Come eseguire l’analisi dei parametri del motore? Analisi delle armoniche, misurazione della coppia e misurazione della velocità di rotazione

Per eseguire correttamente l’analisi dei parametri di un motore elettrico, è necessario combinare la valutazione dei segnali elettrici con le misurazioni meccaniche. Nella pratica, ciò significa analisi delle armoniche e dello spettro di corrente, misurazione della coppia e misurazione della velocità di rotazione. Solo questo approccio consente di valutare in modo affidabile lo stato del rotore, il carico della macchina, la qualità dell’alimentazione e le condizioni operative reali dell’azionamento
senza limitarsi ai test di officina di base.

Il solo controllo della resistenza degli avvolgimenti, dell’isolamento o della corrente di dispersione spesso non è sufficiente. Acquistano sempre maggiore importanza le misurazioni dei motori elettrici eseguite in condizioni di esercizio reali, perché è proprio allora che si manifestano problemi legati al rotore, all’eccentricità, al sovraccarico, all’alimentazione, allo stadio di potenza, all’inverter o alla collaborazione tra il motore e la meccanica della macchina.

Dal punto di vista di uno stabilimento industriale, l’analisi dei parametri del motore non è solo una questione tecnica. È anche uno strumento per ridurre il rischio di guasti produttivi, i costi dei fermi macchina e i danni secondari che possono coinvolgere anche serv azionamenti, soft starter, encoder, convertitori di frequenza, controllori PLC e il resto dell’elettronica di controllo che gestisce il funzionamento del sistema.

Se desideri eseguire l’analisi dei parametri di un motore elettrico, verificare le armoniche, misurare la coppia o la velocità di rotazione e, su questa base, prendere una decisione su assistenza, riparazione, rigenerazione o modernizzazione, contatta RGB Elektronika. Ti aiuteremo a valutare lo stato dell’azionamento, ridurre il rischio di fermo e scegliere la soluzione più vantaggiosa per lo stabilimento.

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Come eseguire l’analisi dei parametri di un motore elettrico?

In cosa consiste l’analisi dei parametri del motore e quando vale la pena eseguirla

L’analisi dei parametri di un motore elettrico consiste nel mettere in relazione i dati elettrici e meccanici
in modo da valutare se la macchina funziona in modo stabile, efficiente e sicuro. Comprende tra l’altro:

• l’analisi della corrente e della tensione di alimentazione,
• l’analisi delle armoniche,
• la valutazione dei parametri di rete,
• la misurazione della coppia,
• la misurazione della velocità di rotazione,
• il confronto dei risultati con il carico reale e la natura del processo.

I suddetti test dei motori elettrici sono particolarmente consigliati quando compaiono sintomi quali:

• aumento della temperatura del motore,
• funzionamento instabile dell’azionamento,
• calo della coppia o dell’efficienza,
• vibrazioni e rumori anomali,
• allarmi frequenti dell’inverter,
• sovraccarichi inspiegabili,
• discrepanza tra i parametri impostati e il funzionamento reale della macchina.

Vale la pena sottolineare che i test dei parametri di un motore elettrico sono particolarmente preziosi quando si desidera eseguire una diagnostica online, cioè senza arrestare il processo tecnologico. In molti stabilimenti
è proprio questo modello operativo ad avere il massimo valore aziendale, perché consente di rilevare le anomalie in una fase iniziale e pianificare le attività di assistenza senza un fermo di emergenza dell’intera linea.

Come eseguire l’analisi delle armoniche e che cosa indica lo spettro di corrente del motore?

L’analisi delle armoniche è uno dei metodi più importanti utilizzati nella diagnostica dei motori asincroni. Nella pratica si esamina l’andamento della corrente statorica e lo si trasforma in forma spettrale, più spesso mediante la trasformata veloce di Fourier. Questo permette di osservare non solo la componente fondamentale, ma anche le bande laterali e altre componenti che indicano guasti specifici. Questo approccio costituisce la base del metodo MCSA, cioè Motor Current Signature Analysis.

Nella pratica, il test dei motori elettrici con il metodo MCSA sfrutta il fatto che ogni disturbo della simmetria magnetica o meccanica lascia una traccia nella corrente statorica. Gli avvolgimenti dello statore diventano quindi
una fonte di informazioni diagnostiche, mentre lo spettro di corrente funziona come una registrazione tecnica dello stato della macchina.

Quali guasti si possono rilevare con il metodo MCSA?

L’analisi dello spettro di corrente aiuta a rilevare, tra l’altro:

• cricche nelle barre della gabbia rotorica,
• danni agli anelli di cortocircuito,
• eccentricità statica,
• eccentricità dinamica,
• asimmetria elettromagnetica,
• problemi derivanti dalla qualità dell’alimentazione,
• disturbi legati al funzionamento dell’azionamento con inverter.

Nel caso di guasti del rotore, sono caratteristiche le bande laterali intorno alla frequenza fondamentale. La loro presenza e ampiezza possono indicare il grado di degrado del rotore e l’evoluzione del guasto.
Questo è particolarmente importante dove la diagnostica dello stato del rotore deve prevenire grippaggi, aumento delle correnti, riscaldamento aggiuntivo e aggravamento dell’avaria.

La MCSA è utile anche nella valutazione dell’eccentricità. Il disallineamento del rotore rispetto allo statore può portare ad attrazione magnetica unilaterale, aumento dei carichi meccanici, usura accelerata dei cuscinetti e, nei casi estremi, al contatto tra rotore e statore.

Perché l’analisi dei parametri di rete è importante per la diagnostica?

L’analisi dei parametri di rete deve essere condotta parallelamente alla valutazione del motore stesso. Ciò significa
controllare la qualità della tensione, la simmetria delle fasi, il carico di corrente e la presenza di armoniche sul lato alimentazione. Se il motore lavora con un inverter, bisogna considerare anche l’influenza del convertitore di frequenza, del metodo di controllo e del carico dinamico.

Dal punto di vista della manutenzione, questo è particolarmente importante, perché sintomi simili possono derivare sia da un guasto della macchina elettrica sia da problemi sul lato alimentazione, controllo o stadio di potenza. Senza questa distinzione è facile prendere una decisione di assistenza errata, ad esempio inviare il motore
alla rigenerazione, mentre la causa reale sono disturbi di rete, una parametrizzazione errata dell’inverter o un errore nell’elettronica di controllo.

Come si presenta la misurazione della coppia di un motore elettrico?

La misurazione della coppia consente di valutare quale carico meccanico reale viene trasmesso dall’albero motore. È uno dei parametri più importanti nella diagnostica degli azionamenti, perché solo il confronto tra coppia e velocità di rotazione fornisce un’immagine del funzionamento effettivo del sistema.

Nella pratica industriale si utilizzano diversi metodi, ma uno dei più precisi è la misurazione estensimetrica. Gli estensimetri reagiscono a deformazioni torsionali molto piccole dell’albero e permettono di determinare la coppia di carico in tempo reale. Gli estensimetri lavorano di solito in un circuito a ponte di Wheatstone, aumentando la sensibilità del sistema e limitando l’influenza delle variazioni di temperatura. Il principio di funzionamento dei sensori estensimetrici si basa sulla misurazione della deformazione di un elemento elastico, e la coppia
è proporzionale alla torsione dell’albero.

Come funziona la misurazione estensimetrica sull’albero?

In termini semplificati, la misurazione si basa sul fatto che, sotto l’effetto della coppia, l’albero subisce una leggera torsione. Questa deformazione può essere convertita in coppia di carico. Si utilizza la seguente relazione:

T = (π × D³ × G × ε) / 8

• T – coppia di carico [Nm],
• D – diametro dell’albero [m],
• G – modulo di taglio del materiale,
• ε – deformazione elastica misurata dell’albero.

La formula da sola, tuttavia, non è sufficiente per ottenere risultati affidabili. L’albero deve essere adeguatamente preparato e la superficie di montaggio deve essere accuratamente pulita e priva di difetti che potrebbero introdurre disturbi locali delle tensioni. Nella pratica sono spesso proprio la qualità della preparazione del banco di prova
e la calibrazione della catena di misura a determinare il valore dell’intero test.

Che cosa indica la coppia sullo stato del motore e del carico?

La misurazione della coppia di un motore elettrico consente di valutare non solo lo stato della macchina, ma anche la natura del carico di processo. Se la coppia aumenta in modo anomalo, pulsa o non corrisponde alle condizioni operative impostate, può indicare:

• sovraccarico meccanico,
• problemi al riduttore, al giunto o alla meccanica dell’azionamento,
• vibrazioni torsionali,
• controllo errato dell’inverter o del serv azionamento,
• peggioramento dello stato del rotore o dei cuscinetti,
• discrepanza tra i parametri impostati e il funzionamento reale del sistema.

Proprio per questo, nella diagnostica professionale dei motori elettrici, la coppia
non viene trattata come una singola lettura, ma come un parametro analizzato nel tempo, in relazione
al carico del processo, alla velocità e ai segnali elettrici.

Come eseguire la misurazione della velocità di rotazione del motore?

La misurazione della velocità di rotazione è un elemento fondamentale della valutazione del funzionamento dell’azionamento. Questo parametro definisce il numero di giri dell’albero nell’unità di tempo ed è indicato più spesso in giri/min o RPM. Nella pratica diagnostica ha importanza non solo per valutare l’efficienza del processo, ma anche per interpretare i risultati dell’analisi delle vibrazioni, della coppia e dei fenomeni elettrici. La velocità di rotazione viene solitamente misurata con metodi a contatto, ottici oppure mediante sensori integrati nel sistema di automazione. I tachimetri senza contatto che utilizzano un marcatore riflettente e un fascio ottico sono comunemente impiegati per una rapida misurazione degli RPM.

Metodi a contatto, ottici e con sensori

Vengono utilizzati diversi gruppi di metodi:

• metodi a contatto – ad esempio un tachimetro meccanico applicato all’estremità dell’albero,
• metodi ottici – un tachimetro laser o a infrarossi che opera senza contatto con l’albero,
• metodo stroboscopico – basato sul fenomeno dell’apparente arresto dell’oggetto a una frequenza di lampeggio opportunamente selezionata,
• metodi con sensori – che utilizzano encoder, sensori Hall o sensori induttivi.

I metodi a contatto sono semplici, ma possono caricare il sistema e introdurre un errore di slittamento. I metodi ottici
sono più sicuri e più comodi nelle misurazioni di officina e di assistenza. Gli encoder
e i sensori che lavorano stabilmente nella macchina costituiscono invece la base del monitoraggio continuo della velocità nei moderni sistemi di azionamento.

In molte applicazioni industriali si incontrano anche sensori induttivi, che registrano il passaggio degli elementi rotanti e su questa base determinano la frequenza di rotazione. Nei sistemi di maggiore precisione si utilizzano encoder incrementali o assoluti, soprattutto quando oltre alla velocità stessa è necessaria l’informazione sulla direzione e sulla posizione dell’albero.

Dove la misurazione della velocità si collega a inverter, encoder e automazione?

Nei moderni azionamenti, la misurazione della velocità non funziona separatamente dal resto del sistema. I dati provenienti da encoder e sensori sono utilizzati da inverter, serv azionamenti, controllori PLC e sistemi HMI per regolazione, allarmi e visualizzazione. Nelle applicazioni avanzate si utilizza anche la stima della velocità
sulla base dei parametri elettrici, riducendo la necessità di installare accessori aggiuntivi
sull’albero.

Questo è particolarmente importante dove contano la precisione della sincronizzazione, il controllo delle accelerazioni, il posizionamento o il funzionamento con carico dinamicamente variabile. Se la misurazione della velocità è errata o instabile, il problema può riguardare non solo il motore stesso, ma anche l’encoder, l’inverter, la comunicazione industriale oppure i moduli di ingresso e uscita responsabili dell’elaborazione dei segnali.

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Cosa fare quando l’analisi dei parametri del motore indica anomalie?

Sintomi tipici dei guasti e loro possibili cause

Se la misurazione dei parametri di un motore elettrico indica deviazioni dalla norma, bisogna passare
dalla semplice misurazione all’interpretazione delle cause. I sintomi più frequenti includono:

• aumento delle armoniche e disturbi nello spettro di corrente,
• coppia instabile,
• calo della velocità sotto carico,
• funzionamento irregolare dell’azionamento,
• riscaldamento eccessivo,
• allarmi ripetuti dell’azionamento,
• vibrazioni e rumore meccanico.

Dietro questi sintomi possono esserci diverse fonti del problema: danno alla gabbia rotorica, eccentricità, usura dei cuscinetti, errori di alimentazione, sovraccarico del processo, configurazione errata dell’inverter, danno ai sistemi di potenza oppure problemi con i sensori di feedback.

Per questo motivo una diagnostica affidabile dei motori elettrici non dovrebbe basarsi su un unico parametro. Solo la combinazione dell’analisi delle armoniche con coppia, velocità, condizioni di carico e valutazione del sistema di azionamento consente di formulare una conclusione di assistenza credibile.

Diagnostica, riparazione, rigenerazione o modernizzazione

Non ogni anomalia significa la necessità di sostituire immediatamente il dispositivo. Una diagnostica accurata consente di limitare i costi e scegliere il modello corretto di intervento di assistenza. I risultati dei test dovrebbero portare a:

• diagnostica estesa – quando è necessario confermare la fonte del problema con test aggiuntivi,
• riparazione – quando il danno è concreto e può essere eliminato,
• rigenerazione – quando il grado di usura dei componenti giustifica il ripristino dell’efficienza tecnica,
• sostituzione – quando la riparazione non è economicamente giustificata o è rischiosa,
• modernizzazione – quando la causa dei problemi è il mancato adattamento del sistema ai requisiti del processo.

Perché una reazione rapida è importante per produzione e costi?

Dal punto di vista del reparto manutenzione e produzione, è importante che le anomalie nel funzionamento del motore molto raramente restino un problema locale. Un rotore danneggiato, armoniche in aumento, coppia instabile o una misurazione errata della velocità possono tradursi in:

• calo della qualità del processo,
• maggiore consumo di energia,
• usura accelerata della meccanica,
• danni secondari nell’azionamento e nell’elettronica di controllo,
• fermi non pianificati,
• aumento dei costi della produzione persa,
• rischio per la sicurezza del lavoro della macchina.

Proprio per questo i test dei motori elettrici dovrebbero essere trattati come parte di una strategia predittiva,
e non solo come reazione a un guasto. Prima vengono rilevate le deviazioni, maggiore è la possibilità
di un intervento pianificato invece di un guasto costoso durante la produzione.

Quando affidare misurazioni professionali e assistenza?

Vale la pena affidare test professionali quando il motore lavora in un’applicazione critica, collabora
con un inverter o un serv azionamento, gestisce un processo costoso oppure mostra sintomi di instabilità nonostante l’assenza di un guasto evidente. Questo riguarda anche le situazioni in cui lo stabilimento pianifica una revisione, una modernizzazione della linea oppure vuole confrontare lo stato di più azionamenti con carico simile.

In questi casi, un’analisi dei parametri del motore eseguita correttamente può essere il punto di partenza per:

• diagnostica e localizzazione del guasto,
• riparazione o rigenerazione del dispositivo,
• valutazione della convenienza della prosecuzione dell’esercizio,
• scelta di un sostituto,
• modernizzazione del sistema di azionamento,
• preparazione di un programma di interventi di assistenza.

Se nel tuo stabilimento è necessaria la diagnostica dei motori elettrici, l’analisi delle armoniche, la misurazione della coppia, la misurazione della velocità di rotazione oppure la valutazione dello stato di un azionamento che lavora
con inverter, encoder o sistema di automazione, vale la pena eseguire le misurazioni in modo completo.

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