Motori Elettrici per Ascensori

I primi motori funzionavano a corrente continua. In effetti, l'invenzione di un pratico motore a corrente continua ha preceduto a lungo l'intuizione di Nikola Tesla secondo cui la corrente alternata avrebbe offerto vantaggi sostanziali. Thomas Edison e i suoi collaboratori si aggrapparono all'idea che la DC fosse più pratica, ma la storia favorì Tesla e George Westinghouse, almeno per quanto riguarda la guerra delle correnti, come divenne nota. Prima che questo problema fosse risolto, i motori CC per l'uso degli ascensori erano diventati lo standard del settore e lo sarebbero rimasti per un bel po' di tempo.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver imparato:
♦ Come funzionano i motori DC.
♦ Come funzionano i motori sincroni.
♦ Come funzionano i motori a induzione.
Come viene controllata la velocità di un motore CA.
♦ Come risolvere i problemi di un convertitore di frequenza (VFD).

Per iniziare, esamineremo i requisiti di base per il funzionamento dei motori elettrici. La maggior parte dei motori elettrici converte l'energia elettrica in movimento rotatorio. (Esiste un attuatore lineare, ma per ora non è questo il nostro obiettivo). I motori rotativi sono costituiti da un rotore attaccato ad un albero supportato da due cuscinetti in modo che sia libero di ruotare, e da uno statore che, come suggerisce il nome, è fermo. È montato all'interno dell'alloggiamento del motore.

Una puleggia, un ingranaggio, una lama per sega, una mola o un altro strumento possono essere fissati all'albero del rotore in modo da svolgere un lavoro utile. Per girare, il rotore, in combinazione con lo statore, utilizza il rapporto di elettricità e magnetismo, notato per la prima volta da Hans Christian Ørsted nel 1820 quando osservò che l'ago di una bussola deviava quando era posizionato vicino a un conduttore percorso da corrente. Nel 1831 Michael Faraday nel Regno Unito e Joseph Henry negli Stati Uniti descrissero in modo indipendente i fenomeni in modo più dettagliato, e più tardi nel secolo James Clerk Maxwell fornì un'ampia analisi matematica. Prima di questi sviluppi del XIX secolo, l'elettricità e il magnetismo erano visti come fenomeni non correlati. Ora che la relazione era chiara, ricercatori e inventori hanno cercato modi per sfruttare questa nuova conoscenza. In precedenza, erano stati costruiti semplici motori a corrente continua, alimentati da batterie chimiche. Tuttavia, non erano potenti e non erano in grado di svolgere un lavoro utile.

Il rotore di un motore a corrente continua può essere fatto girare, ma solo se c'è commutazione. Se viene applicata una tensione continua costante agli avvolgimenti sia nel rotore che nello statore, l'albero ruoterà al massimo di un giro parziale, fino a quando i poli opposti non saranno al loro più vicino, dopo di che non avrà luogo un'ulteriore rotazione. Affinché l'albero possa girare su base continua, la polarità della corrente elettrica nello statore o nel rotore deve essere commutata in modo che il campo magnetico venga periodicamente invertito, provocando l'attrazione dei poli più distanti. In questo modo, il rotore insegue sempre lo statore. Quando i poli si avvicinano, la polarità si inverte, quindi il movimento rotatorio è in corso. Questa commutazione avviene internamente o esternamente ed è nota come commutazione. Un operatore esperto potrebbe azionare un interruttore, configurato come un pulsante, e pulsare la corrente in modo da far girare il rotore. Tuttavia, per un motore pratico, la commutazione deve essere automatica.

Un ulteriore problema è che i fili non possono essere collegati direttamente ai terminali degli avvolgimenti montati sul rotore, perché si torcerebbero e si spezzerebbero rapidamente. Questi due requisiti sono soddisfatti avendo un commutatore apposto sul rotore. Le spazzole di rame fisse (ora sostituite da barre di carbone che sono ancora chiamate spazzole) contattano i segmenti del commutatore rotante, isolati l'uno dall'altro, fornendo il meccanismo di commutazione necessario per la rotazione continua, che immette la corrente nel rotore. Come in ogni motore, l'energia deve entrare nel rotore e deve esserci una commutazione affinché la rotazione avvenga.

Anziché avere avvolgimenti sia nel rotore che nello statore, uno di questi può essere sostituito da magneti permanenti (PM). Questi sono spesso potenti magneti a terre rare epossidici all'interno dell'alloggiamento del motore. I campi PM statici interagiscono con il campo elettromagnetico commutato associato al rotore e l'albero viene fatto ruotare. Sono stati proposti vari schemi in cui i PM sia nel rotore che nello statore comprenderebbero una macchina a moto perpetuo rotante funzionante. Il problema con questa disposizione è che per funzionare dovrebbe esserci la commutazione. Una serie di PM dovrebbe invertire la polarità agli intervalli corretti. Il modo per farlo sarebbe capovolgere meccanicamente i magneti, ma ciò richiederebbe più energia dell'uscita del motore. Un altro modo per far funzionare un motore, richiede nuova energia su base continuativa, che deve essere immessa nel rotore e/o nello statore.

I motori a corrente continua hanno due caratteristiche importanti, che spiegano il fatto che sono persistiti nelle applicazioni degli ascensori anche in un mondo alimentato a corrente alternata. La prima di queste caratteristiche è che la velocità di un motore DC può essere controllata variando la tensione. Quando una cabina dell'ascensore si avvicina alla sua destinazione, rallenta invece di continuare a tutta velocità fino a quando il pavimento della cabina è alla pari con il piano dell'edificio, quindi si ferma bruscamente. Questo sarebbe scomodo per i passeggeri e pesante per i macchinari.

Non è pratico variare la velocità di un motore CA variando la tensione. La velocità di un motore CA sincrono o asincrono (a induzione) dipende dalla frequenza. Si può rallentare un motore CA riducendo la tensione in modo che il motore inizi a bloccarsi, ma non è un buon modo per variare la velocità. Alcuni motori AC hanno due velocità. Hanno avvolgimenti separati per le due velocità, con un filo per ogni velocità e un filo di ritorno comune.

Allo stesso modo, i motori CC possono essere invertiti invertendo la polarità dell'alimentazione elettrica, ma ciò non può essere fatto con un motore CA monofase poiché la polarità viene costantemente commutata. I motori trifase possono essere invertiti commutando due delle tre fasi.

Sebbene i motori CC presentino vantaggi come il controllo regolare della velocità e la semplice reversibilità tra loro, richiedono un po' più di manutenzione perché l'insieme elettromeccanico spazzola-commutatore subisce un'usura continua. Se le spazzole non vengono sostituite tempestivamente, prima del guasto si verificano scintille e il commutatore viene danneggiato. Ciò comporta una riparazione più costosa rispetto alla semplice sostituzione delle spazzole. Inoltre, le spazzole generano polvere e calore all'interno del motore, presentando potenziali rischi di incendio. Vi sono anche interferenze a radiofrequenza che possono influenzare il funzionamento delle apparecchiature elettroniche. I motori DC senza spazzole non presentano questi svantaggi. Sono in grado di funzionare a velocità variabile tramite un controller elettronico. Sono visibili nelle unità disco dei computer e nelle applicazioni di controllo del movimento nelle macchine utensili.

Per generalizzare, i motori CC, sebbene concettualmente semplici e capaci di un funzionamento di qualità, sono meccanicamente più complicati e richiedono una maggiore manutenzione, quindi sono più costosi da gestire. Questa visione non è l'intera storia, tuttavia. Se stiamo parlando di una ricostruzione di un ascensore, potrebbe essere appropriato o meno sostituire un motore CC funzionante, a seconda della misura in cui il progetto è capitalizzato. La decisione dovrebbe essere presa con grande attenzione, considerando sia il costo iniziale che i benefici a lungo termine dell'uso dell'aria condizionata.

Passando alla tecnologia dei motori a corrente alternata, la esamineremo da un punto di vista elettrico e meccanico. Come accennato, l'energia elettrica è stata per molti anni esclusivamente in corrente continua. Alla concezione e allo sviluppo della rete AC hanno partecipato moltissime persone. Tesla divenne la figura centrale nell'ascesa di AC. Grazie ai suoi sforzi, in collaborazione con Westinghouse, AC stava eclissando DC, ma il vero progresso ha dovuto attendere lo sviluppo di un motore AC. Indubbiamente, ci sono stati i primi tentativi di alimentare un motore a corrente continua con corrente alternata. Divenne evidente che sarebbe stata necessaria una macchina diversa.

I motori a corrente continua sono in grado di ruotare perché l'elettricità alimentata negli avvolgimenti del rotore viene commutata o commutata. Per un motore a corrente alternata, la commutazione esiste già nell'alimentazione elettrica, quindi si può dire che sia commutata esternamente. I motori CA possono essere sincroni o asincroni (induzione). In entrambi i casi, la corrente alternata proveniente dall'alimentatore viene alimentata direttamente negli avvolgimenti dello statore. A causa della natura ciclica di questo potere, si stabilisce un campo magnetico rotante. Se il motore supera i 5 hp, come generalmente avviene per gli ascensori, lo statore riceve alimentazione trifase. Tre circuiti separati con fili in comune, sfasati di 120°, sono derivati ​​dalla rete di alimentazione o dal generatore in loco mediante avvolgimenti collegati a triangolo oa Y. Tre fili portano questa potenza nell'alloggiamento del motore e si collegano a bobine equidistanti in modo che i tre campi magnetici ruotino di concerto. Tutti i motori a corrente alternata trifase hanno questo in comune e i motori a corrente alternata monofase hanno un campo magnetico rotante. Oltre a questo, non tutti i motori CA funzionano allo stesso modo. La differenza è nel modo in cui viene alimentato il rotore.

Un motore sincrono a rotore avvolto è dotato di un sistema di anelli collettori e spazzole. Gli anelli collettori sono fissati all'albero del rotore e le spazzole fisse li contattano e sono cablati all'alimentazione esterna. Questa disposizione è più esente da problemi rispetto alla combinazione DC pennello-commutatore. Poiché gli anelli collettori, a differenza del collettore, non sono segmentati, l'usura delle spazzole è minore. Inoltre, viene trasportata meno corrente, quanto basta per alimentare il rotore.

Inoltre, esistono motori sincroni non eccitati che utilizzano altri mezzi per consentire al rotore di interagire con lo statore. In questi motori, il rotore è realizzato in solido acciaio. Il campo magnetico rotante dello statore magnetizza il rotore ea velocità sincrone i due campi magnetici ruotano insieme in modo che l'albero giri e venga eseguito un lavoro utile. Esistono tre tipi di motori sincroni non eccitati, ciascuno con un metodo diverso per consentire al rotore di seguire il campo magnetico rotante dello statore:

Motore a riluttanza: il rotore in acciaio ha dei salienti, o poli dentati che sporgono verso l'esterno in modo da essere vicini allo statore, con un gioco sufficiente in modo che non sfreghino nemmeno quando i cuscinetti iniziano a usurarsi. Ci sono lo stesso numero di queste proiezioni quanti sono i poli nello statore. A velocità sincrona, il movimento del rotore è bloccato sul campo magnetico rotante dello statore. Tuttavia, questo tipo di motore non si avvia da solo, quindi il rotore a gabbia di scoiattolo ha avvolgimenti supplementari incorporati nel corpo in acciaio. Il motore a riluttanza si avvia come una macchina a induzione fino a quando non si avvicina alla velocità sincrona, dopodiché passa alla modalità primaria. A velocità sincrona cessa l'induttanza reciproca tra statore e rotore.

Motore a isteresi: anziché avere denti salienti o sporgenti come nel motore a riluttanza, il motore a isteresi ha un rotore cilindrico in acciaio uniforme. Tutte le parti dello statore sono magnetizzate e seguono il campo magnetico rotante dello statore. Quando la velocità del rotore raggiunge la velocità del campo magnetico rotante dello statore, si verifica il blocco e il motore entra in modalità sincrona. Questo tipo di motore è autoavviante e non richiede un avvolgimento a induzione, sebbene possa essere fornito per fornire una coppia di spunto aggiuntiva nelle applicazioni in cui è necessario.

PM: i PM sono incorporati nel rotore per fornire il blocco a velocità sincrone. Tuttavia, questi motori non sono ad avviamento automatico e lo statore deve essere alimentato da un convertitore di frequenza (VFD) per facilitare il superamento dell'inerzia di riposo del rotore.

I piccoli motori sincroni partiranno da soli perché non c'è troppa inerzia di riposo da parte del rotore. Nelle taglie superiori a 1 hp, molti motori sincroni sono eccitati in corrente continua. Questa energia elettrica viene fornita da una fonte esterna attraverso anelli collettori.

I motori sincroni di piccole dimensioni vengono utilizzati dove è richiesta una precisa temporizzazione, come negli orologi da parete e nei timer. L'utility tiene d'occhio la sua frequenza e se per un periodo di tempo si perdono alcuni cicli, accelereranno momentaneamente il generatore per compensare, quindi per un periodo di tempo gli orologi e i timer rimarranno accurati. Nelle grandi dimensioni, i motori sincroni hanno il vantaggio di una maggiore efficienza oltre al controllo accurato della velocità. Inoltre, hanno una buona capacità di rifasamento, compensando i carichi fortemente induttivi negli impianti industriali.

L'altra ampia categoria di motori AC è costituita dalle macchine asincrone. Sono conosciuti come motori a induzione per via del modo in cui l'energia elettrica viene importata nel rotore. La velocità di rotazione non è vincolata alla frequenza di alimentazione, ma è altamente dipendente dalla frequenza, sempre di una percentuale specificata più lenta ma, ovviamente, mai più veloce.

Nonostante i vantaggi del motore sincrono, il motore a induzione è più ampiamente utilizzato, perché è semplice, economico e relativamente esente da manutenzione. Più di 100 anni dopo il suo tempo, la presenza di Tesla è nel mondo dei motori a corrente alternata, dove forse il 90% di essi sono macchine a induzione.

Abbiamo visto che il motore sincrono può girare a causa dell'interazione tra i campi magnetici dello statore e del rotore. Il motore a induzione funziona allo stesso modo. L'unica differenza è nel modo in cui l'energia elettrica entra nel rotore. Nel motore a induzione, lo statore è in effetti il ​​primario di un trasformatore e il rotore è il secondario, quindi non c'è bisogno di spazzole o anelli collettori, tanto meno di un commutatore.

Una volta che l'energia elettrica entra nel rotore, viene stabilito un campo magnetico e il rotore inizia a inseguire il campo magnetico sempre sfuggente dello statore. Infatti, non raggiunge mai perché se le due velocità dovessero bloccarsi e diventare sincrone, l'induttanza reciproca cesserebbe. Perché ci sia l'induttanza reciproca che è caratteristica di un trasformatore CA, i due campi magnetici devono muoversi l'uno rispetto all'altro e prima che possano sincronizzarsi, l'accoppiamento induttivo scomparirebbe. Per questo motivo, il rotore gira sempre di una certa percentuale più lentamente del campo magnetico rotante dello statore. È da sottolineare che la mancata sincronizzazione del rotore non è semplicemente un ritardo di fase come nelle forme d'onda reattive, ma consiste in una effettiva riduzione dei giri, quindi la perdita di cicli è cumulativa e aumenta con il passare del tempo. Pertanto, i motori a induzione non sono adatti per applicazioni di clock e timer. L'entità della riduzione di velocità è detta “slittamento” ed è espressa in percentuale. Lo scorrimento deve essere visto non come una sorta di energia sprecata o persa, ma come una componente essenziale del normale funzionamento del motore a induzione. Naturalmente, la quantità di scorrimento aumenta man mano che il motore viene caricato più pesantemente. A causa della maggiore differenza di velocità, c'è un maggiore accoppiamento induttivo e la corrente negli avvolgimenti del rotore aumenta. La linea di fondo è che con un carico maggiore la coppia del motore aumenta.

Prima dell'arrivo sulla scena del variatore di velocità, era difficile controllare la velocità del motore a induzione. Per alimentare gli ascensori, il motore a corrente continua a funzionamento regolare ha soddisfatto l'esigenza per molti anni.

La seconda metà del XX secolo ha visto una vasta innovazione e crescita nel campo dell'elettronica di potenza. In precedenza, i semiconduttori a stato solido avevano sostituito i tubi a vuoto nella maggior parte delle applicazioni audio e video. In pochi decenni, la tecnologia a stato solido è passata ad applicazioni più potenti e contemporaneamente tutto è diventato digitale.

In precedenza, non erano disponibili mezzi pratici per controllare in modo preciso e affidabile la velocità dei motori a corrente alternata. Con lo sviluppo del VFD, la tecnologia dei motori degli ascensori è cambiata bruscamente. (Azionamento a velocità regolabile, azionamento a frequenza regolabile, azionamento a velocità variabile e azionamento a frequenza variabile sono tutti termini più o meno equivalenti. L'unica differenza è che se contiene la parola "velocità", può riferirsi a sistemi idraulici o altri sistemi non elettrici. Il VFD è più preciso.)

Un VFD rende possibile il controllo preciso della velocità del motore CA, consentendo al motore di funzionare al di sopra o al di sotto della velocità di targa, soggetta a limitazioni. Normalmente, la riduzione della tensione di alimentazione per un motore CA ridurrà la sua velocità solo perché viene caricato più pesantemente. Il risultato sarà una perdita di efficienza, un aumento della temperatura e una riduzione della vita del motore.

Il VFD controlla la velocità di un motore CA alterando la frequenza della sua alimentazione. Come abbiamo visto, la velocità di entrambi i motori sincroni e asincroni dipende dalla frequenza. Il campo magnetico associato allo statore gira ad una velocità che dipende dalla frequenza della potenza in esso alimentata e anche il numero di giri del motore è conforme ad essa. La variazione della frequenza di alimentazione del motore è un modo semplice ed efficace per controllare la velocità del motore. La velocità può essere ridotta senza causare il surriscaldamento del motore, tranne nel senso che se è presente una ventola collegata all'albero, questa girerà più lentamente a una velocità ridotta del motore, con conseguente minore raffreddamento dell'aria. Per questo ed altri motivi, anche se qualsiasi motore AC, sincrono o a induzione, può essere controllato da un VFD, alcuni motori non sono adatti. Prima di associare un VFD e un motore, sono necessarie alcune ricerche.

Per l'uso VFD, un motore sincrono può essere un'installazione premium. Tuttavia, poiché la sincronizzazione esatta non è essenziale per un motore per ascensori, la maggior parte delle nuove costruzioni e delle sostituzioni di motori CC coinvolgono motori a induzione.

Il tipico VFD per un motore di ascensore CA è abbastanza semplice, intuitivo e senza problemi. C'è un ingresso trifase che può essere identificato, se non etichettato, dal fatto che si trova in una grande canalina proveniente dal sezionatore motore. Inoltre, c'è un piccolo cavo di controllo proveniente dal potenziometro di controllo della velocità, che in genere trasporta un segnale che va fino a 10 V CC. Questo è collegato al controller di movimento dell'ascensore e consente una velocità ridotta per il livellamento ad ogni piano e il funzionamento in modalità di ispezione. C'è un altro circuito di controllo per invertire la rotazione del motore, anche questo in risposta alle indicazioni dal pannello di controllo dell'ascensore.

Sul pannello frontale del VFD, ci sarà un'interfaccia utente con display alfanumerico. Inoltre, ci saranno luci etichettate Run, Stop, Reverse e Fault per indicare lo stato del sistema. All'uscita del VFD ci sarà un'alimentazione trifase al motore. Trasmette la tensione della targhetta al motore, ma anziché la frequenza di 50 o 60 Hz fornita dall'utility, la frequenza varia in base alle necessità per controllare la velocità del motore. Un pulsante di avvio normalmente aperto e un pulsante di arresto normalmente chiuso all'esterno dell'armadio forniscono la capacità di override manuale. Dal motore al VFD ci sono conduttori abbastanza leggeri che forniscono un segnale di feedback da un tachimetro collegato al motore.

La risoluzione dei problemi e la riparazione del sistema sono semplici. Controllare la potenza in ingresso e in uscita sul VFD, osservando in particolare una fase caduta. Controllare le tensioni di controllo. Se sono tutti normali ma il motore non gira, c'è un problema con il motore o il carico si è bloccato, provocando spesso l'intervento immediato del dispositivo di sovracorrente.

Se il VFD ha buone tensioni di ingresso ma nessuna uscita, il guasto è interno. Prima di aprire l'armadio, ricordare che i grandi condensatori di alimentazione sono in grado di trattenere una carica letale molto tempo dopo che l'apparecchiatura è stata scollegata dall'alimentazione. Per eliminare queste cariche, non cortocircuitare i condensatori. Collegare invece un carico a bassa impedenza su ciascun set di terminali.

Esaminare l'elettronica del VFD per vedere se c'è un filo o un componente bruciato. In caso contrario, c'è una buona probabilità che uno dei diodi raddrizzatori a ponte a onda intera si sia guastato senza alcuna indicazione visibile. Possono essere controllati con un multimetro in modalità ohm per vedere se avanzano e invertono la polarizzazione quando vengono commutate le connessioni del misuratore. Spesso un diodo guasto leggerà aperto in entrambe le direzioni.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pagina 103 di questo numero.
♦ Quali sono i requisiti per il funzionamento di qualsiasi motore rotativo?
♦ Quali due parti hanno in comune tutti i motori rotativi?
♦ Perché un motore DC richiede un commutatore?
♦ Cosa determina la velocità di un motore sincrono?
♦ Perché un motore a induzione non ha spazzole?

La documentazione fornita con il VFD dovrebbe includere uno schema. Le letture dell'oscilloscopio dovrebbero individuare il componente guasto e questo approccio è molto meglio della sostituzione per tentativi ed errori delle schede dei circuiti, che è una procedura costosa e potrebbe non arrivare alla radice del problema.