en el ángulo de conmutación del campo estator significa que solo hay un error de 1.83% en el par:

Pero, como se muestra en la Figura 2, existe una relación no lineal entre el grado de error eléctrico (debido al grado de error mecánico) y la corriente (y, por lo tanto, el par, ya que está relacionado linealmente con la corriente de los motores PM). debido a la función seno en la Ecuación 5.

Continuando con los ejemplos anteriores para ejemplificar esto, 1 ° de error de montaje mecánico del codificador en el eje del motor para un motor de 20 polos se traduce en 1,820 conteos de error eléctrico, lo que da como resultado una pérdida del 1.52% del par del motor para una corriente dada, mientras que 2 ° de montaje mecánico en el mismo motor equivale a una pérdida de par del motor del 6.0%, y 3 ° de error a equivale a una pérdida de par del motor del 13.4%, etc. No es difícil ver cómo el montaje del codificador se vuelve crítico y debe permanecer preciso sin deslizamiento. Incluso para un tamaño muy grande de 2 pulgadas. El eje del codificador de diámetro con una circunferencia (π X diámetro) de 6.28 pulg., 3 ° de error mecánico corresponde a aproximadamente 1/128 pulg. de movimiento en el diámetro exterior. Si alguna vez se quita el codificador, será necesario realizar de nuevo un procedimiento de aprendizaje de compensación de la posición del codificador.

La siguiente sección contiene algunas razones por las que la posición del codificador en el eje del motor puede haber cambiado. La Parte I se enfoca en un automóvil que previamente había estado funcionando sin problemas, mientras que la Parte II se enfoca en los problemas encontrados durante la fase de arranque y puesta en servicio.

Parte I: Problemas del codificador con un automóvil en funcionamiento anterior

Deslizamiento del codificador debido a mal montaje / conexión floja

El deslizamiento del codificador puede ocurrir cuando la posición del codificador en el eje del motor cambia con el tiempo, en diferentes posiciones de la caja del ascensor o en diferentes direcciones. Esto podría deberse a un montaje deficiente o inadecuado, grasa en el eje de montaje, una lengüeta de montaje rota o un enganche. Para asegurarse de que el codificador no se deslice, la cabina se puede llevar al fondo del hueco del ascensor después del aprendizaje de compensación de posición inicial del codificador, y se puede completar otro aprendizaje de compensación de posición del codificador. Luego, el automóvil se puede llevar a la parte superior del hueco del ascensor y se puede completar un aprendizaje de compensación de la posición del codificador final. Estos tres valores de aprendizaje de compensación de posición del codificador se pueden comparar entre sí. Si la posición del rotor cambia drásticamente (≥ ± 2,000 cuentas) entre estos procedimientos, es probable que se deba al cambio en la relación física entre el codificador y el eje del motor. En algunos casos raros, puede ocurrir deslizamiento entre el eje del motor y las laminaciones de acero del rotor (por ejemplo, ajuste flojo, soldadura rota, etc.). El grado de deslizamiento del codificador puede no ser detectable visualmente.

Asegúrese de que el eje del motor esté libre de suciedad y escombros que podrían causar problemas de montaje. Verifique que todos los tornillos de fijación estén apretados y que el codificador esté montado de manera recta en el eje del motor. Algunos codificadores tienen un tornillo que encaja dentro del extremo del eje del motor, en lugar de depender de un tornillo de fijación para el montaje. Si el tornillo utilizado para montar el codificador es demasiado largo, puede tocar fondo en las roscas del eje del motor, lo que da como resultado una conexión deficiente / floja. Las figuras 5-8 muestran ejemplos de deslizamiento del codificador y problemas de montaje.

Parte II: Problemas del codificador durante el inicio

Fase incorrecta del canal del codificador

Después de que se haya realizado un aprendizaje de la posición de compensación del codificador, si el motor no gira y consume mucha corriente, es posible que sea necesario cambiar su fase (por ejemplo, "No invertido" a "AB intercambiado"). Dependiendo de la orientación de montaje del codificador y la fase del motor, es posible que sea necesario cambiar la fase del canal de velocidad AB incremental. Dependiendo del VFD, los canales pueden intercambiarse mediante un ajuste de parámetros de software.

Después de que se haya realizado un aprendizaje de la posición de compensación del codificador, si el motor funciona sin consumir mucha corriente, pero funciona en la dirección incorrecta tanto en dirección ascendente como descendente, solo es necesario cambiar la dirección de rotación (p. Ej., "No invertido" a "Rotación invertida"). Tenga en cuenta que cada par de fases de canal tendrá un valor de posición de codificador correspondiente. Si se cambia la fase del canal del codificador cambiando la fase AB, o viceversa, se debe completar un nuevo procedimiento de aprendizaje de compensación de la posición del codificador. Consulte la siguiente sección “Montaje incorrecto del codificador y las fases del motor” para obtener más información.

Datos incorrectos del motor

Si la posición del rotor cambia drásticamente (≥ ± 2,000 cuentas) entre los procedimientos de aprendizaje de compensación de la posición del codificador, la polea no se mueve y se ha verificado el montaje del codificador, los datos del motor ingresados ​​en el variador pueden ser incorrectos. La ecuación 8 es válida para todos los motores de CA síncronos PM y debe verificarse con los datos del motor de la placa de identificación:

Algunos fabricantes de motores pueden reducir la tasa de datos del motor según la aplicación. Los datos del motor reducidos deben escalarse correctamente para que el número de polos del motor permanezca constante. Usando los datos del motor de la Figura 9, un motor originalmente diseñado para funcionar a 200 fpm se puede usar para que funcione en una aplicación a 100 fpm reduciendo la velocidad y la frecuencia en un factor de dos. Es importante que tanto la frecuencia como la velocidad se escalen por el mismo factor para garantizar la coherencia del recuento de polos.

Montaje incorrecto del codificador y la fase del motor

En aplicaciones de motores de CA trifásicos, la fase del motor UVW determina la dirección de rotación. Si el motor gira en la dirección incorrecta, se pueden intercambiar dos fases para cambiar la dirección. Esto no presenta ningún problema en aplicaciones de motores de inducción de bucle abierto sin codificador. Sin embargo, cuando se utiliza un codificador absoluto, la fase adecuada del motor afecta la fase del canal AB del codificador.
      La fase UVW del motor y la fase AB del codificador están relacionadas de manera que el codificador tiene una convención establecida para incrementar y disminuir los valores de posición que coinciden con la dirección del campo del estator del motor. Esta convención suele estar indicada por el fabricante del codificador con un diagrama como el de la Figura 10.

Los valores de posición del codificador aumentarán o disminuirán de acuerdo con la convención establecida por el fabricante. Cuando los valores de posición del codificador aumentan o disminuyen en la dirección incorrecta, esto puede hacer que el motor consuma mucha corriente o no gire. La retroalimentación del canal AB del codificador determina si los valores de posición aumentan o disminuyen. Los codificadores absolutos suelen presentar canales de velocidad incremental que consisten en ondas sinusoidales y cosenoides con una amplitud de 1Vpp, con desfase de 90 ° para los canales A y B (Figura 11).

Dependiendo de la fase AB del codificador y la convención de incremento y decremento de posición establecida, el canal A puede “adelantar” o “retrasar” al canal B.

La convención del valor de posición también se aplica al montaje físico del codificador en el eje del motor. Dependiendo del tipo de motor y codificador, el codificador puede montarse en cualquier lado del motor (eje corto, etc.) o tiene una configuración de montaje ajustable en el eje del motor. Esto provocará una discrepancia en la convención de incremento y decremento del valor de posición. Es una práctica recomendada poner en fase el variador y el motor juntos: UU, VV y WW, y ajustar la fase AB según sea necesario. Los canales AB del codificador se pueden intercambiar físicamente en la interfaz o con un ajuste de parámetros de software basado en el tipo de unidad.

Conclusión

Debido a su diseño, los motores PM requieren que la posición del rotor en relación con un par de polos del estator sea conocida por el VFD. El montaje, la alineación, la fase de canal y los datos / fase del motor adecuados del codificador son esenciales para una salida de par máxima y un funcionamiento sin problemas. Los problemas del codificador, como el deslizamiento, pueden ser difíciles de diagnosticar, ya que pueden ocurrir gradualmente con el tiempo o no ser visibles para el usuario. Sin embargo, la resolución de problemas mediante los pasos anteriores puede identificar rápidamente los problemas del codificador.