Măsurarea tensiunii de ieşire a circuitelor de comandă ale motoarelor cu viteză variabilă cu Fluke ScopeMeter® seria 190

25 IULIE 2007

Circuitele de comandă pentru motoare cu viteză variabilă, cunoscute ca “invertoare de frecvenţă”, sunt folosite din ce în ce mai des în instalaţiile industriale. În timpul depanării
instalaţiilor, măsurarea tensiunii de ieşire oferă adesea rezultate neaşteptate. Cum este posibil aşa ceva, şi ce se poate face pentru a evita acest lucru?

Circuite de comandă pentru motoare cu viteză variabilă
Maşinile electrice tradiţionale conectate direct la un sistem de alimentare monofazat sau trifazat, au un domeniu foarte limitat pentru controlul vitezei, sau chiar deloc. O cutie de viteze externă oferă o soluţie, dar aceasta este voluminoasă, zgomotoasă, scumpă şi se uzează.
Disponibilitatea noilor dispozitive semiconductoare pentru tensiuni înalte şi curenţi mari au deschis calea pentru proiectarea aşa-numitelor circuite de comandă pentru motoare cu viteză variabilă sau “invertoare de frecvenţă”. Aceste dispozitive oferă o flexibilitate mare în controlul vitezei cu pierderi electrice mici şi un cuplu constant care poate fi independent de viteza de rotaţie a maşinii.
Ca rezultat, circuitele de comandă pentru motoare cu viteză variabilă se folosesc la scară largă în instalaţiile industriale unde oferă multe avantaje, inclusiv:
· eliminarea uzurii, deoarece sunt utilizate maşini asincrone,
· control eficient şi
· eficienţă energetică înaltă.
În timpul instalării şi depanării, măsurarea tensiunilor de ieşire oferă adesea rezultate neaşteptate. Aici explicăm cum este posibil acest lucru şi cum poate fi evitat folosind Fluke ScopeMeter seria 190.

Generarea ieşirii de frecvenţă variabilă
Sunt disponibile mai multe metode pentru generarea ieşirii de frecvenţă variabilă. Primele proiecte erau cunoscute ca şi convertoare de putere cu tiristoare sincronizate sau auto-comandate. Acestea mai sunt încă utilizate în invertoarele de frecvenţă de înaltă putere, dar pentru aplicaţiile de putere mai mică sunt disponibile alternative mai bune.

Figura 1 Tensiunea de ieşire pentru un convertor de putere bazat pe SRC-uri. Tensiunea de ieşire nefiltrată arată clar discontinuităţile.

Tiristoarele (SRC-uri) pot fi oprite doar la traversarea prin zero a curentului reţelei, şi de aceea tensiunea de ieşire a acestor convertoare nu este o undă sinusoidală continuă şi prezintă întotdeauna discontinuităţi (de exemplu, figura 1). Aici, schimbarea unghiului de fază al discontinuităţii controlează efectiv puterea de ieşire, care poate fi utilizată pentru a schimba viteza maşinii în timp ce se reduce puterea mecanică disponibilă. Din nefericire, aceste convertoare nu permit modularea aleatoare a formei de undă de ieşire; încercările de a rezolva această problemă s-au dovedit a fi scumpe şi au obţinut doar un succes limitat.

Figura 2 Structura de bază a unui circuit de comandă pentru motoare cu viteză variabilă

După ce au apărut aşa numiţii “semiconductori de putere cu oprire controlată de poartă”, a devenit posibilă o abordare total diferită a circuitelor de comandă a motoarelor cu viteză variabilă. Asemenea semiconductori pot fi opriţi şi porniţi , ceea ce-i face potriviţi pentru “choparea” într-un sistem DC. Figura 2 prezintă structura de bază a acestor dispozitive.
Intrarea de la reţeaua mono sau trifazată este conectată la o serie de redresoare care alimentează un bus intern DC. Aici tensiunea DC este stocată într-un condensator DC de mare capacitate de stocare, încărcat la tensiunea Ub.

Ub = Ö2*Umains = 1.41Umains

Tensiunea DC este apoi aplicată la o serie de comutatoare duble care conectează alternativ fiecare dintre cele trei conexiuni la maşină la linia bus pozitivă sau negativă. Mai mult, fiecare ramură de comutatoare poate fi în modul inactiv (neconductiv), păstrând conexiunea la maşină flotantă.
Comutatoarele sunt controlate de o unitate de comandă centrală care generează impulsuri pentru a activa cele 6 comutatoare la momentul potrivit. Viteza de comutaţie poate fi variată şi aceasta determină frecvenţa de ieşire. Ordinea în care sunt comandate cele trei ieşiri determină direcţia de rotaţie a maşinii.
Unitatea de comandă este setată astfel încât frecvenţa de ieşire poate fi variată pe un domeniu larg. Şi deoarece viteza de rotaţie a maşinii depinde direct de frecvenţa sursei, viteza maşinii poate fi controlată. Figura 3 prezintă tensiunile de ieşire pentru liniile de ieşire. Pentru fiecare din conexiunile la maşină vedem un impuls pozitiv, o perioadă în care conexiunea este nealimentată, şi apoi un impuls negativ, urmat de o altă perioadă în care nu este aplicată tensiune de comandă. În acest caz simplu, tensiunea de ieşire în gol pentru fiecare din ieşiri este fie + ½ Ub, fie – ½ Ub, unde Ub este tensiunea busului. Deoarece toate cele trei ieşiri sunt conectate la fel, valoarea medie pentru fiecare linie de ieşire este jumătate din tensiunea DC a busului.

Figura 3 Tensiunea de ieşire pentru fiecare din liniile de ieşire individuale

Figura 4 Tensiunea de ieşire direct şi prin filtrul trece jos

Dacă trecem forma de undă de mai sus printr-un filtru trece jos, ieşirea ar semăna cu o undă sinusoidală cu o frecvenţă fundamentală egală cu cea a undei dreptunghiulare dictată de circuitul de comandă (vezi figura 4). Totuşi, filtrele trece jos care pot suporta nivelele de energie întâlnite în circuitele de comandă pentru motoare sunt voluminoase şi scumpe, şi atunci au fost dezvoltate alternative pentru acestea.

Alternative la filtrarea trece jos

Figura 5

Alternativa la filtrele trece jos vine din altă îmbunătăţire în electronica de putere. În sistemele reale, impulsurile pozitive şi negative nu sunt în general create prin generarea unui singur impuls de polaritatea dorită. Toate impulsurile sunt generate prin comutarea repetată on/off a aceluiaşi comutator stare solidă la o rată mult mai mare folosind un factor de umplere variabil (vezi figura 5). Acum factorul de umplere este variat astfel încât curentul (nu tensiunea) prin înfăşurarea maşinii are o formă de undă sinusoidală. Ca efect, inducţia înfăşurărilor maşinii funcţionează ca filtru trece jos în care trece un curent cu o formă de undă sinusoidală ca rezultat al tensiunii modulate în lăţimea impulsului.
În figura 5 , curba superioară prezintă tensiunea de ieşire pentru o linie de ieşire în care este văzut clar efectul variaţiei factorului de umplere; curba inferioară prezintă tensiunea de ieşire efectivă pe perioada T a ceasului intern la o scală relativă. Aceasta arată că tensiunea de ieşire efectivă este o undă sinusoidală. Totuşi, ieşirea reală a circuitului de comandă al motorului semănă mai mult cu curba superioară! Spre deosebire de circuitele SCR menţionate anterior, circuitele de comandă pot fi utilizate în modul comutat tot timpul, astfel pierderile energetice în semiconductor sunt minime, oferind o înaltă eficienţă energetică şi o căldură generată scăzută pentru modulul de comandă.

Măsurarea tensiunii
Cu toate că îmbunătăţirile în eficienţă şi libertatea controlului vitezei pentru aceste circuite de comandă sunt evidente, există o complicaţie pentru inginerul responsabil pentru instalarea şi depanarea acestor circuite de comandă pentru motoare.
Tensiunea de ieşire pentru circuitul de comandă al motorului este generată cu scopul de a produce un curent cu formă de undă sinusoidală printr-o sarcină inductivă, dar tensiunea aplicată are o formă de undă complet diferită. Măsurarea directă a tensiunii de ieşire poate duce la rezultate neaşteptate deoarece, spre deosebire de maşinile electrice, voltmetrul va răspunde la tensiunea de ieşire nefiltrată.
Aceasta se datorează formei de undă de tensiune cât şi caracteristicilor de proiectare ale multimetrelor digitale. Acestea sunt proiectate în general pentru a măsura amplitudinea undelor sinusoidale la frecvenţa reţelei, adică 50 sau 60 Hz.
Tensiunea de ieşire a unui circuit de comandă pentru motoare cu viteză variabilă este o undă dreptunghiulară de înaltă frecvenţă, iar factorul de umplere se schimbă continuu.
Pe de altă parte, amplitudinea de vârf a undei dreptunghiulare este fixă. Şi în final, există două polarităţi!
Majoritatea multimetrelor sunt proiectate pentru a răspunde la tensiunea vârf, vârf-vârf sau tensiuni medii aplicate, şi aceste multimetre sunt calibrate pentru a citi amplitudinea efectivă a undei sinusoidale. Mai mult, când sunt utilizate pentru măsurători de tensiune AC, majoritatea multimetrelor au un redresor de fază dublu la intrare pentru a asigura că tensiunile de oricare polaritate contribuie egal la valoarea afişată.
Dacă privim tensiunea de ieşire din figura 5, tensiunea medie pe perioada T (după redresare) este direct proporţională cu factorul de umplere al formei de undă şi cu tensiunea DC a busului, şi se schimbă astfel constant deoarece factorul de umplere variază. Într-o semiperioadă a curentului rezultat, tensiunea medie va fi:

Umedie = d * Uvârf = d * (½ Ub)

unde: d = factor de umplere, care variază între 0 şi 100% şi invers.

Tabel 1 Valoarea afişată a tesiunii AC folosind diferite multimetre digitale

Rezultatul este o valoare afişată în volţi care deviază semnificativ de valoarea aşteptată la terminalele maşinii (aşa cum se poate observa, de exemplu, pe un afişaj incorporat în circuitul de comandă al motorului care afişează tensiunea efectivă de ieşire, calculată de electronica de control internă).
Pentru a ilustra cele de mai sus, am testat un număr de multimetre de la diferiţi fabricanţi, şi de diferite modele, toate în aceleaşi condiţii, folosind acelaşi circuit de comandă al motorului cu aceleaşi setări. Rezultatele măsurate, date în tabelul 1, sunt între 143 V şi 1000 V!

Efectuarea măsurătorilor corecte
Modalitatea corectă de a calcula tensiunea de ieşire pentru această situaţie specifică este să luaţi în considerare aplicaţia particulară a circuitului de comandă a motorului.
Puterea de comandă pentru maşina electrică este derivată din curentul prin înfăşurările maşinii, în timp ce tensiunea aplicată este necesară doar pentru a face curentul să curgă. Circuitele de comandă pentru motoarele cu viteză variabilă utilizează acest fapt prin aplicarea unei tensiuni necontinue de înaltă frecvenţă care are ca rezultat un curent cu formă de undă sinusoidală prin înfăşurările maşinii, cu o frecvenţă comandată de unitatea de comandă şi polaritatea tensiunii comutate.
Deci dacă dorim să cunoaştem tensiunea de ieşire efectivă a circuitului de comandă, trebuie să considerăm doar componenta de frecvenţă fundamentală a tensiunii aplicate. Aceasta se poate obţine prin efectuarea unui număr mare de eşantioane a tensiunii aplicate şi construirea unei imagini detaliate a formei de undă a tensiunii în memoria digitală a instrumentului, din care poate fi calculată şi afişată amplitudinea componentei de frecvenţă fundamentală.
Aceasta este exact cea ce fac ultimele trei instrumente testate listate în tabelul 1. Acestea includ ScopMetrele Fluke din seriile 190B şi 190C unde toate tensiunile sunt digitizate la o rată de eşantionare înaltă şi este stocată în memorie o imagine digitală a formei de undă pentru analiza ulterioară.
ScopMetrele din seria 190 sunt echipate cu o funcţie dedicată pentru măsurarea tensiunii etichetată “Măsurare Vpwm”, special pentru aceste aplicaţii. Cu această funcţie, ScopeMetrele din seria 190 pot analiza semnalul digitizat şi calcula frecvenţa fundamentală. Aceasta va avea aceeaşi formă de undă ca şi curentul de ieşire al circuitului de comandă al motorului. Din această formă de undă, valoarea este apoi calculată şi afişată ca valoare Vpwm.

Figura 6

Imaginea ecranului din figura 6, unde atât amplitudinea vârf-la-vârf şi tensiunea efectivă de ieşire a unui circuit de comandă pentru motor sunt date în cele două căsuţe din partea superioară a afişajului. Frecvenţa de ieşire efectivă a formei de undă afişate poate fi uşor determinată aici: o singură perioadă durează aproximativ 6.3 diviziuni, setarea bazei de timp este 5 ms, deci o perioadă durează aproximativ 31.5 ms. Atunci frecvenţa de ieşire este 1 / 31.5ms = 32 Hz. Alternativ, pot fi utilizate cursoarele pentru a marca perioada acestei forme de undă de ieşire.

Concluzii
Circuitele de comandă pentru motoare cu viteză variabilă aduc multe avantaje constructorilor şi utilizatorilor de maşini. Pentru inginerul de depanare şi instalare a circuitelor de comandă ale maşinilor, partea complicată este în măsurarea tensiunilor de ieşire ale circuitelor de comandă. Doar cu un echipament de testare special pregătit pentru testarea acestor tensiuni va obţine valori afişate de încredere, la fel cu cele (calculate) indicate de circuitul de comandă însuşi. ScopeMetrele Fluke din seria 190 sunt foarte potrivite pentru instalarea şi depanarea acestor circuite de comandă ale motoarelor cu viteză variabilă, şi sunt prevăzute cu toate funcţiile de testare necesare.

Ing. Gabriel Ghioca
ARC BRAŞOV srl
Str. Grădinarilor nr. 22
Tel.: 0268-472577; Fax: 0268-419749
arc@arc.ro www.arc.ro
REPREZENTANT AUTORIZAT

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre