Come testare completamente i motori a induzione trifase utilizzando il test del motore diseccitato

Spesso si eseguono test di induttanza del motore con metodi che non valutano accuratamente l’intero quadro. Test inadeguati possono portare alla sostituzione prematura delle apparecchiature, ad analisi dei costi insufficienti e ad altri risultati negativi. Il test del motore diseccitato con i dispositivi proprietari di ALL-TEST Pro per l’analisi del circuito del motore (MCA™) può rendere il test più accurato, fattibile e semplice. Questo articolo mostra come testare un motore trifase in c.a. e spiega perché i metodi MCA™ sono più completi.

Come funzionano i metodi di test tradizionali?

Prima di illustrare come testare un motore trifase con le moderne procedure di test, analizzeremo perché i metodi di test tradizionali che utilizzano i misuratori della resistenza di isolamento a terra e i multimetri in genere non sono sufficienti. Questi strumenti trascurano parti specifiche del motore e non sempre aiutano a capire se un motore trifase è difettoso.

Misuratori della resistenza di isolamento a terra

I dati indicano che solo il 17% circa dei guasti elettrici dello statore si verifica tra le bobine e il telaio del motore o è un cortocircuito diretto verso terra, mentre l’83% circa si verifica nell’isolamento dell’avvolgimento. Poiché il test IRG ignora l’isolamento dell’avvolgimento, si applica solo a una piccola percentuale di guasti. Inoltre, non valuta le condizioni generali dell’isolamento della parete di terra, ma solo il suo punto più debole. I misuratori IRG raccomandano di utilizzare un antiquato indice di polarizzazione per determinare la capacità del GWI di immagazzinare una carica elettrica. Queste linee guida, basate su tipi di isolamento più vecchi, possono non essere valide per i sistemi di isolamento più recenti.

Lo scopo delle misure IRG non è quello di determinare le condizioni dell’isolamento, ma di verificare che il motore elettrico trifase sia sicuro da alimentare. Misure aggiuntive come il fattore di dissipazione e la capacità verso terra forniscono un’indicazione più completa delle condizioni complessive del GWI.

Multimetri

I multimetri misurano la resistenza del circuito elettrico tra specifici conduttori del motore. In teoria, se l’isolamento che circonda i conduttori si rompe (come nel caso di un cortocircuito), la resistenza della bobina in cortocircuito sarebbe inferiore a quella delle altre bobine, creando uno squilibrio di resistenza tra le fasi.

Il problema della resistenza come indicatore del degrado dell’isolamento dell’avvolgimento risiede nella legge fondamentale dell’elettricità, secondo la quale la corrente segue il percorso di minor resistenza. Affinché la corrente possa bypassare una o più spire di una bobina, la resistenza di isolamento tra le bobine deve essere inferiore alla resistenza dei conduttori della o delle spire in cortocircuito. Questi valori possono essere dell’ordine dei milliohm e di solito non sono misurabili fino a quando l’isolamento tra gli avvolgimenti non è completamente scomparso.

Un altro problema dei multimetri è che l’isolamento ha un coefficiente di temperatura negativo. Con l’aumento della temperatura, la resistenza diminuisce, potenzialmente fino a un valore sufficientemente basso da far sì che la corrente si riduca intorno alla bobina. Se si effettuano le misurazioni dopo lo spegnimento del motore, le temperature dell’avvolgimento e dell’isolamento sono diminuite, consentendo alla resistenza dell’isolamento di aumentare a sufficienza affinché la corrente segua il suo percorso abituale e si presenti con una misura bilanciata tra le fasi.

Come si rompe l’isolamento?

La valutazione delle condizioni di un motore trifase si basa sull’indicazione precoce della rottura dell’isolamento. A tal fine, MCA™ utilizza segnali CA a bassa tensione per esercitare il sistema di isolamento dell’avvolgimento e determinare quando l’isolamento dell’avvolgimento inizia a subire i cambiamenti chimici che si verificano quando l’isolamento inizia a degradarsi.

Tutta la materia è costituita da molecole e atomi. Gli atomi funzionano come i mattoncini LEGO® e formano molecole grazie ai legami chimici. Questi legami si verificano nel guscio più esterno di un atomo (valenza). I materiali isolanti hanno elettroni di valenza molto legati. I materiali conduttivi hanno elettroni poco legati nel guscio di valenza. Il calore può modificare la composizione chimica del materiale isolante, facendo sì che l’isolamento che circonda i conduttori diventi più conduttivo e formando dei percorsi nell’isolamento. Questi percorsi creano cortocircuiti tra i conduttori.

Secondo l’equazione di
equazione di Arrhenius
queste reazioni chimiche raddoppiano per ogni aumento di temperatura di 10 gradi Celsius. L’isolamento non si rompe all’istante. Tutti i materiali isolanti elettrici sono dielettrici e subiscono una variazione della composizione chimica nel tempo, ma queste reazioni ne accelerano il deterioramento. Il calore provoca un aumento della velocità di reazione, accelerando di conseguenza il tasso di deterioramento.

Quando ciò accade, l’isolamento inizia a cedere per gradi:

1. Quando l’isolamento viene sollecitato, diventa più conduttivo, meno resistivo e meno capacitivo. La temperatura inizia ad aumentare nella zona di faglia e l’isolamento forma percorsi di carbonizzazione. Nelle fasi iniziali, l’isolamento non è attraversato da corrente.
2. La resistenza continua a diminuire man mano che l’isolamento si degrada. L’autoinduttanza e la capacità potrebbero diminuire e il motore potrebbe iniziare a scattare a intermittenza, ma funzionare correttamente dopo il raffreddamento dell’isolamento. La prosecuzione del funzionamento consentirà alle temperature nella zona di faglia di continuare ad aumentare con l’aggravarsi della faglia.
3. Infine, l’isolamento si degrada finché la corrente non attraversa la zona di guasto. Questo fenomeno potrebbe causare la rottura completa dell’isolamento dell’avvolgimento, vaporizzandolo. A questo punto, l’induttanza e la resistenza dell’avvolgimento della bobina cambiano.

Quali sono i guasti più comuni del rotore?

Alcuni (secondo l’EPRI il 10%) grandi motori a induzione trifase si guastano a causa di problemi al rotore. Questi non sono rilevabili con i tradizionali metodi di test motori o richiedono diagnosi lunghe e strumenti di test complessi. Ecco alcuni guasti tipici del rotore.

Vuoti di fusione

I vuoti di fusione si verificano quando si formano bolle di vapore nelle barre del rotore o negli anelli terminali nella parte elettrica dei rotori a gabbia di scoiattolo. Aumentano la resistenza della barra o delle barre. Le barre del rotore creano circuiti paralleli. La teoria elettrica di base afferma che la tensione in ogni tratto dei circuiti in parallelo è la stessa. Un vuoto di fusione in una barra del rotore aumenta la resistenza della barra stessa, facendo diminuire il flusso di corrente (attraverso la barra con il difetto) e aumentando il flusso di corrente attraverso le barre adiacenti. L’aumento del flusso di corrente attraverso le barre del rotore adiacenti provoca un ulteriore riscaldamento delle barre del rotore. Il calore aggiuntivo provoca l’espansione termica delle barre interessate, causando l’inarcamento del rotore e creando vibrazioni eccessive e guasti precoci e frequenti dei cuscinetti.

Rotore eccentrico

Un rotore eccentrico si verifica quando la linea centrale geometrica dell’albero non è concentrica con la linea centrale geometrica del nucleo del rotore. Il punto del rotore più lontano dall’albero (punto alto) sarà più vicino allo statore, mentre il punto sul lato opposto del rotore (punto basso) sarà più vicino all’albero ma più lontano dallo statore. L’eccentricità crea una distanza disuguale tra il nucleo del rotore e quello dello statore. Poiché un rotore eccentrico ha un punto alto e un punto basso, la distanza disuguale tra il rotore e lo statore cambia con la posizione del rotore.

Questo tipo di eccentricità è chiamata eccentricità dinamica. Questa condizione crea forze elettricamente sbilanciate tra il rotore e lo statore, con conseguenti frequenti guasti ai cuscinetti.

Spazi d’aria disuguali

Un traferro disuguale si verifica se un rotore concentrico non è posizionato sulla linea centrale geometrica del campo statorico. Questa circostanza può verificarsi a causa di una lavorazione imprecisa e non centrata degli incastri sul telaio del motore e sulle campane di estremità. Anche gli accoppiamenti lavorati correttamente possono far sì che la GCL del rotore sia sfalsata rispetto alla GCL dello statore. Questo problema crea giochi stretti e forze elettriche sbilanciate tra lo statore e il rotore, simili a un rotore eccentrico, ma il gioco stretto rimane in una posizione fissa all’interno del motore e non cambia con l’orientamento del rotore. Questo tipo di eccentricità si chiama eccentricità statica.

Una condizione di piede morbido tra i piedi motori e la base è una causa comune di eccentricità statica. Se i piedi del motore non sono sullo stesso piano della base su cui è montato, il serraggio dei bulloni di fissaggio sul telaio del motore può provocare una distorsione del telaio stesso, con conseguente distorsione del campo statorico. Queste distorsioni creano le stesse condizioni che si avrebbero se il rotore fosse decentrato nel campo magnetico dello statore.

Questi vuoti d’aria possono creare giochi ridotti e forze magnetiche sbilanciate che possono portare a frequenti guasti dei cuscinetti e a crepe o rotture delle barre del rotore.

Barre del rotore incrinate o rotte

Le barre del rotore agiscono come conduttori nel circuito elettrico del rotore. Se le barre del rotore sono incrinate o rotte, si verificheranno punti morti sul rotore quando le barre interessate si trovano sotto uno qualsiasi dei poli del campo magnetico dello statore che ruota intorno al nucleo dello statore. La corrente modula attraverso il rotore a una frequenza pari al numero di poli del motore e alla frequenza della corrente che attraversa il rotore. Le barre del rotore rotte o incrinate impediscono al rotore di raggiungere la velocità normale o creano corrente in eccesso, calore e vibrazioni del macchinario. Se non si interviene, il rotore può autodistruggersi.

Che cosa comporta l’analisi del circuito del motore?

Per valutare questi guasti del rotore e le carenze dei test tradizionali, possiamo utilizzare un’analisi più completa del circuito del motore. Analisi del circuito del motore™ per testare un motore CA trifase.

Isolamento delle pareti di terra

L’isolamento di terra è un isolamento che separa l’alimentazione elettrica fornita al motore dal telaio o da qualsiasi altra parte esposta del motore. Il suo scopo è quello di dirigere il percorso della corrente e impedire che vada in un punto diverso da quello previsto. Ricordate che le misure IRG confermano la sicurezza di un motore, non le sue condizioni. Le misure di DF e CTG forniscono maggiori informazioni sulle condizioni complessive del GWI.

Il sistema GWI può essere modellato come un circuito RC in serie-parallelo. L’isolamento GWI forma un condensatore, poiché è un materiale dielettrico posto tra materiali conduttori. Il condensatore immagazzina una carica elettrica, quindi una parte della corrente alternata applicata a un condensatore ritorna alla sorgente quando si toglie la tensione. Tuttavia, alcuni flussi attraversano il dielettrico. La corrente che ritorna alla sorgente è capacitiva, mentre quella che attraversa il materiale dielettrico è resistiva. Quando si applica una tensione alternata al condensatore, la corrente capacitiva conduce la tensione di 90 gradi, mentre la corrente che attraversa il dielettrico è resistiva e in fase con la tensione alternata.

Un isolamento nuovo e pulito ha una corrente resistiva pari al 3-5% della corrente capacitiva. Se il materiale isolante si degrada, la corrente resistiva aumenta o la corrente capacitiva diminuisce o si verificano entrambe le cose. In ogni caso, influisce sul rapporto tra la corrente resistiva e la corrente capacitiva – il DF. Un DF crescente indica un GWI in degrado, che potrebbe essere dovuto alla degradazione termica o alla contaminazione.

Anche i motori nuovi e puliti hanno un valore CTG specifico. Se il valore attuale del CTG è aumentato rispetto al valore di riferimento, di solito è dovuto all’isolamento contaminato o all’ingresso di acqua. La degradazione termica dell’isolamento GWI aumenta la corrente resistiva e diminuisce la corrente capacitiva, quindi il valore CTG diminuisce. La combinazione di queste due misure di CA con le misure di IRG fornisce maggiori informazioni per determinare le condizioni generali del GWI.

Prove di avvolgimento statico dello statore

I test sugli avvolgimenti dello statore possono essere statici o dinamici. I test statici vengono eseguiti a rotore fermo e comprendono i seguenti elementi.

• Resistenza dell’avvolgimento: Per misurare la resistenza dell’avvolgimento, è possibile applicare in sequenza una tensione CC a due dei tre conduttori del motore per valutare la resistenza dei conduttori collegati tra i conduttori dello strumento. Gli squilibri associati alla resistenza degli avvolgimenti sono solitamente dovuti a collegamenti allentati o ad alta resistenza.
• Induttanza (L): L’induttanza misura la capacità di una bobina o di un avvolgimento di immagazzinare un campo magnetico. I motori presentano sia un’autoinduttanza che un’induttanza reciproca. La degradazione dell’isolamento di una bobina influisce sull’autoinduttanza e qualsiasi modifica del circuito elettrico del rotore influisce sull’induttanza reciproca. Lo squilibrio dell’induttanza è spesso dovuto alla posizione del rotore. La posizione del rotore non è un problema, ma è una condizione naturale associata ai motori a induzione. I motori a induzione in c.a. possono essere modellati come un trasformatore con un secondario rotante. Gli avvolgimenti dello statore fungono da primario e le barre del rotore da secondario. In condizioni statiche, il numero di barre del rotore posizionate direttamente sotto le bobine eccitate da testare stabilisce il rapporto di spire tra il primario e il secondario. In questo modo si stabilisce l’induttanza reciproca tra il rotore e lo statore. Se il numero di barre del rotore posizionate sotto ogni fase non è lo stesso a causa della posizione del rotore, si creerà uno squilibrio dell’induttanza tra le fasi.
• Impedenza (Z): L’impedenza è l’opposizione totale al flusso di corrente in un circuito CA. Mentre la resistenza misura solo l’opposizione in corrente continua, l’induttanza e la capacità del circuito influiscono sull’impedenza. Queste quantità cambiano quando l’isolamento che circonda i conduttori che formano le bobine degli avvolgimenti inizia a cambiare. Poiché Z è un valore scalare, può non notare piccole variazioni nelle prime fasi di degrado dell’isolamento.
• Angolo di fase (Fi): L’angolo di fase misura il ritardo temporale tra due o più eventi nello stesso periodo. Un ciclo completo è di 360 gradi. Se ci vuole un secondo per completare un ciclo (il periodo del ciclo) e un evento ritarda l’altro di mezzo secondo (mezzo ciclo, o 180 gradi), il Fi è di 180 gradi. La frequenza è l’inverso del tempo (1/T), quindi tutti gli eventi con lo stesso periodo si verificano alla stessa frequenza. Se i cicli non iniziano simultaneamente, uno dei due sarà in vantaggio o in ritardo. I circuiti resistivi, induttivi e capacitivi si differenziano per il modo in cui la corrente e la tensione si avvicinano o si allontanano l’una dall’altra. Pertanto, quando la composizione chimica dell’isolamento che circonda i conduttori che compongono le bobine inizia a cambiare, il valore Fi cambia prima di Z, L, R o C. La misura Fi è un indicatore principale della rottura dell’isolamento.
• Risposta in frequenza della corrente (I/F): Gli induttori immagazzinano campi magnetici per opporsi a una variazione di corrente, mentre i condensatori immagazzinano cariche elettriche per opporsi a una variazione di tensione. Se queste proprietà cambiano, cambia anche la capacità della bobina o dell’avvolgimento di immagazzinare una carica o un campo magnetico. L’isolamento circonda i conduttori delle bobine degli avvolgimenti di fase. Se gli isolamenti che circondano le bobine sono tutti nelle stesse condizioni, ogni fase ha la stessa capacità di accumulo. Quando l’isolamento inizia a degradarsi, questa capacità cambia, creando uno squilibrio nella capacità delle bobine di fase di immagazzinare un campo magnetico o una carica elettrica. La risposta I/F misura la capacità di una bobina di immagazzinare un campo magnetico o una carica elettrica. Gli squilibri superiori al 2% dell’I/F di una bobina rispetto alla media di tutte le fasi indicano un guasto in corso nell’avvolgimento.

MCA™ è una tecnologia collaudata sul campo, utilizzata con successo da oltre 35 anni. MCA™ ha documentato le linee guida per identificare i guasti agli avvolgimenti e al rotore in via di sviluppo. Per i professionisti occasionali, queste linee guida possono essere difficili da ricordare e da applicare. Per questo motivo, su richiesta di alcuni utenti, gli ingegneri di ALL-TEST Pro hanno sviluppato una soluzione unica e brevettata. Hanno sviluppato un algoritmo proprietario che combina tutte le misure MCA™ e definisce le condizioni dell’avvolgimento e del sistema del rotore. Fornisce un unico valore, il valore di prova statico. Il TVS™ non valuta l’idoneità dell’isolamento o del sistema del rotore, ma riflette le condizioni dei sistemi elettrici dell’avvolgimento e del rotore del motore. I motori non sono autorigeneranti, quindi qualsiasi variazione del TVS™ indica che le condizioni del motore si stanno deteriorando.

Il valore di riferimento statico è generalmente il primo TVS™ eseguito su un motore ed è specificato come valore di riferimento o “linea di base”. Ciò consente allo strumento di confrontare i risultati di qualsiasi “prova statica” presente con l’RVS memorizzato per valutare le condizioni del motore. L’RVS è un TVS™ salvato nello strumento o nel software MCA™ come riferimento per i confronti. Se il TVS™ cambia di oltre il 3% rispetto al valore iniziale, si tratta di un allarme precoce. Il superamento del 5% indica un forte cambiamento.

I motori nuovi o ricostruiti devono avere i risultati della prima “prova statica” memorizzati come RVS.

Quando un motore viene installato per la prima volta in un sistema, viene eseguito un nuovo test statico da un punto facilmente accessibile, come il centro di controllo del motore o un sezionatore locale, e i risultati vengono memorizzati come un nuovo RVS. Questo nuovo RVS incorpora tutti i componenti elettrici nel controllore del motore e nel relativo cablaggio. L’esecuzione di eventuali test statici successivi da quella postazione consente di valutare rapidamente le condizioni del circuito elettrico.

Se un nuovo TVS™ differisce dall’RVS di meno del 3%, le condizioni del motore e dei componenti associati non sono cambiate. Un’avvertenza oltre il 3 o il 5% indica rispettivamente un guasto in via di sviluppo o un cambiamento grave. Il cambiamento non è necessariamente avvenuto nel motore, ma da qualche parte nel sistema. Per isolare il guasto è necessario eseguire una nuova prova statica direttamente sul motore. Se il TVS™ del motore è entro il 3% dell’RVS per il motore, il guasto è nel controllore o nel cablaggio associato. Se è superiore al 3%, il guasto è negli avvolgimenti del motore o nel sistema del rotore.

Per determinare se il guasto è nello statore o nel rotore, è necessario eseguire un test dinamico.

Test dinamici

I test dinamici vengono eseguiti mentre l’albero del motore ruota manualmente in modo lento e regolare. Creano una firma statorica e una firma rotorica.

• Firma dello statore: La firma dello statore traccia i valori medi di variazione dell’impedenza quando le barre del rotore si muovono attraverso il campo magnetico creato dalle bobine eccitate. Sui motori buoni, la distribuzione dei valori medi è inferiore all’1,1% rispetto alle altre fasi. Se è più alto, indica un guasto in via di sviluppo nell’isolamento che circonda i conduttori che compongono le bobine all’interno delle fasi. Se i valori superano una variazione del 3%, si sta verificando un grave degrado dell’isolamento.
• Firma del rotore: La firma del rotore indica la quantità di deviazione di ciascun picco dal valore medio. Sui rotori di buona qualità, questi picchi sono simmetrici. Dovrebbero variare di meno del 10% rispetto agli altri picchi della fase. Un valore compreso tra il 10% e il 15% indica un allarme precoce, mentre una variazione superiore al 15% indica un rotore difettoso.

Perché MCA™ è così utile?

Purtroppo, la mancanza di conoscenza delle moderne capacità di MCA™ di testare i motori, provate sul campo, ha limitato l’uso diffuso del metodo. Gli approcci tradizionali hanno una capacità limitata di analizzare a fondo i motori asincroni trifase. Sono disponibili altri metodi che richiedono molto tempo, ma si concentrano ancora sul GWI, che non fornisce alcuna indicazione dei più comuni problemi di isolamento degli avvolgimenti e del rotore.

Sono disponibili strumenti più costosi che richiedono più tempo per il test, ma non riescono a determinare le condizioni del rotore del motore o del sistema di isolamento.

MCA™ supera questi problemi con un metodo facile da usare e comprensibile di verifica dei motori diseccitati. Offre valutazioni dettagliate, collaudate sul campo e accurate per questi motori CA trifase. I nostri strumenti MCA™, come il
ALL-TEST PRO 7
™ e il
ALL-TEST PRO 34
™, sono strumenti portatili, alimentati a batteria, che offrono istruzioni passo-passo per l’esecuzione dei test. Inoltre, forniscono una valutazione immediata sullo schermo delle condizioni motorie.

Un test motorio migliore, più facile e più veloce con MCA™ può offrire vantaggi come questi.

• Maggiore precisione e successo nella risoluzione dei problemi: Molti motori presentano guasti minori, spesso riparabili, ma gli utenti li scartano a causa dei costi di verifica aggiuntivi. Alcuni impianti sostituiscono i motori problematici al di sopra di una taglia prestabilita. Grazie all’identificazione accurata del guasto, questi utenti possono eseguire analisi migliori dei costi di riparazione per ridurre il numero di sostituzioni e minimizzare i costi associati alle riparazioni, ai tempi di inattività e alla manodopera specializzata reindirizzata.
• Impianti più affidabili: Ispezionando i motori nuovi e ricostruiti, un impianto si assicura di ottenere ciò per cui paga. Si può evitare di installare motori difettosi o di sprecare motori che sono ancora in buone condizioni e facili da riparare.
• Riduzione dei tempi di inattività: L’analisi dei motori alla ricerca di indicazioni di degrado può aiutarvi a sostituire i motori sospetti o deboli durante un’interruzione programmata, invece di permettere che guasti improvvisi interrompano le operazioni e riducano i tempi di attività.

Attrezzatura MCA™ di ALL-TEST Pro

Iniziate a utilizzare gli esclusivi valori TVS™ e RVS di MCA™ e ALL-TEST Pro con i nostri prodotti per il test dei motori trifase. Offriamo una serie di dispositivi di analisi e il nostro team di esperti sarà lieto di aiutarvi a trovare quello giusto per la vostra attività.
Esplorate i nostri dispositivi online
o
contattateci
per qualsiasi domanda.