Utilizando um analisador de redes vetoriais para resolver problemas complexos de elevadores.

O dispositivo pode ajudar a descobrir incompatibilidades em equipamentos de elevadores que podem estar causando falhas crônicas no controlador de movimento.

Os elevadores do início do século XIX, que viabilizaram a construção de edifícios de vários andares, antecederam os sistemas de distribuição elétrica. Esses elevadores eram movidos a vapor e amplamente utilizados em instalações industriais. Exigiam engenheiros de vapor, operadores de elevador e alimentadores de carvão, além da necessidade de limpeza e descarte das cinzas. O motor de corrente contínua (CC), no contexto do elevador de tração, representou um grande avanço. Com alguns controles elétricos simples, a rotação do motor podia ser invertida e sua velocidade regulada, o que não era possível em um motor de corrente alternada (CA) antes da introdução do inversor de frequência (VFD) na década de 1960.

Gradualmente, ao longo do século XX e além, os sistemas de elevadores, assim como os automóveis, tornaram-se mais complexos, com muitas melhorias que resultaram em maior segurança e eficiência. Primeiro vieram os controles automáticos, substituindo o ascensorista. Depois, no início da década de 1980, o inversor de frequência (VFD) passou a controlar a velocidade, a direção e o torque de um motor de indução CA. Esses motores tinham maior durabilidade, exigiam menos manutenção e causavam menos interferência eletromagnética devido à sua natureza sem escovas. Quase simultaneamente, o controlador de movimento do elevador evoluiu para sua forma moderna: um computador digital, totalmente programável, conectado aos sistemas centrais de alarme de incêndio e sprinklers do edifício, com a capacidade (através de duas linhas telefônicas redundantes com autoteste) de ligar automaticamente para o quartel de bombeiros mais próximo ou outro local especificado caso fosse detectada fumaça na caixa do elevador, na casa de máquinas ou nas proximidades.

Se o sistema do elevador detectasse um problema com a porta da cabina, ou se uma das portas do corredor não fechasse corretamente, a energia do motor seria interrompida e o freio acionado. Tudo isso proporcionava muito mais segurança e confiabilidade, supervisionadas por um sistema complexo de sensores elétricos, controles e atuadores. Em resumo, quando algo dava errado, o controlador de movimento computadorizado desligava. Muitas vezes, o serviço podia ser restaurado simplesmente reiniciando o controlador, mas essa nem sempre é a solução ideal, pois o mesmo problema poderia ocorrer novamente. O ideal é descobrir o que deu errado antes de reiniciar o controlador de movimento, embora isso nem sempre seja viável. Por exemplo, quando um avião cai, a caixa-preta pode ser destruída; da mesma forma, dados que poderiam indicar um caminho a seguir podem não sobreviver à falha do controlador de movimento.

Uma abordagem razoável, portanto, envolve, para começar, examinar visualmente a fiação e os componentes. Você pode abrir o gabinete do controlador de movimento e verificar se há resistores carbonizados, capacitores derretidos, terminais soltos, etc. Às vezes, isso isola a falha. No entanto, se um componente superaqueceu a ponto de falhar, permanece a questão: "A falha era intrínseca ao componente ou foi causada por tensão ou carga excessiva devido a uma falha externa?" Além disso, não negligencie causas externas, como calor ambiente, vibração ou demandas excessivas no sistema.

Esse tipo de exame pode gerar resultados rápidos, mas, na maioria das vezes, não leva a lugar nenhum, sendo necessária uma abordagem mais focada. O uso de instrumentação eletrônica geralmente é indicado. Isso pode variar de uma simples lâmpada de teste de néon ou multímetro, osciloscópio, analisador de espectro e outros equipamentos, incluindo o analisador de redes vetoriais (VNA).

De acordo com o site da Rohde & Schwarz (rohde-schwarz.com), o VNA é uma das ferramentas mais essenciais para análise de radiofrequência (RF) e micro-ondas. A empresa oferece uma ampla gama de analisadores de redes versáteis e de alto desempenho, com frequências de até 500 GHz e um máximo de 48 portas. Esses instrumentos são adequados para analisar componentes passivos e ativos, como filtros, amplificadores, misturadores e módulos multiportas.

O analisador de redes vetorial (VNA) Tektronix TTR500 permite ao usuário realizar medições precisas em todos os sistemas de elevadores, linhas de transmissão e componentes individuais. Ele foi projetado para medir coeficientes de reflexão, impedância, admitância, perda de retorno, perda de inserção, ganho e isolamento. O instrumento também é adequado para medição de filtros, casamento e sintonia de antenas, medições de amplificadores e medições de cabos e conectores de RF, entre muitas outras aplicações.

A Keysight (anteriormente Agilent e, antes disso, Hewlett-Packard) fabrica analisadores de redes de até 120 GHz, com possibilidade de expansão para 1.5 THz com extensores de frequência. Além disso, oferece um VNA portátil de até 50 GHz. Seu VNA integrado mais avançado opera de 10 MHz a 70 GHz (expansível para 1.5 THz). Ele incorpora três fontes de Serviço de Distribuição de Dados (DDS) com baixa emissão de sinais espúrios e baixíssimo ruído de fase. Jumpers selecionáveis ​​no painel traseiro permitem a conexão de hardware de condicionamento de sinal ou o direcionamento de equipamentos de teste adicionais ao dispositivo em teste, sem a necessidade de mover cabos.

O analisador de redes vetoriais é um instrumento caro — mais caro do que um osciloscópio digital de armazenamento ou um analisador de espectro de alta gama. No entanto, a Picotech oferece um VNA baseado em PC, que consiste em um módulo robusto que se conecta ao computador do usuário via cabo USB. Com o software da empresa, o instrumento utiliza os recursos de processamento e exibição do PC para caracterizar dispositivos, componentes e linhas de transmissão em circuitos. Isso é útil para descobrir incompatibilidades em equipamentos de elevadores que podem estar causando falhas crônicas nos controladores de movimento.

calibragem

A calibração do dispositivo difere da calibração de fábrica mais abrangente, realizada em instrumentos sensíveis como osciloscópios, analisadores de espectro e analisadores de redes vetoriais (VNA). As calibrações de fábrica são normalmente feitas antes da compra inicial e, posteriormente, uma vez por ano ou conforme necessário. Elas envolvem o envio do instrumento de volta ao fabricante, onde os técnicos abrem o gabinete e fazem o que for preciso para certificar que o equipamento está em conformidade com as especificações originais.

A calibração de campo do VNA, por outro lado, é realizada pelo usuário antes de cada novo conjunto de medições. Ela é feita inteiramente por software, sem a necessidade de abrir o gabinete, e leva apenas alguns minutos. Geralmente, é realizada várias vezes ao dia (sempre que medições precisas são necessárias). O manual fornece instruções completas.

Após instalar o software no PC, as conexões elétricas devem ser concluídas. Se forem necessárias medições precisas, tanto o PC quanto o módulo VNA devem ser aquecidos por cerca de 30 minutos.

Ambos os modelos de VNA da Pico (6 e 8.5 GHz) conectam-se ao computador fornecido pelo usuário através de um cabo USB. Para realizar a calibração, os cabos fornecidos pelo fabricante são conectados das portas 1 e 2 do módulo ao dispositivo em teste. A Pico fornece dois tipos de conectores, chamados de "kits", que se encaixam nos cabos. Se o dispositivo em teste possuir um ou dois conectores macho, utilize um conector fêmea com um kit de calibração macho. Se o dispositivo em teste possuir dois conectores macho, utilize cabos fêmea e kits macho idênticos para ambas as portas.

Em seguida, abra o software Pico VNA. No menu principal na tela do PC, selecione “Ferramentas e Kit de Calibração”. Clique em “Kit da Porta 1”, insira os dados e clique em “Aplicar”. Da mesma forma, clique em “Carregar Kit da Porta 2”, selecione os dados e clique em “Aplicar”. O próximo passo é escolher o(s) kit(s) de calibração apropriado(s) para o dispositivo em teste. Por exemplo, se estiver testando um dispositivo não inserível com conectores fêmea, use um único kit fêmea para ambas as portas no módulo VNA.

A próxima fase no procedimento de calibração em campo é a configuração dos parâmetros de calibração. Na janela principal, clique em “Calibração”. Em seguida, execute os seguintes passos:

1. Defina os parâmetros de varredura. É como configurar um analisador de espectro.
2. Aplique os valores.
3. Selecione a medida desejada.
4. Execute os passos de calibração.
5. Clique em Aplicar Calibração.

A configuração de largura de banda usada durante a calibração determina em grande parte a faixa dinâmica disponível durante a medição. Para obter a maior velocidade, escolha 10 kHz. Defina a potência de calibração para +0 dBm. Defina a largura de banda para 140 kHz. Para obter a melhor precisão e cerca de 100 dB de faixa dinâmica, defina a largura de banda de calibração para 100 Hz. Defina a potência de calibração para -3 dBm. Mantenha a largura de banda definida em 100 kHz durante a medição.

Para uso geral, alta velocidade e faixa dinâmica de aproximadamente 90 dB, defina a largura de banda de calibração para 1 kHz. Defina a potência de calibração para 0 dBm. Mantenha a largura de banda definida em 10 Hz durante a medição. Para obter a melhor faixa dinâmica, defina a largura de banda de calibração para 10 Hz. Defina a potência de calibração para +6 dBm. Mantenha a largura de banda definida em 10 Hz durante a medição.

Em todos os casos, a média de calibração deve ser definida como “Nenhuma”. O VNA não se relaciona diretamente com redes de computadores. O termo é anterior aos computadores. O instrumento era usado em laboratórios de eletrônica avançada quando os computadores eram máquinas com válvulas eletrônicas que ocupavam fileiras de gabinetes do chão ao teto. Naquela época, “redes” eram entendidas como redes elétricas: geralmente, dispositivos, componentes e linhas de transmissão.

O VNA moderno

O VNA, como usado atualmente, é um instrumento de uso geral que caracteriza dispositivos e componentes lineares e não lineares, incluindo tipos tão diversos como filtros, pontes, atenuadores, cabos, guias de onda, antenas, diodos, transceptores, osciladores, amplificadores e transistores. Ao contrário de muitos instrumentos eletrônicos, o VNA não se limita a medir os parâmetros do dispositivo. Em vez disso, ele fornece um sinal, geralmente em alta frequência, através de um cabo até a entrada do dispositivo sob teste (DUT). Em seguida, ele procura e mede o tempo de qualquer reflexão que ocorra através do mesmo cabo, de maneira semelhante a um radar ou a um refletômetro no domínio do tempo. Um refletômetro no domínio do tempo é um instrumento eletrônico usado para determinar as características de linhas elétricas observando as formas de onda refletidas. Ele pode ser usado para caracterizar e localizar falhas em cabos metálicos (por exemplo, cabos de par trançado ou cabos coaxiais) ou para localizar descontinuidades em um conector, placa de circuito impresso ou qualquer outro caminho elétrico.

O VNA também se conecta à saída do DUT e caracteriza qualquer resposta recebida. Além disso, ao acionar uma chave, o usuário pode fazer com que o instrumento aplique o estímulo à saída do DUT, cronometre e caracterize as reflexões e monitore a entrada.

Os primeiros analisadores de redes vetoriais (VNAs) utilizavam um ou mais geradores de autofluorescência (AFGs) externos separados, mas a crescente miniaturização permitiu que os fabricantes incluíssem tudo em um único invólucro. Acima de tudo, o VNA realiza medições altamente precisas das proporções entre o sinal refletido e o sinal total, e entre o sinal transmitido e o sinal total.

Existem dois tipos distintos de analisadores de redes. O analisador de redes escalar (SNA) mede e caracteriza apenas a amplitude, enquanto o analisador de redes vetorial (VNA) mede e caracteriza tanto a amplitude quanto a fase. Atualmente, os VNAs são muito mais comuns do que os SNAs, porque, na eletrônica de alta frequência atual, a ocorrência de defasagem de fase é mais provável. Ela pode ser intencional (implementada para atingir um objetivo específico) ou não intencional e exigir mitigação. Em ambos os casos, o objetivo é detectar, medir e categorizar com precisão a defasagem de fase.

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 108 desta edição.

• Como o Pico VNA e o PC estão conectados?
• Quais dispositivos o VNA consegue caracterizar?
• Como o VNA fornece sinais ao dispositivo sob teste (DUT)?
• Qual a diferença entre um VNA e um SNA?
• Como mapear os componentes de um VNA sem um diagrama esquemático?

Altas frequências (acima dos 60 Hz fornecidos pela concessionária de energia) e defasagem de fase desempenham papéis importantes na eletrônica de elevadores de duas maneiras essenciais para o técnico de reparos e o engenheiro de projeto. Essas duas maneiras estão relacionadas ao seguinte:

• Circuito de controle para um motor de elevador CA alimentado por um inversor de frequência.
• A onipresente rede de área de controlador (barramento CAN).

O inversor de frequência (VFD) é um dispositivo independente que, em resposta a comandos do controlador de movimento do elevador, permite que um motor de indução trifásico padrão funcione em velocidades superiores ou inferiores à nominal e inverta o sentido de rotação. Ele também varia o torque do motor e reporta o status operacional, incluindo temperatura e outros parâmetros, ao controlador de movimento. Tudo isso é feito através de um único circuito Ethernet ou outro circuito de baixa tensão, distinto da linha de alimentação principal. Essa linha de controle vai do controlador de movimento até o VFD, que é uma unidade autônoma que pode ou não estar localizada dentro do painel do controlador de movimento. Caso não haja um diagrama elétrico disponível, é possível começar a mapear os componentes seguindo os cabos de alimentação principais desde o disjuntor na casa de máquinas, passando pelo VFD, até o motor de acionamento trifásico.

Diferentemente de muitos instrumentos eletrônicos, o VNA não se limita a medir os parâmetros do dispositivo. Em vez disso, ele fornece um sinal, geralmente em alta frequência, através de um cabo para a entrada do dispositivo em teste.

O barramento CAN é um barramento serial que foi abordado no artigo anterior deste autor, “Barramento CAN para Elevadores” (ELEVATOR WORLD, junho de 2017). Ele foi desenvolvido a partir de 1983 pela Bosch, uma grande fabricante internacional de sistemas e componentes eletrônicos, e originalmente destinado a aplicações automotivas. Após sua implementação no Mercedes-Benz W140 de 1991, tornou-se amplamente utilizado em caminhões, equipamentos de construção, aeronaves, navios e elevadores. A transmissão de dados seriais via barramento CAN é altamente confiável, econômica e tolerante a ruídos elétricos externos. Na tecnologia de elevadores mais recente, o barramento CAN permite a comunicação serial entre os diversos sensores distribuídos por toda a instalação do elevador, terminando no controlador de movimento.

Todos os sensores e atuadores, conhecidos como nós, são conectados ao controlador de movimento por meio de condutores de par trançado com impedância característica de 120 ohms. Os sinais CAN alto e CAN baixo são levados a um estado dominante ou puxados por resistores para um estado recessivo. O estado dominante é codificado por lógica 0 e o estado recessivo por lógica 1. Os nós com números de identificação (IDs) menores têm prioridade no barramento.

Em baixas frequências, o comprimento de onda do sinal transmitido pelos condutores é invariavelmente muito maior que o comprimento do circuito. Portanto, condutores convencionais de cobre ou alumínio são adequados para transportar a energia. O fio é dimensionado para ter capacidade de condução de corrente suficiente para que a corrente e a tensão não variem entre o transmissor e o receptor.

Em altas frequências, os comprimentos de onda do sinal são iguais ou menores que o comprimento do condutor. Nessa situação, os condutores deixam de ser um par de fios e passam a constituir uma linha de transmissão. O material que separa os fios não é meramente isolante elétrico, mas sim uma camada dielétrica, como em um capacitor. Em vez de um fluxo de elétrons, o sinal de interesse consiste agora em uma sucessão de ondas viajantes. Isso exige instrumentação de medição completamente diferente.

Em altas frequências, a caracterização de redes, incluindo dispositivos, componentes e linhas de transmissão, requer a medição de fase e magnitude. A medição de amplitude, como a realizada por um SNA (Analista de Redes Espaciais), não é adequada.

A distorção de fase exibida no VNA revela o atraso de grupo, uma medida do tempo de trânsito de um sinal através do dispositivo sob teste (DUT), em relação à frequência. Ele é calculado comparando-se a fase do sinal na entrada com a fase na saída. Qualquer variação no atraso de grupo gera distorção e provavelmente se manifestará como baixo desempenho de um determinado componente ou circuito. O desvio da fase linear e do atraso de grupo é medido e exibido na análise do VNA. O atraso de grupo é uma maneira fácil de detectar a presença e quantificar a distorção de fase.

Uma importante capacidade do VNA é caracterizar redes de alta frequência. Medições simples de tensão e corrente nas portas do dispositivo não são suficientes. Isso se deve, entre outros fatores, à impedância da sonda. Além disso, dispositivos ativos podem oscilar ou ser danificados quando curtos-circuitos e circuitos abertos são aplicados a eles.

Uma solução foi encontrada no desenvolvimento de parâmetros de dispersão (parâmetros S). Estes se referem ao ganho, à perda e à reflexão presentes em ondas viajantes. Esses parâmetros podem ser facilmente medidos. Não é necessário comprometer um dispositivo sob teste (DUT) ativo expondo-o a uma carga prejudicial. Além disso, os parâmetros S de múltiplos dispositivos podem ser testados em cascata. Se desejado, outros parâmetros podem ser derivados dos parâmetros S. Estes incluem:

• Parâmetros de admitância (parâmetros Y) para redes elétricas lineares
• Parâmetros híbridos (parâmetros h) para uso com um amplificador de corrente.
• Parâmetros de impedância (parâmetros Z) para descrever o comportamento elétrico de redes elétricas lineares.

O VNA utiliza quatro seções para medir os sinais incidentes, refletidos e transmitidos. São elas: the source Para os estímulos, são necessários dispositivos de separação de sinais, receptores que convertem e detectam os sinais, além de um processador e um visor para interpretar a saída.

The source Fornece o estímulo para o sistema que está sendo testado. Isso geralmente consiste em uma varredura de frequência. Os VNAs modernos possuem fontes internas que são sintetizadas dentro do instrumento. A separação do sinal é realizada no conjunto de teste. Este bloco executa duas funções:

1. Medição de parte do sinal incidente para referência.
2. Separação das ondas incidentes e refletidas na entrada do dispositivo sob teste (DUT).

O bloco de detecção de sinal pode consistir em um detector de diodo que converte o nível do sinal de RF em um nível CC proporcional. Detectores de diodo, mais baratos que receptores sintonizados, oferecem resposta de banda larga. Sua resposta de banda larga, no entanto, limita a sensibilidade e os torna suscetíveis a sinais espúrios, incluindo harmônicos. Medições mais precisas são obtidas por detecção CA.

Os receptores sintonizados utilizam tecnologia heterodina, convertendo o sinal de radiofrequência (RF) para uma frequência intermediária (FI) mais adequada ao usuário. O oscilador local é sincronizado com o sinal de RF ou FI, de modo que os receptores estejam sempre sintonizados com o sinal de RF. A conversão analógico-digital e o processamento digital extraem as informações de magnitude e fase do sinal de FI.

A seção de processamento e exibição do VNA é onde os dados de reflexão e transmissão são apresentados ao usuário. Os recursos principais incluem marcadores; linhas de limite; indicadores de aprovação/reprovação; formatos lineares e logarítmicos; e diagramas de grade, polares e de Smith. A maior parte disso é autoexplicativa, mas discutiremos o amplamente utilizado diagrama de Smith, que figura com destaque na tela do VNA. O diagrama de Smith é uma calculadora gráfica polar que permite aos engenheiros de RF resolver problemas de linhas de transmissão e circuitos de adaptação de impedância.

O gráfico, idealizado por Phillip H. Smith (1905-1987) e T. Mizuhashi, é usado para exibir parâmetros eletrônicos como impedâncias, admitâncias, coeficientes de reflexão, parâmetros S, círculos de figura de ruído, contornos de ganho constante e regiões de estabilidade incondicional. Atualmente, métodos baseados em software substituíram em grande parte o gráfico físico, mas ele ainda aparece na tela do VNA e é útil para organizar as informações fornecidas pelo instrumento. Os coeficientes de reflexão podem ser lidos diretamente no gráfico.

Ao redor de sua circunferência, há uma escala graduada em comprimentos de onda e graus. Ela representa a distância ao longo de uma linha de transmissão entre a fonte e a carga. O diagrama de Smith utiliza a fórmula padrão do coeficiente de reflexão para desenvolver equações para círculos com vários raios. O diagrama de Smith é uma matriz de círculos, cada um localizado em um lugar diferente em relação ao gráfico e cada um representando resistência constante ou reatância constante, os parâmetros que compõem a impedância constante.