Rilevamento dei guasti dell’azionamento del motore a modulazione di larghezza di impulsi mediante l’analisi della firma elettrica

L’uso di azionamenti per motori in c.a. da parte dell’industria continua a crescere e l’azionamento modulato ad ampiezza di impulsi (PWM) è diventato lo standard comune del settore per le applicazioni di bassa e media potenza. Come gli altri componenti del sistema motore, anche l’azionamento PWM presenta diverse modalità di guasto e per la ricerca dei guasti un elettricista utilizza comunemente un multimetro digitale (DMM), un oscilloscopio digitale e un analizzatore della qualità dell’alimentazione. Questi tre strumenti consentono all’elettricista di individuare i problemi relativi all’alimentazione in ingresso e all’azionamento del motore, ma offrono una capacità limitata di rilevamento dei guasti all’interno del motore stesso e del carico azionato dal motore. Inoltre, poiché questi strumenti sono separati e possono offrire una capacità di reporting limitata, i test per la manutenzione predittiva (PdM) o per la manutenzione su condizione (CBM) possono essere difficili.

È qui che l’Analisi della Firma Elettrica (ESA) offre vantaggi evidenti rispetto al DMM, all’oscilloscopio e all’analizzatore di qualità dell’alimentazione per i test di affidabilità. Inoltre, oltre a valutare le condizioni dell’alimentazione in ingresso e dell’azionamento del motore, valuterà anche le condizioni del motore e del carico azionato per molte modalità di guasto comuni.

Informazioni su ESA

L’ESA è un metodo di test on-line in cui le forme d’onda di tensione e corrente vengono acquisite mentre il sistema motore è in funzione e poi, tramite una trasformata rapida di Fourier (FFT), viene eseguita un’analisi spettrale attraverso il software fornito. Da questa FFT vengono rilevati i guasti relativi all’alimentazione in ingresso, al circuito di controllo, al motore stesso e al carico azionato, che possono poi essere analizzati per scopi CBM/PdM. Il nostro particolare strumento ESA è portatile e alimentato a batteria.

Tutti i sistemi di analisi ESA richiedono informazioni sulla targhetta del motore relative a tensione, velocità di funzionamento, corrente a pieno carico e cavalli (o kW). Inoltre, per un’analisi più dettagliata e accurata, è possibile inserire informazioni opzionali come il numero delle barre del rotore e delle scanalature dello statore, i numeri di parte dei cuscinetti e le informazioni relative ai componenti del carico azionato, come il numero delle pale di un ventilatore o il numero dei denti di un riduttore.

Poiché l’ESA è una novità per molti, di seguito è riportata una tabella che illustra i difetti generali rilevati dall’ESA. Si veda la Figura 1.

Questo articolo illustra tre guasti comuni di un inverter PWM:

1) Un diodo di ingresso aperto nel ponte raddrizzatore.

2) Condensatori guasti nel circuito intermedio CC.

3) Transistor bipolare a gate isolato (IGBT) difettoso.

Tra i tre, il guasto dei condensatori è il più difficile da individuare precocemente, poiché non vi sono segni immediati di questa condizione monitorando le prestazioni del motore.

Informazioni sull’unità

La Figura 2 illustra i blocchi di base di un azionamento motore PWM, che comprendono l’alimentazione CA in ingresso, il ponte a diodi a onda intera che raddrizza la tensione CA in ingresso, il circuito CC intermedio che contiene il condensatore (o i condensatori), il ponte dell’inverter e il motore.

Quando si esegue il test con l’ESA, i collegamenti di tensione e corrente vengono effettuati al sistema motore da testare. Di norma, questa operazione viene effettuata presso il centro di controllo del motore e i collegamenti vengono eseguiti utilizzando le sonde di tensione e i trasformatori di corrente portatili in dotazione o le apposite scatole di connessione precedentemente installate. Il vantaggio della scatola di connessione è la possibilità di rilevare i dati senza aprire il pannello di controllo del motore per effettuare i collegamenti necessari.

Nelle applicazioni PWM è necessario rilevare due serie di dati, una all’ingresso dell’azionamento PWM e l’altra all’uscita dell’azionamento PWM. L’intero processo di raccolta dei dati (dopo aver effettuato i collegamenti) dura circa 4 minuti e a questo punto non sono necessarie informazioni sulla targhetta del motore. Queste informazioni possono essere inserite successivamente durante l’analisi dei dati.

I file di dati vengono quindi visualizzati utilizzando il software in dotazione e viene generato un rapporto Microsoft® Word. Il software offre strumenti di facile utilizzo per lavorare con i diversi spettri di analisi. I risultati del software possono essere visualizzati senza generare il rapporto completo.

Il software riporta automaticamente quanto segue:

Fattore di potenza, squilibrio di corrente, squilibrio di tensione e tensione RMS rispetto alla targa, carico rispetto alla targa, connessione di fase, stato del rotore, stato elettrico e meccanico dello statore, traferro rotore/statore, distorsione armonica totale (tensione e corrente), indicazioni di disallineamento/sbilanciamento e stato dei cuscinetti.

Vengono inoltre riportati i dati relativi a tensione e corrente di picco e fattore di cresta, impedenza di fase, potenza (apparente, reale e reattiva), velocità di marcia e frequenza di linea. Per i motori a induzione in c.a. e i motori in c.c. calcola anche l’efficienza del motore.

Un utente mediamente esperto può eseguire un’analisi completa e generare un report in meno di 10 minuti per motore.

Caso 1

Il caso numero uno è un convertitore di frequenza ricevuto dal centro di assistenza EMA Inc, Cortland, NY. L’azionamento e il motore sono stati fatti funzionare su un dinamometro per le prove.

Sono state raccolte due serie di dati. La prima è un’acquisizione della sola forma d’onda all’ingresso del convertitore di frequenza, mentre la seconda serie è stata scattata all’uscita del convertitore. Il secondo set di dati comprende un’acquisizione di forme d’onda di tensione e corrente, oltre a 50 secondi di forme d’onda di tensione e corrente.

La Figura 6 mostra la forma d’onda della corrente in ingresso per la fase C. Si noti che mancano i picchi negativi. Il problema è causato da un diodo aperto.

Il rapporto generato automaticamente dall’ESA identifica sia lo squilibrio di corrente che l’eccessiva distorsione armonica, causata dal diodo aperto.

Questa prima pagina del rapporto è solo un riassunto e ci sono altre pagine che forniscono dettagli per ciascuna delle voci principali. Un forte squilibrio di fase della corrente, come quello che si vede qui, danneggia i componenti interni dell’azionamento PWM e può sollecitare il trasformatore di alimentazione del motore.

Caso due

Il caso numero due è stato ricevuto dall’EMA per la riparazione e riguarda i condensatori invecchiati del banco condensatori. Il problema è che quando questi condensatori iniziano a invecchiare e a deteriorarsi, le prestazioni del motore non forniscono indicazioni evidenti. Una volta che i condensatori iniziano a guastarsi, i condensatori buoni trasportano una corrente aggiuntiva che crea un calore eccessivo nei condensatori e il calore aggiuntivo accelera il guasto dei condensatori rimanenti. Questi condensatori sono dotati di sfiati per dissipare la pressione eccessiva all’interno, ma è possibile che esplodano se non vengono sfiatati abbastanza velocemente. Inoltre, l’eccessiva tensione di ondulazione fornita al motore causerà l’assorbimento di corrente armonica da parte del motore. Queste correnti armoniche generano una coppia di sequenza negativa, scarse prestazioni del motore e un ulteriore e dannoso accumulo di calore all’interno del motore.

La Figura 9 mostra la tensione all’uscita dell’inverter e si riferisce a un buon inverter con condensatori in buone condizioni.

Terzo caso

Il caso numero tre è stato ricevuto dall’EMA per essere riparato. La forma d’onda in uscita mostra un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) che non si accende. Questo crea uno sbilanciamento della corrente e una distorsione della forma d’onda.

Conclusione

In conclusione, il DMM, l’oscilloscopio e gli strumenti per la qualità dell’alimentazione forniscono una buona capacità di risoluzione dei problemi per gli azionamenti dei motori PWM. Tuttavia, non si integrano bene in un programma di verifica dell’affidabilità dei motori elettrici a causa delle limitazioni nella raccolta dei dati e nei rapporti. Inoltre, forniscono poche informazioni sui problemi comuni legati al motore e al carico.

L’analisi della firma elettrica consente al tecnico dell’affidabilità di visualizzare l’intero sistema del motore, dall’alimentazione in ingresso fino al carico azionato. Con le applicazioni PWM, la raccolta dei dati richiede meno di 4 minuti dopo aver effettuato i collegamenti di tensione e corrente. Da questo processo di test di 4 minuti, un’analisi completa può identificare rapidamente problemi quali diodi raddrizzatori guasti, condensatori del bus CC scadenti e IGBT guasti, prima che un guasto al convertitore di frequenza o al motore provochi un guasto al sistema del motore.

È importante notare che in tutti e tre i casi il motore può ancora funzionare, a seconda del carico e di altri fattori operativi, ma la certezza che il sistema continui a funzionare è compromessa. La capacità dell’ESA di identificare tempestivamente questi guasti, prima che si verifichino ulteriori danni al motore o all’azionamento PWM, contribuirà a ridurre al minimo i costosi tempi di fermo, ad aumentare l’affidabilità dell’apparecchiatura e a prevenire eventuali danni catastrofici all’apparecchiatura o possibili lesioni al personale.

Informazioni sugli autori

Richard Scott è il responsabile nazionale delle vendite e Don Haapapuro, CMRP, è il Key Account Manager di ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro è un produttore di apparecchiature di prova portatili per l’analisi del circuito del motore (MCA), l’analisi della firma elettrica (ESA) e l’analisi della qualità dell’alimentazione (PQ), utilizzate per i test di manutenzione preventiva, il controllo di qualità e la risoluzione dei problemi di motori elettrici, generatori, trasformatori, bobine e avvolgimenti. Gli strumenti ALLTEST PRO® MCA consentono di rilevare tempestivamente i guasti elettrici, tra cui: guasti agli avvolgimenti, squilibri di fase, guasti al rotore e guasti a terra. Lo strumento ALL-TEST PRO® ESA e PQ fornisce un’analisi automatica dall’alimentazione in ingresso, il motore elettrico, fino al carico azionato, sia elettrico che meccanico. Gli strumenti sono portatili, funzionano a batteria, sono facili da usare e sono in grado di testare praticamente qualsiasi dimensione o tipo di motore elettrico, generatore o trasformatore, anche da una posizione remota. Il sito web è www.alltestpro.com.

Dean Williams è il vicepresidente dei servizi tecnici di EMA, Inc. e lavora presso il centro di assistenza di Cortland, NY. EMA vende e assiste i convertitori di frequenza e fornisce corsi di formazione per la corretta risoluzione dei problemi dei convertitori di frequenza. Il sito web è www.emainc.net.

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