Come misurare la potenza attiva, reattiva e apparente in una macchina? Misura dei parametri di alimentazione di base nella diagnostica delle macchine

La misura della potenza attiva, reattiva e apparente in una macchina industriale viene eseguita misurando simultaneamente tensione, corrente, fattore di potenza, sfasamento, frequenza e, in molti casi, le armoniche di corrente e tensione. Per questo tipo di diagnostica si utilizza un analizzatore della qualità dell’energia o un misuratore di potenza trifase con pinze amperometriche opportunamente selezionate. La sola lettura della corrente non è sufficiente per valutare in modo affidabile l’assorbimento di potenza della macchina, perché non mostra la differenza tra potenza attiva, reattiva e apparente né l’influenza di inverter, alimentatori switching, circuiti di potenza e distorsioni delle forme d’onda.

Nella pratica industriale, la misura dei parametri di alimentazione di base è una delle fasi più importanti della diagnostica delle macchine. Consente di valutare se la macchina lavora in modo coerente con il tipo di processo e se sono presenti sovraccarico, squilibrio delle fasi, fattore di potenza troppo basso, potenza reattiva eccessiva, tensione instabile oppure disturbi derivanti dal funzionamento di dispositivi di elettronica di potenza.

Un’analisi correttamente eseguita dei parametri di alimentazione della macchina aiuta i reparti di manutenzione, produzione e automazione a riconoscere più rapidamente problemi che possono portare a surriscaldamento dei motori, errori degli inverter, funzionamento instabile degli azionamenti, fermi non pianificati e aumento dei costi energetici e di assistenza.

Contatta RGB Elektronika se vuoi eseguire una misura della potenza attiva, reattiva e apparente in una macchina industriale e verificare se l’assorbimento di potenza, il fattore di potenza, lo squilibrio delle fasi e la qualità dell’alimentazione influiscono su guasti, fermi o funzionamento instabile della produzione.

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Misura della potenza in una macchina industriale: cosa bisogna misurare e perché la sola corrente non è sufficiente?

Che cosa sono potenza attiva, reattiva e apparente nella pratica della manutenzione?

Nella diagnostica dell’alimentazione delle macchine industriali si analizzano più spesso tre grandezze fondamentali: potenza attiva P, potenza reattiva Q e potenza apparente S. Ognuna di esse descrive un aspetto diverso del funzionamento del carico elettrico.

• La potenza attiva P è la potenza realmente convertita in lavoro utile, calore, movimento meccanico o energia di processo. È espressa in watt W o kilowatt kW.
• La potenza reattiva Q è legata alla generazione di campi magnetici ed elettrici nei carichi induttivi e capacitivi. È espressa in var o kvar.
• La potenza apparente S descrive il carico totale del sistema di alimentazione derivante dal flusso di tensione e corrente. È espressa in VA o kVA.

In un sistema monofase, con forme d’onda sinusoidali, le relazioni di base sono le seguenti:

• P = U · I · cosφ
• Q = U · I · sinφ
• S = U · I
• S² = P² + Q²

Dove U indica la tensione efficace, I indica la corrente efficace e φ definisce lo sfasamento tra tensione e corrente. Nelle macchine industriali, queste relazioni aiutano a comprendere perché due dispositivi che assorbono una corrente simile possono avere un assorbimento reale di potenza attiva completamente diverso.

Quali parametri di alimentazione bisogna misurare in una macchina?

Per eseguire correttamente la misura della potenza attiva, la misura della potenza reattiva e la misura della potenza apparente, è necessario raccogliere più dati rispetto alla sola corrente assorbita dalla macchina. Nella pratica diagnostica si misurano e si registrano principalmente:

• tensione di fase o concatenata,
• corrente nelle fasi L1, L2 e L3,
• potenza attiva P,
• potenza reattiva Q,
• potenza apparente S,
• fattore di potenza PF,
• fattore di sfasamento cosφ,
• frequenza di alimentazione,
• THD U, cioè la distorsione armonica totale della tensione,
• THD I, cioè la distorsione armonica totale della corrente,
• valori minimi, medi e massimi durante la registrazione.

Nelle macchine trifase, la misura viene eseguita su tutte le fasi. Nei sistemi a cinque conduttori bisogna considerare anche il conduttore neutro, soprattutto quando nell’impianto lavorano alimentatori switching, dispositivi elettronici, sistemi di controllo, pannelli HMI, controllori PLC, moduli I/O e altri carichi non lineari.

Perché PF e cosφ non significano sempre la stessa cosa?

Negli impianti industriali più vecchi o più semplici si analizzava spesso principalmente cosφ, cioè il fattore di sfasamento. Nelle macchine moderne, tuttavia, assume sempre più importanza anche PF, cioè il fattore di potenza totale.

La differenza è particolarmente importante negli impianti in cui lavorano inverter, serv azionamenti, softstarter, convertitori, alimentatori switching e circuiti di elettronica di potenza. Tali dispositivi possono causare distorsioni della corrente. Di conseguenza, il cosφ classico può sembrare corretto, ma il fattore di potenza totale PF sarà più basso, perché tiene conto anche dell’influenza delle armoniche.

Per la diagnostica questo significa una cosa: l’analisi dei parametri di alimentazione della macchina dovrebbe includere sia cosφ sia PF, oltre al THD di corrente e tensione. Solo un confronto di questo tipo consente di valutare se il problema deriva dallo sfasamento, dalla distorsione delle forme d’onda, dal sovraccarico, dalla compensazione della potenza reattiva o dalle caratteristiche di lavoro dell’azionamento.

Come verificare l’assorbimento di potenza di una macchina in un sistema trifase?

In un sistema trifase simmetrico, le formule di base sono le seguenti:

• P = √3 · ULL · IL · cosφ
• Q = √3 · ULL · IL · sinφ
• S = √3 · ULL · IL

Dove ULL indica la tensione concatenata, più spesso circa 400 V AC nella rete a bassa tensione, e IL indica la corrente di linea. Nelle macchine industriali reali, il sistema non è sempre perfettamente simmetrico, perciò una misura professionale dovrebbe includere ogni fase separatamente e i valori totali dell’intero sistema.

Esempio di calcolo della potenza per una macchina alimentata in trifase

Supponiamo che una macchina assorba una corrente di 20 A, lavori con una tensione concatenata di 400 V e che il fattore di potenza cosφ sia pari a 0,82. In questo caso:

• la potenza attiva è di circa 11,36 kW,
• la potenza apparente è di circa 13,86 kVA.

La differenza tra questi valori mostra perché la risposta alla domanda su come verificare l’assorbimento di potenza di una macchina non può limitarsi alla lettura della corrente. Una macchina può generare un carico significativo per l’impianto, il quadro elettrico, le protezioni e il trasformatore, anche se la stessa potenza attiva non sembra molto elevata.

Se la macchina assorbe corrente instabile, genera errori degli azionamenti o provoca sovraccarichi dell’impianto, conviene eseguire una misura completa dei parametri di alimentazione di base. RGB Elektronika esegue misure su macchine industriali e aiuta a valutare se il problema si trova sul lato dell’alimentazione, dell’azionamento, del motore, del circuito di potenza o del carico meccanico.

Come misurare i parametri di alimentazione di base e interpretare i risultati?

Come preparare una macchina alla misura della potenza attiva, reattiva e apparente?

Prima di iniziare le misure, è necessario stabilire quale sistema di alimentazione ha la macchina, quali sono i suoi parametri nominali e quali stati di lavoro devono essere registrati. È importante verificare la documentazione tecnica, la targhetta, i dati del motore, dell’inverter, del serv azionamento, del softstarter o di un altro sistema attuatore.

Per la misura bisogna utilizzare un analizzatore della qualità dell’energia oppure un misuratore di potenza trifase con pinze amperometriche opportunamente selezionate. Il campo delle pinze deve essere adeguato alla corrente di carico prevista. Un campo troppo ampio o scelto in modo errato può peggiorare la precisione della misura, mentre un orientamento errato delle pinze può falsare il risultato della potenza.

Prima della misura bisogna inoltre garantire la sicurezza del lavoro. Le misure nei quadri elettrici, negli armadi di controllo e nei sistemi di alimentazione delle macchine devono essere eseguite da persone con qualifiche adeguate, nel rispetto delle procedure di sicurezza e delle regole per il lavoro su apparecchiature elettriche.

Come si svolge passo dopo passo la misura di una macchina industriale?

La misura professionale di una macchina industriale deve essere eseguita secondo una procedura ordinata. In questo modo i risultati possono poi essere confrontati con la documentazione tecnica, lo storico dei guasti e il carico reale del processo.

• Identificazione della macchina e del sistema di alimentazione – definizione se la misura riguarda un sistema monofase, trifase a tre conduttori o trifase a quattro conduttori.
• Verifica dei dati nominali – lettura di tensione, corrente, potenza, frequenza, tipo di motore, parametri dell’inverter o del serv azionamento.
• Scelta dell’analizzatore e delle pinze amperometriche – adeguamento del campo di misura al carico previsto della macchina.
• Collegamento dei canali di tensione – secondo lo schema del sistema e i requisiti dell’analizzatore.
• Applicazione delle pinze sulle fasi L1, L2 e L3 – con controllo dell’orientamento e dell’assegnazione delle fasi.
• Registrazione dei parametri nel tempo – salvataggio di tensioni, correnti, P, Q, S, PF, cosφ, frequenza e THD.
• Misura in diversi stati di lavoro – marcia a vuoto, lavoro normale, carico massimo, avviamento e frenatura.
• Analisi dei risultati – confronto dei valori minimi, medi e massimi con la targhetta, la documentazione e le condizioni di processo.
• Elaborazione delle conclusioni – indicazione se la macchina funziona correttamente oppure richiede un’ulteriore diagnostica elettrica, meccanica o un’analisi della qualità dell’energia.

In quali stati di lavoro bisogna misurare i parametri di alimentazione?

Una singola lettura dei parametri può essere insufficiente. Nella diagnostica dell’alimentazione delle macchine industriali è particolarmente importante confrontare i risultati in diversi stati di lavoro.

• La marcia a vuoto consente di valutare l’assorbimento energetico di base senza carico di processo.
• Il lavoro normale mostra le condizioni operative tipiche della macchina.
• Il carico massimo consente di verificare se la macchina non supera i parametri ammessi.
• L’avviamento rivela picchi di corrente, cadute di tensione e comportamento dei sistemi di alimentazione.
• La frenatura consente di valutare il funzionamento dell’inverter, della resistenza di frenatura, del circuito DC link o di altri elementi dell’azionamento.

Questo confronto aiuta a distinguere il normale assorbimento di potenza dai sintomi di guasto. Un aumento della potenza attiva può indicare un carico meccanico maggiore, usura dei cuscinetti, grippaggio di elementi di trasmissione, funzionamento errato del riduttore oppure una variazione delle condizioni di processo. A sua volta, un aumento della potenza reattiva e un peggioramento del fattore di potenza possono suggerire un problema di compensazione, un motore sovradimensionato, una modalità di lavoro sfavorevole o disturbi sul lato alimentazione.

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Quali risultati di misura possono indicare un problema con la macchina?

La diagnostica dell’alimentazione delle macchine industriali non consiste solo nel determinare quanta energia assorbe il dispositivo. È fondamentale interpretare le relazioni tra tensione, corrente, potenza attiva, potenza reattiva, potenza apparente, PF, cosφ e armoniche.

Sintomi di problemi sul lato elettrico

Tra i segnali di allarme sul lato elettrico rientrano tra l’altro:

• assorbimento di corrente chiaramente irregolare tra le fasi,
• tensione di alimentazione instabile,
• cadute di tensione durante l’avviamento o sotto carico,
• aumento della potenza apparente con potenza attiva stabile,
• basso fattore di potenza PF,
• peggioramento del cosφ rispetto ai valori tipici per una determinata macchina,
• quota aumentata di armoniche THD U o THD I,
• potenza reattiva eccessiva senza giustificazione di processo,
• errori di inverter, serv azionamenti o alimentatori sotto carico,
• surriscaldamento di cavi, protezioni, contattori o elementi del circuito di potenza.

Nei motori elettrici, il funzionamento prolungato con tensione o frequenza sfavorevole può aumentare il riscaldamento degli avvolgimenti e ridurre la durata dell’isolamento. Nella pratica operativa, secondo un approccio basato sulla IEC 60034-1, il funzionamento in una zona vicina ai parametri nominali è più favorevole alla durata del motore rispetto al funzionamento prolungato con scostamenti maggiori.

Sintomi di problemi sul lato meccanico o di processo

Non ogni risultato di misura anomalo significa un guasto elettrico. In molti casi, l’analisi dell’assorbimento di potenza aiuta a rilevare problemi meccanici o di processo prima che portino all’arresto della produzione.

• Un aumento della potenza attiva può indicare una maggiore resistenza meccanica, cuscinetti usurati, grippaggio di elementi, sovraccarico di un trasportatore, un problema con pompa, ventilatore o riduttore.
• Oscillazioni dell’assorbimento di potenza possono suggerire un processo instabile, alimentazione irregolare del materiale, problemi con l’azionamento o variazione delle condizioni di lavoro della macchina.
• Elevato squilibrio del carico può derivare da problemi nell’impianto, negli avvolgimenti, nei collegamenti, nell’apparecchiatura di alimentazione o dal funzionamento non uniforme dei carichi.
• Un aumento della potenza reattiva può indicare una modalità di funzionamento del motore sfavorevole, un problema di compensazione o un abbinamento errato dell’azionamento all’applicazione.

Per il reparto manutenzione questa informazione è molto importante. Consente di pianificare ulteriori diagnosi prima che il problema provochi un guasto di produzione, danni all’elettronica di controllo, sovraccarico del circuito di potenza o un costoso fermo linea.

Come dovrebbe essere un rapporto di misura della macchina?

Una misura correttamente eseguita dei parametri di alimentazione di base dovrebbe concludersi con un rapporto. Un grafico o una singola lettura dall’analizzatore spesso non è sufficiente per prendere una decisione di assistenza.

Il rapporto di misura di una macchina industriale dovrebbe contenere:

• identificazione della macchina, del sistema di alimentazione e del punto di misura,
• schema di collegamento dell’analizzatore,
• tipo di misuratore o analizzatore della qualità dell’energia utilizzato,
• campo e tipo delle pinze amperometriche utilizzate,
• tempo di registrazione della misura,
• descrizione degli stati di lavoro della macchina durante la misura,
• valori minimi, medi e massimi di tensione, corrente, P, Q, S, PF, cosφ e frequenza,
• informazioni su THD U e THD I, se registrati,
• confronto dei risultati con la targhetta e la documentazione,
• commento diagnostico e raccomandazioni sulle azioni successive.

Solo il confronto dei risultati di misura con la documentazione della macchina, i parametri dell’azionamento, le condizioni di processo e lo storico dei guasti consente di stabilire in modo affidabile se l’assorbimento di potenza è corretto o se è necessaria un’ulteriore diagnostica elettrica, meccanica o un’analisi della qualità dell’energia.

Quando conviene ordinare misure professionali di macchine industriali?

Le misure professionali delle macchine conviene eseguirle non solo dopo un guasto. In molti stabilimenti industriali, l’analisi dei parametri di alimentazione è un elemento di prevenzione, modernizzazione, collaudo tecnico, ottimizzazione del consumo energetico e valutazione dello stato degli azionamenti.

Conviene ordinare una misura soprattutto quando:

• la macchina consuma più energia rispetto al passato,
• si verificano frequenti errori dell’inverter o del serv azionamento,
• il motore si surriscalda eccessivamente,
• compaiono cadute di tensione durante l’avviamento,
• le protezioni intervengono senza una causa evidente,
• è presente squilibrio delle fasi o assorbimento di corrente non uniforme,
• dopo la modernizzazione la macchina lavora in modo instabile,
• esiste il sospetto di un problema con la compensazione della potenza reattiva,
• nell’impianto lavorano molti inverter, alimentatori switching e circuiti di elettronica di potenza,
• bisogna documentare lo stato della macchina prima di una riparazione, modernizzazione o messa in servizio.

RGB Elektronika esegue misure su macchine industriali, analisi dei parametri di alimentazione e diagnostica di sistemi che lavorano in ambiente produttivo. Aiutiamo a valutare se il problema deriva dall’alimentazione, dal sovraccarico, dal circuito di potenza, dal motore, dall’inverter, dal serv azionamento, dall’elettronica di controllo o dal carico meccanico.

Questo approccio facilita la decisione se sia sufficiente una correzione dei parametri, un’ulteriore diagnostica, la riparazione di un componente, la sostituzione di elementi del sistema di alimentazione, il controllo dell’azionamento o un’analisi della qualità dell’energia in ambito più ampio.

Se vuoi verificare l’assorbimento di potenza della macchina, controllare il funzionamento dell’alimentazione o documentare lo stato del dispositivo prima di un guasto, contatta RGB Elektronika. Eseguiremo le misure, analizzeremo i risultati e indicheremo quali parametri possono influire sull’affidabilità di lavoro della macchina.

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Bibliografia:

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