Forme d'onda, un piccolo Trig e progettazione e riparazione dell'elevatore

Apprezzare e comprendere le forme d'onda applicabili al lavoro in ascensore

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La maggior parte dei progettisti e dei tecnici di ascensori sa esattamente cos'è una forma d'onda, ma quanti possono definire una funzione trigonometrica? In realtà, sono la stessa cosa. La forma d'onda è nel linguaggio dell'ingegnere elettronico, mentre il matematico dice funzione trigonometrica. Non approfondiremo troppo la parte trigonometrica, ma una panoramica fornirà un contesto per apprezzare e comprendere le forme d'onda applicabili al lavoro in ascensore.

Innanzitutto, cos'è una forma d'onda? Decisamente, non è un'immagine realistica di un suono oscillante o di un'onda di energia elettromagnetica, che invece consiste in cambiamenti di densità nella pressione atmosferica per un'onda sonora, o cambiamenti di configurazione polare nello spazio per un'onda elettromagnetica. Una forma d'onda, al contrario, è un grafico di ampiezza istantanea mostrato in coordinate cartesiane, così chiamato perché il suo inventore, René Descartes, scrisse sotto il suo nome latino, Cartesius. Nella versione più familiare, nota come dominio del tempo, la variabile indipendente, il tempo, viene tracciata rispetto all'asse X orizzontale in unità di secondi o frazioni di esso, mentre l'ampiezza, la variabile dipendente, viene rappresentata in volt rispetto all'asse Y verticale. asse. (La variabile dipendente dipende sempre dalla variabile indipendente. Sarebbe strano se il tempo dipendesse dall'ampiezza.)

Una versione meno familiare ma ugualmente realistica della stessa forma d'onda sinusoidale viene mostrata nel dominio della frequenza in un analizzatore di spettro o in un oscilloscopio con funzionalità Fast Fourier Transform (FFT).

Qui la frequenza è la variabile indipendente. Viene tracciato in Hertz (precedentemente cicli al secondo) rispetto all'asse X orizzontale. Come nel dominio del tempo, l'ampiezza viene tracciata rispetto all'asse Y verticale, ora in unità di potenza o decibel anziché in volt. La linea irregolare in basso, in cui le rapide fluttuazioni non sono visibili in questa fotografia fissa, è il rumore di fondo. Al di sotto di esso non è possibile accedere a nessuna informazione. Questa onda sinusoidale pura non genera armoniche, ad eccezione della prima armonica, altrimenti nota come fondamentale.

Queste rappresentazioni grafiche non sono ciò che sembrano i cambiamenti nell'aria o nella densità spettrale, ma le immagini sono molto utili per gli ingegneri degli ascensori nel corso del loro lavoro, come vedremo. 

Innanzitutto, qualche ulteriore retroscena: cos'è tutta questa roba sulle funzioni trigonometriche? Come affermato sopra, questo è nel linguaggio del matematico. La trigonometria è essenzialmente lo studio della misurazione dei triangoli, in particolare dei triangoli rettangoli. Gli ingegneri dei vecchi tempi portavano libri tascabili contenenti rapporti trigonometrici (seno, coseno, tangente, secante, cosecante, cotangente). Cercherebbero il rapporto trigonometrico associato a qualsiasi angolo θ (lettera greca theta). Da ciò, dati due lati qualsiasi, opposti o adiacenti, potevano calcolare la lunghezza dell'ipotenusa, o data la lunghezza dell'ipotenusa e di un lato, potevano calcolare l'altro lato. In questi calcoli veniva normalmente utilizzato un regolo calcolatore. Oggi, nell'era della calcolatrice scientifica portatile, le tavole trigonometriche non servono e tutti i calcoli sono istantanei.

Per aiutare a comprendere le funzioni trigonometriche in relazione alle forme d'onda, questo diagramma è utile:

I tre lati di un triangolo rettangolo sono:

• Ipotenusa - Il lato che va dall'angolo θ al cerchio, formandone il raggio

• Opposto - Il lato opposto all'angolo θ

• Adiacente - Il lato adiacente all'angolo θ, ma non l'ipotenusa

Le funzioni trigonometriche più importanti sono il seno dell'angolo θ, che è il rapporto tra la lunghezza dell'opposto sull'ipotenusa, e il coseno dell'angolo θ, che è la lunghezza del lato adiacente sull'ipotenusa.

Il cerchio è un altro modo per rappresentare una forma d'onda. Quando l'ipotenusa ruota in senso antiorario, l'angolo aumenta. Il lato opposto si allunga e il lato adiacente si accorcia. Questo continua fino a quando il lato opposto e l'ipotenusa diventano verticali, a quel punto il lato opposto è massimo. (L'ipotenusa non cambia mai, a meno che non cambi l'ampiezza del segnale). 

A questo punto, il tasso di variazione della lunghezza del lato opposto è minimo, fino a quando l'ipotenusa coincide con la linea orizzontale, quando è massimo.

Ora, torna alla figura 1, che mostra l'onda sinusoidale nel dominio del tempo. Si noti ancora che la velocità di variazione è minima quando la curva raggiunge i picchi positivi e negativi dell'ampiezza istantanea del segnale, e la velocità di variazione è massima quando l'ampiezza istantanea è minima, cioè quando attraversa l'asse X. Questa è la caratteristica essenziale dell'onda sinusoidale così come molti fenomeni naturali e creati dall'uomo che si conformano all'onda sinusoidale. Un esempio è il pendolo. Si ferma completamente nel suo punto più alto, poi ricomincia ad accelerare.

Il comportamento caratteristico dell'onda sinusoidale è quantificato in alcune equazioni rilevanti: La lunghezza d'onda è il reciproco della frequenza, come in questa equazione: f = 1 /T; where f = frequenza in Hertz (precedentemente cicli al secondo), T = periodo, che è il tempo necessario al segnale per completare un ciclo.

La frequenza angolare, indicata con ω (greco omega), è il tasso di variazione dello spostamento angolare θ come in queste equazioni:

Y (t) = sinθt = sin(ωt) = peccato(2πft) e dθ/dt =ω = 2πf

Frequenza angolare = radianti/s, che è 2π X Hertz.

Inoltre f =v/λ; dove v = velocità di fase e λ = lunghezza d'onda.

Per un'onda elettromagnetica che si muove nel vuoto:

f =  C/λ; dove C è la velocità della luce nel vuoto.

(La luce in realtà non viaggia a C. Si avvicina a quella velocità nel vuoto. In qualsiasi altro mezzo trasparente, viaggia a una frazione di C, che è responsabile del fenomeno della rifrazione.)

Gli ascensori moderni sono alimentati quasi esclusivamente da motori elettrici, ma questo è diventato realtà lentamente. I primi ascensori erano probabilmente funi e ceste, che salivano all'esterno degli edifici e venivano alimentati da animali su un tapis roulant. Il diciannovesimo secolo fu testimone di una crescita industriale in continua accelerazione e, specialmente nelle città in cui lo spazio era prezioso, gli edifici aumentarono. Gli ingegneri hanno cercato modi per sollevare lavoratori e materiali al di sopra dei tradizionali tre piani. Uno sviluppo importante fu la forza del vapore e talvolta l'idraulica, che a quel tempo significava acqua.

Quando Edison, Tesla e Westinghouse sono apparsi sulla scena, l'energia elettrica per gli ascensori è diventata una realtà. Westinghouse ha investito molto nella nuova tecnologia polifase di Tesla, con motori facilmente reversibili, ma solo il motore CC di Edison era veramente adatto. Era anche facilmente reversibile, semplicemente cambiando la polarità, ma il motore CC era di gran lunga superiore nelle applicazioni per ascensori perché la velocità poteva essere controllata senza surriscaldare un motore CA, semplicemente riducendo la tensione. Il controllo regolare della velocità in un ascensore è assolutamente essenziale. La vettura deve rallentare gradualmente prima di fermarsi ad ogni piano per evitare di sobbalzare i passeggeri. Inoltre, l'auto deve muoversi a velocità ridotta mentre è in modalità ispezione durante le riparazioni e talvolta per le operazioni antincendio. Il motore a induzione polifase di Tesla non poteva fare nulla di tutto ciò e, per questo motivo, i motori CC sono stati utilizzati esclusivamente nelle applicazioni per ascensori fino agli anni '1960, con l'introduzione dell'azionamento a frequenza variabile (VFD), che ha consentito il controllo della velocità e della coppia di motori trifase. motori asincroni.

La persona della strada probabilmente crede che il funzionamento di un motore CC da un'alimentazione CA richiederebbe apparecchiature ausiliarie elaborate, ma in realtà un semplice raddrizzatore non è un grosso problema, dato che alla fine potrebbe essere necessario sostituire diodi e condensatori. C'è anche la questione della sostituzione delle spazzole e del possibile funzionamento del commutatore nel motore CC, ma nel complesso è duraturo e funziona senza intoppi. Infatti, durante la revisione dell'ascensore, il motore DC con raddrizzatore viene spesso trattenuto se funziona bene.

Tuttavia, il motore AC con VFD presenta molti vantaggi e viene utilizzato in tutte le nuove costruzioni, sia per i sistemi di trazione che per gli ascensori idraulici.

I motori VFD e CA sono generalmente offerti come pacchetto, ma è concepibile che possa essere utilizzato un motore a induzione CA standard. Tuttavia, per il funzionamento a velocità diverse da quella nominale, è necessario prendere in considerazione cuscinetti e raffreddamento migliorati.

Quando un sistema di ascensore non funziona come previsto, spesso è il motore o il sistema di controllo ad essere difettoso. Le tecniche diagnostiche standard di solito sono sufficienti per determinare se il guasto si trova in una di queste aree. È più spesso nel motore perché è lì che si trovano le parti in movimento ed è dove si genera più calore.

Se il motore è ancora in grado di funzionare sotto carico, un buon modo per iniziare è utilizzare la termocamera Fluke o un dispositivo equivalente per controllare il motore e il sistema di azionamento, comprese le terminazioni di alimentazione per il surriscaldamento.

Nella diagnosi di un sistema motore/azionamento, iniziare con l'alimentazione. Di solito, il motore si trova in una sala macchine dell'ascensore adiacente alla parte inferiore del vano e della fossa. Un'installazione conforme avrà un sezionatore elettrico in un involucro metallico situato in vista del motore. Questa disconnessione dovrebbe essere etichettata e può anche essere identificata dai grandi conduttori di alimentazione che corrono (in un condotto) dall'esterno della sala macchine. Dal sezionatore, i conduttori di uscita, anch'essi in canalina, corrono attraverso il controller di movimento e VFD fino al motore. Tutte queste terminazioni devono essere controllate per rilevare eventuali aumenti di temperatura insoliti, utilizzando la termocamera.

L'alimentazione al motore può essere interrotta in corrispondenza dell'interruttore nell'armadio di sezionamento. I capicorda superiori (di ingresso) saranno ancora attivi e potranno essere verificati l'integrità della forma d'onda, la tensione e la corrente, compreso il bilanciamento di fase. La corrente può essere verificata solo con il motore in funzione a pieno carico. I requisiti elettrici del motore (spesso circa 30 HP) possono essere trifase, 480 V o superiore, quindi è necessaria estrema cautela nell'effettuare misurazioni elettriche. I pericoli sono scosse elettriche dovute all'alta tensione e scoppi d'arco dovuti a un cortocircuito fase-fase o fase-terra.

Anche un pavimento in cemento asciutto può avere un forte potenziale del terreno, soprattutto se contiene armature incollate. È meglio stendere un tappetino di gomma spesso e asciutto dove starai. Gli stivali isolati e asciutti sono prudenti, ma non ci si può fare affidamento perché potrebbero avere una fessura invisibile o una perforazione che trattiene l'umidità che creerebbe un percorso conduttivo per la corrente verso terra. Anche i guanti ad alta tensione (disponibili su Amazon) sono una buona protezione.

L'arco elettrico è un diverso tipo di pericolo. Qui, l'essere umano non è esposto a shock, ma piuttosto a un cortocircuito a bassa impedenza, risultante, ad esempio, da uno strumento di metallo caduto o da un cacciavite scivolato che collega le alette a diversi potenziali e fa vaporizzare lo strumento con forza esplosiva, spruzzando lo sfortunato lavoratore con metallo fuso. Ulteriori precauzioni dovrebbero quindi includere un casco e una visiera. Le sonde del multimetro devono essere del tipo ad alta tensione con barriere rialzate per evitare che le dita entrino in contatto con terminazioni sotto tensione. Queste precauzioni dovrebbero essere sempre presenti quando si effettuano misurazioni di potenza dall'ingresso del sezionatore ai terminali del motore.

In molti casi, un VFD è dotato di una lettura che visualizza i codici di errore. Questi saranno elencati nella documentazione del produttore insieme ai rimedi suggeriti. Il codice di errore F4, ad esempio, può significare che l'azionamento sta rilevando una condizione di sottotensione, spegnendolo. Il guasto può essere nell'azionamento, nel motore o nella tensione di alimentazione.

In tutti i casi, un multimetro digitale deve essere utilizzato all'interno della sua tensione nominale. Per le letture della corrente, lo strumento preferito è un amperometro a pinza senza contatto. È possibile che la tensione e la corrente risultino normali, ma altri tipi di distorsione della forma d'onda potrebbero rappresentare un problema.

Dopo aver misurato la tensione e la corrente alla disconnessione, possono essere controllate in vari punti del VFD. Consultare la documentazione del produttore per i valori normali.

La prossima cosa da guardare è il bus DC. In realtà dovrebbe essere più alto dell'alimentazione CA picco-picco. Com'è possibile? La risposta è che la tensione del bus CC è l'uscita di un raddrizzatore a onda intera. Se la tensione del bus CC è inferiore all'ideale, guardare indietro ai diodi e ai condensatori nella sezione del raddrizzatore. Un'altra anomalia nel bus CC è l'eccessiva ondulazione CA. Il multimetro dovrebbe rivelare un'ondulazione quando lo strumento è impostato su volt CA. Un'indicazione più definitiva è fornita dall'oscilloscopio. A questo punto, è opportuno tornare al sezionatore e seguire il percorso trifase fino al motore, osservando ogni punto di prova utilizzando l'oscilloscopio.

Prima di iniziare le misurazioni con l'oscilloscopio, è importante rendersi conto che l'oscilloscopio da banco standard non deve essere utilizzato per esaminare l'alimentazione trifase, il bus CC o le terminazioni del motore. Se questo tipo di oscilloscopio viene utilizzato per queste misurazioni e il conduttore di ritorno a terra è collegato a un filo o terminale alimentato da una tensione che fa riferimento e fluttua al di sopra del potenziale di terra, si verificherà un cortocircuito a bassa impedenza attraverso il circuito derivato dell'impianto alla terra dell'impianto a servizio. Se sei fortunato, il cavo di ritorno a terra leggero fungerà da fusibile, bruciandosi e interrompendo la corrente di guasto. Altrimenti, c'è la possibilità di danneggiare l'oscilloscopio e/o il VFD.

Una soluzione consiste nell'utilizzare un set di sonde differenziali, ma sono molto costose e potrebbero non essere disponibili. Una risposta più praticabile consiste nell'utilizzare un oscilloscopio portatile alimentato a batteria che funziona entro i limiti del suo valore nominale con tutti i canali isolati da terra e isolati l'uno dall'altro. Verificare questo dettaglio nel manuale dell'operatore.

Per controllare un'alimentazione o un circuito trifase, collegare il cavo di ritorno a terra al terminale neutro e misurare i tre singoli conduttori di fase, con e senza carico. Queste fasi dovrebbero avere sostanzialmente la stessa tensione, entro il 3% senza carico. Se una fase è inferiore alle altre due, è possibile che qualcuno in un'altra parte dell'edificio stia intercettando un carico monofase. Con il motore collegato, non è insolito avere una gamba più bassa del 5% rispetto alle altre. Lo squilibrio di corrente può essere un po' più alto. A volte lo squilibrio di tensione è il risultato cumulativo dello squilibrio del motore e della linea: due misurazioni basse che interessano la stessa fase. In questo caso, la rotazione delle connessioni in ingresso o in uscita senza invertire la rotazione (spostare A in B, B in C e C in A) può alleviare lo squilibrio. Utilizzando queste e altre tecniche simili, dovrebbe essere possibile individuare un guasto di linea o VFD, oppure isolarlo dal motore, nel qual caso potrebbe essere indicata la ricostruzione o la sostituzione del motore. Tutto ciò presupponendo che il motore sia ancora in funzione e in grado di trainare un carico, come quando la lamentela originale era una quantità limitata di riscaldamento nel motore.

Per quanto riguarda le letture dell'oscilloscopio, una cosa importante da cercare sono le cime piatte in una o più fasi. Ciò indica che la tua macchina non sta elaborando la tensione di picco e la interrompe ad ogni ciclo prima che venga raggiunto il massimo. Questa condizione è nota anche come ritaglio. Le cime piatte possono essere lisce o irregolari (rumorose) e questo può dirti qualcosa sulla natura del guasto. Un'altra difficoltà che viene rivelata nella visualizzazione dell'oscilloscopio in una o più fasi è costituita da piccole onde sinusoidali o da quello che sembra essere rumore sulla forma d'onda principale. Questo è un segno che le armoniche entrano nel tuo flusso di energia altrimenti privo di armoniche. Può essere sintomatico di un carico che sta introducendo distorsioni.

La sezione finale del VFD è l'inverter. Consiste di sei SCR (raddrizzatori controllati al silicio) che convertono la CC pura e priva di ripple dal bus CC alle onde quadre modulate in larghezza di impulso che alimentano il motore, consentendogli di funzionare più velocemente o più lentamente di quanto nominale senza surriscaldamento ( come se l'alimentazione sinusoidale dovesse essere aumentata o ridotta).

Queste onde quadre modulate in larghezza di impulso hanno cicli di lavoro variabili. Un tempo alto più lungo equivale a un numero di giri del motore più elevato. Il ciclo di lavoro variabile è regolato da input di dati a bassa tensione agli SCR. Gli ingressi vengono generati nel controller di movimento. Sono in grado di gestire le alte tensioni e la corrente necessarie per alimentare il motore.

Cosa può andare storto?

Il nostro compito principale qui è la risoluzione dei problemi dei riflessi transitori che appaiono nel cavo dal VFD al motore. Questi transitori possono derivare dai fronti di salita rapida che vengono convogliati a volte a una distanza sostanziale dal VFD al motore. Vari fattori influenzano le dimensioni delle onde riflesse, tra cui la lunghezza del cavo, il carico del motore, l'impedenza di picco del cavo e del motore e la distanza, il tempo di salita e l'ampiezza degli impulsi. Alla fine, le tensioni riflesse possono sollecitare il cavo e l'isolamento del motore, provocando il guasto di uno o entrambi.

Per diagnosticare, utilizzare il multimetro per verificare la tensione eccessiva ai terminali del motore. A causa della larghezza di banda limitata, il multimetro potrebbe non rivelare l'intera estensione delle riflessioni, quindi è nuovamente necessario far emergere l'oscilloscopio.

Questo tipo di problema può essere evitato con un'attenta pianificazione durante l'installazione iniziale. Il VFD dovrebbe, nell'installazione iniziale, essere posizionato il più vicino possibile al motore, in modo che il cavo possa essere fatto passare direttamente senza curve. Anche un leggero pizzicotto da un punto metallico, qualcosa che non infastidirebbe il normale cablaggio elettrico, può interrompere totalmente il cablaggio dei dati, specialmente se si utilizzano onde quadre con tempi di salita rapidi per trasmettere energia ad alta frequenza e alta corrente. Prendere in considerazione l'idea di posizionare l'alimentazione del motore in un condotto con messa a terra per proteggerlo da danni fisici e interferenze.