Come eseguire misure elettriche su macchine industriali e generatori? Diagnostica delle macchine

Le misure elettriche di macchine industriali e generatori devono essere eseguite come un insieme di prove complementari, non come una singola lettura. Solo la combinazione della misura della resistenza degli avvolgimenti, della resistenza di isolamento IR, dell’indice di polarizzazione PI, delle prove ad alta tensione e del test Surge consente di valutare se il problema riguarda l’isolamento verso massa, l’isolamento tra spire, l’asimmetria delle fasi, l’umidità, la contaminazione o un danno agli avvolgimenti in fase di sviluppo. Proprio per questo una corretta diagnostica di macchine industriali e generatori deve essere pianificata metodicamente, tenendo conto della temperatura, delle condizioni di lavoro e dello storico dei guasti.

Nella pratica dei reparti di manutenzione, l’elemento più costoso non è la misura in sé, ma la mancanza di una corretta interpretazione dei risultati. Dichiarare troppo rapidamente una macchina come efficiente può causare un fermo linea non pianificato, il danneggiamento di un inverter, di un alimentatore, del circuito di potenza o dell’elettronica di controllo. Al contrario, una decisione troppo affrettata di sostituire l’intero dispositivo genera spesso un costo più elevato rispetto a una diagnostica, una riparazione o una rigenerazione eseguite correttamente.

Affida la diagnostica della macchina o del generatore prima che una lieve degradazione dell’isolamento si trasformi in un guasto costoso. Se vuoi verificare lo stato degli avvolgimenti, dell’isolamento e il rischio di ulteriore funzionamento del dispositivo, contatta
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Quali misure elettriche di macchine industriali e generatori conviene eseguire?

Perché un solo test non basta per valutare lo stato della macchina?

Non esiste una singola misura che possa valutare contemporaneamente:

• lo stato dell’isolamento verso massa,
• lo stato dell’isolamento tra spire,
• la simmetria degli avvolgimenti,
• la resistenza del sistema alla tensione di prova,
• il rischio di danneggiamento sotto carico impulsivo.

L’isolamento esterno riguarda il rapporto tra l’avvolgimento e il nucleo, il corpo o la massa. L’isolamento interno riguarda il rapporto tra le spire dello stesso avvolgimento. Una macchina può superare la misura IR,
e tuttavia avere un cortocircuito tra spire in fase di sviluppo, che si manifesterà solo nel test Surge
oppure durante il funzionamento con un inverter.

Per questo motivo misure elettriche affidabili delle macchine industriali dovrebbero includere diversi metodi, e non solo una rapida lettura con un megaohmmetro.

Da dove iniziare le misure elettriche delle macchine industriali?

La corretta sequenza delle prove di solito è la seguente:

• ispezione visiva e valutazione delle condizioni di lavoro del dispositivo,
• identificazione del tipo di macchina, della tensione nominale e del metodo di alimentazione,
• misura della resistenza degli avvolgimenti,
• misura della resistenza di isolamento IR,
• determinazione del PI, se le condizioni di prova lo consentono,
• prova ad alta tensione AC o DC, se giustificata dal punto di vista diagnostico,
• test Surge in caso di sospetto di cortocircuiti tra spire o degradazione dell’isolamento interno,
• analisi dei risultati in relazione a temperatura, umidità e storico dei guasti.

Già in questa fase conviene stabilire se la prova riguarda un motore, un generatore o una macchina che lavora in un’applicazione ad alta dinamica. Questo influenza la scelta dei metodi e il livello di rischio.

Come eseguire le singole misure elettriche delle macchine?

Come eseguire la misura della resistenza degli avvolgimenti e cosa dice sullo stato delle fasi?

La misura della resistenza degli avvolgimenti di fase è di solito il primo passo diagnostico. La grandezza misurata è la resistenza R, espressa in Ω, e per piccole macchine e avvolgimenti corti spesso in mΩ. Per basse resistenze si consiglia una misura a quattro fili, perché limita l’influenza della resistenza dei cavi
e dei contatti di misura.

I valori vengono confrontati tra le fasi e viene valutata anche la simmetria. Le differenze possono indicare:

• asimmetria degli avvolgimenti,
• collegamenti difettosi,
• morsetti allentati,
• interruzione del circuito,
• surriscaldamento locale,
• parte dei guasti tra fasi o tra spire.

È importante ricordare che la resistenza degli avvolgimenti dipende fortemente dalla temperatura. Per un conduttore si può utilizzare la relazione:

R_T = R_T0 [1 + α(T − T₀)]

Ciò significa che confrontare i risultati senza riferimento alla stessa temperatura può portare
a conclusioni errate. Nella pratica di assistenza questo significa una cosa: un risultato senza temperatura è un risultato incompleto.

Come misurare la resistenza di isolamento IR e interpretare il risultato?

La misura della resistenza di isolamento IR valuta lo stato dell’isolamento rispetto alla massa, al corpo o al nucleo. Anche la grandezza misurata è la resistenza R, più spesso espressa in MΩ o GΩ. La relazione è descritta dalla legge di Ohm:

R = U / I

dove:

• U – tensione di prova [V],
• I – corrente di dispersione [A].

Se con una tensione di prova di 500 V DC la resistenza di isolamento è pari a 100 MΩ, la corrente di dispersione è molto bassa e ammonta a circa 5 µA. Questo mostra quanto siano sensibili questo tipo di prove e quanto le condizioni ambientali influenzino il risultato.

La misura IR è un test molto valido per valutare:

• umidità negli avvolgimenti,
• contaminazione dell’isolamento,
• peggioramento dello stato delle superfici isolanti,
• effetti dello stoccaggio della macchina in condizioni non idonee,
• rischio di scarica verso massa.

Allo stesso tempo va sottolineato che la sola misura della resistenza di isolamento non è sufficiente per rilevare tutti i guasti tra spire. Questo è un errore interpretativo frequente negli stabilimenti industriali.

Nella pratica di officina si incontrano misure eseguite a 500 V DC, ma il livello della tensione di prova deve essere scelto in base al tipo e alla classe dell’oggetto testato. Il valore limite non può essere letto senza contesto. Sono importanti anche temperatura, umidità, grado di contaminazione,
tipo di isolamento e storico di lavoro del dispositivo.

Che cos’è l’indice di polarizzazione PI e quando è importante?

L’indice di polarizzazione PI è il quoziente di due valori di resistenza di isolamento misurati nel tempo con tensione DC costante:

PI = R_{10 min} / R_{1 min}

PI è una grandezza adimensionale. Non si esprime in ohm né in volt. È un indicatore importante per valutare:

• umidità,
• contaminazione,
• processi di invecchiamento dell’isolamento,
• tendenze di peggioramento dello stato della macchina nel tempo.

Il PI è particolarmente utile quando vengono confrontati i risultati storici dello stesso dispositivo.
Nella diagnostica industriale il trend è spesso più importante di una singola lettura.

Bisogna tuttavia ricordare i limiti. Se l’oggetto non è stato scaricato correttamente
dopo un test precedente, il risultato PI può essere falsato. Per questo il valore PI deve essere parte della procedura, e non un singolo argomento per autorizzare la macchina al funzionamento.

Quando eseguire una prova ad alta tensione AC o DC?

La prova ad alta tensione AC o DC serve a verificare se il sistema di isolamento sopporta una tensione superiore a quella di esercizio senza scarica. In questa prova si valuta non solo la resistenza, ma anche il comportamento dell’isolamento.

Durante il test si analizzano soprattutto:

• tensione di prova,
• corrente di dispersione,
• durata della prova,
• stabilità della risposta dell’oggetto testato.

Questo tipo di prova ha senso quando è necessario valutare la reale rigidità elettrica dell’isolamento, ma richiede molta cautela. Dopo le prove ad alta tensione esiste il rischio che l’oggetto rimanga carico, quindi la sua scarica è un elemento obbligatorio della procedura di sicurezza.

Nella diagnostica va considerato anche il carattere capacitivo dell’oggetto testato. Per la reattanza capacitiva vale la relazione:

X_C = 1 / 2πfC

E l’energia accumulata nella capacità dopo la prova può essere descritta dalla formula:

Q = 1/2 CU²

Questo è importante non solo dal punto di vista metrologico, ma soprattutto per la sicurezza del personale di assistenza.

Come il Surge Test rileva i cortocircuiti tra spire?

Il Surge Test è una delle prove più importanti nella diagnostica degli avvolgimenti quando si sospettano difetti dell’isolamento interno, cioè cortocircuiti tra spire. A differenza del classico IR, questo test
non si concentra sull’isolamento verso massa, ma sul comportamento dell’avvolgimento stesso sotto eccitazione impulsiva.

Il metodo si basa sulla risposta di un circuito risonante LC, che può essere descritta con l’approssimazione:

f ≈ 1 / 2π√LC

La variazione del numero di spire attive, della capacità parassita o la comparsa di un cortocircuito parziale influisce sulla forma della risposta di tensione smorzata. Durante l’assistenza si analizzano la conformità delle forme d’onda, le differenze di picco e lo scostamento percentuale tra le fasi.

Proprio questo test è spesso fondamentale quando la macchina:

• supera la misura IR,
• non mostra una scarica evidente verso massa,
• e tuttavia segnala errori, si surriscalda eccessivamente o lavora in modo asimmetrico.

È importante anche scegliere correttamente la tensione di prova. Nel caso di avvolgimenti attivi occorre essere prudenti e non aumentare la tensione in modo aggressivo se compare già una chiara distorsione della risposta. In caso contrario si può aggravare il danno esistente.

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In che modo temperatura, umidità e contaminazione influenzano i risultati?

Questo è uno degli aspetti più spesso trascurati. Sia la resistenza degli avvolgimenti sia la resistenza di isolamento
sono fortemente dipendenti dalla temperatura. Per l’IR si applica la correzione alla temperatura di riferimento:

R_c = K_t · R_t

Nella pratica industriale si assume che l’aumento della temperatura di solito riduca la resistenza di isolamento. Inoltre, il risultato è influenzato da:

• umidità negli avvolgimenti,
• contaminazioni da olio e polvere,
• tempo di fermo,
• modalità di stoccaggio,
• condensa del vapore acqueo,
• grado di invecchiamento dei materiali isolanti.

Questo significa che una corretta diagnostica delle macchine industriali non può basarsi esclusivamente su un numero
letto dallo strumento. È necessario il contesto operativo. La stessa macchina può mostrare risultati diversi al mattino, dopo un fermo, dopo il lavaggio, dopo il trasporto o dopo il funzionamento a temperatura elevata.

Quando le misure dovrebbero concludersi con assistenza, riparazione o modernizzazione?

Quali sintomi indicano che la diagnostica delle macchine industriali è urgente?

La necessità di una diagnostica urgente è indicata soprattutto da:

• allarmi di sovraccarico o errori dell’azionamento,
• funzionamento irregolare della macchina,
• surriscaldamento eccessivo dello statore o del rotore,
• calo di efficienza,
• asimmetria delle correnti di fase,
• funzionamento instabile con alimentazione da inverter.

In molti casi la fonte del problema non è un circuito di potenza danneggiato, ma un disallineamento tra la modalità di lavoro e il carattere dell’applicazione. Per questo una diagnostica affidabile dovrebbe includere sia l’elettronica,
sia la configurazione dell’azionamento e le condizioni di processo.

Cosa rileva la diagnostica di generatori e macchine alimentate da inverter?

La diagnostica dei generatori dovrebbe considerare non solo lo stato classico dell’isolamento e degli avvolgimenti, ma anche il carattere di lavoro del dispositivo, i carichi termici e gli effetti di molti anni di esercizio. Nel caso delle macchine moderne alimentate da convertitori di frequenza si aggiunge un ulteriore problema: impulsi di tensione ripidi e commutazioni rapide possono accelerare l’invecchiamento dell’isolamento, soprattutto nelle prime spire degli avvolgimenti.

Questo significa che, per macchine che lavorano con inverter, servoazionamenti, convertitori
e sistemi di elettronica di potenza, conviene estendere l’ambito diagnostico con metodi più avanzati di valutazione dell’isolamento. È particolarmente importante dove il dispositivo lavora in modo ciclico, dinamico
oppure in un ambiente con elevata polverosità, umidità o oscillazioni di temperatura.

Per il reparto manutenzione questo significa una regola semplice: quanto più l’oggetto è caricato impulsivamente
e dinamicamente, tanto meno ha senso limitare la diagnostica al solo IR di base.

Quando basta una misura in loco e quando serve una diagnostica in officina?

Le misure in loco hanno senso quando occorre valutare rapidamente lo stato del dispositivo senza smontaggio completo
e prendere una decisione operativa. È una buona soluzione per:

• ispezioni preventive,
• avviamenti dopo un fermo,
• valutazione della macchina dopo allagamento o trasporto,
• diagnostica preliminare del guasto.

La diagnostica in officina è invece giustificata quando:

• i risultati sono ambigui,
• serve una prova ad alta tensione in condizioni controllate,
• è necessario un test Surge,
• si sospetta un danno tra spire,
• la macchina deve essere indirizzata alla riparazione o alla rigenerazione,
• occorre eseguire una valutazione completa prima dell’acquisto, del riacquisto o della modernizzazione.

Questo è importante anche dal punto di vista economico. Una diagnostica ben pianificata riduce il tempo decisionale e consente di evitare situazioni in cui lo stabilimento ordina una costosa sostituzione dell’intero dispositivo, anche se in realtà basterebbero assistenza o rigenerazione.

Come ridurre il costo del fermo e il rischio di un guasto ripetuto?

I migliori risultati si ottengono combinando tre attività:

• esecuzione regolare di misure elettriche delle macchine,
• diagnostica dopo ogni evento anomalo,
• collegamento dei risultati a una decisione di assistenza.

Se nel tuo stabilimento sono presenti motori, generatori, servoazionamenti, inverter, alimentatori, controllori PLC, moduli I/O, pannelli HMI o altri elementi di elettronica industriale che lavorano su una stessa linea, il guasto di un singolo anello molto spesso si trasferisce ai successivi. Per questo le misure non dovrebbero concludersi con l’affermazione “va bene” oppure “non va bene”. Dovrebbero rispondere alla domanda: quale azione ora conviene di più
allo stabilimento?

Proprio qui emerge il valore reale del servizio. La diagnostica professionale delle macchine industriali
e la diagnostica dei generatori consentono non solo di rilevare il problema, ma anche di pianificare il passo successivo: assistenza, riparazione, rigenerazione, modernizzazione e, se necessario, anche sostituzione o riacquisto del dispositivo danneggiato.

Se osservi sintomi preoccupanti nel funzionamento della macchina, un calo di affidabilità o un peggioramento dei risultati delle misure, non conviene aspettare il guasto completo. In molti casi una diagnostica rapida
e un servizio correttamente selezionato permettono di ridurre significativamente il fermo, limitare i costi
e garantire la continuità della produzione.

Devi valutare lo stato di un motore, di un generatore o di un’altra macchina rotante? Conviene iniziare da misure elettriche correttamente pianificate, per poi passare alle azioni che riporteranno il dispositivo
al funzionamento: diagnostica, assistenza, riparazione, rigenerazione o modernizzazione.

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Bibliografia:

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