Come eseguire prove a impulso su un motore? Prove con tensione impulsiva fino a 3 kV e analisi della continuità degli avvolgimenti

Le prove a impulso su un motore si eseguono applicando agli avvolgimenti un impulso di tensione controllato, di solito confrontando le forme d’onda di risposta delle singole fasi del motore. Nella diagnostica industriale, le prove con tensione impulsiva fino a 3 kV consentono di rilevare l’indebolimento dell’isolamento tra le spire, cortocircuiti tra le spire, differenze nell’induttanza delle bobine e anomalie che non sempre vengono evidenziate da una normale misura della resistenza degli avvolgimenti o della resistenza di isolamento. Questo è particolarmente importante nei motori che lavorano con inverter, dove gli avvolgimenti sono esposti a impulsi di tensione, fronti PWM ripidi e sovratensioni.

In pratica, il test a impulso Surge è uno dei metodi più utili per valutare lo stato interno di un motore elettrico. Non si limita a indicare se l’avvolgimento ha continuità. Permette di verificare se le singole bobine si comportano elettricamente in modo simile e se l’isolamento tra le spire non sta iniziando a perdere le proprie caratteristiche sotto l’effetto della tensione.

Per i reparti di manutenzione, produzione e assistenza, una misura di questo tipo ha un’importanza non solo tecnica, ma anche economica. Il rilevamento precoce di un problema all’avvolgimento può prevenire un guasto del motore durante il funzionamento della macchina, il fermo di una linea di produzione, il danneggiamento dell’inverter, il sovraccarico dei circuiti di potenza o la costosa sostituzione dell’intero azionamento.

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In cosa consistono le prove a impulso su un motore e cosa permettono di rilevare?

Che cos’è un test a impulso Surge di un motore elettrico?

Il test a impulso Surge è una prova degli avvolgimenti di un motore elettrico che consiste nel generare un breve impulso di tensione e analizzare la risposta del circuito dell’avvolgimento. In termini semplificati, il tester carica un condensatore e poi lo scarica rapidamente attraverso l’avvolgimento del motore. Si genera così una forma d’onda oscillatoria smorzata, la cui forma dipende dai parametri del circuito testato.

La forma d’onda di risposta è influenzata, tra l’altro, da:

• induttanza dell’avvolgimento,
• capacità parassita degli avvolgimenti,
• impedenza degli avvolgimenti,
• stato dell’isolamento tra le spire,
• simmetria elettrica tra le fasi,
• presenza di cortocircuiti tra spire o punti di isolamento indeboliti.

In un motore efficiente, le forme d’onda delle singole fasi dovrebbero essere molto simili tra loro. Se una fase presenta una forma diversa, una frequenza diversa, uno smorzamento diverso o uno sfasamento rispetto alle altre, ciò può indicare un problema all’avvolgimento, all’isolamento o una variazione locale dei parametri elettrici della bobina.

Quali guasti rilevano le prove con tensione impulsiva fino a 3 kV?

Le prove con tensione impulsiva fino a 3 kV vengono utilizzate per valutare lo stato dell’isolamento tra le spire e per rilevare danni che possono manifestarsi solo a un determinato livello di tensione di prova. È importante perché alcuni difetti non sono visibili durante una misura a bassa tensione della resistenza degli avvolgimenti.

Le prove a impulso possono aiutare a rilevare, tra l’altro:

• cortocircuiti tra spire in una delle bobine,
• cortocircuiti dipendenti dal livello di tensione, che compaiono solo durante la prova a impulso,
• indebolimento dell’isolamento tra le spire,
• asimmetria dei parametri degli avvolgimenti tra le fasi,
• differenze di induttanza dovute al danneggiamento di una parte delle spire,
• variazioni dell’impedenza dell’avvolgimento,
• anomalie dopo il surriscaldamento del motore,
• effetti di sovraccarichi, sovratensioni e lavoro in condizioni industriali difficili.

Vale la pena sottolineare che un cortocircuito tra spire non significa sempre l’arresto immediato e completo del motore. Nella fase iniziale il motore può continuare a funzionare, ma assorbire una corrente asimmetrica, surriscaldarsi eccessivamente, generare vibrazioni maggiori, sovraccaricare l’inverter o causare un funzionamento instabile della macchina.

Perché le prove a impulso sono importanti nei motori che lavorano con inverter?

I motori alimentati da inverter sono particolarmente esposti alle sollecitazioni dell’isolamento degli avvolgimenti. Ciò deriva dal modo in cui il convertitore di frequenza genera la tensione di uscita. L’inverter controlla il motore tramite modulazione PWM, quindi la tensione ai morsetti del motore non è una sinusoide ideale. Sono presenti commutazioni rapide, fronti di tensione ripidi e impulsi che possono provocare sollecitazioni elettriche locali nell’isolamento.

Nella pratica industriale, il rischio aumenta soprattutto quando:

• il motore lavora con un inverter per lungo tempo,
• vengono utilizzati cavi lunghi tra inverter e motore,
• il sistema non dispone di filtri di uscita adeguatamente selezionati,
• il motore è stato precedentemente surriscaldato o sovraccaricato,
• l’isolamento degli avvolgimenti è già indebolito da età, umidità, contaminazione o vibrazioni,
• nell’applicazione si verificano avviamenti, frenature e variazioni di carico frequenti.

Gli impulsi di tensione rapidi possono provocare sovratensioni i cui valori locali superano le condizioni operative tipiche del motore. Se l’isolamento tra le spire è indebolito, un impulso di questo tipo può accelerarne la degradazione e portare a un cortocircuito tra le singole spire della bobina.

Proprio per questo come eseguire prove a impulso su un motore è una domanda particolarmente importante negli stabilimenti in cui gli azionamenti lavorano con inverter, servoazionamenti, soft starter, convertitori o sistemi di automazione complessi. La prova a impulso permette di riprodurre meglio le condizioni in cui gli avvolgimenti sono esposti a impulsi di tensione, e non solo a una tensione di misura statica.

In cosa differisce il test a impulso dalla misura della resistenza di isolamento e dal test HiPot?

Nella diagnostica di un motore elettrico vengono spesso eseguite diverse misure. Ognuna risponde a una domanda diversa e non dovrebbe essere considerata un sostituto completo delle altre.

Misura della resistenza di isolamento

La misura della resistenza di isolamento consente di valutare lo stato dell’isolamento verso massa. È utile per rilevare umidità, contaminazioni, degradazione dell’isolamento principale o problemi tra avvolgimento e carcassa del motore. Tuttavia, non sempre rileva l’inizio di un cortocircuito tra spire all’interno della stessa bobina.

Test HiPot

Il test DC HiPot consiste nell’applicare un’alta tensione e valutare la qualità dell’isolamento tra il circuito e la massa, tra l’altro osservando la corrente di dispersione. Questa prova è utile, ma si concentra su un’area diversa rispetto al test Surge. A seconda della procedura e del livello di tensione, può essere più gravosa per l’isolamento rispetto alle prove non distruttive standard.

Test a impulso Surge

Il test a impulso si concentra sull’isolamento tra le spire e sul comportamento dell’avvolgimento come circuito RLC. Confronta la risposta delle singole fasi a un impulso di tensione. Grazie a questo può evidenziare differenze di induttanza, capacità e impedenza degli avvolgimenti, caratteristiche dei danni interni alla bobina.

Per questo una misura completa di un motore elettrico dovrebbe includere non un singolo risultato, ma un insieme di prove che permettano di valutare avvolgimenti, isolamento, continuità, simmetria e comportamento del motore in condizioni simili al funzionamento industriale.

Com’è in pratica la misura di un motore elettrico con il metodo a impulso?

Come preparare il motore al test a impulso?

Prima di eseguire il test a impulso, il motore deve essere preparato correttamente. Questo è importante sia per la sicurezza della misura sia per l’affidabilità del risultato. La prova deve essere eseguita da persone con esperienza nella diagnostica di dispositivi elettrici e con accesso ad adeguate apparecchiature di misura.

In una procedura tipica è necessario:

• Scollegare il motore dall’alimentazione e mettere in sicurezza l’impianto contro l’inserzione accidentale.
• Scollegare il motore dall’inverter, dai contattori, dal soft starter o dal sistema di controllo, se richiesto dalla procedura diagnostica.
• Verificare i collegamenti degli avvolgimenti, i morsetti U, V, W e la configurazione a stella o a triangolo.
• Controllare la continuità di base degli avvolgimenti, per escludere un’interruzione del circuito.
• Valutare lo stato visivo del motore, della morsettiera, dei cavi, degli isolatori e dei morsetti.
• Eseguire misure preliminari, come resistenza degli avvolgimenti, resistenza di isolamento o misura verso massa, se richieste.
• Selezionare la tensione di prova in base al tipo di motore, alla sua tensione nominale, allo stato tecnico e allo scopo della prova.

Nel caso di prove fino a 3 kV, è molto importante non trattare la tensione di prova come un valore scelto casualmente. Un motore nuovo viene testato in modo diverso da un motore dopo il riavvolgimento, da un motore dopo un guasto o da un azionamento che lavora da molti anni in un ambiente con temperatura elevata, polvere o umidità.

Come si svolge una prova con tensione impulsiva fino a 3 kV?

Durante la prova, lo strumento di misura genera un impulso di tensione che viene applicato all’avvolgimento testato. L’energia accumulata nel condensatore viene trasferita rapidamente al circuito della bobina. Nell’avvolgimento compare una corrente e l’energia inizia a passare ciclicamente tra il campo elettrico del condensatore e il campo magnetico della bobina.

In un circuito reale non esistono condizioni ideali. Si verificano perdite di energia sulla resistenza, sulle capacità parassite, sull’isolamento e sugli elementi del sistema. Per questo la forma d’onda ottenuta è smorzata. Proprio il modo di smorzamento, la forma del segnale e le differenze tra le fasi sono fondamentali per interpretare il risultato.

Nella diagnostica pratica si esegue più spesso il confronto delle risposte per le fasi:

• U rispetto agli altri avvolgimenti,
• V rispetto agli altri avvolgimenti,
• W rispetto agli altri avvolgimenti.

Se il motore è simmetrico e gli avvolgimenti sono in condizioni simili, le forme d’onda dovrebbero essere vicine tra loro. Se una fase si discosta dalle altre, ciò può suggerire un danno o una variazione dei parametri elettrici dell’avvolgimento.

Come analizzare le forme d’onda degli avvolgimenti e confrontare le fasi?

L’elemento più importante del test a impulso non è la semplice applicazione della tensione, ma l’interpretazione della risposta dell’avvolgimento. Il tecnico analizza la forma del segnale, la sua ampiezza, frequenza, smorzamento e ripetibilità della misura ai successivi livelli di tensione di prova.

In un risultato corretto:

• le forme d’onda delle fasi sono simili,
• la frequenza di oscillazione è simile,
• lo smorzamento non mostra scostamenti evidenti per una fase,
• con l’aumento della tensione non compaiono variazioni improvvise della forma d’onda,
• le differenze tra le fasi rientrano nell’intervallo accettabile per il motore e la procedura specifici.

Possono invece essere preoccupanti:

• una variazione improvvisa della forma d’onda a una tensione di prova più elevata,
• uno spostamento evidente di una fase rispetto alle altre,
• uno smorzamento diverso del segnale in una fase,
• una variazione della frequenza di oscillazione,
• mancanza di ripetibilità della misura,
• un improvviso cedimento della caratteristica che indica una perforazione o un cortocircuito dipendente dalla tensione.

Nelle misure di tipo peak to peak si presume che, con la variazione della tensione di prova, cambi principalmente l’ampiezza della risposta, mentre la forma e la frequenza del segnale dovrebbero rimanere stabili. Se all’aumentare della tensione compare una deformazione della forma d’onda, ciò può significare che l’isolamento inizia a perdere le proprie caratteristiche solo a un determinato livello di sollecitazione elettrica.

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Quale ruolo svolgono la misura dell’induttanza, della capacità e dell’impedenza degli avvolgimenti nel motore?

La misura dell’induttanza del motore, la misura della capacità e dell’impedenza degli avvolgimenti nel motore e l’analisi della continuità degli avvolgimenti nel motore creano un quadro diagnostico più ampio. Le prove a impulso sono molto utili, ma la loro interpretazione è più solida quando può essere confrontata con misure elettriche aggiuntive.

Misura dell’induttanza del motore

L’induttanza dell’avvolgimento è legata al numero di spire, alla geometria della bobina, allo stato del nucleo e all’integrità del circuito. Un cortocircuito di una parte delle spire può modificare l’induttanza di una determinata fase, perciò il confronto dell’induttanza tra le fasi aiuta a rilevare asimmetrie e anomalie non visibili con una semplice misura di continuità.

Misura della capacità e dell’impedenza degli avvolgimenti nel motore

La capacità e l’impedenza degli avvolgimenti forniscono informazioni sul comportamento del motore con segnali alternati e impulsivi. Nelle applicazioni con inverter ha un’importanza particolare, perché gli avvolgimenti non sono sollecitati solo da una tensione sinusoidale a variazione lenta, ma anche da impulsi rapidi derivanti dal funzionamento dello stadio di potenza del convertitore di frequenza.

Analisi della continuità degli avvolgimenti nel motore

L’analisi della continuità degli avvolgimenti nel motore consente di confermare che il circuito non sia interrotto. È una fase di base della diagnostica, ma non è sufficiente per una valutazione completa dello stato del motore. L’avvolgimento può avere continuità e allo stesso tempo presentare un cortocircuito locale tra spire o un isolamento indebolito, che si manifesta solo in condizioni di tensione elevata.

Per questo, nella diagnostica professionale, i risultati devono essere interpretati congiuntamente. Solo il confronto di continuità, resistenza, isolamento, induttanza, impedenza e forme d’onda Surge permette di valutare meglio se il motore può tornare a lavorare in sicurezza.

Quando vale la pena commissionare prove su un motore elettrico?

Le prove su un motore elettrico sono consigliabili ogni volta che un guasto dell’azionamento può causare un fermo produzione, il danneggiamento della macchina o costi di assistenza elevati. Sono particolarmente raccomandate per motori che lavorano in applicazioni critiche, con inverter, in ambienti con elevata presenza di polvere, umidità, temperatura o con un alto numero di cicli di avviamento e frenatura.

Vale la pena considerare la diagnostica quando si presentano sintomi come:

• frequenti interventi delle protezioni dell’inverter,
• errori di sovraccarico o cortocircuito nel convertitore di frequenza,
• surriscaldamento eccessivo del motore,
• funzionamento irregolare dell’azionamento,
• calo di coppia o problemi di avviamento,
• vibrazioni, rumore o pulsazioni insolite,
• correnti di fase asimmetriche,
• guasti ricorrenti dei circuiti di potenza,
• sospetto di danno dopo sovratensione, allagamento o surriscaldamento,
• necessità di valutare il motore prima del riavvio della macchina.

Le prove a impulso sono utili anche dopo riparazione, riavvolgimento, lungo stoccaggio o smontaggio del motore dalla macchina. Consentono di ridurre il rischio di rimontare un dispositivo che presenta già un indebolimento nascosto dell’isolamento.

Quali conseguenze può avere l’omissione della diagnostica a impulso?

La mancanza di diagnostica degli avvolgimenti può portare a una situazione in cui il motore torna in servizio nonostante un danno progressivo dell’isolamento tra le spire. All’inizio i sintomi possono essere lievi, ma in condizioni industriali il problema spesso aumenta sotto l’effetto di temperatura, carico, impulsi di tensione, vibrazioni e umidità.

Le possibili conseguenze includono:

• arresto improvviso della macchina,
• danneggiamento del motore durante la produzione,
• sovraccarico dell’inverter o del servoazionamento,
• danneggiamento dei moduli di potenza,
• errori segnalati dal PLC o dal pannello HMI come guasto dell’azionamento,
• problemi di qualità del processo tecnologico,
• costi di riparazione più elevati rispetto a una diagnostica eseguita in anticipo,
• fermo non pianificato della linea di produzione,
• rischio di danni secondari all’elettronica di controllo e ai sistemi di alimentazione.

Negli stabilimenti produttivi, il costo di un guasto non si limita al prezzo del motore. Spesso il problema maggiore è la produzione persa, il tempo di diagnostica, la disponibilità dei ricambi, il lavoro del servizio tecnico, il riavvio della linea e il rischio di danneggiamento degli elementi di automazione collegati, come inverter, alimentatori, moduli I/O, encoder o sistemi di controllo.

Prove su motori elettrici presso RGB Elektronika

In RGB Elektronika eseguiamo diagnostica e prove su motori elettrici dal punto di vista della manutenzione pratica e dell’assistenza per l’automazione industriale. Analizziamo non solo un singolo risultato di misura, ma l’intero contesto operativo dell’azionamento: condizioni applicative, cooperazione con l’inverter, sintomi del guasto, storico degli errori, stato degli avvolgimenti e possibili conseguenze per la macchina.

Nell’ambito della diagnostica possiamo includere, tra l’altro:

• prove a impulso degli avvolgimenti,
• prove ad alta tensione,
• prove con tensione impulsiva fino a 3 kV,
• analisi della continuità degli avvolgimenti nel motore,
• misura dell’induttanza del motore,
• misura della capacità e dell’impedenza degli avvolgimenti nel motore,
• verifica della simmetria delle fasi,
• valutazione dello stato dell’isolamento,
• diagnostica di motori che lavorano con inverter e servoazionamenti,
• analisi dei sintomi segnalati dalla manutenzione o dagli operatori macchina.

Contatta RGB Elektronika se vuoi verificare lo stato del motore prima del riavvio della macchina, dopo un guasto dell’inverter, dopo un surriscaldamento dell’azionamento o nell’ambito della diagnostica preventiva. Le prove su motori elettrici aiutano a ridurre il rischio di fermi non pianificati e a decidere se il dispositivo è idoneo a continuare a lavorare, richiede riparazione, rigenerazione o una verifica più approfondita.

Una misura professionale di un motore elettrico non dovrebbe concludersi soltanto con l’informazione che l’avvolgimento ha continuità. Nelle applicazioni industriali è importante sapere come il motore si comporta sotto carico elettrico, se le sue fasi sono simmetriche e se l’isolamento tra le spire mostra segni di degradazione. Il test a impulso è uno degli strumenti che permette di eseguire questa valutazione in modo molto più accurato.

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