Formas de onda, un poco de trigonometría y diseño y reparación de elevadores

Apreciar y comprender las formas de onda aplicables al trabajo en ascensores

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La mayoría de los diseñadores y técnicos de ascensores saben exactamente qué es una forma de onda, pero ¿cuántos pueden definir una función trigonométrica? En realidad, son lo mismo. La forma de onda está en el lenguaje del ingeniero electrónico, mientras que el matemático dice función trigonométrica. No profundizaremos demasiado en la parte trigonométrica, pero una descripción general proporcionará un contexto para apreciar y comprender las formas de onda aplicables al trabajo del ascensor.

Primero, ¿qué es una forma de onda? Decididamente, no es una imagen realista de un sonido oscilante o una onda de energía electromagnética, que en cambio consiste en cambios en la densidad de la presión del aire para una onda de sonido, o cambios de configuración polar en el espacio para una onda electromagnética. Una forma de onda, por el contrario, es un gráfico de amplitud instantánea que se muestra en coordenadas cartesianas, llamado así porque su inventor, René Descartes, escribió bajo su nombre en latín, Cartesius. En la versión más familiar, conocida como el dominio del tiempo, la variable independiente, el tiempo, se grafica contra el eje X horizontal en unidades de segundos o fracciones del mismo, mientras que la amplitud, la variable dependiente, se grafica en voltios contra el eje Y vertical. eje. (La variable dependiente siempre depende de la variable independiente. Sería un mundo extraño si el tiempo dependiera de la amplitud).

Una versión menos familiar pero igualmente realista de la misma forma de onda sinusoidal se muestra en el dominio de la frecuencia en un analizador de espectro u osciloscopio con capacidad de transformada rápida de Fourier (FFT).

Aquí, la frecuencia es la variable independiente. Se representa en Hertz (anteriormente, ciclos por segundo) contra el eje X horizontal. Como en el dominio del tiempo, la amplitud se traza contra el eje Y vertical, ahora en unidades de potencia o decibelios en lugar de voltios. La línea irregular en la parte inferior, en la que las fluctuaciones rápidas no son visibles en esta fotografía fija, es el piso de ruido. Debajo de él, no se puede acceder a ninguna información. Esta onda sinusoidal pura no genera armónicos, excepto el primer armónico, también conocido como fundamental.

Estas representaciones gráficas no muestran cómo se ven los cambios en el aire o la densidad espectral, pero las imágenes son muy útiles para los ingenieros de ascensores en el curso de su trabajo, como veremos. 

Primero, algunos antecedentes adicionales: ¿Qué es todo esto sobre las funciones trigonométricas? Como se indicó anteriormente, esto está en el lenguaje del matemático. La trigonometría es esencialmente el estudio de la medición de triángulos, específicamente triángulos rectángulos. Los ingenieros de antaño llevaban libros de bolsillo que contenían razones trigonométricas (seno, coseno, tangente, secante, cosecante, cotangente). Buscarían la relación trigonométrica asociada con cualquier ángulo θ (letra griega theta). A partir de eso, dados dos lados cualesquiera, opuestos o adyacentes, podrían calcular la longitud de la hipotenusa, o dada la longitud de la hipotenusa y un lado, podrían calcular el otro lado. Normalmente se usaba una regla de cálculo en estos cálculos. Hoy, en la era de la calculadora científica portátil, las tablas trigonométricas no son necesarias y todos los cálculos son instantáneos.

Para ayudar a comprender las funciones trigonométricas en relación con las formas de onda, este diagrama es útil:

Los tres lados de un triángulo rectángulo son:

• Hipotenusa – El lado que va desde el ángulo θ al círculo, formando su radio

• Opuesto – El lado opuesto al ángulo θ

• Adyacente: el lado adyacente al ángulo θ, pero no la hipotenusa

Las funciones trigonométricas más importantes son el seno del ángulo θ, que es la razón de la longitud del lado opuesto sobre la hipotenusa, y el coseno del ángulo θ, que es la longitud del lado adyacente sobre la hipotenusa.

El círculo es otra forma de representar una forma de onda. A medida que la hipotenusa gira en sentido antihorario, el ángulo aumenta. El lado opuesto se alarga y el lado adyacente se acorta. Esto continúa hasta que el lado opuesto y la hipotenusa se vuelven verticales, en cuyo punto el lado opuesto es máximo. (La hipotenusa nunca cambia, a menos que cambie la amplitud de la señal). 

En este punto, la tasa de cambio en la longitud del lado opuesto es mínima, hasta que la hipotenusa coincide con la línea horizontal, cuando es máxima.

Ahora, vuelva a consultar la figura 1, que muestra la onda sinusoidal en el dominio del tiempo. Observe nuevamente que la tasa de cambio es mínima cuando la curva alcanza los picos positivo y negativo de la amplitud instantánea de la señal, y la tasa de cambio es máxima cuando la amplitud instantánea es mínima, es decir, cuando cruza el eje X. Esta es la característica esencial de la onda sinusoidal, así como de muchos fenómenos naturales y creados por el hombre que se ajustan a la onda sinusoidal. Un ejemplo es el péndulo. Se detiene por completo en su punto más alto, luego, una vez más, comienza a acelerar.

El comportamiento característico de la onda sinusoidal se cuantifica en algunas ecuaciones relevantes: La longitud de onda es el recíproco de la frecuencia, como en esta ecuación: f = 1 /T; dónde f = frecuencia en Hertz (anteriormente ciclos por segundo), T = período, que es el tiempo requerido para que la señal complete un ciclo.

La frecuencia angular, denotada por ω (omega griega), es la tasa de cambio del desplazamiento angular θ como en estas ecuaciones:

Y (t) = senθt = sen(ωt) = sen(2πft) y dθ/dt = ω = 2πf

Frecuencia angular = radianes/s, que es 2π X Hertz.

También, f = v/λ; donde v = velocidad de fase y λ = longitud de onda.

Para una onda electromagnética que se mueve a través del vacío:

f =  C/λ; dónde C es la velocidad de la luz en el vacío.

(La luz en realidad no viaja a C. Se acerca a esa velocidad en el vacío. En cualquier otro medio transparente, viaja a alguna fracción de C, que es responsable del fenómeno de la refracción.)

Los ascensores modernos funcionan casi exclusivamente con motores eléctricos, pero esto tardó en hacerse realidad. Los primeros ascensores probablemente eran cuerdas y canastas, subían por el exterior de los edificios y eran impulsados ​​por animales en una cinta rodante. El siglo XIX fue testigo de un crecimiento industrial cada vez más acelerado y, especialmente en las ciudades donde el espacio era escaso, los edificios se elevaban más. Los ingenieros buscaron formas de elevar a los trabajadores y los materiales por encima de los tres pisos tradicionales. Un desarrollo importante fue la energía de vapor y, a veces, hidráulica, que en ese momento significaba agua.

Cuando Edison, Tesla y Westinghouse aparecieron en escena, la energía eléctrica para ascensores se hizo realidad. Westinghouse invirtió mucho en la nueva tecnología polifásica de Tesla, con motores fácilmente reversibles, pero solo el motor de CC de Edison era realmente adecuado. También era fácilmente reversible, simplemente cambiando la polaridad, pero el motor de CC era muy superior en las aplicaciones de ascensores porque la velocidad podía controlarse sin sobrecalentar un motor de CA, simplemente reduciendo el voltaje. El control suave de la velocidad en un ascensor es absolutamente esencial. El automóvil debe reducir gradualmente la velocidad antes de detenerse en cada aterrizaje para evitar sacudir a los pasajeros. Además, el automóvil debe moverse a velocidad reducida mientras está en modo de inspección durante las reparaciones y, a veces, para las operaciones de extinción de incendios. El motor de inducción polifásico de Tesla no podía hacer nada de esto y, por esa razón, los motores de CC se utilizaron exclusivamente en aplicaciones de ascensores hasta la década de 1960, con la introducción del variador de frecuencia (VFD), que permitía el control de velocidad y par de motores trifásicos. motores de inducción

La persona en la calle probablemente cree que la operación de un motor de CC desde un suministro de CA requeriría un equipo auxiliar elaborado, pero en realidad un rectificador simple no es gran cosa, dado el hecho de que los diodos y los condensadores pueden eventualmente necesitar ser reemplazados. También está la cuestión del reemplazo de escobillas y el posible trabajo del conmutador en el motor de CC, pero en general, es duradero y funciona sin problemas. De hecho, durante la revisión del ascensor, el motor de CC con rectificador a menudo se conserva si funciona bien.

Aún así, el motor de CA con VFD tiene muchas ventajas y se utiliza en todas las construcciones nuevas, tanto para sistemas de ascensores hidráulicos como de tracción.

Los motores VFD y de CA generalmente se ofrecen como un paquete, pero es concebible que se pueda usar un motor de inducción de CA listo para usar. Sin embargo, se deben considerar rodamientos mejorados y enfriamiento para operar a una velocidad diferente a la nominal.

Cuando un sistema de ascensor no funciona según lo previsto, a menudo es el motor o el sistema de control el que falla. Las técnicas de diagnóstico estándar suelen ser suficientes para determinar si la falla se encuentra en alguna de estas áreas. Es más frecuente en el motor porque ahí es donde están las partes móviles y es donde se genera la mayor parte del calor.

Si el motor aún puede funcionar bajo carga, una buena manera de comenzar es usar la cámara de imagen térmica de Fluke o equivalente para verificar el motor y el sistema de transmisión, incluidas las terminaciones de la fuente de alimentación en busca de sobrecalentamiento.

Al diagnosticar un sistema de motor/accionamiento, comience con la fuente de alimentación. Por lo general, el motor está ubicado en la sala de máquinas de un elevador adyacente a la parte inferior del pozo y el foso. Una instalación que cumpla con los requisitos tendrá una desconexión eléctrica en un gabinete de metal ubicado a la vista del motor. Esta desconexión debe estar etiquetada y también puede identificarse por los grandes conductores de suministro de energía que se extienden (en conductos) desde el exterior de la sala de máquinas. Desde la desconexión, los conductores de salida, también en conducto, pasan por el controlador de movimiento y el VFD hasta el motor. Todas estas terminaciones deben verificarse en busca de aumentos de temperatura inusuales, utilizando la cámara termográfica.

La energía al motor se puede interrumpir en el interruptor en el gabinete de desconexión. Las lengüetas superiores (de entrada) seguirán activas y se puede verificar la integridad de la forma de onda, el voltaje y la corriente, incluido el balance de fase. La corriente solo se puede comprobar con el motor funcionando a plena carga. Los requisitos eléctricos del motor (a menudo alrededor de 30 HP) pueden ser trifásicos, 480 V o más, por lo que se requiere extrema precaución al realizar mediciones eléctricas. Los peligros son las descargas eléctricas del alto voltaje y la ráfaga de arco de un cortocircuito de fase a fase o de fase a tierra.

Incluso un piso de cemento seco puede tener un fuerte potencial de tierra, especialmente si contiene barras de refuerzo adheridas. Lo mejor es colocar un tapete de goma grueso y seco donde se pondrá de pie. Las botas aisladas y secas son prudentes, pero no se puede confiar en ellas porque pueden tener una hendidura invisible o una perforación que retiene la humedad que crearía un camino conductor para la corriente a tierra. Los guantes de alto voltaje (disponibles en Amazon) también son una buena protección.

La falla de arco es un tipo diferente de peligro. Aquí, el ser humano no está expuesto a una descarga eléctrica, sino a un cortocircuito de baja impedancia, que resulta, por ejemplo, de una herramienta de metal que se cae o de un destornillador que se resbala y que une las lengüetas a diferentes potenciales y hace que la herramienta se vaporice con una fuerza explosiva, rociando al desventurado trabajador. con metal fundido. Por lo tanto, las precauciones adicionales deben incluir un casco y un protector facial. Las puntas de prueba del multímetro deben ser del tipo de alto voltaje con barreras elevadas para evitar que los dedos entren en contacto con terminaciones vivas. Estas precauciones siempre deben tenerse en cuenta al realizar mediciones de potencia desde la entrada del desconectador hasta los terminales del motor.

En muchos casos, un VFD está equipado con una lectura que muestra códigos de falla. Estos se enumerarán en la documentación del fabricante junto con los remedios sugeridos. El código de error F4, por ejemplo, puede significar que la unidad está experimentando una condición de bajo voltaje, apagándola. El fallo puede estar en el variador, el motor o la tensión de alimentación.

En todos los casos se debe utilizar un multímetro digital dentro de su tensión nominal. Para las lecturas de corriente, la herramienta preferida es un amperímetro de abrazadera sin contacto. Es posible que el voltaje y la corriente sean normales, pero otros tipos de distorsión de la forma de onda podrían plantear un problema.

Después de medir el voltaje y la corriente en la desconexión, se pueden verificar en varios puntos a lo largo del VFD. Consulte la documentación del fabricante para conocer los valores normales.

Lo siguiente a mirar es el bus de CC. En realidad, debería leer más alto que el suministro de CA de pico a pico. ¿Cómo es esto posible? La respuesta es que el voltaje del bus de CC es la salida de un rectificador de onda completa. Si el voltaje del bus de CC es inferior al ideal, vuelva a mirar los diodos y capacitores en la sección del rectificador. Otra anomalía en el bus de CC es la ondulación excesiva de CA. El multímetro debe revelar ondulación cuando el instrumento está configurado en voltios de CA. El osciloscopio proporciona una indicación más definitiva. En este momento, conviene volver al seccionador y seguir el camino trifásico hasta el motor, mirando cada punto de prueba con el osciloscopio.

Antes de comenzar con las mediciones del osciloscopio, es importante darse cuenta de que el osciloscopio de banco estándar no debe usarse para observar el suministro trifásico, el bus de CC o las terminaciones en el motor. Si se usa este tipo de osciloscopio para estas mediciones y el cable de retorno a tierra está conectado a un cable o terminal alimentado por un voltaje que está referenciado y flota por encima del potencial de tierra, habrá un cortocircuito de baja impedancia a través del circuito derivado de la instalación. a la tierra del sistema en el servicio. Si tiene suerte, el cable de retorno a tierra ligero actuará como un fusible, quemándose e interrumpiendo la corriente de falla. Pero de lo contrario, existe la posibilidad de dañar el osciloscopio y/o VFD.

Una solución es utilizar un conjunto de sondas diferenciales, pero son muy caras y es posible que no estén disponibles. Una respuesta más factible es utilizar un osciloscopio portátil alimentado por batería que funcione dentro de su capacidad nominal con todos los canales aislados de tierra y aislados entre sí. Verifique este detalle en el manual del operador.

Para comprobar un circuito o fuente de alimentación trifásica, conecte el cable de retorno a tierra al terminal neutro y mida los tres conductores de fase individuales, con y sin carga. Estas fases deben tener sustancialmente el mismo voltaje, dentro del 3% sin carga. Si una fase es más baja que las otras dos, es posible que alguien en otra parte del edificio esté desconectando una carga monofásica. Con el motor conectado, no es raro tener una pata un 5% más baja que las demás. El desequilibrio actual puede ser un poco más alto. A veces, el desequilibrio de voltaje es el resultado acumulativo del desequilibrio del motor y la línea: dos mediciones bajas que afectan la misma fase. En este caso, hacer rodar las conexiones en la entrada o la salida sin invertir la rotación (mover A a B, B a C y C a A) puede aliviar el desequilibrio. Usando estas técnicas y otras similares, debería ser posible ubicar una falla en la línea o VFD, o bien aislarla del motor, en cuyo caso podría estar indicada la reconstrucción o el reemplazo del motor. Todo esto suponiendo que el motor todavía está funcionando y capaz de jalar una carga, como cuando la queja original era una cantidad limitada de calentamiento en el motor.

En cuanto a las lecturas del osciloscopio, lo más importante que debe buscar son las partes superiores planas en una o más de las fases. Esto indica que su máquina no está procesando el voltaje máximo y cortándolo en cada ciclo antes de alcanzar el máximo. Esta condición también se conoce como recorte. Las partes superiores planas pueden ser suaves o irregulares (ruidosas) y esto puede indicarle algo sobre la naturaleza de la falla. Otra dificultad que se revela en la pantalla del osciloscopio en una o más de las fases consiste en pequeñas ondas sinusoidales o lo que parece ser ruido montado en la(s) forma(s) de onda principal(es). Esta es una señal de que los armónicos entran en su flujo de energía libre de armónicos. Puede ser sintomático de una carga que está introduciendo distorsión.

La sección final del VFD es el inversor. Consta de seis SCR (rectificadores controlados por silicio) que convierten la CC pura y sin ondulaciones del bus de CC en ondas cuadradas moduladas por ancho de pulso que alimentan el motor, lo que permite que funcione más rápido o más lento de lo nominal sin sobrecalentamiento ( como si el suministro de onda sinusoidal tuviera que aumentarse o reducirse).

Estas ondas cuadradas moduladas por ancho de pulso tienen ciclos de trabajo variables. Un tiempo alto más largo equivale a RPM del motor más altas. El ciclo de trabajo variable está regulado por entradas de datos de bajo voltaje a los SCR. Las entradas se generan en el controlador de movimiento. Son capaces de manejar los altos voltajes y la corriente necesarios para alimentar el motor.

¿Qué puede ir mal?

Nuestra tarea principal aquí es solucionar los reflejos transitorios que aparecen en el cable del VFD al motor. Estos transitorios pueden resultar de los flancos de rápido aumento que a veces se transmiten a una distancia considerable desde el VFD hasta el motor. Varios factores afectan los tamaños de las ondas reflejadas, incluida la longitud del cable, la carga del motor, la impedancia de sobretensión del cable y el motor y el espacio, el tiempo de subida y la amplitud de los pulsos. Eventualmente, los voltajes reflejados pueden estresar el cable y el aislamiento del motor, causando que uno o ambos fallen.

Para diagnosticar, use el multímetro para verificar el exceso de voltaje en las terminales del motor. Debido al ancho de banda limitado, es posible que el multímetro no revele el alcance total de los reflejos, por lo que nuevamente es necesario sacar el osciloscopio.

Este tipo de problema se puede evitar con una planificación cuidadosa en la instalación inicial. El VFD debe, en la instalación inicial, ubicarse lo más cerca posible del motor, de modo que el cable pueda tenderse directamente sin dobleces. Incluso un ligero pellizco de una grapa de cableado, algo que no molestaría al cableado eléctrico normal, puede interrumpir totalmente el cableado de datos, especialmente si se utilizan ondas cuadradas con tiempos de subida rápidos para transmitir energía de alta frecuencia y alta corriente. Considere colocar la alimentación del motor en un conducto conectado a tierra para protegerlo de daños físicos e interferencias.