Diagnostica dei motori: L’approccio multi-tecnologico

Introduzione

Si è diffusa l’idea errata che esista una “pallottola magica”, sotto forma di strumento di monitoraggio basato sulle condizioni (CBM), in grado di fornire tutte le informazioni necessarie per valutare lo stato di salute del sistema del motore elettrico. Questo equivoco è spesso causato dalle presentazioni commerciali dei produttori o delle forze di vendita di questi strumenti CBM. È il vero e proprio Il compito del venditore è quello di concentrarsi sull’area di forza del proprio strumento e di presentarlo come “l’unica soluzione di cui avrete bisogno per risolvere ogni vostro problema”.

In realtà, non esiste un unico strumento in grado di fornire tutte le informazioni necessarie. Non esiste un “Santo Graal” della CBM e dell’affidabilità. Tuttavia, grazie alla comprensione del sistema del motore elettrico e alle capacità delle tecnologie CBM, è possibile avere una visione completa del sistema, del suo stato di salute e stimare con sicurezza il tempo di guasto per fornire una buona raccomandazione alla direzione.

Lo scopo di questo documento è semplice: delineare i componenti di un sistema di motori elettrici; discutere le modalità di guasto di ciascun componente principale; discutere il modo in cui ciascuna delle principali tecnologie affronta ciascun componente; discutere il modo in cui le tecnologie possono essere integrate per ottenere una visione completa del sistema; infine, discutere l’impatto economico dell’approccio multi-tecnologico. I tipi di apparecchiature CBM da esaminare sono tecnologie standard di serie che vengono utilizzate per i test periodici.

Il sistema di motori elettrici

Il sistema di motori elettrici comprende molto di più del semplice motore elettrico. In realtà, si compone di sei sezioni distinte, tutte con modalità di guasto diverse. Le sezioni sono (Figura 1):

• Il sistema di distribuzione dell’energia elettrica dell’impianto, che comprende cablaggi e trasformatori.
• Sistemi di avviamento.
• Il motore elettrico – Un motore a induzione trifase per lo scopo di questo lavoro.
• L’accoppiamento meccanico, che può essere diretto, a ingranaggi, a cinghie o con altri metodi di accoppiamento. Ai fini del presente documento, ci concentreremo sull’accoppiamento diretto e sulle cinghie.
• Il carico si riferisce all’apparecchiatura azionata, come un ventilatore, una pompa, un compressore o un’altra apparecchiatura azionata.
• Il processo, come il pompaggio delle acque reflue, la miscelazione, l’aerazione, ecc.

La maggior parte di essi visualizza i singoli componenti del sistema durante la ricerca guasti, l’analisi delle tendenze, la messa in servizio o l’esecuzione di altre funzioni basate sull’affidabilità del sistema. Quali componenti sono focalizzati dipende da diversi fattori, tra cui

• Qual è l’esperienza e il background del personale e dei manager coinvolti. Per esempio, è più frequente vedere un programma di vibrazione forte quando il personale di manutenzione è principalmente meccanico, o un programma a infrarossi quando il personale è principalmente elettrico.
• Aree di fallimento percepite. Questo può essere un problema serio a seconda di come viene percepito il sistema motorio e meriterà maggiore attenzione in seguito.
• Comprensione delle varie tecnologie CBM.
• Formazione. Ma da quando la formazione non è mai un problema?

Le aree di guasto percepite costituiscono un problema particolarmente grave quando si esamina la storia del sistema motore. Spesso, quando vengono prodotte le registrazioni, l’unico riepilogo può essere qualcosa come “guasto al ventilatore, riparato” o “guasto alla pompa, riparato”. Il risultato finale è che il guasto percepito ha a che fare con la pompa o il ventilatore del sistema motore. Questo diventa un problema soprattutto quando ci si affida alla memoria per trovare le risposte ai problemi più gravi da affrontare in un impianto, sulla base della storia. Per esempio, quando si cerca di determinare quale parte di un impianto ha causato il maggior numero di problemi, la risposta potrebbe essere: “Pompa delle acque reflue 1”. La percezione immediata è che la pompa abbia un problema consistente e, poiché la pompa è un sistema meccanico, si potrebbe scegliere una soluzione di monitoraggio meccanico per monitorare lo stato di salute della pompa. Se fosse stata registrata una causa principale per ogni guasto, si sarebbe potuto determinare che si trattava dell’avvolgimento del motore, dei cuscinetti, del cavo, dei controlli, del processo o di una combinazione di problemi.

In una recente riunione, mentre si discuteva della scelta delle apparecchiature CBM, è stato chiesto ai partecipanti di indicare le modalità di guasto delle loro sedi. Le risposte sono state ventilatori, compressori e pompe. In seguito a un’ulteriore discussione, è emerso che i ventilatori presentano i guasti più comuni ai cuscinetti e agli avvolgimenti dei motori, le guarnizioni delle pompe e i cuscinetti dei motori per le pompe e le guarnizioni e gli avvolgimenti dei motori per i compressori. A un’analisi più attenta, i guasti agli avvolgimenti riguardavano problemi di controllo e di cavi, riparazioni improprie e qualità dell’energia. I problemi dei cuscinetti sono dovuti a pratiche di lubrificazione non corrette.

In effetti, quando si determina il modo migliore per implementare il CBM sul proprio sistema di motori elettrici, è necessario adottare una visione di sistema, non di componente. Il risultato è semplice: Maggiore affidabilità, meno grattacapi e un miglioramento dei profitti.

Strumenti di prova per il monitoraggio basato sulle condizioni

Di seguito sono elencate alcune delle tecnologie CBM più comuni in uso; maggiori dettagli sulle tecnologie sono disponibili in “Analisi del circuito motore”.1 I dettagli sui componenti del sistema testato e sulle capacità sono riportati nelle tabelle 1-4 alla fine di questo documento:

Test di de-energizzazione:

1 Analisi del circuito motore: Teoria, applicazione e Analisi dell’energiaHoward W. Penrose, Ph.D., SBD Publishing, ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• Test ad alto potenziale in c.c. – Applicando una tensione pari al doppio della tensione nominale del motore più 1.000 volt per la c.a. e un’ulteriore 1,7 volte tale valore per l’alto potenziale in c.c. (di solito con un moltiplicatore per ridurre la sollecitazione sul sistema di isolamento), si valuta il sistema di isolamento tra gli avvolgimenti del motore e la terra (isolamento della parete di terra). Il test è ampiamente considerato potenzialmente distruttivo.
• Test di confronto delle sovratensioni: Utilizzando impulsi di tensione a valori calcolati come nel test ad alto potenziale, l’impedenza di ciascuna fase di un motore viene confrontata graficamente. Lo scopo del test è quello di rilevare le spire in cortocircuito all’interno delle prime spire di ciascuna fase. Il test viene normalmente eseguito nelle applicazioni di produzione e di riavvolgimento, in quanto viene eseguito al meglio senza un rotore nello statore. Questo test è ampiamente considerato potenzialmente distruttivo e viene utilizzato principalmente come test “go/no-go”, senza alcuna capacità di determinare un vero trend.
• Tester di isolamento: Questo test inserisce una tensione continua tra gli avvolgimenti e la massa. La dispersione a bassa corrente viene misurata e convertita in una misura di meg, gig o tera-Ohm.
• Test dell’indice di polarizzazione: Utilizzando un tester di isolamento, vengono visualizzati i valori da 10 minuti a 1 minuto e viene prodotto un rapporto. Secondo la norma IEEE 43-2000, i valori di isolamento superiori a 5.000 MegOhm non devono essere valutati con PI. Il test viene utilizzato per rilevare la contaminazione grave degli avvolgimenti o il surriscaldamento dei sistemi di isolamento.
• Test Ohm, Milli-Ohm: Utilizzando un misuratore di Ohm o Milli Ohm, i valori vengono misurati e confrontati tra gli avvolgimenti di un motore elettrico. Queste misure vengono normalmente effettuate per rilevare connessioni allentate, connessioni interrotte e guasti agli avvolgimenti in fase avanzata.
• Analisi del circuito del motore (MCA): Gli strumenti che utilizzano i valori di resistenza, impedenza, induttanza, angolo di fase, corrente: risposta in frequenza e test dell’isolamento possono essere utilizzati per la risoluzione dei problemi, la messa in servizio e la valutazione del controllo, del collegamento, del cavo, dello statore, del rotore, del traferro e dell’isolamento a terra. Utilizzando un’uscita a bassa tensione, le letture vengono lette attraverso una serie di ponti e valutate. Letture non distruttive e tendenziose che spesso anticipano di mesi i guasti elettrici.

2 Potenzialmente distruttivo: Qualsiasi strumento che possa potenzialmente modificare le condizioni di funzionamento dell’apparecchiatura a causa di un’applicazione errata o di condizioni di isolamento indebolite è considerato potenzialmente distruttivo.

Test con tensione:

Analisi delle vibrazioni: Le vibrazioni meccaniche vengono misurate attraverso un trasduttore che fornisce i valori complessivi delle vibrazioni e l’analisi FFT. Questi valori forniscono indicatori di guasti meccanici e del grado di guasto, possono essere analizzati e forniscono informazioni su alcuni problemi elettrici e del rotore che variano in base al carico del motore. Requisiti minimi di carico per i motori elettrici per rilevare i guasti nel rotore. Richiede una conoscenza pratica del sistema da testare.

L’analisi a infrarossi fornisce informazioni sulla differenza di temperatura tra gli oggetti. I guasti vengono rilevati e gestiti in base al loro grado. Eccellente per il rilevamento di connessioni allentate e altri guasti elettrici, con una certa capacità di rilevare i guasti meccanici. Le letture variano a seconda del carico. Richiede una conoscenza pratica del sistema da testare.

Gli strumenti a ultrasuoni misurano il rumore a bassa e alta frequenza. Rileva una serie di problemi elettrici e meccanici nelle ultime fasi del guasto. Le letture variano a seconda del carico. Richiede una conoscenza pratica del sistema da testare.

Le misure di tensione e corrente forniscono informazioni limitate sulle condizioni del sistema motore. Le letture variano a seconda del carico.

L’analisi della firma della corrente del motore (MCSA) utilizza il motore elettrico come trasduttore per rilevare i guasti elettrici e meccanici in una parte significativa del sistema del motore. Solitamente utilizzato come test “go/no go”, l’MCSA dispone di alcune capacità di analisi delle tendenze, ma di solito rileva solo i guasti all’avvolgimento e i problemi meccanici in fase avanzata. Sensibile alle variazioni di carico e le letture variano in base al carico. Richiede le informazioni di targa e molti sistemi richiedono il numero di barre del rotore, gli slot dello statore e l’immissione manuale della velocità di funzionamento.

Componenti principali e modalità di guasto

Verranno esaminati alcuni dei principali problemi dei vari componenti del sistema motore per fornire una comprensione dei tipi di guasti riscontrati e delle tecnologie utilizzate per rilevarli. Come panoramica, questo potrebbe non comprendere tutte le modalità di guasto che possono verificarsi.

Potenza in arrivo

Partendo dall’alimentazione in ingresso al carico, la prima area che dovrebbe essere affrontata è quella del sistema di alimentazione e distribuzione in entrata. Il primo problema è la qualità dell’alimentazione e i trasformatori.

I problemi di qualità dell’alimentazione associati ai sistemi di motori elettrici includono:

• Armoniche di tensione e di corrente: Con tensione limitata al 5% di THD (Distorsione Armonica Totale) e corrente limitata al 3% di THD. Le armoniche di corrente sono quelle potenzialmente più dannose per il sistema del motore elettrico.
• Condizioni di sovratensione e sottotensione: I motori elettrici sono progettati per funzionare non oltre il +/- 10% della tensione di targa.
• Squilibrio di tensione: È la differenza tra le fasi. Il rapporto tra lo sbilanciamento della tensione e della corrente varia da poche volte a molte volte lo sbilanciamento della corrente rispetto allo sbilanciamento della tensione in base alla progettazione del motore (può arrivare a 20 volte).
• Fattore di potenza: Quanto più basso è il fattore di potenza rispetto all’unità, tanto maggiore è la corrente che il sistema deve utilizzare per funzionare. Tra i segni di un fattore di potenza insufficiente vi è anche l’oscuramento delle luci quando si avviano le apparecchiature pesanti.
• Sistema sovraccarico: In base alle capacità del trasformatore, del cablaggio e del motore. Rilevato normalmente con misure di corrente, oltre che di calore.

Gli strumenti principali utilizzati per rilevare i problemi di alimentazione in ingresso sono i misuratori di qualità dell’energia, gli MCSA e i misuratori di tensione e corrente. Conoscere le condizioni della qualità dell’alimentazione può aiutare a identificare molti problemi “fantasma”.

I trasformatori sono uno dei primi componenti critici del sistema motore. In generale, i trasformatori presentano meno problemi rispetto ad altri componenti del sistema. Tuttavia, ogni trasformatore di solito si occupa di più sistemi, sia nel motore elettrico che in altri sistemi.

I problemi più comuni dei trasformatori includono (trasformatori a olio o a secco):

• Guasti di isolamento a terra.
• Avvolgimenti in cortocircuito.
• Collegamenti allentati e,
• Vibrazioni elettriche/allentamento meccanico

Le apparecchiature di prova utilizzate per il monitoraggio dello stato di salute dei trasformatori (nell’ambito della selezione di strumenti del presente documento) comprendono:

• MCA per la ricerca di fondi, collegamenti allentati/rotti e cortocircuiti
• MCSA per la qualità dell’energia e i guasti in fase avanzata
• Analisi a infrarossi per individuare collegamenti allentati
• Ultrasuoni per allentamenti e guasti gravi
• Tester di isolamento per i guasti di isolamento a terra.

MCC, controlli e sezionatori

Il controllo o il sezionamento del motore fornisce alcuni dei problemi principali dei sistemi a motore elettrico. I più comuni per i sistemi a bassa e media tensione sono:

• Collegamenti allentati
• Contatti difettosi, come quelli bucherellati, danneggiati, bruciati o usurati
• Bobine di avviamento difettose sul contattore
• Condensatori di correzione del fattore di potenza difettosi, che normalmente provocano un significativo sbilanciamento della corrente.

I metodi di prova per la valutazione dei controlli includono infrarossi, ultrasuoni, volt/amp meter, ohm meter e ispezioni visive. MCA, MCSA e infrarossi forniscono i sistemi più precisi per il rilevamento dei guasti e delle tendenze.

Cavi – Prima e dopo i controlli

I problemi di cablaggio sono raramente presi in considerazione e, di conseguenza, rappresentano uno dei maggiori grattacapi. I problemi comuni dei cavi includono:

• Guasto termico dovuto a sovraccarichi o all’età
• Contaminazione che può essere ancora più grave nei cavi che passano nel sottosuolo attraverso le guaine.
• Possono verificarsi anche cortocircuiti di fase e terreni. Questi possono essere causati da “alberature” o da danni fisici.
• Si apre per danni fisici o altre cause.
• I danni fisici sono spesso un problema in combinazione con altri problemi dei cavi.

I test e le tendenze vengono eseguiti con MCA, infrarossi, test di isolamento e MCSA.

Riepilogo lato alimentazione motore

Per quanto riguarda l’alimentazione del motore, i problemi possono essere suddivisi come segue:

• Fattore di potenza insufficiente – 39%.
• Connessioni scadenti – 36%
• Conduttori sottodimensionati – 10%
• Squilibrio di tensione – 7%
• Condizioni di sotto o sovratensione – 8%

Le apparecchiature più comuni che coprono queste aree sono MCA, infrarossi e MCSA.

Motori elettrici

I motori elettrici comprendono componenti meccanici ed elettrici. In effetti, un motore elettrico è un convertitore di energia elettrica in coppia meccanica.

Problemi meccanici primari:

• Cuscinetti – usura generale, applicazione errata, carico o contaminazione.
• Albero o alloggiamento dei cuscinetti difettosi o usurati
• Squilibrio meccanico generale e risonanza

L’analisi delle vibrazioni è il metodo principale per rilevare i problemi meccanici nei motori elettrici. L’MCSA è in grado di rilevare i problemi meccanici in fase avanzata, così come gli infrarossi e gli ultrasuoni.

Problemi elettrici primari:

• Corti di avvolgimento tra conduttori o bobine
• Contaminazione dell’avvolgimento
• Guasti di isolamento a terra
• Guasti del traferro, compresi i rotori eccentrici
• Anomalie del rotore, tra cui vuoti di fusione e barre del rotore rotte.

MCA individuerà tutti i difetti nelle prime fasi dello sviluppo. MCSA rileva i guasti dello statore in fase avanzata e i guasti del rotore in fase iniziale. Le vibrazioni rilevano i guasti in fase avanzata, l’isolamento a terra rileva solo i guasti a terra che costituiscono meno dell’1% dei guasti del sistema del motore, i test di sovratensione rilevano solo i cortocircuiti poco profondi degli avvolgimenti e tutti gli altri test rilevano solo i guasti in fase avanzata.

Accoppiamento (diretto e a cinghia)

L’accoppiamento tra il motore e il carico può causare problemi dovuti all’usura e all’applicazione.

• Disallineamento della cinghia o dell’azionamento diretto
• Usura della cinghia o dell’inserto
• I problemi di tensione della cinghia sono più comuni di quanto si pensi e di solito provocano la rottura dei cuscinetti.
• Usura della puleggia

Il sistema più accurato per il rilevamento dei difetti di accoppiamento è l’analisi delle vibrazioni. L’MCSA e l’analisi a infrarossi rileveranno normalmente i guasti più gravi o in fase avanzata.

Carico (ventilatori, pompe, compressori, riduttori, ecc.)

Il carico può presentare numerosi tipi di guasti a seconda del tipo di carico. I più comuni sono parti usurate, componenti rotti e cuscinetti.

Gli strumenti di prova in grado di rilevare i problemi di carico includono MCSA, vibrazioni, analisi a infrarossi e ultrasuoni.

Approcci comuni alla multitecnologia

Esistono diversi approcci comuni all’interno dell’industria e altri nuovi (cfr. Tabella 3). I migliori utilizzano una combinazione di test energizzati e de-energizzati. È importante notare che i test condotti sotto tensione sono generalmente migliori in condizioni di carico costante e sono eseguiti ogni volta nelle stesse condizioni operative.

Uno degli approcci più comuni è stato l’utilizzo della resistenza di isolamento e/o dell’indice di polarizzazione. Questi identificano solo i guasti di isolamento a terra nel motore e nel cavo, che rappresentano meno dell’1% dei guasti complessivi del sistema motore (~5% dei guasti del motore).

Gli infrarossi e le vibrazioni vengono normalmente utilizzati insieme con grande successo. Tuttavia, non si accorgono di alcuni problemi comuni o li rilevano solo nelle fasi avanzate del guasto.

I test di sovratensione e i test ad alto potenziale rilevano solo alcuni guasti agli avvolgimenti e i guasti di isolamento a terra, con il rischio di mettere fuori uso il motore in caso di contaminazione o debolezza dell’isolamento.

MCA e MCSA si supportano a vicenda e rilevano praticamente tutti i problemi del sistema motorio. Questa precisione richiede sistemi MCA che utilizzano resistenza, impedenza, angolo di fase, I/F e isolamento a terra e sistemi MCSA che includono la demodulazione di tensione e corrente.

L’approccio più recente e più efficace è stato quello delle vibrazioni, degli infrarossi e di MCA e/o MCSA. Il punto di forza di questo approccio è la combinazione di discipline elettriche e meccaniche coinvolte nella valutazione e nella risoluzione dei problemi. Come riscontrato nel Motor Diagnostic and Motor Health Study, 3 Il 38% dei test sui sistemi motore che coinvolgono solo le vibrazioni e/o gli infrarossi vedono un ritorno significativo sul 3 Diagnostica del motore e investimenti. Questo numero è salito al 100% nei sistemi che utilizzavano una combinazione di MCA/MCSA con vibrazioni e/o infrarossi.

In un caso, un’applicazione combinata di infrarossi e vibrazioni ha visto un ROI di 30.000 dollari. Quando l’azienda ha aggiunto l’MCA alla propria dotazione di strumenti, il ROI è salito a 307.000 dollari, dieci volte superiore a quello iniziale, utilizzando una combinazione di strumenti.

Opportunità di applicazione

Esistono tre opportunità comuni per il collaudo dei sistemi di motori elettrici. Questi includono:

• Messa in funzione dei componenti o dell’intero sistema appena installato o riparato. Questo può fornire un ritorno immediato per le tecnologie coinvolte e vi aiuterà a evitare i disastri della mortalità infantile.
• La risoluzione dei problemi del sistema attraverso l’applicazione di più tecnologie vi aiuterà a identificare i problemi molto più rapidamente e con maggiore sicurezza.
• Trending dei risultati dei test per l’affidabilità del sistema, sempre utilizzando la corretta applicazione di più tecnologie. Utilizzando test come MCA, vibrazioni e infrarossi, i potenziali guasti possono essere monitorati a lungo termine, rilevando molti guasti con mesi di anticipo.

Conclusione

Questo documento ha fornito una breve panoramica di come diverse tecnologie lavorano insieme per fornire una buona visione del sistema del motore elettrico. Grazie alla comprensione e all’applicazione di questo approccio, potrete ottenere fantastici ritorni sul vostro programma di manutenzione.

Sull’autore

Il dottor Howard W. Penrose ha conseguito il dottorato di ricerca in ingegneria generale, concentrandosi sul miglioramento dei processi industriali, sull’analisi dei flussi di rifiuti e dell’energia e sull’affidabilità delle apparecchiature. Ha 15 anni di esperienza nel settore dei motori elettrici e dell’assistenza, guidando iniziative di PdM e di Root-Cause-Analysis in una grande varietà di sedi commerciali e industriali.

Tabella 1: Confronto tra le tecnologie diagnostiche del sistema motore

Tabella 2: Considerazioni sulla gestione

Tabella 3: Approcci comuni

Tabella 4: Considerazioni aggiuntive