Le macchine CC senza ingranaggi dovrebbero essere sostituite

Per molte ragioni, i motori di vecchia tecnologia non trovano posto negli ascensori modernizzati.

Questo documento è stato presentato a   Berlino 2018, Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale, e prima pubblicazione nel libro IAEE Tecnologia degli ascensori 22, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'International Association of Elevator Engineers  (www.elevcon.com).

La tecnologia dei motori a corrente continua è ormai considerata obsoleta. Quando si modernizzano vecchi ascensori senza riduttore, si consiglia di sostituire i sollevatori a corrente continua con motori basati sulla più recente tecnologia a magneti permanenti (PM). Poiché i sollevatori a corrente continua non sono stati utilizzati nelle nuove installazioni di ascensori negli ultimi 20-25 anni, l'assistenza disponibile da parte dei produttori e dei piccoli riparatori è limitata. Gli azionamenti a corrente continua basati sulla modulazione di larghezza di impulso (PWM) sottopongono a forti sollecitazioni l'isolamento degli avvolgimenti della macchina esistente e aumentano il rischio di guasti ai cuscinetti. In genere, anche la puleggia di trazione dell'ascensore si usura e richiede una lavorazione meccanica o la sostituzione completa. Inoltre, le moderne normative di sicurezza richiedono un sistema frenante con due freni indipendenti e monitorati separatamente, il che potrebbe comportare costose modifiche alla macchina di sollevamento esistente o ad altri elementi del sistema di sollevamento.

Introduzione

Motivi principali per sostituire una macchina senza ingranaggi a corrente continua durante la modernizzazione di un ascensore:

• Negli ultimi 20-25 anni le macchine a corrente continua non sono state utilizzate in nuove installazioni, il che significa che il supporto disponibile da parte dei produttori e dei fornitori di servizi di riparazione è limitato.
• I nuovi azionamenti CC basati su PWM che forniscono un fattore di potenza pari a 1 sottopongono a forte stress l'isolamento degli avvolgimenti del motore esistente, aumentando il rischio di danni all'isolamento e, di conseguenza, la necessità di costose riparazioni e di un periodo di inattività prolungato.
• Gli azionamenti basati su PWM aumentano anche il rischio di guasti ai cuscinetti a causa delle correnti generate nei cuscinetti.
• La tecnologia dei raddrizzatori controllati al silicio (SCR) ha un fattore di potenza basso e sta diventando obsoleta.
• Oltre alla sostituzione della macchina di sollevamento, anche la puleggia di trazione richiede solitamente una lavorazione meccanica o una sostituzione completa.
• I moderni codici di sicurezza richiedono un sistema frenante dotato di due freni indipendenti e monitorati separatamente.
• Il costo delle macchine a corrente continua e dei pezzi di ricambio è in aumento, perché i pochi produttori rimasti producono volumi sempre più bassi.
• Per eliminare tutti i rischi di guasto relativi ai diversi componenti (avvolgimenti, cuscinetti, puleggia di trazione e freni) e per soddisfare i requisiti delle moderne normative di sicurezza, in molti casi la macchina dovrà essere smontata e portata in un'officina specializzata. Il costo delle riparazioni supererà facilmente quello di una macchina nuova, basata sulla tecnologia PM all'avanguardia.
• La maggior parte delle università non include più la tecnologia dei motori a corrente continua nei propri programmi di ingegneria, il che significa che c'è una carenza di giovani professionisti con le competenze necessarie per manutenere e modernizzare le apparecchiature che utilizzano questa tecnologia.

Vantaggi della sostituzione di una macchina DC senza ingranaggi con una macchina moderna basata sulla tecnologia PM:

• Soluzione sicura e moderna che soddisfa i requisiti del codice più recente
• Una maggiore efficienza complessiva del sistema riduce il consumo energetico.
• Macchina e trasmissione sono progettate e testate accuratamente per funzionare insieme e garantire un comfort di guida superiore.
• In molti casi la durata della fune aumenta, poiché è possibile utilizzare la disposizione di legatura ottimale.
• Non mancano tecnici specializzati nella manutenzione, poiché la stessa tecnologia viene utilizzata nei nuovi edifici.
• I pezzi di ricambio sono ampiamente disponibili.

Tecnologia tendenze

Macchine senza ingranaggi

La Figura 1 mostra le tendenze tecnologiche più importanti negli ascensori ad alta velocità dall'invenzione delle macchine a corrente continua. Le macchine a corrente continua sono state utilizzate negli ascensori a media e alta velocità per decenni, ma alla fine degli anni '1990 sono state superate dalle macchine a corrente alternata asincrone. Questa tendenza non si è limitata al settore degli ascensori: anche altri settori hanno iniziato ad adottare la tecnologia a corrente alternata, perché più affidabile e di facile manutenzione. Poiché le macchine a corrente continua non sono state utilizzate nelle nuove installazioni di ascensori ad alta velocità per così tanto tempo, questa tecnologia è considerata obsoleta.

Sono ancora in funzione decine di migliaia di vecchi ascensori ad alta velocità, dotati di motori a corrente continua senza riduttore come componente chiave dei loro sistemi di sollevamento. Il sistema di sollevamento comprende le funi e il sistema di funi con le relative pulegge, la macchina e i suoi componenti di controllo, il sistema di compensazione, nonché i sistemi di imbracatura e contrappeso.

Poiché la tecnologia delle macchine a corrente continua non è più utilizzata in nessun settore industriale importante, il volume disponibile di componenti correlati, come l'azionamento a corrente continua necessario per controllarla, è diminuito significativamente e il numero di aziende che supportano questa tecnologia sta diminuendo rapidamente. Ciò ha contribuito a far lievitare il costo dei componenti e ad aumentare il rischio di una scarsa disponibilità di pezzi di ricambio in futuro.

Dopo circa 20 anni di utilizzo intensivo di un ascensore, guasti ai componenti e altri problemi diventano più comuni, dovuti all'usura. Potrebbe essere difficile reperire pezzi di ricambio, soprattutto se i produttori dei componenti originali erano piccole aziende che non sono più operative.

Tecnologie di controllo per macchine a corrente continua: azionamenti

La Figura 2 mostra le tre principali tecnologie di controllo utilizzate per controllare le macchine a corrente continua. Il gruppo generatore Ward-Leonard, o "gruppo MG" in breve, fornisce una tensione uniforme alle macchine a corrente continua. Questo gruppo è stato sostituito dagli azionamenti a tiristori, noti anche come azionamenti a SCR, a metà degli anni '1980. Gli azionamenti a transistor che utilizzano il principio PWM si sono diffusi maggiormente all'inizio degli anni 2000.

Molte vecchie macchine a corrente continua erano progettate per la tecnologia MG-set e avevano una bassa classe di isolamento; la Classe A, la classe più bassa, è presente in diverse vecchie macchine per ascensori a corrente continua. In generale, la Classe A veniva utilizzata negli elettrodomestici e non è molto comune nelle applicazioni industriali reali che richiedono elevata affidabilità.[1]

A causa del loro principio di funzionamento, gli azionamenti basati su SCR presentano in genere un fattore di potenza basso, che può portare a correnti di rete elevate e a perdite elevate nei trasformatori e nei cavi. Le aziende di servizi pubblici, in particolare, sono interessate al fattore di potenza e in alcuni mercati dispongono persino di programmi di rimborso per incoraggiare i proprietari di edifici ad aggiornare i propri impianti per ottenere il miglior fattore di potenza possibile.

La Figura 3 mostra il fattore di potenza misurato di un ascensore a due piani alimentato da un azionamento SCR. Il fattore di potenza medio durante il viaggio di andata e ritorno è stato di solo 0.33.

Gli azionamenti PWM hanno in genere un fattore di potenza superiore a 0.95. Il principio di funzionamento dei transistor PWM prevede che i transistor applichino la massima tensione alla macchina per un breve periodo di tempo. È possibile ottenere una tensione media controllata per la macchina controllando la durata di questo periodo di tempo. Mentre l'elevata frequenza di commutazione e il principio PWM consentono un buon controllo della macchina e del fattore di potenza, i picchi di tensione elevati e la rapida variazione di tensione du/dt provocano forti sollecitazioni sugli avvolgimenti della macchina, che nel tempo possono danneggiare l'isolamento degli avvolgimenti. Le sezioni seguenti esaminano questo problema in modo più dettagliato da un punto di vista termico, elettrico e meccanico.

Rischio di danni agli avvolgimenti con azionamenti PWM

Considerazioni termiche

Le perdite termiche in una macchina elettrica dipendono dalle condizioni di carico (punto di lavoro) e dalla forma d'alimentazione. Un'alimentazione sinusoidale (ad esempio, da un trasformatore rotante) comporta le perdite più basse, mentre un'alimentazione PWM con impulsi relativamente rapidi comporta le perdite più elevate. L'alimentazione con azionamento in corrente continua controllato da tiristori si colloca tra le due.

L'efficienza complessiva del sistema, tuttavia, migliora significativamente passando da un trasformatore rotante a un PWM, poiché le perdite sul lato alimentazione vengono ridotte. Le perdite aggiuntive dell'alimentazione pulsata sono dovute alle armoniche di corrente e alle maggiori perdite dielettriche dell'isolamento stesso.

Se il margine nel dimensionamento termico della macchina è minimo o nullo, l'aumento della temperatura di esercizio (dovuto a perdite aggiuntive) può ridurre significativamente la durata termica della macchina. L'impatto di queste perdite aggiuntive deve essere attentamente valutato se si intende utilizzare una vecchia macchina con un nuovo azionamento a velocità variabile. Come regola generale, la durata termica del sistema di isolamento si riduce della metà con ogni aumento di temperatura di 8-10 °C.

Considerazioni elettriche

L'alimentazione sinusoidale fornisce l'alimentazione più uniforme per una macchina elettrica e il minimo stress elettrico sull'isolamento. Analogamente alle perdite termiche, la modulazione PWM sollecita l'isolamento, principalmente a causa dell'elevata du/dt degli impulsi, che modifica la distribuzione della tensione negli elementi dell'avvolgimento da lineare (alimentazione sinusoidale) a non lineare (alimentazione pulsata).

Il margine del dimensionamento elettrico determina se l'aumento dello stress elettrico si tradurrà in una riduzione della vita elettrica. Anche se le caratteristiche dell'avvolgimento isolato e la tensione pulsata rimanessero a un livello tale da non causare scariche parziali nell'avvolgimento, l'aumento delle correnti superficiali e dielettriche tende a ridurre la vita elettrica dell'isolamento.

Considerazioni meccaniche

L'alimentazione sinusoidale produce la corrente più sinusoidale all'interno dell'avvolgimento. D'altra parte, l'alimentazione PWM produce un ampio spettro di armoniche di corrente che espongono gli elementi dell'avvolgimento alle armoniche di forza.

A seconda del progetto originale e, in particolare, dell'invecchiamento del sistema di isolamento, il modello di vibrazione degli elementi di avvolgimento può cambiare in modo significativo se l'alimentazione viene modificata (ad esempio, da sinusoidale a PWM o CC controllata da tiristori).

La vibrazione degli elementi di avvolgimento tende a ridurre l'integrità meccanica dell'avvolgimento e, con l'avanzare dell'invecchiamento, provoca l'usura meccanica dell'isolamento nelle fessure e nei punti in cui gli elementi di avvolgimento si sostengono a vicenda.

A lungo termine, l'usura causata dalle vibrazioni può far invecchiare l'isolamento fino a quando le normali sollecitazioni operative non ne causano la rottura, se non vi sono altri fattori, come sollecitazioni termiche o elettriche, che ne determinano la durata.

Ambiente della sala macchine

Nella sala macchine degli ascensori, le spazzole delle macchine a corrente continua producono in genere molta polvere di carbone, a cui si aggiungono piccole particelle metalliche che si staccano dalle funi e dalla puleggia di trazione. Le vecchie macchine a corrente continua presentano in genere strutture molto aperte, il che significa che è facile che polvere e particelle penetrino all'interno della macchina, nel commutatore e negli avvolgimenti. Poiché le particelle di carbone e metallo sono materiali altamente conduttivi, aumentano il rischio di guasti al commutatore o agli avvolgimenti.

La Figura 4 mostra una sala macchine in cui particelle metalliche provenienti dalle funi e dalla puleggia di trazione, nonché polvere di carbone proveniente dalle spazzole della macchina a corrente continua, si sono accumulate sulla parte superiore della macchina. A causa della struttura aperta della macchina, questi materiali sono penetrati, con conseguente elevato rischio di rottura dell'isolamento degli avvolgimenti.

La Figura 5 mostra un'altra macchina a corrente continua con struttura aperta. Anche il commutatore e il meccanismo a spazzole, i componenti più deboli e sensibili di una macchina a corrente continua, potrebbero richiedere lavorazioni meccaniche e riparazioni, operazioni eseguibili solo con utensili speciali.

Il tipo di spazzola influisce in modo significativo sulla qualità del flusso di corrente dalla spazzola all'avvolgimento. A causa dell'elevato livello di usura a cui sono sottoposte, le spazzole devono essere sottoposte a controllo e manutenzione regolari. Con l'usura, le spazzole rilasciano nell'aria polvere di carbone nero che, in molti casi, penetra negli impianti di condizionamento dell'edificio. Se il commutatore inizia a mostrare segni di "bruciatura", deve essere riparato al più presto da un tecnico di manutenzione qualificato.

In alcuni paesi esistono ancora aziende che forniscono servizi di pulizia specializzati per macchine a corrente continua. Per pulire e riparare una macchina a corrente continua, è necessario smontarla in sala macchine. Spesso, durante questo processo, è necessario sostituire anche alcuni avvolgimenti.

L'avvolgimento dell'indotto è in genere il componente più difficile da sostituire e questo lavoro deve essere eseguito in un'officina specializzata. Eliminare il rischio di futuri problemi agli avvolgimenti richiede manutenzione e riparazione specializzate da parte di tecnici esperti con una buona conoscenza delle macchine a corrente continua. Poiché la tecnologia a corrente continua è ormai considerata obsoleta, trovare tecnici con le competenze e l'esperienza necessarie per eseguire il lavoro sta diventando sempre più difficile.

Rischio di danni ai cuscinetti con azionamenti PWM

La Figura 7 mostra un tipico cuscinetto a rulli utilizzato in macchine DC senza riduttore ad alta velocità. La durata tipica dei cuscinetti è di circa 20 anni. Se una macchina ha più o meno questa età, aumenta il rischio che i cuscinetti siano già usurati, anche in condizioni di normale funzionamento.

A causa della loro elevata frequenza di commutazione, i driver a transistor PWM introducono correnti di modo comune, che possono causare danni graduali ai cuscinetti sotto forma di fratture e scanalature.

In molti casi, è molto difficile valutare le effettive condizioni di un cuscinetto senza smontare la macchina. L'unico modo affidabile per valutare le condizioni del cuscinetto senza smontarlo è utilizzare strumenti diagnostici specializzati. Un cuscinetto rumoroso è l'indicazione più comune che il danno si è già verificato ed è un chiaro segnale che è necessaria una riparazione importante e costosa.

Le moderne macchine a corrente alternata sono progettate in modo che la tensione di modo comune che guida le correnti sia trascurabile oppure i cuscinetti sono isolati per impedire il passaggio di correnti nei cuscinetti.

Pulegge di trazione e usura della fune

Anche le pulegge di trazione si usurano e, in molti casi, dovranno essere riparate o addirittura sostituite completamente dopo 15-20 anni. Le cause tipiche dell'usura estesa di questi componenti sono una lubrificazione inadeguata delle funi o una tensione non uniforme delle stesse.

I vecchi ascensori per grattacieli alimentati da macchine a corrente continua sono solitamente collegati tramite funi 1:1 o 2:1 e utilizzano una disposizione a doppio avvolgimento: la fune parte dalla cabina dell'ascensore e arriva alla puleggia di trazione, poi alla puleggia di deviazione (chiamata anche puleggia secondaria), torna dalla puleggia di deviazione alla puleggia di trazione, quindi torna indietro attraverso la puleggia di deviazione fino al contrappeso.

In una configurazione a doppio avvolgimento, le funi si piegano più volte, riducendone la durata. Ogni piegatura consuma anche energia. Gli ascensori moderni ed efficienti dal punto di vista energetico per grattacieli sono alimentati da motori sincroni a corrente alternata (AC PM) e utilizzano una configurazione convenzionale a fune a singolo avvolgimento. Questa configurazione garantisce la massima durata delle funi e può essere adattata come parte di un ammodernamento del sistema di sollevamento.

Requisiti del codice di sicurezza

Le più recenti normative sulla sicurezza degli ascensori richiedono l'adozione di meccanismi per impedire sia il movimento involontario della cabina quando le porte sono aperte, sia l'eccessiva velocità della cabina in salita. Negli ascensori senza ingranaggi, il sistema frenante integrato del sollevatore svolge un ruolo chiave in entrambe queste situazioni. Per quanto riguarda i requisiti del sistema frenante, le moderne normative di sicurezza specificano che debbano essere presenti almeno due freni indipendenti che agiscano e siano monitorati separatamente, siano rapidi e abbiano coppia e capacità sufficienti per arrestare l'ascensore.

In molti casi, i sistemi frenanti delle vecchie macchine a corrente continua non soddisfano questi requisiti e necessitano di costose modifiche o di sistemi frenanti aggiuntivi, come i freni a fune, la cui installazione aumenta ulteriormente la complessità e i costi del sistema.

La Figura 10 mostra un sistema frenante dotato di due bracci frenanti per soddisfare i più recenti requisiti delle normative di sicurezza. Il vecchio sistema a magnete frenante, un sistema a pistone singolo, non avrebbe soddisfatto i più recenti requisiti delle normative, poiché un pistone bloccato avrebbe impedito il funzionamento di entrambi i bracci frenanti. Poiché questi tipi di sistemi sono in genere progetti unici progettati da piccole aziende di riparazione, richiedono un'approvazione speciale da parte delle autorità locali. Inoltre, l'approvvigionamento di pezzi di ricambio diventerà un problema in futuro. In generale, l'implementazione di questo tipo di soluzioni personalizzate non è consigliabile. La sostituzione dell'intera macchina con un'unità moderna garantirà che l'ascensore soddisfi i più recenti requisiti delle normative di sicurezza.

Sintesi

In caso di modernizzazione di vecchi ascensori gearless ad alta velocità con motori di sollevamento a corrente continua, si raccomanda di sostituire la macchina e il relativo azionamento con una moderna macchina a magneti permanenti e un azionamento a corrente alternata. Un sistema modernizzato in questo modo ridurrà al minimo i rischi per la sicurezza, sarà conforme ai requisiti delle più recenti normative di sicurezza e migliorerà significativamente l'efficienza energetica e il comfort di marcia dell'ascensore.

Referenze
[1] Polka, Dave. Macchine e azionamenti: una guida pratica alla tecnologia; (2003), p. 81; ISA67, Carolina del Nord.
[2] Video di YouTube di McIntosh Industries, Inc.: youtu.be/V8xeOq0yXAs.