Strumenti per il debug e la diagnosi del sistema di ascensori

Una panoramica dei sistemi utilizzati negli impianti elettrici degli ascensori e degli strumenti utili che aiutano a risolverli

Un analizzatore di spettro assomiglia al più familiare oscilloscopio, ma presenta notevoli differenze. Entrambi sono molto utili nella manutenzione degli ascensori e nello sviluppo di prodotti. La differenza sostanziale è che l'oscilloscopio è ottimizzato per visualizzare i segnali elettrici applicati agli ingressi nel dominio del tempo, mentre l'analizzatore di spettro visualizza i segnali esclusivamente nel dominio della frequenza (Figure 1 e 2).

Nel dominio del tempo, una forma d'onda viene rappresentata graficamente in coordinate cartesiane. L'asse X è definito in unità di tempo (solitamente secondi o frazioni di secondi), mentre l'asse Y è definito in volt o frazioni di volt. La traccia visualizzata sullo schermo dell'oscilloscopio ci indica l'ampiezza istantanea del segnale in qualsiasi istante.

Il dominio della frequenza è anch'esso un grafico del segnale visualizzato in coordinate cartesiane. Tuttavia, questo stesso segnale ha un aspetto sorprendentemente diverso, dovuto esclusivamente al fatto che l'asse X è definito in termini di frequenza, anziché di tempo. (In matematica, il termine "dominio" si applica alla variabile indipendente, che, per convenzione, è rappresentata sull'asse X orizzontale. Il termine "intervallo" si applica alla variabile dipendente, che, per convenzione, è rappresentata sull'asse Y verticale. Si inserisce la variabile indipendente in un'equazione, si applica la funzione e la variabile dipendente appare in output.)

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
♦ Strumenti di prova e misurazione per la risoluzione dei problemi degli ascensori
♦ Vantaggi di un analizzatore di spettro basato su PC.
♦ Differenze tra domini del tempo e della frequenza.
♦ Struttura di un VFD.
♦ Come viene utilizzato il PWM per controllare la velocità di un motore a induzione CA.

Nel dominio della frequenza, l'ampiezza viene rappresentata lungo l'asse Y, come nel dominio del tempo. Una differenza è che, nel dominio della frequenza, l'ampiezza viene visualizzata in unità di potenza (il prodotto di tensione e corrente), anziché in volt. Inoltre, la scala predefinita è logaritmica, anziché lineare, accorciando l'estremità superiore della scala in modo da poter visualizzare i picchi più alti, mentre i dettagli maggiori vengono mostrati all'estremità inferiore. Le unità logaritmiche, di conseguenza, sono i decibel. Ogni unità rappresenta un aumento di ampiezza di dieci volte. Questo è il modo in cui vediamo la luce e sentiamo il suono.

La maggior parte degli oscilloscopi digitali odierni è in grado di visualizzare segnali sia nel dominio della frequenza che in quello del tempo. Questo avviene applicando la Trasformata di Fourier Rapida (FFT) al segnale nel dominio del tempo. Questa operazione richiede un insieme di algoritmi matematicamente complessi, ma l'utente può implementarla semplicemente premendo due pulsanti in sequenza: "Math" e "FFT".

La visualizzazione nel dominio della frequenza mostra la distribuzione spettrale di tutte le componenti del segnale. Un'onda sinusoidale perfetta non ha armoniche, quindi tutto ciò che si vede è un singolo picco alto che rappresenta la fondamentale. Un segnale che non è un'onda sinusoidale è anch'esso composto da una fondamentale forte. Tuttavia, questa fondamentale è accompagnata da una serie di armoniche che appaiono nel dominio della frequenza come picchi aggiuntivi con ampiezze che diminuiscono man mano che le armoniche si allontanano in frequenza dalla fondamentale.

Il dominio della frequenza, così come visualizzato dall'oscilloscopio, è in un certo senso un aspetto secondario. Come affermato in precedenza, un oscilloscopio è ottimizzato per visualizzare i segnali nel dominio del tempo. È utile visualizzare un segnale nel dominio della frequenza, ma i tecnici più esperti si accontentano solo di un analizzatore di spettro davvero straordinario. Questo perché offre un intervallo di frequenza potenzialmente più ampio con una risoluzione maggiore, una risposta più rapida e diverse funzionalità avanzate che consentono all'utente di estrarre dati estesi non disponibili nell'oscilloscopio.

L'analizzatore di spettro è estremamente utile nella manutenzione degli ascensori e nello sviluppo dei prodotti, in particolare quando si tratta di esaminare circuiti digitali e linee di trasmissione, in particolare il bus CAN, ampiamente utilizzato nel controller di movimento e nella sua interazione con i numerosi sensori e letture dell'ascensore, e il segnale di modulazione di larghezza di impulso (PWM) che controlla la sezione inverter del convertitore di frequenza variabile (VFD), che regola la velocità e la coppia di un motore a induzione CA.

Tuttavia, l'utilizzo di un analizzatore di spettro presenta due problemi. Innanzitutto, dobbiamo riconoscere che questo strumento ha una curva di apprendimento piuttosto ripida. I comandi, inizialmente, non risultano familiari all'utente; le letture hanno nomi e unità di misura insoliti; e i menu interagiscono con il display in modi che risultano poco chiari e, a prima vista, poco intuitivi. Anche solo imparare a centrare il display può essere una sfida. Ma, dopo alcuni giorni di lettura della documentazione e di pratica su diverse forme d'onda, il tutto inizia ad avere senso e, alla fine, diventa familiare.

L'altro aspetto problematico dell'analizzatore di spettro è il prezzo. La triste realtà è che gli analizzatori di spettro sono sostanzialmente più costosi degli oscilloscopi digitali. Uno strumento di fascia media può arrivare a costare quasi 50,000 dollari, cifra accettabile per la National Aeronautics and Space Administration e l'Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, ma non per i tecnici che non lavorano in un laboratorio avanzato o in un impianto di produzione.

Di recente, il divario di prezzo si è colmato, anzi, si è addirittura invertito. Tektronix ha introdotto un analizzatore di spettro basato su PC che si collega tramite USB a un PC fornito dall'utente. Poiché quasi tutti sul pianeta possiedono o hanno accesso a un PC, il costo del computer non deve essere un fattore determinante. L'analizzatore di spettro basato su PC Tektronix RSA306B può essere acquistato per meno di 4,000 dollari.

Il produttore fornisce anche SignalVu-PC, un software scaricabile dal sito web o disponibile su chiavetta USB, che, una volta installato sul computer dell'utente, consente di visualizzare i segnali del modulo nel dominio della frequenza in un'interfaccia a schermo elaborata e completamente interattiva. È disponibile anche una scheda Demo Three ad alte prestazioni che fornisce una serie di segnali progettati per consentire all'utente di essere subito operativo e pronto a impegnarsi in progetti di risoluzione dei problemi e debugging di grandi dimensioni.

La risoluzione dei problemi degli ascensori è principalmente un'attività elettrica/elettronica. Sebbene sia vero che il malfunzionamento delle apparecchiature possa essere puramente meccanico, come nel caso di una porta che si blocca e non si chiude correttamente, la maggior parte dei guasti è puramente elettrica o presenta una componente elettrica di elevata potenza. Questi possono essere suddivisi in due categorie, in base al livello di tensione. Il motore dell'ascensore richiede una corrente di esercizio relativamente elevata, che viene erogata in modo più efficiente da un alimentatore trifase ad alta tensione. Sono ancora in servizio molti motori a corrente continua obsoleti e, in caso di revisione di un ascensore, spesso ha senso mantenere il sistema a corrente continua, che richiede solo un semplice raddrizzatore per funzionare in modo fluido ed efficiente, mentre la manutenzione principale consiste nella sostituzione periodica delle spazzole. Le nuove installazioni e la maggior parte delle ristrutturazioni, tuttavia, scelgono il motore a induzione trifase più economico, alimentato da un VFD (Figura 3), che spesso si trova, insieme al controller di movimento, in un involucro in acciaio a tutta altezza nella sala macchine.

Il VFD è costituito da due sezioni collegate da quello che è noto come bus CC. All'ingresso si trova la sezione raddrizzatore, composta da sei diodi che costituiscono un raddrizzatore a onda intera. Ciascuna delle tre gambe (L1, L2 e L3) è collegata al punto medio di una coppia di diodi. Le uscite di queste tre coppie di condensatori elettrolitici sono collegate ai lati positivo (+Vdc) e negativo (-Vdc) del bus CC dopo il filtro CC e il buffer, che rimuovono l'ondulazione CA per creare una corrente continua pura.

Un modo sicuro per misurare tensioni che fluttuano al di sopra del potenziale di terra ma sono riferite a terra è tramite una sonda differenziale. Si noti che il punto centrale, definito dai due condensatori che formano un partitore di tensione, è collegato a terra. Questo è molto importante, perché significa che le linee CC positiva e negativa che costituiscono il bus CC sono entrambe collegate a terra ma fluttuano al di sopra del potenziale di terra. Nessuna delle due è collegata a terra. Di conseguenza, se un oscilloscopio da banco convenzionale con un cavo di riferimento a terra come parte della sonda viene collegato al bus CC, si verificherà un grave guasto a terra, si genereranno scintille e l'oscilloscopio e il VFD potrebbero danneggiarsi.

Seguiranno metodi sicuri per misurare questa tensione. Innanzitutto, proseguendo lungo il percorso della corrente verso il motore, bisogna dire che la tensione sul bus CC è superiore alla tensione CA alimentata al raddrizzatore all'ingresso del VFD. La ragione di questo fenomeno sconcertante è che l'uscita CC di un raddrizzatore a onda intera non si riferisce all'ingresso CA RMS, ma piuttosto alla tensione picco-picco di quella forma d'onda. Di conseguenza, per il VFD trifase da 480 V tipico delle installazioni di ascensori, la tensione a entrambe le estremità del bus CC è 1.414 volte la tensione di linea, quindi misura un valore molto vicino a 678 V CC.

La sezione inverter finale del VFD è un'immagine speculare della sezione raddrizzatore frontale per quanto riguarda la disposizione dei componenti, ma i componenti sono diversi. Invece dei sei diodi che compongono il raddrizzatore a onda intera, i componenti essenziali nella sezione inverter sono transistor bipolari a gate isolato.

Nella sezione raddrizzatore, la potenza di rete sinusoidale trifase viene combinata, raddrizzata e filtrata per generare corrente continua bipolare, come richiesto dai sei ingressi di alimentazione a semiconduttore. Come nei tipici transistor, sono presenti anche sei ingressi di segnale (non mostrati nello schema per chiarezza) su questi semiconduttori di commutazione. Questi dispositivi possono alimentare carichi da 500 CV. Il segnale PWM a bassa tensione proveniente dall'interfaccia utente remota e/o dal controller automatico provoca l'accensione e lo spegnimento dei semiconduttori in sequenza di fase per creare un impulso trifase, la cui ampiezza viene modulata per controllare la velocità del motore. Questa energia ad alta tensione e alta corrente viene convogliata al motore tramite un cablaggio appropriato.

Per alimentare un ascensore, un motore a corrente alternata deve essere in grado di invertire la direzione di marcia e, per un motore trifase, questo è abbastanza semplice. Mediante un'adeguata commutazione, manuale o automatica, due qualsiasi delle tre gambe vengono invertite. Tuttavia, una buona installazione di un ascensore richiede anche un controllo della velocità fluido e affidabile. Ad esempio, quando la cabina si avvicina a un piano, i giri del motore vengono ridotti in modo che i passeggeri non vengano scossi da un arresto brusco. Inoltre, la cabina deve muoversi lentamente in modalità ispezione.

Nell'immaginario collettivo, un grande reostato viene azionato per ridurre la tensione e rallentare il motore. Questo espediente non è soddisfacente per un motore a induzione CA. A tensione inferiore a quella nominale, gli avvolgimenti del motore CA diventano elementi riscaldanti. Il motore viene rallentato, ma questo metodo rudimentale sollecita notevolmente gli avvolgimenti e l'isolamento del motore, riducendone la durata utile.

Per decenni, dopo che Nikola Tesla e George Westinghouse, alla fine del XIX secolo, introdussero il motore a induzione ad alta efficienza, il motore a corrente continua, con il suo raddrizzatore e la manutenzione del commutatore a spazzole, fu mantenuto negli ascensori e in applicazioni sensibili simili. Questo metodo funzionò, ma la combinazione VFD/motore a induzione, molto più economica, descritta sopra, fu introdotta all'inizio degli anni '19 e da allora ha dominato il mercato mondiale ovunque il controllo della velocità sia un fattore determinante.

Il VFD può variare la velocità di un motore a induzione CA sintetizzando un'onda quadra con un duty cycle variabile. Anziché regolare la tensione applicata, viene regolato il duty cycle, ovvero la percentuale di tempo in cui l'impulso è alto. In questo modo, è possibile variare la potenza erogata al motore per controllarne la velocità senza generare calore eccessivo. Il motore può navigare al di sotto o al di sopra della velocità nominale senza problemi, purché vengano rispettati i vincoli di raffreddamento e dei cuscinetti. (Se gira più lentamente, potrebbe essere necessaria una ventola più grande.)

La variazione del ciclo di lavoro è nota come PWM. Un segnale PWM a bassa tensione viene generato da un'interfaccia operatore remota che, in un impianto di ascensore, può essere decentralizzata e consiste in pulsanti di chiamata, sensori e simili integrati con un controller di movimento. Tramite circuiti digitali, il segnale di controllo PWM può essere sintetizzato con uno dei seguenti metodi:

• Il metodo intersezionale utilizza una forma d'onda triangolare, facilmente sintetizzabile da un oscillatore, in combinazione con un comparatore. Il segnale desiderato viene confrontato con la forma d'onda triangolare. Quando supera la forma d'onda triangolare, si crea uno stato logico alto. Quando è inferiore, il risultato è uno stato logico basso. Questo è il segnale PWM digitale.
• Nel metodo di modulazione delta, il segnale desiderato viene integrato e confrontato con i limiti del segnale di riferimento. Il PWM cambia stato a questi livelli di riferimento.
• Nel metodo delta-sigma, viene stabilito un segnale di riferimento, quindi il segnale di uscita viene sottratto da esso. Il segnale di errore così formato viene integrato e, quando questo segnale supera i limiti, il segnale PWM passa da logico alto a logico basso o da logico basso ad logico alto.
• La modulazione spaziale vettoriale viene utilizzata nei VFD trifase. Un segnale di riferimento viene campionato a intervalli uniformi. Quindi, il segnale di riferimento viene sintetizzato come media di vettori selezionati come frazioni del periodo di campionamento.
• Il controllo diretto della coppia è un altro metodo per regolare i motori a corrente alternata. La coppia del motore e il flusso magnetico rimangono entro i limiti di isteresi, poiché i semiconduttori del dispositivo vengono attivati ​​quando necessario.
• Nel metodo di proporzionamento temporale, un contatore si attiva e viene azzerato al termine di ogni ciclo PWM. L'uscita cambia stato.

Una buona risoluzione si ottiene utilizzando un contatore ad alta velocità.

Il segnale modulante è non lineare, e questo dà origine a una larghezza di banda infinita nel segnale PWM, che viene trasmesso al VFD. Se il comportamento del motore è irregolare, è necessario verificare il segnale di controllo. La velocità di rotazione di un motore a induzione dipende da due parametri (il numero di poli e la frequenza della corrente alternata applicata in ingresso), oltre al carico.

Come in qualsiasi motore a corrente alternata, in un motore a induzione controllato da un VFD, l'aumento di temperatura è determinato dalla corrente che attraversa gli avvolgimenti. Quando la frequenza viene ridotta, anche la tensione in ingresso deve essere ridotta per limitare la corrente.

Un VFD manterrà un rapporto volt/hertz uniforme a qualsiasi frequenza. Di conseguenza, le caratteristiche PWM includono una tensione inferiore creata da impulsi più stretti e più numerosi durante un dato intervallo di tempo. Al contrario, una tensione più elevata viene creata da un numero inferiore di impulsi più distanziati. Come accennato in precedenza, la tensione applicata è prossima a un'onda quadra, ma la corrente che attraversa il motore assomiglia più a un'onda sinusoidale. Questa condizione necessaria è dovuta alla natura induttiva del carico.

La risoluzione dei problemi degli ascensori è principalmente un'attività elettrica/elettronica.

Uno sviluppo relativamente recente nel continuo progresso dell'innovazione tecnologica nel settore degli ascensori è stata l'introduzione del bus CAN come mezzo di comunicazione tra sottosistemi. Come in ogni interattività digitale, la strategia vincente per il debug di nuove apparecchiature e la diagnosi di quelle esistenti consiste nel comprendere il funzionamento di questi bus di comunicazione, in modo da poterne valutare l'efficacia.

Innanzitutto, dobbiamo considerare con precisione cosa, nell'elaborazione dati, costituisca un bus. Nel tradizionale ambiente di lavoro di un elettricista, un bus è un conduttore pesante in grado di trasportare molta corrente, spesso a tensione elevata. Il bus è tipicamente posizionato all'interno di un involucro di servizio, fissato rigidamente su supporti isolanti. Poiché non è isolato (o, più propriamente, è isolato dall'aria che lo circonda), un bus può essere più compatto di un cavo della stessa portata, risparmiando così costi e spazio prezioso all'interno dell'involucro. Nella comunicazione digitale, essenziale in tutti gli impianti di ascensori, tranne quelli più piccoli, "bus" ha un significato un po' più ampio, descrivendo l'intero mezzo, inclusi cavi, dispositivi e software.

I bus possono essere paralleli o seriali, con un numero inferiore di conduttori. I sistemi bus seriali sono meno costosi da implementare, ma richiedono maggiori conoscenze e competenze per il debug e la diagnosi. Il CAN bus è un bus seriale introdotto da Bosch nel 1983. Il suo scopo era sostituire il cablaggio automobilistico con un sistema digitale di bordo che collegasse componenti e sistemi per veicoli a motore in modo da promuovere efficienza, risparmio e sicurezza. Ha avuto un enorme successo ed è oggi utilizzato in tutto il mondo su automobili, camion e trattori.

Il bus CAN si diffuse rapidamente in numerose applicazioni meccaniche e industriali, tra cui la tecnologia degli ascensori, dove si dimostrò rapidamente idoneo grazie alla sua economicità, all'immunità ai disturbi e all'affidabilità in ambienti critici. Funziona bene nella tecnologia degli ascensori, soprattutto nelle installazioni di gruppo. I cavi mobili sono necessari per trasportare una modesta quantità di energia per l'azionamento delle porte, le luci all'interno della cabina, ecc. Inoltre, i cavi seriali del bus CAN vengono trasportati alla cabina in movimento e, a volte, questi cavi, comprese le terminazioni, devono essere controllati durante il debug e la diagnosi.

Considerando i conduttori ad alta potenza e i dispositivi di controllo per i motori degli ascensori, oltre all'ingente quantità di cavi di controllo seriali CAN bus, tecnici e ingegneri devono eseguire un'ingente quantità di test e misurazioni. Quando si tratta di diagnosi e riparazione di ascensori, ovviamente, il tempo è essenziale.

Nella manutenzione degli ascensori e nella mitigazione dei guasti, due aree sono fondamentali. La prima è la documentazione. In un sistema complesso, sono necessari manuali di manutenzione con diagrammi a blocchi e schemi completi per comprendere la grande quantità di cavi e circuiti stampati che ne consentono il funzionamento. In secondo luogo, i tecnici necessitano di una gamma completa di apparecchiature di prova e misurazione per verificare la qualità dell'alimentazione e l'integrità della segnalazione digitale negli attuali e complessi sistemi elettrici.

È importante rendersi conto che è necessaria una vasta gamma di strumentazione. Per quanto riguarda il flusso di potenza al/i motore/i, dobbiamo renderci conto che un singolo strumento, come un oscilloscopio o un multimetro, non sarà sufficiente per misurare tensioni e correnti. Un multimetro, un analizzatore di spettro, una pinza amperometrica e un oscilloscopio portatile con ingressi isolati (da terra e tra loro) sono necessari solo per iniziare. Analogamente, nel dominio digitale, gli analizzatori di protocollo e di bus sono preziosi, ma prima di iniziare il tracciamento del segnale digitale, è meglio effettuare misurazioni analogiche convenzionali di impulsi digitali per determinare se vi sia rumore eccessivo sugli impulsi logici alti, che impedirebbe una corretta riproduzione al ricevitore.

Nella risoluzione dei problemi digitali, semplici strumenti di misurazione come la sonda logica e il multimetro possono rivelare informazioni che verrebbero perse in un'analisi del protocollo su larga scala, che dovrebbe essere effettuata dopo aver completato le misurazioni preliminari più semplici.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Usa le seguenti domande sul rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com o a pag. 117 di questo fascicolo.
♦ Qual è la differenza tra un bus seriale e uno parallelo?
♦ Perché il bus CAN è superiore al cablaggio tradizionale in luoghi sensibili?
♦ Qual è il ruolo della strumentazione analogica nelle misurazioni digitali?
♦ Quali sono le somiglianze tra le sezioni raddrizzatore e inverter in un VFD?
♦ Perché l'uscita di un raddrizzatore a onda intera è maggiore dell'ingresso CA?