Un azionamento a motore può danneggiare un sistema di ascensori o scale mobili?

Vengono condotti test per ridurre le correnti ad alta frequenza prodotte dai VFD e dai controller CC.

La maggior parte dei moderni motori elettrici per ascensori funziona tramite un azionamento a frequenza variabile (VFD) per i motori a corrente alternata (CA) e un controller a corrente continua (solitamente basato su raddrizzatore controllato al silicio [SCR] ma, più recentemente per i motori a corrente continua, basato su transistor bipolari a gate isolato [IGBT]) per controllare la velocità del motore/ascensore. I controller per motori consentono di risparmiare fino al 55% sui costi energetici, ma possono anche generare molto rumore elettrico e udibile. Questo rumore elettrico si manifesta come "picchi di tensione" (che in realtà sono "correnti di modo comune" [CMC]) che possono causare notevoli scanalature, brina, guasti alla lubrificazione e altri danni ai cuscinetti.

Noi di Renown Electric Motors & Repair volevamo cercare e testare una soluzione a questo problema nei motori di ascensori e scale mobili. Abbiamo studiato l'uso degli assorbitori induttivi CoolBLUE, un tipo di induttore di modo comune che forniamo, per scoprire come potessero ridurre le correnti ad alta frequenza prodotte da inverter e controller CC, nel tentativo di ridurre o eliminare i danni ai cuscinetti del motore.

sfondo

I sistemi di controllo basati su VFD e SCR non sono sinusoidali, ma generano continuamente segnali o impulsi rettificati (modulazione di larghezza di impulso). Gli impulsi hanno una tensione costante e un tempo di salita e discesa dV/dt. I sistemi VFD originali erano basati su transistor a giunzione bipolare. La tendenza attuale, da parte di Mitsubishi, On Semi, Infineon, ST Micro e altre aziende, è quella di orientarsi verso i sistemi IGBT, che offrono un dV/dt di commutazione più rapido, con minori perdite di commutazione e un azionamento più efficiente.

I sistemi IGBT creano problemi legati alle prestazioni del sistema. L'IGBT introduce correnti parassite sotto forma di due caratteristiche potenzialmente distruttive: tensione transitoria/distorsione armonica/onde riflesse e correnti di rumore elettrico di terra di entità maggiore. I sistemi di azionamento per motori CA che utilizzano controlli a frequenza variabile producono rumore elettrico ad alta frequenza. Il rumore si sovrappone alle linee di alimentazione dei motori sotto forma di rumore di modo comune. Il rumore di modo comune crea una tensione (dV/dt) attraverso il rotore/statore del motore, con conseguente scarica di corrente attraverso il sistema di lubrificazione e i cuscinetti del motore fino alla pista del motore.

Questa scarica di corrente produce un effetto di elettroerosione che provoca corrosione e danneggiamento distruttivo della pista del motore, nonché un'interruzione prematura della lubrificazione. Il risultato è un guasto prematuro del motore, con conseguenti costose riparazioni e tempi di fermo del sistema.

Motori CC

Per testare la nostra teoria, abbiamo utilizzato una bobina di Rogowski, una bobina toroidale specificamente calibrata per misurare impulsi di corrente ad alta frequenza sovrapposti al segnale di controllo, sull'uscita di un azionamento a IGBT e di un azionamento a SCR. Gli azionamenti erano collegati rispettivamente a un motore Bull e a un motore per paranchi a corrente continua senza riduttore Otis. Entrambi si trovano in due complessi commerciali e direzionali molto frequentati nel centro di Toronto.     

La CMC è stata misurata tra l'azionamento IGBT e il motore a corrente continua senza riduttore Bull. Normalmente, le unità ricevevano picchi di circa 10 A (Figura 5, a sinistra). Tuttavia, durante i lavori di ristrutturazione dell'edificio, le unità sono state soggette a picchi casuali superiori a 115 A. Interruzioni di corrente, cali di tensione, sovratensioni e picchi di tensione sulla linea principale possono causare danni al controller e all'azionamento, soprattutto durante i test del generatore. Anche un'attività insolitamente intensa nell'edificio (ad esempio durante i lavori di ristrutturazione) può causare correnti distruttive per l'impianto ascensoristico.

La Figura 6 mostra livelli molto bassi di CMC e, pertanto, non sono necessarie modifiche a questo sistema di azionamento SCR. La corrente è ampiamente entro la capacità di trasporto di corrente del cuscinetto.

Risultati

Con l'ascensore in funzione, abbiamo utilizzato un oscilloscopio e la bobina di Rogowski all'uscita del motore e abbiamo misurato i picchi di corrente ad alta frequenza che andavano all'indotto sovrapposti al segnale di controllo del motore dell'ascensore.

I test condotti dopo l'installazione degli assorbitori induttivi CoolBLUE e degli assorbitori di rumore NaLA hanno mostrato una riduzione del CMC all'uscita del motore di circa il 55-85%. I test a terra hanno anche dimostrato che, con questi prodotti installati, la corrente è stata ridotta a meno di 2 A, con una riduzione del 60%. Entrambe le misurazioni rientrano ampiamente nell'intervallo di sicurezza per i valori nominali di densità di corrente dei cuscinetti.

Motori AC

Abbiamo installato una bobina di Rogowski (utilizzata per misurare gli impulsi di corrente alternata e ad alta frequenza) sull'uscita dei VFD su una macchina a magnete permanente (PM) senza riduttore CA sopraelevata e su un motore di scala mobile da 27 CV per misurare il livello effettivo di rumore elettrico causato dalla commutazione degli IGBT (Figure 8 e 9).

I risultati

I risultati tipici dei test indicano che gli IGBT introducono una corrente di condensazione (CMC) compresa tra 21 e 30 A, sovrapposta al segnale di controllo. Si noti che i sistemi erano già dotati di induttori in ferrite; tuttavia, non hanno avuto un impatto misurabile sul livello di rumore.

Gli assorbitori induttivi CoolBLUE sono stati installati sull'uscita dei VFD e il CMC (rumore) del sistema è stato ridotto di circa il 71-82%.

Pensieri aggiuntivi

I campi di una macchina a corrente continua sono soggetti a CMC, poiché sono controllati anche tramite l'azionamento. La tensione di riposo è generata dagli IGBT o dal controllo SCR. Nel caso di un controllo SCR, i campi non saranno influenzati allo stesso modo degli IGBT. Tuttavia, la nostra esperienza dimostra che, in entrambi i casi, si verifica un effetto di carica nei campi che dovrà essere scaricato da qualche parte. Generalmente, questo non è un grosso problema, ma in alcuni motori in cui i campi sono vicini ai poli intermedi, la carica salta dai campi ai poli intermedi e crea un cortocircuito. Questo può essere evitato con un migliore isolamento del motore, ma, più concretamente, una spazzola di messa a terra dell'albero può spesso scaricare questa corrente a bassa frequenza a terra attraverso le funi.

Al momento della stesura di questo articolo, noi di Renown stavamo ultimando un articolo sull'uso di una spazzola di messa a terra dell'albero con e senza CoolBLUE e filtri dV/dt. Il punto saliente è che, in alcune applicazioni, la corrente di cuscinetto a bassa frequenza derivante dall'effetto di carica negli avvolgimenti tende ad accumularsi, indipendentemente dalle misure adottate per ridurre la CMC dall'azionamento. I primi risultati mostrano che una spazzola di messa a terra dell'albero può reindirizzare la corrente a bassa frequenza. Inoltre, un filtro dV/dt può essere di grande aiuto con le medie frequenze e ottimizzare il controllo. Infine, i nuclei CoolBLUE eliminano le correnti ad alta frequenza più spesso associate alle scanalature dei cuscinetti.

Conclusione

Dopo aver condotto test sugli assorbitori induttivi CoolBLUE e sugli assorbitori di rumore NaLA, Renown ha riscontrato che questi dispositivi sono molto efficaci nel ridurre il CMC entro i limiti operativi di sicurezza dei cuscinetti. Si consiglia di ottimizzare il numero e il tipo di assorbitori, a seconda del motore specifico su cui devono essere installati. È possibile prevedere riduzioni del CMC di circa il 65%. Gli assorbitori elimineranno efficacemente i danni che causano vibrazioni dannose, prolungando la durata dei cuscinetti del motore e riducendo le esigenze di manutenzione.