Figura 1
Cu funcţiile lor unice de declanşare şi măsurare, osciloscoapele portabile ScopeMeter 190 seria II de la Fluke sunt ideale pentru analizarea raportului tensiune/frecvenţă al acţionărilor cu viteză variabilă modulate în lăţimea impulsului.
Acţionările cu viteză variabilă
Acţionările cu viteză variabilă (VSD) oferă o metodă convenabilă şi confortabilă de modificare a turaţiei motoarelor de c.a. robuste. Atunci când este conectat la reţea, viteza de rotaţie a unui motor de c.a. este legată direct de frecvenţa reţelei şi de numărul de poli ai motorului. În mod tradiţional, o cutie de viteze externă era singura modalitate de a lucra cu turaţii diferite. Acest lucru s-a schimbat odată cu introducerea semiconductorilor de mare putere, care au făcut posibilă construirea acţionărilor cu viteză variabilă prin crearea electronică a unei tensiuni de alimentare care acţionează la frecvenţe diferite. Totuşi, acest lucru a creat nevoia de noi capabilităţi de măsurare, care sunt oferite de către osciloscopul portabil 190 seria II de la Fluke.
Modulaţia lăţimii impulsului
Figura 2: Schemele electrice de bază ale acţionării cu viteză variabilă.
Acţionările de c.a. care folosesc modulaţia în lăţimea impulsului (PWM) şi-au croit drum în numeroase aplicaţii cum ar fi ventilatoarele, pompele şi transportoarele cu curea acţionate de motoare de c.a. asincrone cu rotorul în scurtcircuit. Aceste motoare sunt robuste şi necesită puţină întreţinere, deoarece nu au perii care să necesite înlocuirea periodică.
Structura de bază a unei acţionări cu viteză variabilă (figura 2) include un redresor de intrare care să convertească tensiunea de la reţea în tensiune c.c., care alimentează apoi aşa-numita magistrală c.c. Această tensiune c.c. este convertită apoi în „tensiune cu frecvenţă variabilă” cu ajutorul comutatoarelor electronice. Deoarece viteza motorului poate fi reglată cu un simplu potenţiometru sau semnal de control de la o sursă externă, aceste acţionări au devenit un înlocuitor popular pentru cutiile de viteze.
Motorul
Motoarele de c.a. sunt concepute pentru utilizarea cu un câmp magnetic rotativ de intensitate constantă. Câmpul magnetic este generat de tensiunea aplicată, intensitatea sa fiind proporţională cu raportul tensiune/frecvenţă. În mod normal, motorul este conceput să funcţioneze cu tensiunea de la reţeaua locală (230V/400V sau 120V/208V) şi la frecvenţa reţelei locale (50 sau 60Hz). Valorile nominale sunt indicate pe plăcuţa motorului (figura 3). Dacă motorul este conectat la o VSD, unitatea de acţionare modifică frecvenţa tensiunii de ieşire, schimbând implicit viteza câmpului magnetic rotativ şi, astfel, viteza motorului.
Totuşi, scăderea exclusivă a frecvenţei va genera un câmp magnetic ridicat, dat fiind faptul că raportul tensiune/frecvenţă creşte. Rezultatul va fi saturaţia magnetică, ceea ce cauzează o funcţionare instabilă şi generează temperaturi mai mari în motor. La fel, mărirea frecvenţei creşte raportul tensiune/frecvenţă, reducând câmpul magnetic şi având ca rezultat un cuplu mai mic.
Figura 3: Plăcuţa de tip a motorului
Pentru a depăşi aceste probleme, VSD variază şi tensiunea atunci când se modifică frecvenţa, pentru a menţine un raport tensiune/frecvenţă constant. Este preferabil ca acest lucru să se facă pe intervalul de lucru complet al VSD. Tipul de control utilizat în acest caz se numeşte control tensiune/frecvenţă, care în cea mai simplă formă a sa preia o comandă de viteză de referinţă de la o sursă externă şi modifică tensiunea şi frecvenţa aplicate motorului.
Figura 4: Selectarea raportului tensiune/frecvenţă pentru măsurătorile efectuate la intrarea A
Cerinţele pentru măsurare
Pentru a putea verifica dacă raportul tensiune/frecvenţă este constant pe întregul interval de regim al VSD, tensiunea şi frecvenţa de ieşire ale acţionării trebuie măsurate simultan. Provocarea aici, totuşi, este că forma de undă de ieşire a unei unităţi modulată în lăţimea impulsului este departe de unda sinusoidală, deoarece constă din impulsuri cu amplitudine variabilă, pentru a crea un curent de acţionare a motorului care să semene cu o undă sinusoidală. Acest lucru se obţine prin modificarea ciclului de sarcină al acestor impulsuri astfel încât curentul (însă nu şi tensiunea) care parcurge înfăşurarea motorului să semene cu o undă sinusoidală.
În fapt, înfăşurările motorului funcţionează ca un filtru trece-jos, prin care tensiunea modulată în lăţimea impulsului cauzează trecerea unui curent asemănător unei unde sinusoidale. Un voltmetru pentru rms real utilizat în această situaţie va da citiri eronate, deoarece aceste aparate de măsură redau tensiunea rms a semnalului pe toată lăţimea de bandă. Această aplicaţie necesită un aparat de măsură capabil să măsoare tensiunea efectivă doar la nivelul componentei fundamentale, deoarece aceasta este cea pe care motorul o „vede” efectiv. O altă complicaţie este că formele de undă modulate complexe fac adesea dificilă obţinerea unei imagini şi a citirilor stabile ale semnalului.
Noul osciloscop cu 2 canale ScopeMeter 190 seria II de la Fluke este ideal pentru această aplicaţie, deoarece poate afişa imediat raportul tensiune/frecvenţă după ce este selectată această opţiune. Nu mai sunt necesare alte ajustări, iar tehnicianul se poate concentra pe job, deoarece nu este necesar să petreacă timp reglând ScopeMeter pentru setări optime. Figura 3 ilustrează afişajul de configurare pentru alegerea raportului tensiune/frecvenţă.
Dispozitivul ScopeMeter oferă şi declanşarea Connect-And-View (Conectează şi vizualizează) care afişează automat imaginea stabilă.
Figura 5: Măsurarea Vpwm şi frecvenţei, precum şi afişarea raportului tensiune/frecvenţă.
Efectuarea măsurătorilor
Instrumentul de testare Fluke 190 seria II ScopeMeter este certificat până la o valoare nominală de siguranţă 600V CAT IV/1.000V CAT III, ceea ce face seria un instrument extrem de sigur pentru aplicaţiile profesionale şi industriale.
Conectaţi dispozitivul ScopeMeter direct la bornele motorului, folosind sonda 10:1 VPS410 livrată standard împreună cu instrumentul. Din meniul SCOPE READINGS (CITIRI OSCILOSCOP) selectaţi citirea tensiune/frecvenţă (Figura 3). Această nouă opţiune asigură o citire directă a raportului, permiţându-i operatorului să continue să se concentreze pe raport, mai degrabă decât pe setările corecte. Declanşarea automată a ScopeMeter asigură o formă de undă stabilă şi afişarea valorilor citite, permiţând realizarea măsurătorilor pe întregul interval de funcţionare al unităţii de acţionare. Figura 4 ilustrează valoarea raportului tensiune/frecvenţă calculat din valorile de intrare măsurate la intrarea A, unde valorile efective sunt afişate în banner.
Figura 6: Graficul tensiune – frecvenţă
Măsurătorile arată că raportul tensiune/frecvenţă este relativ constant pe intervalul de lucru pentru frecvenţe de până la 50Hz, unde tensiunea atinge nivelul tensiunii de intrare a acţionării (Figura 5). Citirile sunt identice cu valorile nominale pentru motor, adică 220V/50Hz = 4.4. Atunci când frecvenţa creşte peste 50Hz, unitatea de acţionare nu mai poate mări tensiunea de ieşire, deoarece este limitată de către intrarea sa la 230V. Aceasta are ca rezultat un raport tensiune/frecvenţă mai mic, ceea ce generează un câmp magnetic mai mic şi, implicit, un cuplu mai mic la funcţionarea la turaţie mare.
Dacă se reduce turaţia, unitatea de acţionare măreşte uşor raportul tensiune/frecvenţă, pentru a îmbunătăţi cuplul la turaţie mică. Această tehnică este numită adesea Impulsionarea tensiunii. În mod normal, un motor generează un cuplu mai mic atunci când funcţionează la turaţie redusă, efect cunoscut sub numele de „pierdere ohmică”. Aceasta este cauzată de rezistenţa înfăşurărilor motorului, care are o influenţă mai mare asupra impedanţei totale a înfăşurărilor la turaţie mică, dat fiind faptul că inductanţa înfăşurărilor scade odată cu frecvenţa, în timp ce rezistenţa rămâne constantă. Partea tensiunii care contribuie la inductanţă este în consecinţă mai mică, ceea ce cauzează un câmp magnetic relativ mai mic la turaţii reduse.
Concluzie
Noul osciloscop cu 2 canale ScopeMeter 190 seria II de la Fluke este deosebit de potrivit pentru această aplicaţie, deoarece la o singură apăsare de buton este posibilă obţinerea citirii necesare. Ajustarea setărilor specifice nu mai este necesară.
Cu această nouă caracteristică, aparatul face analizarea raportului tensiune/frecvenţă mai facilă decât oricând şi permite analizarea comportamentului sistemului şi găsirea cauzelor posibile pentru comportamentul instabil al motorului în configuraţia VSD.
ARC BRAȘOV SRL este partener autorizat în România, pentru detalii vă rugăm să ne contactați.
Autor: Ing. Gabriel Ghioca, ARC Brașov
gabriel.ghioca@arc.ro
Tel: 0268 472577; 0268 – 477 777 | arc@arc.ro | www.arc.ro | Blog.arc
