Instrumentos para depuração e diagnóstico de sistemas de elevadores

Uma visão geral dos sistemas usados ​​na parte elétrica de elevadores e ferramentas úteis para solucionar problemas.

Um analisador de espectro se assemelha ao osciloscópio, mais comum, mas existem diferenças importantes. Ambos são muito úteis na manutenção de elevadores e no desenvolvimento de produtos. A principal diferença é que o osciloscópio é otimizado para exibir sinais elétricos aplicados à(s) entrada(s) no domínio do tempo, enquanto o analisador de espectro exibe sinais exclusivamente no domínio da frequência (Figuras 1 e 2).

No domínio do tempo, uma forma de onda é representada graficamente em coordenadas cartesianas. O eixo X é definido em unidades de tempo (geralmente segundos ou frações de segundo), enquanto o eixo Y é definido em volts ou frações de volt. O traço exibido na tela do osciloscópio indica a amplitude instantânea do sinal em qualquer ponto no tempo.

O domínio da frequência também é um gráfico do sinal exibido em coordenadas cartesianas. No entanto, esse mesmo sinal apresenta uma aparência notavelmente diferente, devido unicamente ao fato de o eixo X ser definido em termos de frequência, em vez de tempo. (Em matemática, o termo "domínio" se aplica à variável independente, que, por convenção, é plotada no eixo horizontal X. O termo "imagem" se aplica à variável dependente, que, por convenção, é plotada no eixo vertical Y. Você insere a variável independente em uma equação, aplica a função e a variável dependente aparece na saída.)

Objetivos de aprendizagem

Após ler este artigo, você deverá ter aprendido sobre:
♦ Ferramentas de teste e medição para resolução de problemas em elevadores
♦ Vantagens de um analisador de espectro baseado em PC.
♦ Diferenças entre os domínios do tempo e da frequência.
♦ Estrutura de um inversor de frequência.
♦ Como a modulação por largura de pulso (PWM) é usada para controlar a velocidade de um motor de indução CA.

No domínio da frequência, a amplitude é representada no eixo Y, assim como no domínio do tempo. Uma diferença é que, no domínio da frequência, a amplitude é exibida em unidades de potência (o produto da tensão e da corrente), em vez de apenas volts. Além disso, a escala padrão é logarítmica, em vez de linear, o que reduz a amplitude na extremidade superior da escala, permitindo a exibição de picos altos, enquanto mostra mais detalhes na extremidade inferior. As unidades logarítmicas, portanto, são decibéis. Cada unidade representa um aumento de dez vezes na amplitude. É assim que vemos a luz e ouvimos o som.

A maioria dos osciloscópios digitais atuais consegue exibir sinais tanto no domínio da frequência quanto no domínio do tempo. Isso é feito aplicando a Transformada Rápida de Fourier (FFT) ao sinal no domínio do tempo. Esse processo envolve um conjunto de algoritmos matematicamente complexos, mas o usuário o implementa simplesmente pressionando dois botões em sequência: “Math” e “FFT”.

A visualização no domínio da frequência mostra a distribuição espectral de todos os componentes do sinal. Uma onda senoidal perfeita não possui harmônicos, portanto, tudo o que você vê é um único pico alto que representa a frequência fundamental. Um sinal que não é uma onda senoidal também é composto por uma frequência fundamental forte. No entanto, essa frequência fundamental é acompanhada por uma série de harmônicos que aparecem no domínio da frequência como picos adicionais com amplitudes que diminuem à medida que os harmônicos se distanciam da frequência fundamental.

O domínio da frequência, como exibido no osciloscópio, é um tanto secundário. Como mencionado anteriormente, um osciloscópio é otimizado para exibir sinais no domínio do tempo. É útil visualizar um sinal no domínio da frequência, mas os técnicos mais avançados não se contentam com nada menos que um analisador de espectro verdadeiramente excepcional. Isso porque ele possui uma faixa de frequência potencialmente maior, com maior resolução, resposta mais rápida e diversos recursos avançados que permitem ao usuário extrair dados abrangentes não disponíveis no osciloscópio.

O analisador de espectro é extremamente útil na manutenção de elevadores e no desenvolvimento de produtos, principalmente para examinar circuitos digitais e linhas de transmissão, notadamente o barramento CAN, amplamente utilizado no controlador de movimento e sua interação com os diversos sensores e leituras do elevador, e o sinal de modulação por largura de pulso (PWM) que controla a seção inversora do inversor de frequência (VFD), que regula a velocidade e o torque de um motor de indução CA.

No entanto, dois problemas surgem na utilização de um analisador de espectro. Em primeiro lugar, devemos reconhecer que este instrumento tem uma curva de aprendizagem bastante acentuada. Os controles, inicialmente, não são familiares ao usuário; as leituras têm nomes e unidades estranhos; e os menus interagem com o visor de maneiras que são complexas e, a princípio, pouco intuitivas. Aprender a centralizar o visor pode ser um desafio. Mas, após alguns dias de leitura da documentação e prática com diversas formas de onda, tudo começa a fazer sentido e, eventualmente, torna-se familiar.

Outro aspecto problemático dos analisadores de espectro é o preço. A triste realidade é que eles são consideravelmente mais caros que os osciloscópios digitais. Um instrumento de gama média pode custar perto de US$ 50,000, o que é aceitável para a NASA e a Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, mas inviável para técnicos fora de um laboratório avançado ou instalação de produção.

Recentemente, a diferença de preço diminuiu e, na verdade, até se inverteu. A Tektronix lançou um analisador de espectro para PC que se conecta via USB a um computador fornecido pelo usuário. Como praticamente todo mundo no planeta possui ou tem acesso a um PC, o custo do aparelho não precisa ser um fator limitante. O analisador de espectro para PC Tektronix RSA306B pode ser adquirido por menos de US$ 4,000.

O fabricante também fornece, em um pen drive (ou para download no site), o SignalVu-PC, um software que, uma vez instalado no computador do usuário, permite exibir os sinais do módulo no domínio da frequência em uma interface na tela elaborada e totalmente interativa. Há também uma placa Demo Three de alto desempenho que fornece uma variedade de sinais projetados para familiarizar o usuário e prepará-lo para grandes projetos de solução de problemas e depuração.

A resolução de problemas em elevadores é essencialmente uma tarefa elétrica/eletrônica. Embora seja verdade que o mau funcionamento do equipamento possa ser puramente mecânico, como uma porta emperrada que não fecha corretamente, a maioria das falhas é puramente elétrica ou possui um forte componente elétrico. Estas podem ser divididas em duas categorias, relacionadas ao nível de tensão. O motor do elevador requer uma corrente de operação relativamente alta, que é fornecida de forma mais eficiente por uma fonte de alimentação trifásica de alta tensão. Ainda existem muitos motores CC antigos em serviço e, em uma reforma de elevador, muitas vezes faz sentido manter o sistema CC, que requer apenas um retificador simples para operar de forma suave e eficiente, sendo a principal manutenção a substituição periódica das escovas. Novas instalações e a maioria das reformas, no entanto, optam pelo motor de indução trifásico de menor custo, alimentado por um inversor de frequência (Figura 3), que geralmente é localizado, juntamente com o controlador de movimento, em uma caixa de aço do piso ao teto na casa de máquinas.

O inversor de frequência (VFD) consiste em duas seções conectadas pelo que é conhecido como barramento CC. Na entrada, encontra-se a seção retificadora, composta por seis diodos que formam um retificador de onda completa. Cada um dos três terminais (L1, L2 e L3) está conectado ao ponto médio de um par de diodos. As saídas desses três pares de capacitores eletrolíticos estão conectadas aos lados positivo (+Vdc) e negativo (-Vdc) do barramento CC, após o filtro CC e o buffer, que removem a ondulação CA para gerar uma corrente contínua pura.

Uma maneira segura de medir tensões que flutuam acima do potencial de terra, mas são referenciadas a ele, é por meio de uma ponta de prova diferencial. Observe que o ponto central, definido pelos dois capacitores que formam um divisor de tensão, está aterrado. Isso é muito importante, pois significa que as linhas CC positiva e negativa que compõem o barramento CC são referenciadas ao potencial de terra, mas flutuam acima dele. Nenhuma delas está aterrada. Consequentemente, se um osciloscópio de bancada convencional com um fio de referência aterrado como parte da ponta de prova for conectado ao barramento CC, ocorrerá uma grave falha de aterramento, faíscas e o osciloscópio e o inversor de frequência poderão ser danificados.

A seguir, serão apresentadas formas seguras de medir essa tensão. Primeiramente, continuando o percurso da corrente até o motor, é importante observar que a tensão no barramento CC é maior que a tensão CA fornecida ao retificador na entrada do inversor de frequência. A razão para esse fenômeno intrigante é que a saída CC de um retificador de onda completa não se relaciona com a tensão RMS CA de entrada, mas sim com a tensão pico a pico dessa forma de onda. Consequentemente, para um inversor de frequência trifásico de 480 V, típico em instalações de elevadores, a tensão em ambas as extremidades do barramento CC é 1.414 vezes a tensão da rede, resultando em uma medição muito próxima de 678 VCC.

A seção final do inversor do VFD é uma imagem espelhada da seção retificadora de entrada em termos de layout de componentes, mas os componentes são diferentes. Em vez dos seis diodos que compõem o retificador de onda completa, os componentes essenciais na seção do inversor são transistores bipolares de porta isolada (IGBTs).

Na seção retificadora, a energia senoidal trifásica da rede elétrica é combinada, retificada e filtrada para gerar corrente contínua bipolar, conforme necessário nas seis entradas de alimentação dos semicondutores. Assim como em transistores típicos, existem também seis entradas de sinal (não mostradas no esquema para maior clareza) nesses semicondutores de comutação. Esses dispositivos podem alimentar cargas de até 500 hp. O sinal PWM de baixa tensão proveniente da interface remota do usuário e/ou do controlador automático faz com que os semicondutores liguem e desliguem em sequência de fase para gerar um pulso trifásico, cuja largura é modulada para controlar a velocidade do motor. Essa energia de alta tensão e alta corrente é transmitida ao motor por meio de cabos apropriados.

Para alimentar um elevador, um motor CA deve ser capaz de inverter o sentido de rotação e, para um motor trifásico, isso é bastante simples. Por meio de uma chave apropriada, manual ou automática, quaisquer duas das três fases são invertidas. No entanto, uma boa instalação de elevador também requer um controle de velocidade suave e confiável. Por exemplo, à medida que a cabine do elevador se aproxima de um andar, a rotação do motor é reduzida para que os passageiros não sejam surpreendidos por uma parada brusca. Além disso, a cabine deve se mover lentamente no modo de inspeção.

Na imaginação popular, um grande reostato é girado para reduzir a tensão e, assim, diminuir a velocidade do motor. Esse expediente não é satisfatório para um motor de indução CA. Em tensões abaixo da nominal, os enrolamentos do motor CA se tornam elementos de aquecimento. O motor é desacelerado, mas esse método rudimentar submete os enrolamentos e o isolamento a um grande estresse, resultando em uma vida útil muito curta.

Durante décadas após Nikola Tesla e George Westinghouse terem introduzido o motor de indução altamente eficiente no final do século XIX, o motor CC, com a necessidade de manutenção do retificador e do comutador de escovas, continuou sendo utilizado em elevadores e outras aplicações sensíveis. Isso funcionou, mas a combinação de inversor de frequência/motor de indução, muito mais barata, como descrito acima, foi introduzida no início da década de 1960 e, desde então, domina o mercado mundial em todos os setores onde o controle de velocidade é um fator importante.

O inversor de frequência (VFD) pode variar a velocidade de um motor de indução CA sintetizando uma onda quadrada com ciclo de trabalho variável. Em vez de ajustar a tensão aplicada, o ciclo de trabalho, que é a porcentagem de tempo em que o pulso está em nível alto, é ajustado. Dessa forma, a potência fornecida ao motor pode ser variada para controlar sua velocidade sem gerar calor excessivo. O motor pode operar em velocidades abaixo ou acima da nominal sem problemas, desde que as restrições de refrigeração e dos rolamentos sejam observadas. (Se a rotação for mais lenta, pode ser necessário um ventilador maior.)

A variação do ciclo de trabalho é conhecida como PWM. Um sinal PWM de baixa tensão é gerado em uma interface remota para o operador humano, que, em uma instalação de elevador, pode ser descentralizada e consiste em botões de chamada, sensores e outros componentes integrados a um controlador de movimento. Por meio de circuitos digitais, o sinal de controle PWM pode ser sintetizado por um dos seguintes métodos:

• O método de intersecção utiliza uma forma de onda triangular, facilmente sintetizada por um oscilador, em conjunto com um comparador. O sinal desejado é comparado à forma de onda triangular. Quando o sinal ultrapassa a forma de onda triangular, cria-se um estado lógico alto. Quando o sinal é menor, o resultado é um estado lógico baixo. Este é o sinal PWM digital.
• No método de modulação delta, o sinal desejado é integrado e comparado aos limites de um sinal de referência. O PWM muda de estado nesses níveis de referência.
• No método delta-sigma, um sinal de referência é estabelecido e, em seguida, o sinal de saída é subtraído dele. O sinal de erro assim formado é integrado e, quando esse sinal excede os limites, o sinal PWM muda de nível lógico alto para nível lógico baixo ou de nível lógico baixo para nível lógico alto.
• A modulação por vetor espacial é utilizada em inversores de frequência trifásicos. Um sinal de referência é amostrado em intervalos uniformes. Em seguida, o sinal de referência é sintetizado como a média de vetores que foram selecionados como frações do período de amostragem.
• O controle direto de torque é outro método para regular motores CA. O torque e o fluxo magnético do motor permanecem dentro dos limites de histerese, pois os semicondutores do dispositivo são ativados conforme necessário.
• No método de proporcionalidade temporal, um contador é acionado e reiniciado ao final de cada ciclo PWM. A saída muda de estado.

Uma boa resolução é obtida empregando-se um contador de alta velocidade.

O sinal que modula é não linear, o que resulta em uma largura de banda infinita no sinal PWM, que é então transmitido ao inversor de frequência. Se o comportamento do motor for errático, o sinal de controle precisa ser verificado. A rotação (RPM) de um motor de indução depende de dois parâmetros (o número de polos e a frequência da corrente alternada aplicada na entrada), além da carga.

Assim como em qualquer motor CA, em um motor de indução controlado por um inversor de frequência, a elevação da temperatura é determinada pela corrente que passa pelos enrolamentos. Quando a frequência é reduzida, a tensão na entrada também deve ser reduzida para limitar a corrente.

Um inversor de frequência (VFD) manterá uma relação volts/hertz uniforme em qualquer frequência. Consequentemente, as características da modulação por largura de pulso (PWM) incluem uma tensão mais baixa, criada por pulsos mais estreitos e mais numerosos durante um determinado intervalo de tempo. Por outro lado, uma tensão mais alta é criada por menos pulsos, porém mais espaçados. Fundamentalmente, como mencionado anteriormente, a tensão aplicada se aproxima de uma onda quadrada, mas a corrente que atravessa o motor se assemelha mais a uma onda senoidal. Essa condição necessária se deve à natureza indutiva da carga.

A resolução de problemas em elevadores é, essencialmente, uma tarefa de natureza elétrica/eletrônica.

Um desenvolvimento relativamente recente na contínua evolução da inovação tecnológica em elevadores foi a introdução do barramento CAN como meio de comunicação entre subsistemas. Como em toda interação digital, a estratégia vencedora para depurar novos equipamentos e diagnosticar os existentes envolve compreender como esses barramentos de comunicação funcionam, para que possam ser avaliados.

Primeiramente, precisamos considerar precisamente o que, em processamento de dados, constitui um barramento. No ambiente de trabalho tradicional de um eletricista, um barramento é um condutor robusto capaz de transportar muita corrente, frequentemente em alta tensão. O barramento geralmente fica localizado dentro de uma caixa de distribuição, fixado rigidamente em suportes isolantes. Como não é isolado (ou, mais precisamente, é isolado pelo ar que o circunda), um barramento pode ser mais compacto do que um fio com a mesma capacidade de condução de corrente, economizando custos e espaço valioso dentro da caixa. Em comunicação digital, essencial em todas as instalações, exceto nas menores instalações de elevadores, "barramento" tem um significado um pouco mais amplo, descrevendo todo o meio de transmissão, incluindo cabeamento, dispositivos e software.

Os barramentos podem ser paralelos ou seriais, com menos condutores. Os sistemas de barramento serial são menos dispendiosos de implementar, mas exigem maior conhecimento e experiência para depuração e diagnóstico. O barramento CAN é um barramento serial introduzido pela Bosch em 1983. Foi concebido para substituir o chicote de fios automotivo por um sistema digital integrado que interligaria componentes e sistemas de veículos motorizados de forma a promover eficiência, economia e segurança. Obteve enorme sucesso e é utilizado atualmente em todo o mundo em carros, caminhões e tratores.

O barramento CAN logo se difundiu para diversas aplicações mecânicas e industriais, incluindo a tecnologia de elevadores, onde rapidamente se mostrou adequado devido à sua economia, imunidade a ruídos e confiabilidade em ambientes adversos. Ele funciona bem em elevadores, especialmente em instalações coletivas. Cabos móveis são necessários para transportar uma quantidade razoável de energia para operar portas, luzes internas da cabine, etc. Além disso, cabos seriais do barramento CAN são levados até a cabine em movimento e, às vezes, essa infraestrutura, incluindo as terminações, precisa ser verificada durante a depuração e o diagnóstico.

Considerando os condutores de alta potência e os dispositivos de controle do(s) motor(es) do elevador, além da grande quantidade de fiação de controle do barramento CAN serial, há um grande volume de testes e medições que técnicos e engenheiros precisam realizar. Quando se trata de diagnóstico e reparo de elevadores, é claro que o tempo é essencial.

Na manutenção e mitigação de falhas em elevadores, duas áreas são críticas. A primeira é a documentação. Em um sistema complexo, manuais de manutenção com diagramas de blocos e esquemas completos são necessários para compreender a grande quantidade de cabos e placas de circuito impresso que fazem tudo funcionar. Em segundo lugar, os técnicos precisam de uma gama completa de equipamentos de teste e medição para verificar a qualidade da energia e a integridade da sinalização digital em todos os complexos sistemas elétricos atuais.

É importante perceber que é necessário um conjunto de instrumentos. No que diz respeito ao fluxo de energia para o(s) motor(es), devemos ter em mente que um único instrumento, como um osciloscópio ou um multímetro, não será suficiente para medir tensões e correntes. Um multímetro, um analisador de espectro, um amperímetro de alicate e um osciloscópio portátil com entradas isoladas (do terra e entre si) são necessários apenas para começar. Da mesma forma, no domínio digital, analisadores de protocolo e de barramento são valiosos, mas antes de iniciar o rastreamento do sinal digital, é melhor realizar medições analógicas convencionais dos pulsos digitais para determinar se há ruído excessivo nos pulsos lógicos altos, o que impediria a reprodução correta no receptor.

Na resolução de problemas digitais, ferramentas de medição simples, como a sonda lógica e o multímetro, podem revelar informações que passariam despercebidas em uma análise completa do protocolo, a qual deve ser realizada após a conclusão das medições preliminares mais simples.

Perguntas de reforço de aprendizagem

Utilize as questões de reforço de aprendizagem abaixo para estudar para o Exame de Avaliação de Educação Continuada, disponível online em www.elevatorbooks.com ou na página 117 desta edição.
♦ Qual a diferença entre um barramento serial e um barramento paralelo?
♦ Por que o barramento CAN é superior à fiação tradicional em locais sensíveis?
♦ Qual é o papel da instrumentação analógica nas medições digitais?
♦ Quais são as semelhanças entre as seções de retificador e inversor em um VFD?
♦ Por que a saída de um retificador de onda completa é maior que a entrada CA?