I miglioramenti nella tecnologia degli azionamenti a frequenza variabile (VFD) hanno portato a una riduzione dei costi, a una maggiore affidabilità e, soprattutto, a un maggiore utilizzo. La maggior parte dei moderni sistemi VFD dispone di una diagnostica interna che crea uno spegnimento automatico in caso di guasti. Tuttavia, la causa di questi guasti può talvolta essere difficile da individuare e da correggere. Tuttavia, i test sui motori diseccitati (MCA) ed eccitati possono fornire indicazioni preziose per identificare rapidamente e facilmente molti di questi problemi. Questo breve documento illustra come incorporare queste due tecniche di test del motore di facile esecuzione nella ricerca guasti dei VFD.

Funzionamento di base

Un VFD raddrizza l’alimentazione trifase CA in ingresso per creare un bus CC. Il bus CC utilizza condensatori per smussare la CC raddrizzata in ingresso alla sezione invertitore. Nel settore dell’invertitore, il controllore utilizza microprocessori per controllare interruttori a semiconduttore che convertono la tensione CC in una tensione CA trifase variabile e in una frequenza di ingresso al motore. Controllando il tempo di accensione dei semiconduttori (SCR o IGBT), l’ampiezza degli impulsi CC modula la CC per produrre una tensione di ingresso trifase simulata con tensione e frequenza variabili. La frequenza della tensione di ingresso determina la velocità di rotazione del campo magnetico attorno allo statore. La velocità del campo magnetico viene definita velocità sincrona (SS).

SS= 120 F/P

Dove: F= frequenza della tensione di alimentazione

P = numero di poli del motore

A causa della natura di commutazione del circuito dell’invertitore, i VFD possono creare problemi di PQ introducendo armoniche nel sistema elettrico dell’impianto. Inoltre, i VFD possono anche essere sensibili ai problemi di PQ in ingresso, causando l’arresto dei VFD stessi. Molti VFD hanno un’elettronica interna che indica la causa dell’arresto. Questi codici comuni assegnano la causa del problema a sovratensione, sovracorrente, sovraccarico, squilibrio di tensione o corrente, sovratemperatura o guasti esterni. Queste informazioni sono importanti, ma la vera domanda è cosa ha causato la condizione di guasto. La condizione di guasto è causata dal VFD o è stata sperimentata dal VFD?

Se il guasto viene riscontrato dal VFD, potrebbe essere dovuto all’alimentazione in ingresso, a problemi di connessione, a uno dei tanti problemi del motore o a guasti nella macchina azionata o nel processo stesso. Se il guasto è causato dal VFD. Potrebbe essere il risultato di una rottura o di un guasto dei componenti elettronici. Tra i guasti più comuni vi sono i diodi nella sezione raddrizzatrice, i condensatori del bus CC o la rottura o il guasto di un semiconduttore nella sezione invertitrice.

Test del motore diseccitato: Analisi del circuito del motore™ (MCA™)

Motor Circuit Analysis™ (MCA™)
è una tecnica di test del motore che inietta una serie di segnali a bassa tensione CA e CC attraverso gli avvolgimenti del motore per valutare in modo approfondito l’intero sistema del motore mentre il motore è diseccitato. I test del motore MCA possono essere eseguiti direttamente sul motore o a distanza dall’uscita del VFD. A differenza dei tradizionali test sui motori diseccitati, che non riescono a identificare i problemi del rotore o la rottura dell’isolamento degli avvolgimenti. I test MCA forniscono un’indicazione precoce dello sviluppo di guasti non solo nel sistema di isolamento della parete di terra, ma anche nell’isolamento che circonda i conduttori utilizzati per creare le bobine nello statore, nonché di guasti esistenti o in via di sviluppo nella parte elettrica dei rotori. L’MCA è in grado di identificare i guasti nelle fasi iniziali, ma può anche confermare rapidamente il motore “buono”, eliminando così il motore come causa dell’intervento del VFD. Eseguendo il test di 3 minuti dall’uscita del VFD, un risultato “buono” non solo indica che il motore è buono, ma anche che tutti i cablaggi associati e tutti i componenti elettrici del circuito testato sono in buone condizioni. Tuttavia, se i risultati sono negativi, è sufficiente eseguire un ulteriore test di 3 minuti direttamente sul motore. Se il motore è a posto, il guasto è nel cablaggio o nel controllore. Se il motore indica un guasto in fase di sviluppo, sono disponibili test MCA opzionali per determinare se il guasto è nel rotore o nel circuito elettrico dello statore.

I test a bassa tensione in corrente continua forniscono indicazioni sui problemi di connessione nel circuito in esame per confermare che tutti i collegamenti esterni e interni sono sufficientemente “stretti”. La serie di test in corrente alternata esercita l’isolamento dell’avvolgimento e identifica i piccolissimi cambiamenti che si verificano nella composizione chimica dell’isolamento dell’avvolgimento quando l’isolamento tra i conduttori inizia a degradarsi.

Il test dinamico opzionale richiede la rotazione manuale dell’albero del motore in prova e sviluppa una firma statorica che identifica eventuali difetti in via di sviluppo nell’isolamento che circonda i conduttori delle bobine che compongono il sistema di avvolgimento dello statore. Le firme del rotore identificano i difetti del sistema elettrico del rotore, come eccentricità statica o dinamica, cricche, rotture o vuoti di fusione nelle barre o negli anelli terminali del rotore.

Test del motore sotto tensione: Analisi della firma elettrica (ESA)

ESA utilizza la tensione e la corrente di ingresso e di uscita del VFD per analizzare rapidamente le condizioni e la qualità dell’alimentazione fornita al convertitore di frequenza, nonché la tensione e la corrente in uscita dal convertitore al motore. Ognuno di questi test richiede < 1 minuto. Eseguendo i test del motore ESA sull’ingresso e sull’uscita del convertitore di frequenza, si ottiene un profilo completo della potenza in ingresso e in uscita. Ogni test esegue un’acquisizione simultanea dei dati di tutte e tre le fasi di tensione e corrente per creare tabelle PQ per ciascuna delle tre fasi, acquisire, visualizzare e memorizzare 50 msec delle forme d’onda di tensione e corrente per tutte e tre le fasi. Inoltre, per 50 secondi le forme d’onda della tensione e della corrente vengono digitalizzate e utilizzate per eseguire FFT ad alta e bassa frequenza sulla tensione e sulla corrente di ingresso e di uscita.

Potenza d’ingresso

La tensione di ingresso al convertitore di frequenza fornisce informazioni preziose che indicano le condizioni della tensione in ingresso fornita al convertitore, calcola eventuali squilibri di tensione o di corrente o il contenuto armonico della tensione o della corrente in ingresso. La corrente di ingresso fornisce un’indicazione delle condizioni dei diodi nella sezione del raddrizzatore dell’azionamento. La figura 2 mostra la forma d’onda della corrente con tutti i diodi che funzionano correttamente, mentre nella figura 3 si può rapidamente determinare che uno o più diodi nella sezione del raddrizzatore non funzionano correttamente.

Figura 2: Sezione diodo buona Figura 3: Sezione diodo difettosa

Tensione di uscita

Figura 4: IGBT correttamente funzionanti

La tensione in uscita dal convertitore di frequenza fornisce informazioni sulle condizioni del convertitore stesso e sulla qualità dell’alimentazione fornita al motore, tra cui, a titolo esemplificativo e non esaustivo, il funzionamento corretto o improprio dei semiconduttori nei circuiti invertitori e lo sviluppo di guasti nei condensatori del bus CC. La Figura 4 fornisce un’istantanea di una fase dell’uscita di tensione dell’azionamento, ovvero la tensione al motore. Tutte le forme d’onda della tensione di uscita devono essere relativamente uniformi e simmetriche. Forme d’onda di tensione non simmetriche indicano IGBT in avaria o guasti. Si notino le increspature sulla parte piatta delle porzioni positiva e negativa delle forme d’onda in figura 5. Ciò indica la presenza di condensatori guasti sul bus CC. Un condensatore da 20 dollari guasto può distruggere un intero drive.

Corrente di uscita

Figura 5: Guasto del condensatore del bus CC

La corrente del motore agisce come un trasduttore molto sensibile per il sistema motore. Qualsiasi guasto esistente o in fase di sviluppo nel motore, nella macchina azionata o nel processo stesso causerà la modulazione della corrente del motore. Queste modulazioni della corrente di uscita forniscono indicazioni sulle condizioni elettriche o meccaniche o su eventuali anomalie del processo stesso. Una FFT sulle forme d’onda digitalizzate di tensione e corrente identifica rapidamente i guasti del motore, come barre del rotore incrinate o rotte, eccentricità statica o dinamica. L’indicazione precoce di guasti ai cuscinetti volventi, le condizioni di equilibrio e allineamento dei componenti rotanti del motore o della macchina azionata possono essere identificate rapidamente utilizzando la stessa frequenza di guasto riconosciuta da tempo nell’analisi delle vibrazioni.

Analisi automatica

Il software ESA combina tutte le informazioni raccolte nel processo di acquisizione dei dati in 50 secondi e le confronta con standard, linee guida e algoritmi predeterminati per creare i grafici, le tabelle e le visualizzazioni necessarie per valutare rapidamente le condizioni dell’intero sistema motore, dall’alimentazione in ingresso al processo. Al termine della valutazione, l’ESA crea un rapporto completo e dettagliato che non solo evidenzia lo sviluppo di problemi nella parte elettrica, di guasti nella macchina azionata o in altre apparecchiature collegate al motore, ma anche anomalie nel processo che potrebbero causare l’intervento del VFD. Il rapporto di 8 pagine riporta anche i dettagli delle misure che rientrano nelle linee guida predeterminate, eliminando così la maggior parte delle congetture normalmente associate alla risoluzione dei problemi dei VFD.

Figura 6: Tabella PQ sull’uscita del VFD

Figura 7: Schermata dei risultati

Sintesi

Incorporando l’MCA e l’ESA nei processi standard di ricerca guasti dei VFD, l’analista ha a disposizione le informazioni più dettagliate per determinare rapidamente se il problema è causato dal VFD o se è stato riscontrato dal VFD. Il test MCA, della durata di 3 minuti, non solo identifica i motori difettosi, ma può eliminare il motore come causa del guasto e garantire che il nuovo motore installato sia privo di guasti. L’ESA conferma che l’alimentazione in entrata e in uscita dal VFD è priva di guasti con un semplice test che richiede meno di un minuto.