I test dell’indice di polarizzazione sui motori elettrici sono ora superati dai metodi moderni

Per quanto riguarda i test sui motori elettrici, l’indice di polarizzazione (PI) è una misura di quanto la resistenza del sistema di isolamento migliora (o si degrada) nel tempo.

Sebbene il PI Test sia stato considerato il test principale per la valutazione delle condizioni dell’isolamento di un motore, il suo processo è diventato obsoleto rispetto a metodi di test più recenti che forniscono una valutazione diagnostica più completa dello stato di salute generale di un motore.

Questo articolo fornisce una comprensione pratica del sistema di isolamento di un motore, una conoscenza di base del test dell’indice di polarizzazione e di come i moderni metodi di test dei motori forniscano risultati più completi in minor tempo.

Indice di polarizzazione (PI)

Il test dell’indice di polarizzazione (PI) è un metodo di prova standard per i motori elettrici sviluppato nel 1800 che cerca di determinare lo stato di salute dell’isolamento degli avvolgimenti di un motore.

Mentre il test PI fornisce informazioni sui sistemi di isolamento delle pareti di terra (GWI) tipicamente installati prima degli anni ’70, non è in grado di fornire una condizione accurata dell’isolamento degli avvolgimenti nei motori moderni.

Il test PI prevede l’applicazione di una tensione continua (in genere 500V – 1000V) all’avvolgimento del motore per misurare l’efficacia del sistema GWI nell’immagazzinare una carica elettrica.

Poiché il sistema GWI forma una capacità naturale tra gli avvolgimenti del motore e il telaio del motore, la tensione CC applicata verrà immagazzinata come carica elettrica, proprio come un qualsiasi condensatore.

Man mano che il condensatore si carica completamente, la corrente diminuisce fino a quando non rimane che la corrente di dispersione finale, che determina la quantità di resistenza che l’isolamento fornisce alla terra.

Nei sistemi di isolamento nuovi e puliti, la corrente di polarizzazione diminuisce logaritmicamente con il tempo, poiché gli elettroni vengono immagazzinati. L’indice di polarizzazione (PI) è il rapporto tra il valore della resistenza di isolamento a terra (IRG) rilevato a intervalli di 1 e 10 minuti.

PI = 10 minuti IRG/1 minuto IRG

Nei sistemi di isolamento installati prima degli anni ’70, il test PI viene eseguito durante la polarizzazione del materiale dielettrico.

Se l’isolamento della parete di terra (GWI) inizia a degradarsi, subisce un cambiamento chimico che rende il materiale dielettrico più resistivo e meno capacitivo, abbassando la costante dielettrica e riducendo la capacità del sistema di isolamento di immagazzinare una carica elettrica. Questo fa sì che la corrente di polarizzazione diventi più lineare man mano che si avvicina all’intervallo in cui predomina la corrente di dispersione.

Tuttavia, nei sistemi di isolamento più recenti, successivi agli anni ’70, per varie ragioni l’intera polarizzazione del materiale dielettrico avviene in meno di un minuto e le letture IRG sono superiori a 5.000 Meg-ohm. Il PI calcolato potrebbe non essere significativo come indicazione delle condizioni della parete di terra.

Inoltre, poiché questo test crea un campo elettrostatico tra gli avvolgimenti e il telaio del motore, fornisce poche o nessuna indicazione sulle condizioni del sistema di isolamento degli avvolgimenti. La migliore indicazione di questi tipi di guasti si ottiene con le misure MCA dell’angolo di fase e della risposta in frequenza della corrente.

Materiali isolanti

Nei motori elettrici, l’isolamento è il materiale che resiste al libero flusso degli elettroni, dirigendo la corrente attraverso un percorso desiderato e impedendole di uscire altrove.

In teoria, l’isolamento dovrebbe bloccare tutto il flusso di corrente, ma anche il miglior materiale isolante lascia passare una piccola quantità di corrente. Questa corrente in eccesso viene comunemente definita corrente di dispersione.

Sebbene sia generalmente accettato che i motori abbiano una durata di vita di 20 anni, il guasto del sistema isolante è il motivo principale per cui i motori elettrici si guastano prematuramente.

Il sistema isolante inizia a degradarsi quando l’isolamento diventa più conduttivo a causa di un cambiamento nella sua composizione chimica. La composizione chimica dell’isolante si modifica nel tempo a causa dell’uso graduale e/o di altri danni. La corrente di dispersione è resistiva e crea calore che provoca un ulteriore e più rapido degrado dell’isolamento.

Nota: la maggior parte dei fili smaltati è progettata per garantire una durata di 20.000 ore alle temperature nominali (da 105 a 240° C).

Sistemi di isolamento

I motori e le altre apparecchiature elettriche con bobine hanno 2 sistemi di isolamento separati e indipendenti.

1. I sistemi di isolamento a parete di terra separano la bobina dal telaio del motore, impedendo che la tensione fornita agli avvolgimenti si propaghi al nucleo dello statore o a qualsiasi parte del telaio del motore. La rottura del sistema di isolamento della parete di terra si chiama guasto di terra e crea un pericolo per la sicurezza.
2. I sistemi di isolamento degli avvolgimenti sono strati di smalto che circondano il filo conduttore che fornisce corrente all’intera bobina per creare il campo magnetico dello statore. La rottura del sistema di isolamento dell’avvolgimento è detta cortocircuito e indebolisce il campo magnetico della bobina.

Figura 1: 2 sistemi di isolamento separati

Resistenza di isolamento a terra (IRG)

Il test elettrico più comune condotto sui motori è il test della resistenza di isolamento a terra (IRG) o “spot test”.

Applicando una tensione continua all’avvolgimento del motore, questo test determina il punto di resistenza minima che l’isolamento della parete di terra presenta al telaio del motore.

Capacità

La capacità (C), misurata in Farad, è definita come la capacità di un sistema di immagazzinare una carica elettrica. Per determinare la capacità di un motore si utilizza l’equazione: 1 Farad = la quantità di carica immagazzinata in coulomb (Q) divisa per la tensione di alimentazione.

Esempio: Se la tensione applicata è una batteria da 12 V e il condensatore immagazzina 0,04 coulomb di carica, la sua capacità è di 0,0033 Farad o 3,33 mF. Un coulomb di carica corrisponde a circa 6,24 x¹⁰¹⁸ elettroni o protoni. Un condensatore da 3,33 mF immagazzina circa 2,08 X¹⁰¹⁶ elettroni quando è completamente carico.

La capacità si crea ponendo un materiale dielettrico tra piastre conduttrici. Nei motori, i sistemi di isolamento a parete formano una capacità naturale tra gli avvolgimenti e il telaio del motore. I conduttori dell’avvolgimento formano una piastra e il telaio del motore forma l’altra, rendendo l’isolamento della parete di terra il materiale dielettrico.

La quantità di capacità dipende da:

1. La superficie misurata delle piastre – La capacità è direttamente proporzionale all’area delle piastre.
2. La distanza tra le piastre – La capacità è inversamente proporzionale alla distanza tra le piastre.
3. La costante dielettrica – La capacità è direttamente proporzionale alla costante dielettrica.

Capacità verso terra (CTG)

La
capacità a terra
(CTG) è indicativa della pulizia degli avvolgimenti e dei cavi di un motore.

Poiché l’isolamento della parete di terra (GWI) e i sistemi di isolamento degli avvolgimenti formano una capacità naturale verso terra, ogni motore avrà un CTG unico quando il motore è nuovo e pulito.

Se gli avvolgimenti del motore o il GWI sono contaminati o il motore è soggetto a infiltrazioni di umidità, il CTG aumenterà. Tuttavia, se il GWI o l’isolamento dell’avvolgimento subiscono un degrado termico, l’isolamento diventerà più resistente e meno capacitivo, causando una diminuzione del CTG.

Materiale dielettrico

Un materiale dielettrico è un cattivo conduttore di elettricità, ma supporta un campo elettrostatico. In un campo elettrostatico, gli elettroni non permeano il materiale dielettrico e le molecole positive e negative si accoppiano formando dipoli (coppie di molecole di carica opposta separate dalla distanza) e si polarizzano (il lato positivo del dipolo si allineerà verso il potenziale negativo e la carica negativa si allineerà verso il potenziale negativo).

Costante dielettrica (K)

La costante dielettrica (K) misura la capacità di un materiale dielettrico di immagazzinare una carica elettrica attraverso la formazione di dipoli, rispetto al vuoto, che ha una K pari a 1.

La costante dielettrica di un materiale isolante dipende dalla composizione chimica delle molecole che lo compongono.

Il K di un materiale dielettrico è influenzato dalla densità del materiale, dalla temperatura, dal contenuto di umidità e dalla frequenza del campo elettrostatico.

Perdita dielettrica

Una proprietà importante dei materiali dielettrici è la capacità di sostenere un campo elettrostatico, dissipando al contempo una minima quantità di energia sotto forma di calore, nota come perdita dielettrica.

Guasto dielettrico

Quando la tensione su un materiale dielettrico diventa troppo alta e il campo elettrostatico diventa troppo intenso, il materiale dielettrico condurrà l’elettricità e si parla di rottura dielettrica. Nei materiali dielettrici solidi, questa rottura può essere permanente.

Quando si verifica la rottura dielettrica, il materiale dielettrico subisce un cambiamento nella sua composizione chimica, con conseguente variazione della costante dielettrica.

Correnti impiegate per caricare un condensatore

Alcuni decenni fa è stato introdotto il test dell’indice di polarizzazione (PI) per valutare la capacità del sistema di isolamento di immagazzinare una carica elettrica. Poiché la carica di un condensatore comporta essenzialmente tre correnti diverse, come descritto in precedenza.

1. Corrente di carica – La corrente accumulata sulle piastre e dipende dall’area delle piastre e dalla distanza tra di esse. La corrente di carica termina solitamente in < più di 1 minuto. La quantità di carica sarà la stessa indipendentemente dalle condizioni del materiale isolante.
2. Corrente di polarizzazione – La corrente necessaria per polarizzare il materiale dielettrico, ovvero per allineare i diploes creati ponendo il materiale dielettrico in un campo elettrostatico. In genere, con i sistemi di isolamento installati nei motori (prima degli anni ’70) quando è stato sviluppato il test dell’indice di polarizzazione, il valore nominale di un sistema di isolamento nuovo e pulito era dell’ordine di 100 megaohm (¹⁰⁶) e richiedeva in genere più di 30 minuti e in alcuni casi molte ore per essere completato. Tuttavia, con un sistema di isolamento più recente (dopo gli anni ’70) il valore nominale di un sistema di isolamento nuovo e pulito sarà compreso tra i giga-ohm e i tera-ohm (¹⁰⁹,¹⁰¹²) e in genere si polarizza completamente prima che la corrente di carica sia completamente terminata.
3. Corrente di dispersione – La corrente che attraversa il materiale isolante e dissipa il calore.

Corrente di carica

Un condensatore non carico ha piastre che condividono un numero uguale di cariche positive e negative.

L’applicazione di una sorgente di corrente continua alle piastre di un condensatore non caricato fa sì che gli elettroni fluiscano dal lato negativo della batteria e si accumulino sulla piastra collegata al polo negativo della batteria.

In questo modo si creerà un eccesso di elettroni su questa piastra.

Gli elettroni fluiscono dalla piastra collegata al polo positivo della batteria e fluiscono nella batteria per sostituire gli elettroni che si accumulano sulla piastra negativa. La corrente continuerà a scorrere fino a quando la tensione sulla piastra positiva sarà uguale a quella del lato positivo della batteria e la tensione sulla piastra negativa raggiungerà il potenziale del lato negativo della batteria.

Il numero di elettroni spostati dalla batteria alle piastre dipende dall’area delle piastre e dalla distanza tra di esse.

Questa corrente viene definita corrente di carica, che non consuma energia e viene immagazzinata nel condensatore. Questi elettroni immagazzinati creano un campo elettrostatico tra le piastre.

Corrente di polarizzazione

L’interposizione di un materiale dielettrico tra le piastre di un condensatore ne aumenta la capacità rispetto alla distanza tra le piastre nel vuoto.

Quando un materiale dielettrico viene posto in un campo elettrostatico, i dipoli appena formati si polarizzano e l’estremità negativa del dipolo si allinea con la piastra positiva e l’estremità positiva del dipolo si allinea verso la piastra negativa. Questo fenomeno viene definito polarizzazione.

Più alta è la costante dielettrica di un materiale dielettrico, maggiore è il numero di elettroni necessari, aumentando così la capacità del circuito.

Corrente di dispersione

La piccola quantità di corrente che passa attraverso il materiale dielettrico, pur mantenendo le sue proprietà isolanti, viene definita resistenza effettiva. Si tratta di una differenza rispetto alla rigidità dielettrica, definita come la tensione massima che un materiale può sopportare senza cedere.

Quando un materiale isolante si degrada, diventa più resistivo e meno capacitivo, aumentando la corrente di dispersione e diminuendo la costante dielettrica. La corrente di dispersione produce calore ed è considerata una perdita dielettrica.

Fattore di dissipazione

È una tecnica di prova alternativa che utilizza un segnale CA per esercitare il sistema di isolamento delle pareti di terra (GWI). Come spiegato in precedenza, utilizzando un segnale in corrente continua per testare il GWI si incontrano 3 diverse correnti, ma lo strumento non è in grado di distinguere le correnti se non per il tempo. Tuttavia, applicando un segnale CA per testare il GWI è possibile separare le correnti immagazzinate (corrente di carica, corrente di polarizzazione) dalla corrente resistiva (corrente di dispersione).

Poiché sia la corrente di carica che quella di polarizzazione sono correnti immagazzinate e vengono restituite al ciclo ½ opposto, la corrente precede la tensione di 90°, mentre la corrente di dispersione, che è una corrente resistiva che dissipa calore, è in fase con la tensione applicata. Il fattore di dissipazione (DF) è semplicemente il rapporto tra la corrente capacitiva (_IC) e la corrente resistiva (_IR).

DF =_IC /_IR

Su un isolamento nuovo e pulito, in genere l’_IR è < 5% dell’_IC; se il materiale isolante viene contaminato o si degrada termicamente, l’_IC diminuisce o l’_IR aumenta. In entrambi i casi il DF aumenterà.

Sintesi

Nel corso del 1800, il test dell’indice di polarizzazione era un metodo efficace per determinare le condizioni generali di un motore. Tuttavia, con i moderni sistemi di isolamento è diventato meno efficace.

Mentre il test PI richiede molto tempo (oltre 15 minuti) e non è in grado di determinare se il guasto si trova nell’avvolgimento o nell’isolamento della parete di terra, le moderne tecnologie, come ad es. Analisi dei circuiti motore (^MCATM)I test sono in grado di identificare i problemi di connessione, i guasti agli avvolgimenti che si sviluppano da giro a giro, da bobina a bobina e da fase a fase in una fase molto precoce, con test completati in meno di 3 minuti.

Altre tecnologie, come DF, CTG e IRG, forniscono una condizione del sistema di isolamento della parete di terra in test completati in tempi minimi.

Grazie alla combinazione di nuove tecnologie, come ^MCATM, DF, CTG e IRG, i moderni metodi di prova dei motori elettrici forniscono una valutazione molto più completa e approfondita del sistema di isolamento di un intero motore in modo più rapido e semplice che mai.