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Azionamenti VF

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L'unità VF è un dispositivo complesso di grande funzionalità, che incorpora un'unità di elaborazione centrale e un'interfaccia utente. A sinistra, è alloggiato in un recinto adeguato all'ambiente.

Gli esseri umani hanno utilizzato gli ascensori per secoli, ma non sono stati possibili progressi reali fino all'introduzione del motore elettrico. C'erano stati ascensori idraulici ad acqua e, prima di loro, macchine azionate da uomini e animali. Anche se potessimo ignorare le implicazioni umanitarie, sarebbe difficile immaginare che questi accordi funzionerebbero nel contesto delle odierne applicazioni per i grattacieli delle grandi città.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
♦ Perché il motore elettrico ha dominato le applicazioni degli ascensori
♦ I vantaggi relativi dei motori DC e AC
♦ Come confrontare i motori sincroni e asincroni
♦ Le parti fondamentali di un azionamento a frequenza variabile (VF)
♦ Come utilizzare un multimetro per risolvere i problemi di un'unità VF

Poi c'era il vapore. Il vapore acqueo riscaldato, tuttavia, era solo il mezzo; doveva esserci ancora una fonte di energia. La legna o il carbone dovevano essere ottenuti (sempre con mezzi umani e animali), quindi trasportati prima di poter essere sparati. Al contrario, il motore elettrico all'inizio del XX secolo era un motore pulito, silenzioso e compatto. Quasi sempre si comportava come previsto senza protestare, la sua energia arrivava al sito tramite due o tre sottili conduttori di metallo.

All'inizio non c'era aria condizionata. La corrente continua era disponibile da batterie chimiche che sarebbero considerate molto inefficienti per gli standard odierni. Era disponibile una potenza elettrica sufficiente per consentire ai primi sperimentatori di costruire prototipi di motori a corrente continua, ma erano adeguati solo per progetti dimostrativi e come curiosità scientifiche. Potrebbero essere eseguiti pochissimi lavori utili, ma mai abbastanza per sollevare da terra una cabina dell'ascensore. I motori elettrici praticabili hanno dovuto attendere lo sviluppo della generazione di energia in tempo reale con un sistema di distribuzione. Il primo di questi sistemi è stato sperimentato da Thomas Edison. Inizialmente, Edison era motivato al potere homes e aziende, principalmente in modo che potessero avere luci. A tal fine, ha costruito il primo di molti sistemi di distribuzione localizzati nella parte bassa di Manhattan. Ha migliorato la tecnologia della dinamo DC esistente, consentendo la disponibilità di molta più potenza.

Poiché la potenza CC non può essere facilmente trasformata (vale a dire, aumentata o diminuita), la CA ha rapidamente eclissato la CC come protocollo di alimentazione dominante. Presto sono emersi motori a corrente alternata, trasformatori e tecnologia trifase. Il motore a induzione CA sembra essere stato inventato indipendentemente da Galileo Ferraris e Nikola Tesla. Divenne dominante per la sua semplicità e costruzione economica. Si stima che il 90% dei motori AC attualmente in servizio siano macchine a induzione (asincrone).

I nuovi motori CA (soprattutto i tipi a induzione) erano, in qualche modo, notevolmente superiori ai loro antenati CC, perché la commutazione era esterna, un risultato della natura ciclica della potenza CA fornita dall'utenza. Il motore DC, d'altra parte, richiedeva una commutazione interna per funzionare. Ciò è stato fornito dalla combinazione spazzola/commutatore, che è una situazione elegante, poiché introduce la corrente magnetizzante nel rotore in rotazione, invertendo periodicamente la polarità di tale corrente secondo necessità in modo che il campo magnetico del rotore possa interagire con il campo magnetico statico prodotto dallo statore eccitato. Ma, poiché la combinazione spazzola/commutatore è elettromeccanica, è soggetta ad usura e necessita di manutenzione. I costi di manodopera e materiale nella vita del motore DC sono significativi, soprattutto se si trascura la manutenzione delle spazzole e si danneggia il collettore, che spesso comporta uno smontaggio del motore e un lavoro di officina.

I motori AC sincroni funzionano a una velocità determinata con precisione dalla frequenza della tensione di linea, l'unico altro fattore è il numero di poli per fase. La formula è NS = 120f/P, dove NS è la velocità sincrona del motore, f è la frequenza dell'alimentazione CA ai terminali di ingresso del motore e P è il numero di poli magnetici per fase.

Notare che P è nel denominatore dell'espressione sul lato destro dell'equazione, quindi più poli sono incorporati nella costruzione del motore, minore è la velocità di funzionamento. A 60 Hz, le velocità comuni dell'albero sono 3,600 giri/min per un motore a due poli, 1800 giri/min per un motore a quattro poli, 1,200 giri/min per un motore a sei poli, 900 giri/min per un motore a otto poli, 720 giri/min per un motore a 10 motore a poli e 600 giri/min per un motore a 12 poli. Questi valori potrebbero essere ridotti regolando la tensione di alimentazione, ma questo non sarebbe un buon modo per regolare la velocità, perché equivarrebbe a caricare più pesantemente il motore, avvicinandolo ad una condizione di stallo. Il risultato sarebbe più calore e durata ridotta del motore. Il modo corretto per regolare la velocità di un motore CA è alterare la frequenza, e questa non era un'opzione pratica fino a molti decenni dopo l'invenzione del motore CA, quando entrò in scena l'azionamento VF.

La velocità dell'albero del motore a induzione dipende anche dalla frequenza di linea, ma non è sincronizzata con precisione all'ingresso elettrico, per questo motivo è noto come motore asincrono. La velocità dell'albero è sempre inferiore alla velocità sincrona di una certa quantità e questa relazione, espressa in percentuale, è nota come "scorrimento". Ci sono due cose importanti da ricordare sullo slittamento. Primo, non è un'energia sprecata o persa il risultato di un design inferiore. In secondo luogo, non è un ritardo di fase come in un carico elettrico reattivo. A causa dello scorrimento, il rotore del motore a induzione gira effettivamente più lentamente del campo magnetico rotante prodotto dallo statore. Ciò che rende il trasferimento induttivo di potenza dallo statore al rotore è la differenza di velocità tra i due, quindi se la velocità del rotore dovesse raggiungere la velocità del campo magnetico rotante dello statore (se lo scorrimento dovesse essere ridotto a zero ), non ci sarebbe più trasferimento di potenza e il motore non girerebbe. Per questo motivo, una situazione a slittamento zero per un motore a induzione è impossibile. Più il rotore viene rallentato per mezzo di un carico crescente, maggiore è la coppia, fino al punto in cui l'entità del carico provoca lo stallo del motore. Esiste sempre un equilibrio che coinvolge carico, velocità, coppia e scorrimento. I motori a induzione di grandi dimensioni a pieno carico possono avere uno scorrimento superiore all'1%, mentre i motori piccoli hanno in genere uno scorrimento più vicino al 5%.

Il motore a induzione, sebbene economico e di facile manutenzione, non era adatto per alimentare ascensori e altri carichi che richiedevano una regolare regolazione della velocità con incrementi infiniti per molti decenni. Per queste applicazioni, il motore DC ha continuato a soddisfare l'esigenza. La manutenzione delle spazzole/commutatore era all'ordine del giorno. Alimentare i motori in corrente continua da un'alimentazione in corrente alternata non è mai stato un grosso impedimento. Sarebbe sufficiente un convertitore rotante, un tubo a vuoto o un raddrizzatore a stato solido, e questo potrebbe realisticamente essere considerato parte del costo di funzionamento di un motore a corrente continua.

Tutto questo è cambiato quando l'unità VF è entrata in uso. Questa onnipresente apparecchiatura è anche conosciuta come "azionamento a velocità variabile", "azionamento a velocità regolabile", "azionamento a frequenza regolabile", "azionamento CA", "microdrive" e "azionamento inverter". Questi termini sono essenzialmente sinonimi, salvo per il fatto che quelli che includono la parola “velocità” possono riferirsi anche a sistemi non elettrici o idraulici. L'unità VF include il raddrizzatore, il bus CC e l'inverter, insieme all'interfaccia utente e alla protezione da sovracorrente supplementare (se presente) e vari altri accessori. Il termine può o non può essere usato per includere il motore.

Come abbiamo visto, la velocità di un motore CA, sincrono o asincrono (induzione) dipende dalla frequenza dell'alimentazione fornita ai terminali del motore. Da ciò si può giustamente concludere che è possibile regolare la velocità del motore variando la frequenza. Questo è ciò che accade in un'unità VF. Un convertitore di frequenza VF può essere collegato a qualsiasi motore CA (sincrono o a induzione) e utilizzato per controllarne la velocità, sebbene ci siano alcuni limiti che devono essere rispettati:

  • Poiché molti motori CA incorporano una ventola di raffreddamento interna, quando il motore viene fatto funzionare a velocità ridotta sotto carico, subirà un aumento di temperatura a causa della ridotta dissipazione del calore. Questa tendenza può essere mitigata fornendo aria esterna o raffreddamento a liquido, oppure adottando misure per abbassare la temperatura ambiente, sia mediante il condizionamento dell'aria, sia mediante la ventilazione del locale macchine.
  • Far funzionare un motore a una velocità superiore alla velocità nominale può ridurre la durata dei cuscinetti.
  • L'unità VF può produrre un'uscita che si discosta dalla perfetta onda sinusoidale dei motori CA su cui prosperano. Gli inverter elettronici primitivi producevano un'uscita a onda quadra, che avrebbe causato il surriscaldamento del motore CA. Inoltre, a causa dei tempi di salita e discesa rapidi nella forma d'onda, potrebbero verificarsi problemi di qualità dell'alimentazione che potrebbero interessare altre apparecchiature all'interno (e anche all'esterno) della struttura in cui è alloggiato l'inverter.

Un'onda sinusoidale perfetta è una conseguenza della natura circolare di un generatore rotante. L'esame di un grafico che mostra il livello di tensione (asse verticale) in funzione del tempo (asse orizzontale) rivela l'essenza dell'onda sinusoidale: la velocità di variazione della tensione è massima quando la tensione è minima (più vicina allo zero) e minima quando il livello di tensione è maggiore (più vicino ai poli negativo/positivo). Trigonometricamente, l'uscita elettrica di un rotore rotante sarà un'onda sinusoidale, perché il seno di un angolo è il lato opposto sopra l'ipotenusa di un triangolo rettangolo. Questo è generato da un vettore rotante.

Nel corso degli anni, l'inverter CA elettronico (al contrario di quello rotativo) è migliorato in modo che la sua uscita si avvicini più da vicino a un'onda sinusoidale pura. Questa è stata una buona notizia per il motore CA, perché è diventato possibile regolarne la velocità variando la frequenza ai terminali di ingresso del motore senza creare armoniche dannose e interferenze elettromagnetiche.

Una motivazione per l'utilizzo di un azionamento VF è quella di ridurre il consumo elettrico, consentendo al contempo all'utente di avviare e arrestare comodamente il motore, invertire la sua direzione, controllare la velocità ed eseguire altre modifiche al funzionamento del motore. Ciascuno di questi comandi può essere avviato automaticamente ed è possibile programmare e monitorare i parametri e visualizzare la diagnostica.

Quando viene richiesto di avviare un motore, l'azionamento VF fornisce tipicamente potenza a frequenza e tensione ridotte. Non c'è l'elevata corrente di spunto vista in un motore con avviamento diretto in linea. Una volta che il motore inizia a girare, la tensione e la frequenza vengono aumentate a una velocità controllata fino al raggiungimento della velocità operativa. Questa procedura consente un notevole risparmio energetico in caso di frequenti avviamenti. Inoltre, ci sarà una minore usura dei componenti meccanici ed elettrici. La stessa logica si applica all'arresto del motore, dove una decelerazione graduale e graduale può fornire vantaggi.

Ulteriori risparmi sull'utilizzo di energia e sull'usura della macchina si ottengono quando il funzionamento a velocità ridotta è un'opzione. Ad esempio, l'azionamento VF per una ventola di ventilazione potrebbe essere programmato per funzionare a una velocità inferiore quando la temperatura ambiente scende al di sotto di un livello specificato o quando l'apparecchiatura è meno attiva, entrambe queste condizioni causano meno calore.

Un'altra motivazione per l'utilizzo di un azionamento VF è quando sono necessarie velocità variabili per l'applicazione prevista. È necessario un motore dell'ascensore per funzionare a più di una velocità e sono desiderabili transizioni a rampa fluide. Le trasmissioni VF vengono utilizzate, in queste situazioni, e sono di gran lunga superiori alle soluzioni obsolete di riduttori o pulegge multiple.

Un drive VF con interfaccia operatore fornisce una diagnostica utile che, in caso di malfunzionamento, può informare il tecnico della causa e mostrare i rimedi suggeriti. La lettura alfanumerica visualizzerà un codice di errore. Il manuale dell'operatore, solitamente fornito come parte dell'installazione originale, fornirà la chiave. Se questo manuale non è presente, dovrebbe essere disponibile come download gratuito dal sito Web del produttore. Si suggerisce che, nell'ambito del programma di manutenzione preventiva, copie del manuale corretto siano disponibili in ogni sala macchine e archiviate nell'officina di manutenzione.

Senza contare il motore come parte dell'azionamento, l'azionamento VF ha le sezioni principali che compongono l'apparato propulsore. Il front-end è costituito da un raddrizzatore a onda intera, necessario per un azionamento VF da CA a CA. (Esiste anche un convertitore VF da CC a CA, che viene utilizzato quando l'alimentazione elettrica è CC, come in un sistema solare fotovoltaico.) La configurazione abituale è un ingresso trifase e un'uscita trifase che alimentano un motore a induzione trifase, anche se occasionalmente vengono utilizzate apparecchiature monofase e talvolta il motore è sincrono (non a induzione) per applicazioni specializzate. Potrebbe essere utilizzato un raddrizzatore a semionda, ma farebbe un uso meno efficiente della potenza disponibile e l'uscita sarebbe più difficile da filtrare.

Il secondo stadio all'interno del convertitore è il bus CC. Due conduttori pesanti trasmettono la potenza rettificata. Una parte di questo stadio è costituita da uno o più condensatori in derivazione sul bus CC. Poiché un condensatore offre un'impedenza molto maggiore alla CC rispetto a un livello di tensione fluttuante, il condensatore ha lo scopo di filtrare l'ondulazione che altrimenti sarebbe prominente nell'uscita del raddrizzatore. Per aiutare in questo processo, una bobina induttiva può essere inserita in serie all'interno del bus CC. L'obiettivo è ottenere DC pura. Minore è l'ondulazione nel bus CC, migliori saranno le prestazioni del sistema.

Il bus DC alimenta lo stadio inverter, che contiene sei dispositivi a stato solido configurati come tre stringhe collegate in parallelo, ciascuna composta da due dei dispositivi collegati in serie. L'uscita trifase che va al motore è portata da tre conduttori, ciascuno collegato al punto medio di una delle stringhe in serie. Si noti che la configurazione del dispositivo e il cablaggio dello stadio inverter sono molto simili a quelli dello stadio raddrizzatore. Se l'unità VF viene visualizzata come simmetrica, con tre linee che portano corrente all'ingresso e tre linee che portano corrente all'uscita e il bus CC è nel mezzo, la risoluzione dei problemi utilizzando un multimetro e/o un oscilloscopio sarà notevolmente semplificata .

I dispositivi a stato solido possono essere racchiusi in un modulo o essere componenti discreti con sostanziali dissipatori di calore. Un tempo, i dispositivi a semiconduttore erano raddrizzatori controllati al silicio, ma dalla metà degli anni '1980 il transistor bipolare a gate isolato (IGBT) è diventato il componente abituale nello stadio inverter VF-drive. Questi onnipresenti dispositivi attivi sono caratterizzati da un'impedenza di ingresso molto elevata. Assorbono una corrente infinitesimale e, quindi, sono praticamente invisibili al circuito di controllo.

È necessario prestare molta attenzione nel maneggiare l'IGBT, poiché può essere distrutto da cariche elettrostatiche nel corpo del tecnico o da uno strumento non collegato a terra. I dispositivi sostitutivi di questo tipo vengono spesso spediti imballati in schiuma conduttiva in modo che i cavi, inseriti nella schiuma, vengano deviati insieme e non siano in grado di acquisire una differenza di tensione statica. Devono essere conservati in questa confezione fino al momento dell'installazione.

Le disposizioni di cablaggio di entrambi gli stadi raddrizzatore e inverter rendono semplice il controllo dei componenti attivi. Innanzitutto, esaminare tutte le terminazioni di alimentazione (ingresso, uscita e al motore) per allentamento o corrosione. Ispezionarli visivamente per vedere se un componente attivo (condensatore o induttore) appare bruciato o distorto. La tensione di ingresso dovrebbe essere uniforme per tutte e tre le gambe (con una differenza non superiore al 5%) e certamente non una fase caduta. Al motore, quando viene spento, dovrebbe esserci una resistenza CC uniforme tra ogni coppia di gambe e una resistenza in megaohm molto alta di ogni gamba a terra.

Per controllare i componenti dell'unità VF, spegnere l'unità. Ricorda che i grandi condensatori elettrolitici possono trattenere energia elettrica letale molto tempo dopo che l'apparecchiatura è stata scollegata dalla fonte di alimentazione. Non lavorare sull'unità VF a meno che tu non sappia come spurgare e misurare tale tensione.

Se il tuo multimetro ha la funzione "controllo diodo", è meglio usare questa modalità, perché misura la caduta di tensione effettiva (piuttosto che una pseudo resistenza) con l'ohmmetro che fornisce la polarizzazione. Collegare la sonda negativa del multimetro al bus CC positivo. Quindi, toccare la sonda positiva successivamente a ciascuno dei tre terminali di ingresso. Se vedi una piccola caduta di tensione di polarizzazione diretta tra ciascuna gamba e il bus CC positivo, allora tutto bene. Quindi, invertire le sonde. Se vedi la stessa caduta di tensione di polarizzazione diretta, questa parte dell'unità VF è buona. Un cortocircuito indicherà che il raddrizzatore ha uno o più diodi difettosi. Se leggi un open, cerca un resistore di carica aperto. Se questa procedura preliminare indica un problema, è necessario controllare i singoli componenti.

Lo stadio di uscita viene controllato in modo simile. Collegare la sonda positiva al bus CC negativo e toccare a turno la sonda negativa su ciascuno dei terminali di uscita. Cerca una caduta di tensione di polarizzazione diretta. Quindi, toccare la sonda negativa con il bus CC positivo e la sonda positiva con ciascuno dei terminali di uscita. Ancora una volta, cerca la caduta di tensione di polarizzazione diretta. Se si legge un cortocircuito, lo stadio dell'inverter è guasto. Un'apertura indicherebbe un danno all'inverter o un fusibile del bus CC bruciato. Se è così, è meglio non gettare un'altra miccia e sperare per il meglio. C'è un'alta probabilità che un guasto abbia causato un forte flusso di corrente e il fusibile abbia protetto altri componenti da danni. L'approccio migliore è fare ogni sforzo per individuare il difetto sottostante. Per controllare il/i condensatore/i bus, eseguire un controllo ohm tra i conduttori bus positivo e negativo. Non dovresti vedere un corto.

È possibile eseguire test più avanzati con un oscilloscopio. Innanzitutto, guarda l'input: i problemi di alimentazione possono causare onde sinusoidali o armoniche mal formate che possono danneggiare l'intera struttura dell'apparecchiatura. Quindi, guarda la tensione sul bus CC: dovrebbe essere una bella CC pulita senza increspature significative. Se è presente un componente CA sul bus CC, lo stadio inverter non funzionerà correttamente.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pag. 95 di questo fascicolo.
♦ Quali vantaggi hanno i motori a induzione?
♦ Quali sono le due funzioni di un commutatore in un motore DC?
♦ Quali due fattori determinano la velocità di un motore sincrono?
♦ Perché è necessario lo “slittamento” per un motore a induzione?
♦ Perché una combinazione VF-drive/motore è più economica da far funzionare rispetto a un motore AC semplice?

Osservare le tensioni all'uscita dell'inverter o ai terminali del motore. L'impulso sinusoidale sovrapposto all'onda portante di frequenza molto più alta, quando collegato al carico del motore altamente induttivo, produce una corrente sinusoidale che dovrebbe variare quanto basta per regolare la velocità del motore.

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Il motore a induzione prospera su un'onda sinusoidale analogica o su un rendering digitale che lo approssima da vicino.
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David Herres è titolare di una licenza di maestro elettricista del New Hampshire e ha lavorato come elettricista nella parte settentrionale di quello stato per molti anni. Si è concentrato sulla scrittura dal 2006, avendo scritto per riviste come ELEVATOR WORLD, Electrical Construction and Maintenance, Cabling Business, Electrical Business, Nuts and Volts, PV Magazine, Electrical Connection, Solar Connection, Solar Industry Magazine, Fine HomeBuilding Magazine e Engineering News.

Mondo Ascensore | Copertina febbraio 2014

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