Introduzione
Il monitoraggio delle condizioni è uno strumento prezioso per rilevare guasti e analizzare lo stato di salute dei motori. I motori sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni industriali e possono presentare numerosi problemi nel tempo. Questi problemi possono portare a una riduzione dell'efficienza, a maggiori costi di manutenzione e a guasti del motore se non vengono affrontati tempestivamente. Il monitoraggio delle condizioni aiuta a identificare questi guasti in anticipo, consentendo una manutenzione tempestiva e prevenendo costosi guasti. Il monitoraggio delle condizioni è anche prezioso per garantire che i motori funzionino in uno stato che impedisce lo sviluppo di guasti elettrici.
Poiché i motori sono sia elettrici che meccanici per progettazione, entrambi i tipi di guasto sono comuni. Un malinteso comune è che il monitoraggio delle vibrazioni può rilevare solo difetti meccanici in un motore e che il monitoraggio elettrico può rilevare solo guasti elettrici in un motore. In realtà, c'è una sovrapposizione in queste tecniche per identificare guasti correlati al motore a causa dei principi di funzionamento fisici di un motore.
Lo scopo di questo articolo è quello di riassumere i guasti elettrici dei motori, come rilevarli e i metodi di prevenzione.
Principi di funzionamento del motore
Per comprendere meglio i guasti elettrici del motore, ci sono alcuni principi chiave attorno al funzionamento di un motore che devono essere compresi. Ciò vale principalmente nel caso di un motore a induzione in cui la velocità di rotazione del campo magnetico indotto (definita dalla frequenza della linea elettrica e dal numero di poli del motore) differisce dalla velocità di rotazione meccanica del motore. Queste definizioni sono riportate di seguito:
- Frequenza di linea:La frequenza di linea è la frequenza della corrente alternata (CA) fornita al motore a induzione dalla rete elettrica. Nella maggior parte delle regioni, la frequenza di linea standard è di 50 Hz o 60 Hz. La frequenza di linea determina la velocità con cui i campi magnetici negli avvolgimenti dello statore alternano la polarità, che, a sua volta, induce correnti nel rotore per produrre coppia e rotazione.
- Numero di poli del motore:Il numero di poli in un motore a induzione influenza direttamente le sue caratteristiche operative e le sue prestazioni. I motori con più poli hanno velocità sincrone inferiori e capacità di coppia più elevate. I motori a 2 e 4 poli sono i più comuni.
- Velocità sincrona del motore:La velocità sincrona di un motore si riferisce alla velocità di rotazione teorica del campo magnetico del motore creato dagli avvolgimenti dello statore. È determinata dalla frequenza della corrente alternata (CA) fornita al motore e dal numero di poli magnetici nel motore.
La velocità sincrona (Ns) di un motore AC è data dalla seguente formula:
Ns = (120 * f) / P
Dove:
Ns = Velocità sincrona in giri al minuto (RPM)
f = Frequenza di linea in Hertz (Hz)
P = Numero di poli nel motore
- Velocità del rotore:La velocità di rotazione meccanica del rotore e dell'albero. Questa è sempre in ritardo rispetto alla velocità sincrona per i motori a induzione. Per i motori a magnete permanente, è uguale alla velocità sincrona.
- Frequenza di slittamento:La frequenza di slittamento è la differenza tra la velocità sincrona del campo magnetico rotante nello statore e la velocità effettiva del rotore. Lo slittamento è spesso calcolato anche come percentuale (rapporto tra la velocità di slittamento e la velocità sincrona), ma per questo articolo ci concentreremo sulla frequenza di slittamento perché è utilizzata per determinare la frequenza di passaggio dei poli.
La frequenza di slittamento (F_s) può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
F_s = (Ns - Nr)
Dove:
Ns = Velocità sincrona (in giri al minuto o RPM)
Nr = Velocità del rotore (in RPM)
- Frequenza di passaggio del polo:La frequenza di passaggio dei poli è la frequenza alla quale i campi magnetici dell'avvolgimento dello statore si "superano" l'un l'altro mentre il rotore gira. È una funzione sia della frequenza di linea che del numero di poli nel motore.
La frequenza di passaggio del polo (F_p) può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
F_p = F_s * P
Dove:
F_s = Frequenza di slittamento
P = Numero di poli
- Frequenza di passaggio della barra del rotore:IL frequenza generata in base al numero di barre del rotore in un motore e alla velocità del rotore. Spesso è difficile ottenerla a causa della difficoltà di determinare il numero di barre del rotore in un motore, ma in genere si trova nelle frequenze più alte.
La frequenza di passaggio della barra del rotore (F_rb) può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
F_rb = #rb * Nr
Dove:
#rb = Numero di barre del rotore del motore
Nr = Velocità del rotore
La capacità di rilevare guasti elettrici al motore si basa sull'andamento affidabile dei livelli di ampiezza di queste frequenze.
Il vantaggio di rilevare il flusso magnetico di un motore
Dalle definizioni di cui sopra, è abbastanza chiaro che calcolare e tracciare l'andamento di questi valori di frequenza per ogni campione di motore può richiedere molto tempo. Ciò è particolarmente vero per i motori a induzione con velocità e carichi variabili. Rilevando il flusso magnetico del motore, è possibile determinare la frequenza di linea. Contemporaneamente, la velocità del rotore può essere determinata dai dati dell'accelerometro. Con queste 2 variabili definite, le frequenze rimanenti possono essere facilmente ottenute e analizzate per lo sviluppo di guasti.
Tipi di guasti elettrici del motore
I guasti elettrici del motore sono in genere classificati come guasti correlati al rotore o guasti correlati allo statore. Ciò è dovuto principalmente alle loro firme di guasto e alle cause principali. I guasti comuni e le loro firme sono descritti di seguito.
I guasti del rotore si concentrano sui difetti di una o più barre del rotore o sull'eccentricità del rotore. Quando si diagnostica l'eccentricità del rotore, le frequenze critiche da esaminare sono multipli dei giri al minuto del rotore (1X, 2X, 3X, 4X, 5X) con bande laterali distanziate a 2X la frequenza di linea.
Eccentricità del rotore
Per i problemi con le barre del rotore, le frequenze critiche sono multipli della frequenza di passaggio della barra del rotore (1X, 2X) con bande laterali distanziate a 2 volte la frequenza di linea o 2 volte la frequenza di passaggio del polo.
Difetti della barra del rotore
I guasti più comuni dello statore sono l'eccentricità dello statore, le lamiere in cortocircuito o i collegamenti allentati. L'eccentricità dello statore e le lamiere in cortocircuito si riscontrano con ampiezze elevate a 2 volte la frequenza di linea. Sono anche molto direzionali a causa di un traferro irregolare.
Eccentricità dello statore, lamierini in cortocircuito
I collegamenti allentati si presentano come un problema di fase e provocano vibrazioni elevate a 2 volte la frequenza di linea, con uno spazio delle bande laterali a ⅓ della frequenza di linea.
Collegamenti allentati o interrotti
Una cosa importante da notare è che questi guasti vengono identificati con la vibrazione e rilevati dall'accelerometro. Il sensore di flusso magnetico consente un valore rapido e accurato della frequenza di linea per identificare queste frequenze e individuare il guasto. È anche importante menzionare che il carico del motore svolge un ruolo importante nell'identificazione di questi guasti. Un carico del motore più elevato genera un campo magnetico più forte che si traduce in forze irregolari che causano la vibrazione.
Metodi di rilevamento aggiuntivi
Oltre al monitoraggio delle vibrazioni, ci sono metodi aggiuntivi per scoprire guasti elettrici nei motori. Il metodo più noto è un'analisi del circuito del motore (MCA), che è un test eseguito con il motore offline utilizzato per identificare vari guasti come la perdita di isolamento. Metodi aggiuntivi come l'analisi della firma elettrica (ESA) e l'analisi della firma della corrente del motore (MCSA) possono essere eseguiti online e utilizzano dati dalla tensione, dalla corrente o da entrambi per identificare i guasti.
Questi metodi sono estremamente preziosi quando si sviluppano guasti al motore dovuti a problemi di qualità dell'alimentazione. Possono anche rilevare guasti elettrici in una fase precedente. Un riepilogo di questi metodi è mostrato nella tabella seguente.
| MCA | ESA | MCSA |
|---|
Scopo principale | Testare i circuiti elettrici e il sistema di isolamento di un motore elettrico, cercando principalmente problemi legati alla rottura o alla contaminazione dell'isolamento. | Analizza la salute elettrica e meccanica delle apparecchiature rotanti. Ha la capacità di rilevare alcuni guasti meccanici nella firma elettrica | Si concentra specificamente sui motori elettrici e sui guasti elettrici analizzando i modelli di firma attuali. |
Offline/In linea | Richiede il circuito motore offline | Richiede che il motore sia acceso | Richiede che il motore sia acceso |
Tensione misurata | Sì (per test di isolamento) | SÌ | No (solo analisi attuale) |
Corrente misurata | SÌ | SÌ | SÌ |
Un altro strumento utile per il monitoraggio predittivo del motore è la termografia. Il concetto principale qui è determinare se il motore sta funzionando a temperature elevate e cercare potenziali punti caldi localizzati. I punti caldi localizzati potrebbero indicare cortocircuiti parziali nello statore del motore. Di seguito è riportato un esempio.
Il vantaggio nascosto del monitoraggio continuo
I guasti elettrici del motore spesso non vengono rilevati finché non si raggiunge il punto di guasto. Una volta che ciò accade, il motore viene sostituito e, a causa della loro complessità, spesso non vengono smontati per determinare la causa principale del guasto. Ciò può portare a guasti ripetuti e problemi cronici.
Il monitoraggio delle condizioni aiuta a prevenire questo problema fornendo dati continui per le variabili che influenzano la salute del motore. Il monitoraggio delle temperature del motore assicura che non si verifichi degradazione dell'isolamento. Ciò vale anche per l'usura dei cuscinetti che può portare a incongruenze del traferro e in alcuni casi al contatto tra rotore e statore. Avere queste informazioni aggiuntive può aiutare a concludere le cause profonde dello sviluppo del guasto. Ciò consente di spostare l'attenzione dall'analisi post mortem della causa principale del guasto all'analisi della causa principale del guasto che massimizza la durata della risorsa e aumenta notevolmente l'affidabilità e riduce i costi di manutenzione complessivi.
Cause comuni di guasti elettrici del motore
Il rilevamento di guasti elettrici del motore e il lavoro correttivo attorno a questi guasti possono fornire un rapido aumento dell'affidabilità spostando il lavoro da un guasto non pianificato a una riparazione programmata. Questo aumento dell'affidabilità spesso non viene realizzato nel budget di manutenzione. Per ridurre la spesa di manutenzione, è importante comprendere le cause profonde dello sviluppo di guasti e stabilire un piano per ridurli al minimo. Di seguito è riportata una tabella con le tipiche cause profonde associate ai guasti precedentemente discussi.
Guasti elettrici del motore | Cause comuni alla radice |
|---|
Eccentricità del rotore | - Distribuzione non uniforme del carico sul rotore. |
- Disallineamento tra rotore e albero. |
- Difetti o usura dei cuscinetti. |
Difetti della barra del rotore | - Sovraccarico o frequenti avviamenti/arresti. |
- Temperatura eccessiva che provoca la rottura dell'isolamento delle barre. |
- Vibrazioni o sollecitazioni meccaniche che causano la rottura della barra. |
Eccentricità dello statore | - Disallineamento tra lo statore e l'alloggiamento. |
- Deformazione del telaio del motore dovuta al piede zoppo. |
- Spazio d'aria irregolare dovuto a problemi di fabbricazione o di assemblaggio. |
Laminazioni in cortocircuito | - Surriscaldamento causato dall'elevata temperatura del motore. |
- Avviamenti e arresti eccessivi che provocano stress termici. |
- Difetti dei cuscinetti che causano sollecitazioni meccaniche sulle lamiere. |
- Contaminazione dell'isolamento. |
Terminazioni rotte o allentate | - Vibrazioni o sollecitazioni meccaniche dovute a disallineamenti o difetti dei cuscinetti. |
- Cicli termici che causano espansione/contrazione delle connessioni. |
- Correnti elettriche elevate che provocano la generazione di calore e l'indebolimento delle connessioni. |
Inutile dire che la produzione e la riparazione di motori sono anche una causa principale molto comune di guasti elettrici dei motori. Riparare un motore è un processo complicato e intricato che richiede una notevole quantità di controllo di qualità. Per questo motivo esistono varie associazioni per aiutare a identificare officine di riparazione affidabili. Una delle organizzazioni di accreditamento più note per i lavori di riparazione dei motori è EASA. Scegliere un'officina di riparazione accreditata EASA può fare molto per ottenere lavori di riparazione affidabili. Un ulteriore vantaggio del monitoraggio continuo è l'identificazione di lavori di riparazione scadenti e l'individuazione di questi casi di mortalità infantile.
Riepilogo
Il monitoraggio delle condizioni per rilevare guasti elettrici del motore può essere utile per determinare lo stato di salute del motore. L'identificazione di questi guasti richiede la comprensione di più frequenze generate dalla fisica attorno alla progettazione di ciascun motore monitorato. Conoscere la frequenza di linea che va al motore e la velocità di rotazione del motore semplifica notevolmente il processo di raccolta di queste frequenze critiche.
Le firme delle vibrazioni sono ben note e documentate per gli specifici guasti elettrici discussi. In pratica, spesso le firme non sono chiaramente ovvie su quale guasto specifico esista. Si suggerisce di utilizzare metodi di test aggiuntivi per convalidare e specificare ulteriormente il tipo esatto di guasto. La combinazione di questi metodi si traduce in una definizione altamente accurata del tipo di guasto e del suo livello di maturità.
Alcuni dei migliori valori del monitoraggio delle condizioni per i motori si ottengono assicurando che il motore funzioni in uno stato che impedisce lo sviluppo di guasti. Ciò si ottiene assicurando che i motori funzionino alla temperatura corretta, che i cuscinetti siano in uno stato sano e che nessuna forza esterna aggiuntiva sia sottoposta al motore. Un valore aggiuntivo si ottiene fornendo dati chiave per determinare la probabile causa dello sviluppo di guasti o guasti. Ciò aiuta a prevenire guasti ricorrenti e a ridurre i costi di manutenzione diretta.
Risorse aggiuntive
-Accreditamento dell'officina di riparazione
-Studio sull'affidabilità dei motori elettrici
-Video che spiega i principi del motore a induzione e le frequenze importanti
