Instrumentos para la depuración y el diagnóstico del sistema de ascensores

Una descripción general de los sistemas utilizados en los sistemas eléctricos de ascensores y herramientas útiles que ayudan a solucionarlos.

Un analizador de espectro se parece al osciloscopio más familiar, pero existen grandes diferencias. Ambos son muy útiles en el mantenimiento de ascensores y en el desarrollo de productos. La diferencia que la define es que el osciloscopio está optimizado para mostrar señales eléctricas que se aplican a las entradas en el dominio del tiempo, mientras que el analizador de espectro muestra señales exclusivamente en el dominio de la frecuencia (Figuras 1 y 2).

En el dominio del tiempo, una forma de onda se representa gráficamente en coordenadas cartesianas. El eje X se define en unidades de tiempo (generalmente segundos o fracciones de los mismos), mientras que el eje Y se define en voltios o fracciones de voltio. La traza que se muestra en la pantalla del osciloscopio nos dice la amplitud instantánea de la señal en cualquier momento.

El dominio de la frecuencia también es un gráfico de la señal que se muestra en coordenadas cartesianas. Pero esta misma señal tiene una apariencia sorprendentemente diferente, que se debe únicamente al hecho de que el eje X se define en términos de frecuencia, en lugar de tiempo. (En matemáticas, la palabra "dominio" se aplica a la variable independiente, que, por convención, se traza contra el eje X horizontal. La palabra "rango" se aplica a la variable dependiente, que, por convención, se traza contra la vertical Eje Y. Ingresa la variable independiente en una ecuación, aplica la función y la variable dependiente aparece en la salida).

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
♦ Herramientas de prueba y medición para la resolución de problemas de ascensores
♦ Ventajas en un analizador de espectro basado en PC.
♦ Diferencias entre dominios de tiempo y frecuencia.
♦ Estructura de un VFD.
♦ Cómo se usa PWM para controlar la velocidad de un motor de inducción de CA.

En el dominio de la frecuencia, la amplitud se representa frente al eje Y, como en el dominio del tiempo. Una diferencia es que, en el dominio de la frecuencia, la amplitud se muestra en unidades de potencia (el producto del voltaje y la corriente), en lugar de solo voltios. Además, la escala predeterminada es logarítmica, en lugar de lineal, acortando el extremo superior de la escala para que se puedan mostrar picos altos, mientras que se muestra un mayor detalle en el extremo inferior. Las unidades logarítmicas, en consecuencia, son decibelios. Cada unidad es un aumento de diez veces en amplitud. Esta es la forma en que vemos la luz y escuchamos el sonido.

La mayoría de los osciloscopios digitales actuales pueden mostrar señales en los dominios de frecuencia y tiempo. Lo hacen aplicando la Transformada Rápida de Fourier (FFT) a la señal en el dominio del tiempo. Esto implica un conjunto de algoritmos matemáticamente complejo, pero el usuario lo implementa simplemente presionando dos botones en secuencia: "Math" y "FFT".

La pantalla del dominio de la frecuencia muestra la distribución espectral de todos los componentes de la señal. Una onda sinusoidal perfecta no tiene armónicos, por lo que todo lo que ves es un solo pico alto que representa lo fundamental. Una señal que no es una onda sinusoidal también se compone de un fundamental fuerte. Sin embargo, este fundamental está acompañado por una serie de armónicos que aparecen en el dominio de la frecuencia como picos adicionales en amplitudes que disminuyen a medida que los armónicos se ubican más lejos del fundamental en frecuencia.

El dominio de la frecuencia, como se muestra en el osciloscopio, es una especie de problema secundario. Como se indicó anteriormente, un osciloscopio está optimizado para mostrar señales en el dominio del tiempo. Es útil ver una señal en el dominio de la frecuencia, pero los técnicos más avanzados están satisfechos con nada menos que el analizador de espectro verdaderamente asombroso. Esto se debe a que tiene un rango de frecuencia potencialmente mayor con mayor resolución, respuesta más rápida y varias características avanzadas que permiten al usuario extraer datos extensos que no están disponibles en el osciloscopio.

El analizador de espectro es enormemente útil en el servicio de ascensores y el desarrollo de productos, particularmente cuando se trata de examinar circuitos digitales y líneas de transmisión, en particular el bus CAN, que se usa ampliamente en el controlador de movimiento y su interacción con los muchos sensores y lecturas del ascensor, y el pulso. - señal de modulación de ancho (PWM) que controla la sección del inversor del variador de frecuencia (VFD), que regula la velocidad y el par de un motor de inducción de CA.

Sin embargo, surgen dos problemas al implementar un analizador de espectro. Por un lado, debemos reconocer el hecho de que este instrumento tiene una curva de aprendizaje bastante pronunciada. Los controles, al principio, no son familiares para el usuario; las lecturas tienen nombres y unidades extraños; y los menús interactúan con la pantalla de formas desconcertantes y, al principio, no intuitivas. Aprender a centrar la pantalla puede ser un desafío. Pero, después de unos días de leer la documentación y practicar con varias formas de onda, comienza a tener sentido y, finalmente, se vuelve familiar.

El otro aspecto del analizador de espectro que puede resultar problemático es el precio. La triste realidad es que los analizadores de espectro son sustancialmente más costosos que los osciloscopios digitales. Un instrumento de gama media puede tener un precio cercano a los 50,000 dólares estadounidenses, lo que está bien para la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio y la Organización Europea para la Investigación Nuclear, pero no para los técnicos fuera de un laboratorio avanzado o una instalación de producción.

Recientemente, la brecha de precios se ha cerrado y, de hecho, ha ido al revés. Tektronix ha introducido un analizador de espectro basado en PC que se conecta a través de USB a una PC suministrada por el usuario. Dado que casi todo el mundo en el planeta posee o tiene acceso a una PC, el costo de la computadora no tiene por qué ser un factor. El analizador de espectro basado en PC Tektronix RSA306B se puede obtener por menos de 4,000 dólares estadounidenses.

El fabricante también proporciona en una unidad flash (o como una descarga del sitio web) SignalVu-PC, que es el software que, una vez instalado en la computadora del usuario, le permite mostrar las señales del módulo en el dominio de frecuencia en una pantalla elaborada. interfaz que es completamente interactiva. También hay una placa Demo Three de alto funcionamiento que proporciona una serie de señales diseñadas para poner al usuario al día y listo para participar en grandes proyectos de resolución de problemas y depuración.

La resolución de problemas de ascensores es principalmente una empresa eléctrica / electrónica. Si bien es cierto que el mal funcionamiento del equipo puede ser puramente mecánico, como cuando una puerta se atasca y no cierra correctamente, la mayoría de las fallas son puramente eléctricas o tienen un componente eléctrico fuerte. Estos se pueden dividir en dos categorías, que tienen que ver con el nivel de voltaje. El motor del ascensor requiere una corriente de funcionamiento relativamente alta, que se suministra de forma más eficiente mediante un suministro trifásico de alto voltaje. Todavía hay muchos motores de CC heredados en servicio, y en una revisión de ascensor, a menudo tiene sentido retener el sistema de CC, que solo requiere un rectificador simple para funcionar sin problemas y de manera eficiente, el mantenimiento principal consiste en el reemplazo periódico de las escobillas. Las nuevas instalaciones y la mayoría de las renovaciones, sin embargo, eligen el motor de inducción trifásico de menor costo alimentado por un VFD (Figura 3), que a menudo se encuentra, junto con el controlador de movimiento, en un gabinete de acero de piso a techo en la máquina. habitación.

El VFD consta de dos secciones conectadas por lo que se conoce como bus de CC. En su entrada se encuentra la sección rectificadora, compuesta por seis diodos que comprenden un rectificador de onda completa. Cada una de las tres patas (L1, L2 y L3) está conectada al punto medio de un par de diodos. Las salidas de estos tres pares de condensadores electrolíticos están conectadas a los lados positivo (+ Vdc) y negativo (-Vdc) del bus de CC después del filtro y el búfer de CC, que eliminan la ondulación de CA para crear una CC pura.

Una forma segura de medir voltajes que flotan por encima pero que están referenciados a tierra es mediante una sonda diferencial. Observe que el punto central, definido por los dos condensadores, que forman un divisor de voltaje, está conectado a tierra. Esto es muy importante, porque significa que las líneas de CC positivas y negativas que son el bus de CC están referenciadas pero flotan por encima del potencial de tierra. Ninguno está conectado a tierra. En consecuencia, si un osciloscopio de banco convencional con un cable de referencia de tierra (ed) como parte de la sonda se conecta al bus de CC, habrá una falla a tierra severa, saldrán chispas y el osciloscopio y el VFD pueden dañarse.

Seguirán formas seguras de medir este voltaje. Primero, continuando a lo largo de la ruta de corriente hacia el motor, se debe decir que el voltaje en el bus de CC es más alto que el voltaje de CA alimentado al rectificador en la entrada del VFD. La razón de este fenómeno desconcertante es que la salida de CC de un rectificador de onda completa no se relaciona con la entrada de CA RMS, sino más bien con el voltaje pico a pico de esa forma de onda. En consecuencia, para el VFD trifásico de 480 V típico en instalaciones de ascensores, el voltaje en ambos extremos del bus de CC es 1.414 veces el voltaje de línea, por lo que mide muy cerca de 678 V CC.

La sección final del inversor del VFD es una imagen reflejada de la sección del rectificador frontal con respecto al diseño de los componentes, pero los componentes son diferentes. En lugar de seis diodos que componen el rectificador de onda completa, los componentes esenciales en la sección del inversor son transistores bipolares de puerta aislada.

En la sección del rectificador, la energía de la red eléctrica sinusoidal trifásica se combina, rectifica y filtra para generar CC bipolar, según se requiera en las seis entradas de energía de los semiconductores. También hay, como en los transistores típicos, seis entradas de señal (no mostradas para mayor claridad en el esquema) en estos semiconductores de conmutación. Estos dispositivos pueden alimentar cargas de 500 hp. La señal de bajo voltaje PWM de la interfaz de usuario remota y / o el controlador automático hace que los semiconductores se enciendan y apaguen en secuencia de fase para crear un pulso trifásico, cuyo ancho se modula para controlar la velocidad del motor. Esta energía de alta tensión y alta corriente se transmite a través del cableado adecuado al motor.

Para alimentar un ascensor, un motor de CA debe ser capaz de invertir la dirección y, para un motor trifásico, esto es bastante simple. Mediante la conmutación adecuada, manual o automática, se invierten dos de las tres patas. Sin embargo, una buena instalación de ascensor también requiere un control de velocidad suave y confiable. Por ejemplo, cuando la cabina del ascensor se acerca a un rellano, las RPM del motor se reducen para que los pasajeros no sean sacudidos por una parada abrupta. Además, se requiere que el automóvil se mueva lentamente en el modo de inspección.

En la imaginación popular, se gira un reóstato grande para reducir el voltaje y reducir la velocidad del motor. Este recurso no es satisfactorio para un motor de inducción de CA. A una tensión inferior a la nominal, los devanados del motor de CA se convierten en elementos calefactores. El motor se ralentiza, pero este método tosco ejerce una gran presión sobre los devanados y el aislamiento del motor, lo que hace que su vida útil sea muy corta.

Durante décadas, después de que Nikola Tesla y George Westinghouse, a fines del siglo XIX, presentaran el motor de inducción de alta eficiencia, el motor de CC, con su rectificador requerido y el mantenimiento del conmutador de escobillas, se mantuvo en ascensores y aplicaciones sensibles similares. Esto funcionó, pero la combinación VFD / motor de inducción mucho menos costosa, como se describe anteriormente, se introdujo a principios de la década de 19 y desde entonces ha dominado el mercado mundial donde el control de velocidad es un factor.

El VFD puede variar la velocidad de un motor de inducción de CA sintetizando una onda cuadrada que tiene un ciclo de trabajo variable. En lugar de ajustar el voltaje aplicado, se ajusta el ciclo de trabajo, que es el porcentaje de tiempo que el pulso es alto. De esta forma, se puede variar la potencia del motor para controlar su velocidad sin generar calor excesivo. El motor puede navegar por debajo o por encima de la velocidad nominal sin ningún problema, siempre que se respeten las restricciones de refrigeración y cojinetes. (Si gira más lento, es posible que se necesite un ventilador más grande).

La variación del ciclo de trabajo se conoce como PWM. Se genera una señal PWM de bajo voltaje en una interfaz de operador humano remoto, que, en una instalación de ascensor, puede estar descentralizada y consta de botones de llamada, sensores y similares integrados con un controlador de movimiento. Por medio de circuitos digitales, la señal de control PWM se puede sintetizar mediante uno de varios métodos:

• El método intersectivo utiliza una forma de onda triangular, fácilmente sintetizada por un oscilador, junto con un comparador. La señal deseada se compara con la forma de onda triangular. Cuando excede la forma de onda triangular, se crea un estado lógico alto. Cuando es menor, el resultado es lógicamente bajo. Esta es la señal PWM digital.
• En el método de modulación delta, la señal deseada se integra y se compara con los límites de la señal de referencia. El PWM cambia de estado en estos niveles de referencia.
• En el método delta-sigma, se establece una señal de referencia, luego se resta la señal de salida. La señal de error así formada está integrada y, cuando esta señal excede los límites, la señal PWM cambia de lógica alta a lógica baja o de lógica baja a lógica alta.
• La modulación de vector espacial se utiliza en VFD trifásicos. Se muestrea una señal de referencia a intervalos uniformes. Luego, la señal de referencia se sintetiza como el promedio de los vectores que se han seleccionado como fracciones del período de muestreo.
• El control directo de par es otro método para regular los motores de CA. El par motor y el flujo magnético permanecen dentro de los límites de histéresis, porque los semiconductores del dispositivo se encienden según sea necesario.
• En el método de tiempo proporcional, se dispara un contador y se reinicia al final de cada ciclo de PWM. La salida cambia de estado.

Se obtiene una buena resolución empleando un contador de alta velocidad.

La señal que modula no es lineal y esto da lugar a un ancho de banda infinito en la señal PWM, que se transmite al VFD. Si el comportamiento del motor es errático, es necesario verificar la señal de control. Las RPM de un motor de inducción dependen de dos parámetros (el número de polos y la frecuencia de la alimentación de CA aplicada en la entrada), además de la carga.

Como en cualquier motor de CA, en un motor de inducción controlado por un VFD, el aumento de temperatura está determinado por la corriente a través de los devanados. Cuando se reduce la frecuencia, el voltaje en su entrada también debe reducirse para limitar la corriente.

Un VFD mantendrá una relación de voltios a hercios uniforme en cualquier frecuencia. En consecuencia, las características de PWM incluyen un voltaje más bajo creado por pulsos más estrechos que son más numerosos durante un intervalo de tiempo dado. Por el contrario, un voltaje más alto se crea por menos pulsos que están más separados. Críticamente, como se mencionó anteriormente, el voltaje aplicado está cerca de una onda cuadrada, pero la corriente a través del motor se parece más a una onda sinusoidal. Esta condición necesaria se debe a la naturaleza inductiva de la carga.

La resolución de problemas de ascensores es principalmente una tarea eléctrica / electrónica.

Un desarrollo relativamente nuevo en la progresión continua de la innovación tecnológica de ascensores ha sido la introducción del bus CAN como un medio para la comunicación del subsistema. Como en toda la interactividad digital, la estrategia ganadora para depurar equipos nuevos y diagnosticar equipos existentes implica comprender cómo funcionan estos buses de comunicación para que puedan ser evaluados.

Primero, debemos considerar con precisión qué, en el procesamiento de datos, constituye un bus. En el lugar de trabajo del electricista tradicional, un autobús es un conductor pesado capaz de transportar mucha corriente, frecuentemente a voltaje elevado. Por lo general, el autobús se encuentra dentro de un gabinete de servicio, sujeto de manera rígida en su lugar sobre accesorios de montaje aislantes. Dado que no está aislado (o, mejor dicho, está aislado por el aire que lo rodea), un bus puede ser más compacto que un cable de la misma ampacidad, por lo que se ahorran gastos y un valioso espacio dentro del recinto. En la comunicación digital, que es esencial en todas las instalaciones de ascensores excepto en las más pequeñas, "bus" tiene un significado algo más amplio, que describe los medios completos, incluidos el cableado, los dispositivos y el software.

Los buses pueden ser en paralelo o en serie, con menos conductores. Los sistemas de bus serie son menos costosos de implementar, pero requieren un mayor conocimiento y experiencia para depurar y diagnosticar. El bus CAN es un bus en serie introducido por Bosch en 1983. Su objetivo era reemplazar el arnés de cableado automotriz con un sistema digital integrado que vincularía los componentes y sistemas automotrices para vehículos de motor de manera que promueva la eficiencia, la economía y la seguridad. Tuvo un enorme éxito y se utiliza hoy en día en todo el mundo en automóviles, camiones y tractores.

El bus CAN pronto se extendió a muchas aplicaciones mecánicas e industriales, incluida la tecnología de ascensores, donde rápidamente se descubrió que era adecuado debido a su economía, inmunidad al ruido y confiabilidad en entornos comprometidos. Funciona bien en tecnología de ascensores, especialmente en instalaciones grupales. Se requieren cables móviles para transportar una pequeña cantidad de energía para operar puertas, luces dentro del automóvil, etc. Curso de depuración y diagnóstico.

Cuando se consideran los conductores de alta potencia y los dispositivos de control para el (los) motor (es) del elevador, más la gran cantidad de cableado de control de bus CAN en serie, existe una gran cantidad de pruebas y mediciones que los técnicos e ingenieros deben realizar. Cuando se trata de diagnóstico y reparación de ascensores, por supuesto, el tiempo es esencial.

En el mantenimiento de ascensores y la mitigación de fallas, dos áreas son críticas. El primero es la documentación. En un sistema complejo, se necesitan manuales de mantenimiento con diagramas de bloques y esquemas completos para entender la gran cantidad de cableado y placas de circuito impreso que hacen que todo funcione. En segundo lugar, los técnicos necesitan una gama completa de equipos de prueba y medición para verificar la calidad de la energía y la integridad de la señalización digital en los complejos sistemas eléctricos actuales.

Es importante darse cuenta de que se necesita una variedad de instrumentación. Con respecto al flujo de energía al motor (es), debemos darnos cuenta de que un solo instrumento, como un osciloscopio o un multímetro, no será suficiente para medir voltajes y corriente. Un multímetro, un analizador de espectro, un amperímetro de pinza y un osciloscopio de mano con entradas aisladas (de tierra y entre sí) son necesarios solo para comenzar. De manera similar, en el dominio digital, los analizadores de protocolo y bus son valiosos, pero antes de comenzar el rastreo de señales digitales, es mejor tomar medidas analógicas convencionales de pulsos digitales para determinar si hay un ruido excesivo en los pulsos lógicos altos, lo que evitaría una reproducción adecuada. en el extremo receptor.

En la resolución de problemas digitales, las herramientas de medición simples, como la sonda lógica y el multímetro, pueden revelar información que se pasaría por alto en un análisis de protocolo a gran escala, que debe realizarse después de que se completen las mediciones preliminares más simples.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la p. 117 de este número.
♦ ¿Cuál es la diferencia entre un bus serie y paralelo?
♦ ¿Por qué el bus CAN es superior al cableado tradicional en ubicaciones sensibles?
♦ ¿Cuál es el papel de la instrumentación analógica en las medidas digitales?
♦ ¿Cuáles son las similitudes en las secciones del inversor y el rectificador en un VFD?
♦ ¿Por qué la salida del rectificador de onda completa es mayor que la entrada de CA?