Controllo del rapporto
tensione-frequenza
sulle trasmissioni a
velocità variabile
con i nuovi oscilloscopi portatili Fluke
ScopeMeter ® 190 serie II a 2 canali
Nota applicativa
Grazie alle esclusive funzioni trigger e di misura, gli oscilloscopi
portatili Fluke ScopeMeter 190 serie II sono ideali per l'analisi
del rapporto tensione-frequenza delle trasmissioni a velocità
variabile con modulazione di ampiezza di impulso.
Trasmissioni a velocità
variabile
Modulazione
dell'ampiezza di impulso
Le trasmissioni a velocità variabile (VSD, Variable Speed Drive)
forniscono un metodo comodo ed
economico per la variazione della
velocità di motori CA robusti. Una
volta collegato all'alimentazione di
rete, la velocità di rotazione di un
motore CA è direttamente correlata
alla frequenza di rete e al numero
di poli del motore. Tradizionalmente, una scatola ingranaggi
esterna è risultata l'unico modo per
gestire velocità differenti. Tutto ciò
è cambiato con l'introduzione dei
semiconduttori ad alta potenza, che
rendono possibile la realizzazione
di trasmissioni a velocità variabile creando elettronicamente una
tensione di alimentazione che operi
a frequenze differenti. Ciò, tuttavia,
ha generato la necessità di nuove
funzioni di misura fornite dall'oscilloscopio portatile Fluke 190 serie II.
I dispositivi di azionamento CA
con modulazione dell'ampiezza di
impulso (PWM) trovano applicazione in numerosi componenti quali
ventole, pompe e nastri trasportatori
azionati da motori CA asincroni a
gabbia. Si tratta di motori resistenti
che richiedono una manutenzione
minima in quanto non sono dotati di
spazzole che devono essere sostituite regolarmente.
La struttura di base di una
trasmissione a velocità variabile
(Figura 1) include un raddrizzatore
di ingressi che converte la tensione
di rete in tensione CC di alimentazione del cosiddetto bus CC. Questa
tensione CC viene quindi convertita in una "tensione a frequenza
variabile" utilizzando gli interruttori
elettronici. Poiché la velocità del
motore può essere regolata con un
semplice potenziometro o un segnale
di controllo proveniente da una
fonte esterna, questi dispositivi di
azionamento sono divenuti i sostituti
comuni delle scatole degli ingranaggi.
Alimentazione
di rete
Conversione
da CA in CC
Convertitore da CA in CC
Filtro CC
e buffer
+V cc
L1
tensione
bus
T1
T2
T3
L2
L3
Terra
-V cc
Uscita
meccanica
Motore (carico)
Interfaccia cavo
T3
T2
T1
Figura 1. Schema elettrico di base del dispositivo a velocità variabile.
w w w. f l u k e . i t / S c o p e M e t e r S e r i e s I I
Il nuovo Fluke ScopeMeter 190
serie II a 2 canali è ideale per
questa applicazione in quanto,
una volta selezionata la relativa
opzione, mostra immediatamente
il rapporto V/Hz. Non richiedendo
alcuna regolazione aggiuntiva,
il tecnico può concentrarsi sul
lavoro senza dover perdere tempo
nell'impostazione ottimale dello
ScopeMeter. La figura 3 mostra la
selezione del rapporto V/Hz nella
schermata di impostazione.
ScopeMeter, inoltre, offre il
trigger Connect-and-View per la
visualizzazione automatica delle
immagini stabili.
Figura 2. Piastra del tipo di motore.
Il motore
I motori CA sono progettati per
l'uso con un campo magnetico
rotante di intensità costante. Il
campo magnetico viene generato
da una tensione applicata la cui
intensità è proporzionale al rapporto V/Hz. Normalmente il motore
è progettato per funzionare con
tensioni di rete locali (230 V/400 V
o 120 V /208 V) e frequenze di rete
(50 Hz o 60 Hz). I valori nominali
vengono visualizzati sulla piastra del
tipo di motore (Figura 2). Quando
il motore viene collegato a un VSD,
l'unità di azionamento cambia la
frequenza della tensione di uscita,
modificando quindi la velocità del
campo magnetico rotante e quindi la
velocità del motore.
Tuttavia, riducendo solo la
frequenza viene generato un
campo magnetico superiore a
causa dell'aumento del rapporto
V/Hz. Ciò determina una saturazione magnetica che causa un
funzionamento instabile e genera
temperature superiori nel motore.
Analogamente, l'incremento della
frequenza aumenta il rapporto V/
Hz, riducendo il campo magnetico e
determinando una coppia inferiore.
Per superare questi problemi, la
tensione del VSD cambia al variare
della frequenza per mantenere il
rapporto V/Hz costante. Preferibilmente, ciò viene effettuato su una
gamma operativa completa del
VSD. Il tipo di controllo utilizzato in
questo caso viene definito controllo V/Hz, che nella sua forma
più semplice, riceve un comando
di riferimento della velocità da una
fonte esterna e varia la tensione e
la frequenza applicate al motore.
Misurazioni
Figura 3. Selezione del rapporto V/Hz per
misurazioni eseguite sull'ingresso A.
Requisiti di misurazione
Per verificare se il rapporto V/Hz è
costante lungo la gamma operativa
del VSD, la tensione e la frequenza
di uscita dell'unità di azionamento
devono essere misurate contemporaneamente. La difficoltà, in
questo caso, risiede nel fatto che
la forma d'onda di uscita dell'unità
di azionamento PWM è lontana
da un'onda sinusoidale, poiché è
costituita da impulsi ad ampiezza
variabile per creare una corrente
di azionamento del motore simile
a un'onda sinusoidale. Ciò viene
realizzato variando il ciclo di
lavoro degli impulsi in modo che
la corrente (ma non la tensione)
attraverso l'avvolgimento del
motore somigli a una forma d'onda
sinusoidale.
In effetti, gli avvolgimenti del
motore funzionano come un filtro
passa-basso attraverso il quale la
tensione a modulazione dell'ampiezza di impulso determina il
flusso di una corrente simile a
una forma d'onda sinusoidale. Un
voltmetro rms effettivo utilizzato in
questa situazione fornisce misure
errate in quanto tali misuratori rilevano la tensione rms del segnale
della larghezza di banda completa.
Questa applicazione richiede un
misuratore in grado di rilevare solo
la tensione effettiva del componente principale, in quanto ciò è
quello che il motore "vede" effettivamente. Un'altra complicazione
è rappresentata dal fatto che le
forme d'onda modulate complesse
spesso rendono difficile il raggiungimento di immagini e misure
stabili del segnale.
Lo strumento di misura Fluke
ScopeMeter 190 serie II è certificato fino a 600 V in ambiente con
classe di sicurezza CAT IV e 1000
V in ambiente CAT III, garantendo quindi la massima sicurezza
nelle applicazioni professionali e
industriali.
Collegare ScopeMeter direttamente ai terminali del motore
utilizzando la sonda VPS410 10:01
fornita di serie con lo strumento.
Dal menu SCOPE READINGS
(MISURE OSCILLOSCOPIO), selezionare il valore V/Hz (Figura 3).
Questa nuova opzione garantisce
una lettura diretta del rapporto,
permettendo all'operatore di
concentrarsi sul rapporto piuttosto
che sulle impostazioni corrette. Il
trigger automatico dello ScopeMeter
garantisce la visualizzazione delle
misure e delle forme d'onda stabili,
consentendo misurazioni sull'intera gamma operativa dell'unità di
azionamento.
La figura 4 mostra il valore del
rapporto V/Hz calcolato dai valori
di ingresso misurati sull'ingresso A i
cui valori effettivi vengono visualizzati nel banner.
Figura 4. Misurazione Vpwm e Hz e
visualizzazione del rapporto V/Hz.
2 Fluke Corporation Controllo del rapporto tensione-frequenza sulle trasmissioni a velocità variabile con il nuovo oscilloscopio
portatile Fluke ScopeMeter® 190 serie II a 2 canali
Figura 5. Grafico V - Hz.
Le misure mostrano che il
rapporto V/Hz è relativamente
costante lungo la gamma operativa
per frequenze massime di fino a 50
Hz, punto in cui la tensione raggiunge il livello della tensione in
ingresso dell'unità di azionamento
(Figura 5). Le letture corrispondono
ai valori nominali del motore, ossia
220 V/50 Hz = 4,4. Quando la
frequenza viene aumentata oltre
50 Hz, l'unità di azionamento non
può più incrementare la tensione
di uscita poiché è limitata dall'ingresso di alimentazione di 230
V. In questo modo si ottiene un
rapporto V/Hz più basso che determina un campo magnetico inferiore
e, di conseguenza, una coppia
inferiore durante il funzionamento
ad alta velocità.
Quando viene ridotta la velocità,
l'unità di azionamento aumenta
leggermente il rapporto V/Hz per
migliorare la coppia a velocità
inferiori. Questa tecnica viene
comunemente definita come
elevazione di tensione. Generalmente, un motore fornisce una
coppia inferiore durante il funzionamento a velocità inferiori,
un effetto noto come "perdita di
tensione". Ciò è causato dalla
resistenza degli avvolgimenti del
motore che hanno un'influenza
maggiore sull'impedenza totale
degli avvolgimenti a velocità
inferiore poiché l'induttanza degli
avvolgimenti diminuisce con la
frequenza mentre la resistenza
rimane costante. La parte della
tensione che contribuisce all'induttanza di conseguenza viene ridotta
determinando un campo magnetico
relativamente inferiore a velocità
più basse.
Conclusione
Il nuovo ScopeMeter Fluke 190
serie II a 2 canali è particolarmente
adatto a questa applicazione in
quanto con una semplice pressione
di un pulsante è possibile ottenere
la misura richiesta e non è più
necessario effettuare alcuna
regolazione specifica.
Grazie a questa nuova caratteristica, l'analisi del rapporto V/Hz
diventa estremamente più semplice
ed è possibile esaminare il sistema
e individuare possibili cause di un
motore instabile nella configurazione VSD.
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