Analisi della firma della corrente del motore (MCSA) Applicazioni

Le tecnologie di diagnostica dei motori sono diventate ancora più diffuse negli anni ’90 e nel nuovo secolo. Le tecnologie comprendono sia l’analisi del circuito del motore (MCA) sia l’analisi della firma della corrente del motore (MCSA), applicate a sistemi di motori elettrici sia alimentati sia disalimentati. Le applicazioni sembrano essere quasi infinite.

I sistemi inclusi in questo documento sono l’analizzatore di circuiti motore ALLTEST IV PRO 2000, l’analizzatore della firma di corrente del motore ALL-TEST PRO OL, il software di gestione del motore EMCAT, il software Power System Manager e il software ATPOL MCSA. Il kit ALL-TEST PRO MD comprende l’integrazione di tutti questi sistemi, oltre al software MotorMaster Plus del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Lo scopo di questo documento è quello di mettere in evidenza l’applicazione MCSA del sistema ALL-TEST PRO MD che mantiene quanto segue:

• Letture MCA di resistenza, impedenza, induttanza, angolo di fase, risposta in corrente/frequenza e test di isolamento a terra (MegOhm).
• Capacità MCSA di demodulazione di tensione e corrente, compresa l’analisi FFT a 5 kHz.
• Funzionalità di analisi e trend automatizzati per MCA e MCSA attraverso il software.
• Registrazione e analisi completa della qualità dell’alimentazione, compresa l’acquisizione istantanea di eventi trifase.

Gli esempi riportati in questo documento includono molte delle potenziali applicazioni disponibili attraverso l’implementazione delle tecnologie di diagnostica motoria.

Test della barra del rotore

Lo scopo fondamentale dello sviluppo originario della tecnologia MCSA era il rilevamento dei guasti alle barre del rotore. Le barre del rotore sono difficili da valutare con i metodi di prova tradizionali, compresa l’analisi delle vibrazioni. È stato stabilito che per valutare le condizioni delle barre del rotore è possibile utilizzare un metodo che utilizza la corrente. La regola di base è semplice: Le bande laterali della frequenza di passaggio del polo intorno alla frequenza fondamentale della linea, quando il motore è sotto carico, indicano problemi con il rotore. La regola standard stabilisce che i problemi della barra del rotore sono gravi quando i picchi della banda laterale si avvicinano entro 35 dB al picco della frequenza di linea.

Figura 1: Frequenze della barra del rotore

L’esempio della Figura 1 mostra bande laterali a circa -40 dB dalla frequenza di picco della linea. Ciò indicherebbe almeno una barra del rotore fratturata in questo motore da 500 CV e 4160 Volt su un compressore.

La figura 2 è un esempio di una delle due possibili
scenari:

• Vuoti di fusione in un rotore in alluminio.
• Dente (o denti) molle in un’applicazione dentata.

Figura 2: Vuoto di fusione o dente “morbido” di un ingranaggio

Utilizzando le FFT della tensione e della corrente demodulate ad alta frequenza, è possibile rilevare problemi quali l’eccentricità dinamica e statica, le barre del rotore allentate e altri guasti legati al rotore.

Figura 3: Sfregamento del rotore a vuoto

I dati della Figura 3 si riferiscono a una pompa sommergibile da 7,5 cavalli, 1800 giri/min, testata a secco a vuoto. Il rotore sfregava leggermente contro il nucleo dello statore, il che è stato identificato come eccentricità statica e dinamica con picchi di corrente multipli, come mostrato.

Test dei motori a induzione

I motori monofase e trifase possono essere valutati utilizzando una combinazione di tensione e corrente demodulate. Una regola particolare, e punto di forza, di un
combinazione di tensione e corrente, è che se i picchi si manifestano in tensione e corrente, il guasto è di natura elettrica, mentre se il picco si manifesta in corrente, ma non in tensione, il problema è di natura meccanica. Un altro vantaggio della valutazione dei sistemi con MCSA è la possibilità di rilevare i guasti legati all’alimentazione e al carico.

Figura 4: Guasto meccanico dello statore

Come si può notare nella Figura 4, i picchi vengono identificati nella corrente, ma non nella FFT della tensione. Ciò indica l’esistenza di guasti meccanici. Poiché si riferiscono alla velocità di funzionamento e al numero di slot dello statore, si tratta di un guasto meccanico legato agli avvolgimenti. Esistono diversi altri picchi di sola corrente, che indicano guasti legati al carico, in questo caso molto probabilmente un problema al cambio (si noti che questi sono i dati ad alta frequenza relativi alla Figura 2).

Figura 5: Squilibrio meccanico

Il motore mostrato nella Figura 5 presentava uno squilibrio meccanico. La firma si presenta come uno schema a due frequenze di linea (LF), quattro volte la frequenza di linea e due volte la frequenza di linea. In questo caso, le barre del rotore cronometrano la velocità di marcia con bande laterali LF e poi appare il modello rimanente.

Test dei motori CC

I motori a corrente continua sono valutati in modo simile alle vibrazioni. In effetti, le firme sono le stesse sia in vibrazione che in MCSA. La tensione e la corrente CC vengono prelevate dal circuito di armatura.

Figura 6: Guasto dell’azionamento CC

Nel caso della Figura 6, le armoniche multiple della frequenza di linea più le armoniche multiple del numero di componenti elettronici di potenza (SCR) per la frequenza di linea (360 Hz, in questo caso), indicano un guasto dell’SCR o un collegamento allentato. Ciò può essere confermato osservando l’ondulazione di tensione e frequenza nei dati a bassa frequenza.

Test dell’alternatore sincrono

Anche gli alternatori sincroni possono essere valutati in modo rapido e semplice utilizzando la demodulazione della tensione e della corrente. Nel caso dell’esempio seguente, un alternatore è intervenuto per temperatura elevata. Per valutare il sistema sono stati utilizzati sia MCA che MCSA.

Figura 7: Dati MCSA sull’alternatore sincrono (bassa frequenza)

Figura 8: Eccentricità dinamica dell’alternatore

L’alternatore in prova ha mostrato un aumento dell’eccentricità nel corso di 40 minuti di test, guasti al campo rotante e alcune segnalazioni di guasti elettrici. Queste informazioni sono state abbinate ai dati MCA che indicavano un cortocircuito dell’avvolgimento, un cortocircuito del cavo e un calo significativo della resistenza dell’isolamento durante il breve percorso a carico parziale. L’alternatore era un alternatore da 475 kW, 480 Vca, che richiedeva tre cavi in parallelo per fase. Il sistema ATPOL offre una serie di opzioni per i cavi più grandi. Tuttavia, in caso di necessità, è stato utilizzato uno dei tre cavi di ciascuna fase, per cui i valori di corrente erano all’incirca un terzo.

Figura 9: Collegamento di corrente per l’alternatore

Azionamenti a frequenza variabile

I convertitori di frequenza variabili hanno rappresentato una sfida per diversi sistemi MCSA. Nel caso dell’ATPOL, tuttavia, questo non è un problema. È possibile visualizzare i segnali di tensione e corrente in uscita (Figura 10).

Figura 10: Forme d’onda di tensione e corrente del VFD (cattura di 0,05 secondi)

Figura 11: Dati sulla bassa frequenza del VFD

La Figura 11, che rappresenta i dati a bassa frequenza (<120 Hz) per lo stesso sistema della Figura 10, mostra che la frequenza di linea di uscita del convertitore di frequenza è di 43 Hz e la velocità operativa del motore a 3600 giri/min è di 2570 giri/min.

Figura 12: Dati ad alta frequenza del VFD

Come si può notare nella Figura 12, i forti picchi di tensione e corrente indicano guasti legati al sistema del motore. Una parte del rumore aggiuntivo è strettamente dovuta alle forme d’onda di tensione e corrente provenienti dal VFD. Tuttavia, il software posiziona automaticamente i cursori relativi ai diversi guasti all’interno delle forme d’onda.

Figura 13: Analisi speciale dei valori di picco

La Figura 13 mostra gli stessi dati, ma con le tensioni e le correnti di picco indicate. Le correnti a frequenza più elevata indicano problemi legati alle armoniche di tensione, che sono mostrate nella forma d’onda inferiore. Tutti i dati combinati indicano un problema legato alla tensione in ingresso. Quando è stato testato a 46 Hz, il problema è diventato più significativo e ha evidenziato un potenziale guasto nel sistema di alimentazione che diventa prevalente sopra i 45 Hz.

La soluzione potrebbe essere alleggerita con un filtraggio applicato all’uscita del convertitore di frequenza.

Punzonatrice con motore e azionamento a correnti parassite

È possibile visualizzare l’intero sistema motore, compreso il carico azionato.

Figura 14: Ciclo di carico della punzonatrice

La Figura 14 mostra il ciclo di corrente su 10 secondi. Il picco A è uno dei tre picchi di questo ciclo e si riferisce al punzone (parte inferiore) della corsa della pressa, mentre il punto C si riferisce alla parte superiore della corsa. Il punto B identifica un qualche tipo di problema di sfregamento o di presa quando il sistema si avvicina al picco della corsa. I tre colpi in basso indicano che l’operazione viene eseguita 18 volte al minuto.

Figura 15: Bande laterali di frequenza di linea correlate al motore

La Figura 15 identifica un elevato “rumore di fondo” e molte bande laterali intorno al picco di frequenza LF. Questo, insieme ai dati ad alta frequenza, aiuta ad orientarsi verso il carico.

Figura 16: Dati ad alta frequenza della frizione a correnti parassite

La Figura 16 identifica un guasto del collegamento e/o dell’SCR nella tensione CC di alimentazione del raddrizzatore (sei SCR). I picchi nelle alte
Lo spettro di frequenza identifica anche i difetti dell’azionamento a correnti parassite e della punzonatrice stessa, probabilmente un allentamento del sistema (le relative firme mostrano livelli di rumore elevati).

MCSA e applicazioni energetiche

Le funzioni di reporting automatico e di registrazione dei dati del sistema ATPOL comprendono anche la possibilità di lavorare insieme al software MotorMaster Plus del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Per l’inclusione di MotorMaster Plus sono state finanziate funzioni aggiuntive da ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors e Pruftechnik per consentire l’inclusione di informazioni diagnostiche sul motore da analizzare. L’uso di MCA e MCSA consente all’utente di valutare le condizioni di un motore elettrico e di prendere una decisione di riparazione o di sostituzione in termini energetici con un ritorno sull’investimento confermabile.

Ad esempio, un motore da 40 cavalli e 1800 giri/min. testato con MCSA ha determinato alcuni guasti meccanici ed elettrici. I dati sono stati inseriti in un report di MotorMaster Plus e la frequenza di funzionamento è stata determinata come 91,5% di efficienza al 90% di carico. Ipotizzando un costo energetico di 0,07 $/kWh e una domanda di 14 $/kW, con 2000 (1 turno) di lavoro all’anno, è stato individuato un motore elettrico ad alta efficienza da sostituire, con un ritorno dell’investimento semplice di 0,9 anni e un ritorno dell’866% al netto delle imposte.

I dati possono essere utilizzati anche dal Pump System Assessment Tool (PSAT) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, da AirMaster e da altri strumenti.

Potenza diagnostica del motore – Sistema ALL-TEST PRO MD

La potenza combinata di MCA e MCSA disponibile nel kit ALL-TEST PRO MD, integrata attraverso il sistema software di gestione del motore EMCAT, permette di
utente di eseguire quanto segue:

• Analisi automatizzata dei dati MCA e MCSA.
• Calcolo del payback attraverso i sistemi software Power System Manager e MotorMaster Plus.
• Messa in servizio di macchine elettriche
• Risoluzione dei problemi delle macchine elettriche
• Tendenza delle macchine elettriche
• Analisi delle cause di un macchinario elettrico
• Vista del sistema completo di salute elettrica e meccanica
• Valutazione di sistemi AC/DC, carichi attraverso sistemi di “accoppiamento morbido” (es.: azionamenti a correnti parassite)
• Studi e indagini sull’energia.
• Supporta altre tecnologie diagnostiche come vibrazioni, infrarossi e altro.

Il tutto attraverso un semplice sistema di diagnostica del motore. I dati possono essere raccolti utilizzando i raccoglitori portatili o attraverso la funzionalità di “funzionamento a distanza” tramite un computer o un portatile (il sistema può essere gestito a distanza dallo schermo di un computer).

Conclusione

Lo scopo di questo libro bianco ALL-TEST Pro è stato quello di presentare le funzionalità MCSA del sistema di diagnostica motoria ALL-TEST PRO MD.
Le capacità, come dimostrato, vanno ben oltre la semplice analisi dei motori a induzione e comprendono:

• Motori e alternatori in c.a.
• Motori e generatori CC
• Sistemi monofase e trifase
• Azionamenti a correnti parassite
• Azionamenti a frequenza variabile
• Qualità dell’alimentazione in entrata
• Carico guidato
• Molto di più

Le capacità sono andate ben oltre quelle citate in questo documento.

Saranno presentati altri articoli che identificano le opportunità offerte dalla qualità dell’energia, dalla MCA, dalla MCSA e dal rilevamento dei guasti legati al carico.