Come testare un motore sincrono con la tecnologia moderna

Per comprendere meglio l’applicazione del test e dell’analisi dei circuiti motore sui motori elettrici sincroni (macchine sincrone), è importante avere una breve panoramica del funzionamento di un motore sincrono, dei guasti più comuni, dei metodi di test più comuni, di come l’ALL-TEST IV PRO™ (
Ora AT5™
) funziona con i motori sincroni di grandi dimensioni, le fasi di base per l’analisi di statori e rotori sincroni e i risultati di prova attesi (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ è il sostituto raccomandato per ATIV™
). In questo articolo discuteremo questi diversi aspetti, facendo riferimento ad altri materiali per ulteriori dettagli.

Informazioni sulle macchine sincrone

I grandi motori sincroni hanno due funzioni fondamentali:

• Il primo consiste nel migliorare il fattore di potenza elettrica di un impianto. In qualsiasi impianto con grandi carichi induttivi, come motori e trasformatori, la corrente inizia a essere inferiore alla tensione (scarso fattore di potenza). Quando la situazione diventa abbastanza grave, l’impianto richiede una quantità di corrente significativamente maggiore per eseguire la stessa quantità di lavoro. Ciò può causare un calo di tensione e il surriscaldamento dei componenti elettrici. Un motore sincrono può essere utilizzato in modo tale da avere un impatto minimo o nullo sul fattore di potenza, oppure può essere utilizzato per far sì che la corrente conduca la tensione per correggere i problemi di fattore di potenza.
• Il secondo metodo di funzionamento consiste nell’assorbire carichi pulsanti, come quelli dei compressori alternativi. Una volta raggiunta la velocità sincrona, un motore sincrono è dotato di bobine che si “bloccano” al passo con i campi magnetici rotanti del motore elettrico provenienti dallo statore. Se si verifica un impulso di coppia (come ad esempio all’inizio della corsa di un compressore alternativo), il motore potrebbe non essere sincronizzato con i campi rotanti. In questo caso, uno speciale avvolgimento sul rotore, chiamato avvolgimento amortisseur (vedi costruzione sincrona), assorbe l’energia dell’impulso di coppia, mantenendo il rotore in sincronia.

La costruzione di base di un motore sincrono è semplice. Ci sono tre serie di avvolgimenti, uno statore, un rotore, cuscinetti e un generatore (senza spazzole) o un “eccitatore statico” (a spazzole).

Gli avvolgimenti sono costituiti da:

• Un avvolgimento trifase standard, molto simile a quello di un motore elettrico a induzione standard.
• Una serie di bobine di campo, che sono bobine in corrente continua fatte di filo rotondo per le macchine di piccole dimensioni e di filo rettangolare o a nastro per le macchine più grandi.
• Un avvolgimento amortisseur, simile a un rotore di un motore a induzione a gabbia di scoiattolo

I metodi di avviamento dei motori sincroni a spazzole e senza spazzole sono simili. Il circuito di partenza sarà diverso per entrambi. Di seguito viene descritta la modalità di funzionamento di base, seguita da una breve descrizione delle differenze:

Durante la fase di avviamento, un motore sincrono si comporta come un normale motore a induzione. Lo statore riceve una corrente elettrica e si sviluppa un campo magnetico rotante (la velocità = (120 * frequenza applicata) / numero di poli). Questo campo genera una corrente nell’avvolgimento amortisseur, che viene utilizzato per sviluppare la coppia di avviamento generando un proprio campo magnetico che interagisce con il campo magnetico dello statore nel traferro e fa sì che il rotore segua i campi magnetici dello statore. Quando il rotore inizia a raggiungere i campi dello statore, la corrente continua viene iniettata nelle bobine del campo del rotore, creando coppie magnetiche nord e sud (le bobine del rotore si trovano sempre in coppia). Questi si agganciano ai campi magnetici statorici e seguono la stessa velocità dei campi statorici, mentre un motore a induzione standard rimane sempre indietro.

In una macchina a spazzole, la sorgente di corrente continua per i campi del rotore proviene solitamente da un avviatore “statico” (elettronico), che converte la corrente alternata in corrente continua. Nella maggior parte dei casi, la corrente continua in uscita viene variata durante il ciclo di avviamento. L’azionamento può anche essere impostato in modo da cortocircuitare le bobine di campo della macchina per evitare la saturazione del rotore e le conseguenti correnti estremamente elevate sullo statore. Quando il rotore inizia a girare, la corrente continua viene fornita per aiutare il motore a sviluppare la coppia. La tensione continua viene fornita attraverso una coppia di collettori rotanti e spazzole.

In una macchina brushless, un generatore CC è installato direttamente sull’albero del motore sincrono. Quando il motore sincrono si avvia, il generatore fornisce pochissima corrente continua attraverso il suo commutatore. All’aumentare della velocità, aumenta anche la tensione CC, aiutando il motore a generare la coppia e quindi a bloccare il passo alla velocità sincrona. In questo tipo di macchina, il generatore è collegato direttamente ai campi del rotore.

Esistono anche macchine con un generatore montato sull’albero del rotore che alimenta un comando separato. Questo viene utilizzato per mettere in cortocircuito gli avvolgimenti e quindi controllare la quantità di corrente continua immessa nel rotore, proprio come nella macchina a spazzole.

Guasti più comuni dei motori sincroni

I motori sincroni di grandi dimensioni tendono a essere ben costruiti e robusti. Spesso sono costruiti con materiali eccessivi per resistere ai forti carichi applicati. I guasti più comuni delle macchine sincrone industriali sono, nell’ordine, i seguenti:

• Cuscinetti a causa dell’usura generale e della contaminazione
• Campi del rotore: a causa delle alte temperature, spesso si bruciano dall’interno.
• Avvolgimenti Amortisseur – soprattutto nei carichi alternativi. A causa della quantità di energia assorbita, le barre di avvolgimento spesso si rompono. In particolare, se i campi del rotore iniziano a cedere e sono corti, è più facile che il rotore si disallinei.
• Avvolgimenti dello statore – usura generale e contaminazione. Gli avvolgimenti dello statore nelle macchine sincrone tendono a essere “avvolti in forma” e fortemente isolati.

Quasi tutti i guasti agli avvolgimenti che si verificano in un motore sincrono iniziano tra i conduttori delle bobine del rotore o dello statore.

Metodi di test comuni, punti di forza e debolezze

Di seguito sono riportati i metodi di prova tradizionali per valutare le condizioni di un motore sincrono:

• Test della resistenza di isolamento: Utilizzando tensioni CC applicate come specificato dalla norma IEEE 43-2000, viene posto un potenziale tra gli avvolgimenti dello statore e la massa. Misura solo i guasti diretti tra gli avvolgimenti dello statore e il telaio dello statore. Viene eseguita anche attraverso gli slip ring su una macchina a spazzole.
• Indice di polarizzazione: Si tratta di un rapporto tra 10 minuti e 1 minuto della resistenza di isolamento. Questo è stato tradizionalmente utilizzato come metodo per misurare le condizioni dell’isolamento tra gli avvolgimenti dello statore e il telaio. Come per il test di resistenza dell’isolamento, anche questo può essere eseguito attraverso gli anelli di scorrimento su una macchina a spazzole. Come indicato nella norma IEEE 43-2000, questo metodo di prova è valido solo per i sistemi di isolamento precedenti al 1970.
• Test ad alto potenziale: Il test ad alto potenziale in corrente continua, più comune sulle macchine di grandi dimensioni, viene eseguito con un valore pari al doppio della tensione di targa del motore più 1000 volt, moltiplicato per la radice quadrata di 3. Su un sistema di isolamento esistente, questo valore è spesso ridotto al 75% della tensione potenziale. Questo test sollecita fortemente il sistema di isolamento ed è potenzialmente dannoso (secondo gli standard IEEE 388 e 389). Questo tipo di test non deve MAI essere applicato agli avvolgimenti del rotore di un motore sincrono.
• Test di confronto delle sovratensioni: Valuta le condizioni di rotazione dello statore solo confrontando le forme d’onda di due avvolgimenti quando viene emesso un impulso a tempo di salita rapido pari al doppio della tensione più 1000 volt. Se ci sono problemi correggibili, come avvolgimenti contaminati, questo test può danneggiare gli avvolgimenti del motore.
• Test di scarica parziale: Si tratta di un metodo di prova non distruttivo che misura le radiofrequenze delle scariche nei vuoti del sistema di isolamento degli avvolgimenti del motore. Questa funzione è efficace per il trending delle macchine con tensione superiore a 6,6 kV e fornisce solo un breve avviso a partire da 4 kV. Non rileva alcun difetto del rotore.

• Analisi della firma di corrente del motore: È stato progettato per il test del rotore dei motori a induzione.
• Test di caduta di tensione: Richiede lo smontaggio del motore. Agli avvolgimenti del rotore viene applicata una tensione alternata di 115 e la caduta di tensione viene misurata con un voltmetro su ciascuna bobina. In caso di cortocircuito, la caduta di tensione varierà di oltre il 3%.

L’elenco di cui sopra non comprende le apparecchiature per il collaudo meccanico dei motori sincroni.

Informazioni sullo strumento ALL-TEST Pro

L’ALL-TEST IV PRO™ (
Editore- ALL-TEST PRO 5™ è il sostituto consigliato per l’ATIV™)
è un semplice strumento elettronico che funziona più o meno come un multimetro, con la differenza che fornisce una serie di letture che coprono i parametri CA del circuito del motore. Si tratta di un raccoglitore di dati e di un tester che invia un segnale in corrente continua a bassa tensione per semplici test di resistenza, come un misuratore di milli-Ohm, e un segnale in corrente alternata a bassa tensione e alta frequenza per letture in corrente alternata. Lo strumento misura e calcola i risultati dei test in unità ingegneristiche di resistenza, impedenza, induttanza, angolo di fase, risposta di corrente/frequenza e un test di resistenza di isolamento a terra.

Le principali differenze tra i test elettronici delle apparecchiature di potenza e i metodi tradizionali sono:

• Una visione più completa del circuito del motore, che include le influenze derivanti dalle variazioni delle condizioni di isolamento della bobina di campo del rotore.
• Uno strumento per un’ampia gamma di dimensioni di apparecchiature. Il test è limitato solo all’intervallo di resistenza semplice dello strumento (da 0,010 Ohm a 999 Ohm).
• Non distruttivo: non viene applicata alcuna tensione nociva.
• Interpretazione dei dati più semplice – Alcune semplici regole per l’interpretazione dei dati (vedi interpretazione dei dati di seguito).
• Apparecchiature portatili rispetto a quelle che possono pesare da 40 a oltre 100 kg.
• Fonte di alimentazione interna dello strumento.

Quando un sistema di isolamento invecchia, o se il sistema di isolamento è contaminato e sta compromettendo l’integrità dell’isolamento, il circuito elettrico del motore cambia. Poiché il rotore è parte integrante del circuito, le modifiche all’integrità elettrica del circuito e del sistema di isolamento del rotore si riflettono direttamente anche sugli avvolgimenti dello statore. Ciò consente sia la risoluzione immediata dei problemi sia l’andamento a lungo termine del motore.

Le informazioni esclusive del test consentono agli strumenti ALL-TEST Pro di visualizzare un numero sufficiente di parametri del sistema di isolamento per rilevarli e isolarli:

• Avvolgimenti dello statore in cortocircuito
• Campi del rotore in cortocircuito
• Barre di avvolgimento dell’amortizzatore rotte
• Eccentricità del traferro
• Contaminazione degli avvolgimenti (rotore e statore)
• Guasti di isolamento a terra

Fasi di base per l’analisi delle macchine sincrone con gli strumenti ALL-TEST Pro

Le fasi di verifica delle macchine sincrone sono simili a quelle per la valutazione delle condizioni dei motori a induzione standard. Tuttavia, poiché sul rotore del motore sono presenti bobine di campo, la ricerca di un guasto richiede alcuni passaggi aggiuntivi.

Quando si testa una macchina sincrona dal centro di controllo motore o dall’avviatore:

• Togliere l’alimentazione all’apparecchiatura. Assicurarsi che anche le fonti di alimentazione secondarie siano prive di tensione.
• Eseguire i test standard ALL-TEST IV PRO™ (ora AT5™) sullo statore seguendo le indicazioni del menu dello strumento.
• Valutare i risultati del test (vedere Risultati attesi del test).
• Se viene indicato un guasto, iniziare la ricerca guasti:
• Regolare la posizione del rotore, per quanto possibile, fino a 45 gradi (qualsiasi movimento è sufficiente se il rotore è difficile da girare, ma non meno di 5 gradi).
• Eseguire nuovamente i test e rivedere le letture. Se il guasto si è spostato o è cambiato di più di una cifra, è probabile che il guasto sia localizzato nel rotore.
• Se il guasto rimane fisso (non cambia con la posizione del rotore), scollegare i cavi dalla morsettiera del motore e ripetere il test. Se viene ancora indicato un guasto, è probabile che sia nello statore, altrimenti nel cavo.

Il tempo medio del test, a parte la risoluzione dei problemi, è di circa 3-5 minuti.

Quando si testa una macchina sincrona smontata, è importante ricordare che le letture saranno molto diverse senza il rotore al suo posto:

• Eseguire il test ALL-TEST IV PRO™ Auto (AT5
  Z/
  
  
  modalità di test) sullo statore e valutare i risultati del test. Questo fornirà un’indicazione immediata di eventuali guasti.
• Per il test del rotore:

• Eseguire il test automatico e confrontarlo con una lettura precedente,

• Eseguire il test Auto e confrontarlo con un rotore “identico”; oppure,
• Eseguire il test Auto su ogni bobina di campo invece di un test di caduta di tensione.
• Tutti e tre i parametri devono rispettare i limiti di valutazione.

Grazie al tipo di test, questi risultati possono essere confrontati con le tendenze e le macchine simili.

Altre applicazioni per il test del circuito del motore includono la valutazione e l’accettazione e la manutenzione predittiva.

Risultati attesi del test

Come menzionato nell’ultima sezione di questo documento, i risultati dei test sono simili a quelli riscontrati nelle macchine a induzione trifase. I modelli di guasto sono molto semplici e si applicano indipendentemente dalle dimensioni dell’apparecchiatura, entro il campo di prova degli strumenti ALL-TEST Pro. Di seguito viene fornita una breve panoramica delle misure di prova e dei relativi risultati per la risoluzione dei problemi di base:

• Misure di resistenza semplici: Sono un indicatore di connessioni ad alta resistenza, connessioni allentate o conduttori interrotti nel circuito. Questo test è importante, soprattutto se il problema di resistenza è in un punto, poiché, in base a I2R, un punto resistivo emette una grande quantità di energia termica (in Watt). Per esempio, una resistenza da 0,5 Ohm attraverso un punto di un circuito che riceve 100 Ampere emetterebbe: (100Ampere2)(0,5 Ohm) = 5.000 Watt (5kW) di energia. Si tratta della stessa energia utilizzata per far girare un motore elettrico da 6 cavalli.
• Misura dell’induttanza: È un indicatore della forza magnetica di una bobina e dell’influenza di altre bobine su una bobina. Il suo impatto dipende dal numero di spire di un circuito, dalle dimensioni delle bobine e dall’induttanza di altre bobine. Questa misura, di per sé, è solo un buon indicatore delle condizioni dell’avvolgimento dell’amortisseur e dell’eccentricità del rotore. L’induttanza mostra un avvolgimento in cortocircuito solo se è grave.
• Misura dell’impedenza: È la misura della resistenza complessa del circuito. Può essere utilizzato, come l’induttanza, per verificare le condizioni dell’avvolgimento amortizzatore e del rotore. Tuttavia, se utilizzato insieme all’induttanza, può essere utilizzato per rilevare rapidamente avvolgimenti surriscaldati e contaminazione degli avvolgimenti. Osservando la relazione di induttanza e impedenza tra ciascuna fase: Se l’induttanza e l’impedenza sono relativamente parallele, lo squilibrio induttivo e di impedenza è dovuto alla relazione tra il rotore e lo statore (posizione del rotore); se non sono parallele, ciò indica un problema di isolamento, come la rottura dell’isolamento o la contaminazione dell’avvolgimento.
• Angolo di fase e I/F (corrente/frequenza): Sono entrambi indicatori di difetti di isolamento tra le spire dello statore o del rotore.
• Resistenza di isolamento: Valuta l’isolamento a terra e indica solo quando l’isolamento è danneggiato.

Le raccomandazioni sui limiti di prova, come indicato nella “Guideline for Electronic Static Winding Circuit Analysis of Rotating Machinery and Transformers”, sono le seguenti:

Tabella 1: Limiti di prova (valori da picco a picco)

*Può superare questo valore se le misure sono parallele.

Di seguito è riportata una panoramica delle regole di risoluzione dei problemi:

• Avvolgimenti in cortocircuito:

• Gli avvolgimenti in cortocircuito possono essere valutati osservando l’angolo di fase e le letture I/F dello strumento su bobine simili o tra le fasi:
• Angolo di fase (Fi) – L’angolo di fase deve essere compreso entro 1 cifra dalla lettura media. Per esempio, una lettura di 77/75/76 sarebbe buona perché la lettura media è 76. Una lettura di 74/77/77 sarebbe negativa.
• Risposta in frequenza corrente (I/F) – La risposta in frequenza corrente deve essere compresa entro 2 cifre dalla lettura media. Ad esempio, una lettura di -44/-45/-46 sarebbe buona. Una lettura di -40/-44/-44 sarebbe negativa. Tuttavia, una lettura come -42/-44/-44 dovrebbe essere considerata sospetta.

• Contaminazione degli avvolgimenti e posizione del rotore

• La posizione del rotore all’interno del motore elettrico può causare uno squilibrio naturale di fase. Anche la contaminazione degli avvolgimenti provoca squilibri di fase. La valutazione del DF può mostrare se lo squilibrio di fase proviene dal rotore o dalla contaminazione.

• Posizione del rotore – Gli squilibri della posizione del rotore possono essere valutati verificando se i valori di induttanza e impedenza sono abbastanza equilibrati. Ad esempio, se ci sono induttanze di 17/18/19 e impedenze di 24/26/29, lo squilibrio è dovuto alla posizione del rotore. Ciò può verificarsi anche se le induttanze sono 5/5/5 e le impedenze 8/9/8.
• Contaminazione degli avvolgimenti – Si può riscontrare anche negli avvolgimenti surriscaldati (bruciati). Queste condizioni sono il risultato di alterazioni dell’isolamento dovute alla rottura del sistema di isolamento.

Conclusione

Attraverso una serie di semplici regole e istruzioni, l’ALL-TEST IV PRO™ (ora AT5™) fornisce uno strumento eccellente per la ricerca dei guasti e l’analisi delle condizioni delle macchine sincrone. Il test viene eseguito utilizzando misure semplici e non distruttive che consentono una visione più completa del circuito dello statore e del rotore del motore rispetto a qualsiasi altro test. La valutazione dei test è semplice e diretta, indipendentemente dalle dimensioni o dal tipo di apparecchiatura.

Bibliografia

• Linee guida per l’analisi elettronica del circuito di avvolgimento statico di macchine rotanti e trasformatoriBJM Corp, Divisione ALL-TEST, 2001.
• Penrose, Howard W. Analisi del circuito del motore: Teoria, applicazione e analisi energetica, SUCCESS by DESIGN, 2001.