Come verificare le interferenze in una macchina? Analisi delle forme d’onda di corrente, tensione e valutazione della qualità dell’energia elettrica

Le interferenze in una macchina industriale si verificano mediante l’analisi delle forme d’onda di corrente e tensione, la valutazione della qualità dell’energia elettrica, la misura delle armoniche, il controllo della simmetria del carico e la diagnostica della compatibilità elettromagnetica EMC. In pratica significa che non basta misurare la tensione con un multimetro. È necessario verificare come si comporta la macchina durante il funzionamento, l’avviamento, la frenatura, le variazioni di carico e l’interazione con inverter, servodrive, alimentatori, controllori PLC, pannelli HMI, encoder e moduli I/O.

Negli stabilimenti industriali le interferenze si manifestano spesso come guasti apparentemente casuali. Una volta la macchina funziona correttamente, un’altra volta si arresta senza una causa evidente. Il controllore PLC può resettarsi, il pannello HMI può perdere la comunicazione, l’inverter può segnalare errori e i segnali provenienti dall’encoder o dai sensori possono diventare instabili. Proprio per questo le misure su macchine industriali dovrebbero includere non solo la semplice presenza della tensione, ma anche la qualità dell’alimentazione, la forma delle onde, il livello delle interferenze e l’influenza dei singoli dispositivi sull’intera installazione.

Contatta RGB Elektronika e verifica se la causa del guasto della macchina è un’interferenza EMC, la qualità dell’energia elettrica, un errore di installazione o un danneggiamento di un dispositivo di automazione.

Chiama: +48 717 500 983

Come riconoscere le interferenze in una macchina industriale e perché una misura ordinaria spesso non basta?

Quali sintomi indicano interferenze EMC, problemi di alimentazione o di qualità dell’energia?

Le interferenze in una macchina industriale di solito non assomigliano a un guasto classico di un singolo componente. Molto spesso si tratta di problemi periodici, difficili da riprodurre e dipendenti dal carico, dalla sequenza di avvio dei dispositivi, dal funzionamento delle macchine vicine o dallo stato dell’installazione elettrica.

I sintomi tipici delle interferenze includono:

• arresti casuali della macchina senza un errore meccanico evidente,
• reset dei controllori PLC o dei moduli di controllo,
• perdite di comunicazione industriale, ad esempio nelle reti Profinet, Profibus, EtherCAT o Modbus,
• errori di inverter e servodrive che compaiono durante l’avviamento, la frenatura o la variazione del carico,
• indicazioni instabili dei sensori, trasduttori, encoder o sistemi di misura,
• sfarfallio dei pannelli HMI, blocco delle interfacce operatore o perdita di comunicazione con il PLC,
• surriscaldamento eccessivo di trasformatori, motori, alimentatori o cavi,
• intervento delle protezioni senza un evidente sovraccarico meccanico,
• disturbi dei segnali analogici, soprattutto nei percorsi di misura a bassa tensione,
• guasti ricorrenti dell’elettronica di controllo nonostante la sostituzione dei componenti.

Se questi sintomi compaiono in modo irregolare, il problema potrebbe non risiedere nel controllore, nell’inverter, nell’alimentatore o nel pannello HMI stesso. La causa può essere la qualità dell’energia elettrica, un elevato livello di armoniche, interferenze elettromagnetiche, schermatura errata dei cavi, messa a terra non corretta o mancanza di adeguata separazione tra circuiti di potenza e circuiti di segnale.

Perché inverter, servodrive e alimentatori possono influenzare il funzionamento di PLC, HMI ed encoder?

Una macchina industriale moderna è un sistema di dispositivi di potenza, elettronica di controllo e sistemi di comunicazione collegati tra loro. Inverter, servodrive, soft starter, convertitori e alimentatori switching sono indispensabili nell’automazione, ma possono anche generare interferenze condotte e irradiate.

Hanno la massima importanza i dispositivi che funzionano a impulsi o utilizzano la commutazione rapida dei semiconduttori di potenza. Variazioni di corrente e tensione con elevata pendenza possono causare emissione di disturbi, sovratensioni, correnti di dispersione e componenti armoniche aggiuntive. Se l’installazione non è realizzata correttamente, le interferenze possono propagarsi verso cavi di segnale, linee di comunicazione, ingressi PLC, sistemi di misura ed elettronica sensibile ai disturbi.

Un esempio tipico è una situazione in cui un inverter che controlla un motore funziona correttamente, ma i suoi cavi motore sono posati troppo vicino ai cavi dell’encoder, dei sensori o della comunicazione industriale. Il campo elettromagnetico variabile intorno ai cavi di potenza può indurre segnali indesiderati nei circuiti vicini. Il risultato sono errori di lettura, funzionamento instabile dell’azionamento, disturbi nel feedback o stati errati degli ingressi digitali.

Quali errori di installazione causano più spesso interferenze nelle macchine?

La valutazione delle interferenze dovrebbe sempre includere non solo i dispositivi, ma anche il modo in cui è stata realizzata l’installazione. Nella pratica dei reparti di manutenzione, molto spesso si scopre che il problema non deriva dal danneggiamento di un singolo modulo, ma da errori nel percorso dei cavi, nella schermatura, nella messa a terra o nella separazione dei circuiti.

Le cause frequenti di interferenze includono:

• mancanza di continuità dello schermo del cavo tra inverter e motore,
• collegamento dello schermo solo da un lato là dove è richiesta un’altra soluzione conforme alla documentazione del dispositivo,
• posa dei cavi motore insieme ai cavi di segnale,
• cavi troppo lunghi tra inverter e motore senza filtri o induttanze adeguati,
• messa a terra non corretta del quadro di comando, della macchina o degli schermi dei cavi,
• mancanza di equipotenzialità tra le parti dell’installazione,
• anelli di massa nei circuiti di misura e comunicazione,
• mancanza di isolamento galvanico per i segnali di controllo sensibili,
• scelta errata dei filtri EMC, delle induttanze di rete o delle induttanze motore,
• ignorare l’influenza delle macchine vicine sull’installazione di alimentazione comune.

Per questo motivo una diagnostica professionale dovrebbe combinare misure elettriche, analisi delle forme d’onda, valutazione della qualità dell’alimentazione e ispezione dell’installazione. Solo l’insieme di queste informazioni permette di stabilire se la fonte del problema è la macchina stessa, l’alimentazione, il modo di collegamento dei dispositivi o l’emissione di interferenze da parte di un elemento specifico del sistema.

Come eseguire l’analisi delle forme d’onda di corrente, tensione e la valutazione della qualità dell’energia elettrica?

Che cosa misurare durante la diagnostica delle interferenze in una macchina?

Per rispondere alla domanda su come verificare le interferenze in una macchina, bisogna prima determinare quali parametri sono rilevanti per un determinato sistema. Un problema con errori di comunicazione PLC si diagnostica in modo diverso dal surriscaldamento di un motore, e ancora diversamente dall’intervento casuale delle protezioni o dai guasti degli alimentatori switching.

Durante la diagnostica è opportuno verificare soprattutto:

• valori efficaci delle tensioni di fase e concatenate,
• valori efficaci delle correnti nelle singole fasi,
• simmetria delle tensioni e delle correnti,
• forma delle onde di tensione e corrente,
• contenuto armonico e fattore THD,
• buchi, aumenti e brevi interruzioni di tensione,
• sovratensioni e transitori rapidi,
• correnti di dispersione e correnti vaganti,
• interferenze nei percorsi di segnale, misura e comunicazione.

È importante anche confrontare le misure in diversi stati di funzionamento della macchina. Le interferenze possono comparire solo durante l’avviamento dell’azionamento, la frenatura, un carico elevato, il funzionamento simultaneo di più assi, l’attivazione dei riscaldatori, la commutazione dei contattori o il funzionamento di un’altra macchina collegata allo stesso quadro di distribuzione.

In che cosa consiste l’analisi delle forme d’onda di corrente e tensione?

L’analisi delle forme d’onda di corrente e l’analisi delle forme d’onda di tensione consistono nel verificare non solo i valori numerici, ma anche la forma del segnale nel tempo. In un sistema ideale la tensione di rete ha un andamento vicino alla sinusoide. Negli stabilimenti industriali questo andamento è spesso deformato da carichi non lineari, sistemi di elettronica di potenza, inverter, servodrive, alimentatori switching e convertitori.

Nella pratica diagnostica occorre prestare attenzione a:

• deformazione della sinusoide, che può indicare la presenza di armoniche,
• picchi di tensione, che possono danneggiare gli ingressi dei controllori o l’elettronica,
• brevi buchi di tensione, che causano reset di PLC, HMI o alimentatori,
• asimmetria delle correnti di fase, che suggerisce un carico non uniforme o un problema con l’utenza,
• variazioni della forma d’onda durante avviamento e frenatura, soprattutto nei sistemi di azionamento,
• interferenze ad alta frequenza, che non sono visibili durante semplici misure con un multimetro universale.

Proprio per questo una semplice misura della tensione spesso non mostra il problema reale. Un multimetro può indicare un valore efficace corretto e, allo stesso tempo, nell’installazione possono essere presenti sovratensioni, armoniche, impulsi di disturbo rapidi o buchi momentanei di tensione che influenzano il funzionamento dell’automazione.

Che cosa significano THD, THDu e THDi nella valutazione della qualità dell’energia elettrica?

Uno dei parametri chiave nella valutazione della qualità dell’energia elettrica è THD, cioè la distorsione armonica totale. Questo parametro mostra quanto la forma d’onda della tensione o della corrente si discosta dalla sinusoide ideale. Più alto è il livello di THD, maggiore è la quota di armoniche superiori nel segnale esaminato.

Nella diagnostica industriale si distinguono principalmente:

• THDu – distorsione armonica totale della tensione,
• THDi – distorsione armonica totale della corrente.

In termini semplificati, il THD è il rapporto tra il valore efficace delle armoniche superiori e il valore efficace della componente fondamentale. Per la tensione si può scrivere nel modo seguente:

THD = √(U₂² + U₃² + … + U_n²) / U₁

dove U₁ indica la componente fondamentale, mentre U₂, U₃ … U_n indicano le armoniche successive.

Un elevato contenuto di armoniche in uno stabilimento industriale può portare a gravi conseguenze tecniche:

• surriscaldamento di trasformatori, motori e cavi,
• maggiori perdite termiche negli avvolgimenti,
• sovraccarico del conduttore di neutro a causa delle armoniche di terzo ordine e dei loro multipli,
• funzionamento instabile degli alimentatori switching,
• disturbi nei sistemi di misura e controllo,
• usura più rapida dei cuscinetti e degli elementi meccanici a causa delle pulsazioni di coppia,
• maggiore guastabilità dell’elettronica industriale,
• problemi con la selettività delle protezioni.

La valutazione della qualità dell’energia elettrica è particolarmente importante negli stabilimenti in cui lavorano molti inverter, servodrive, raddrizzatori, convertitori, alimentatori switching, robot industriali o sistemi CNC. Tali dispositivi possono essere contemporaneamente fonti di interferenze ed elementi sensibili ai loro effetti.

Chiama: +48 717 500 983

Come verificare la simmetria del carico e l’influenza della macchina sull’emissione di interferenze?

La verifica della simmetria del carico consiste nel confrontare tensioni e correnti nelle singole fasi. Nei sistemi trifase è importante che il carico sia il più possibile uniforme. Una forte asimmetria può causare surriscaldamento dei motori, sovraccarico di una fase, funzionamento instabile degli azionamenti e intervento errato delle protezioni.

Durante le misure occorre verificare:

• se le tensioni concatenate sono simili tra loro,
• se le correnti di fase non differiscono in modo significativo durante il funzionamento stabile della macchina,
• se l’asimmetria aumenta durante l’avviamento o sotto carico,
• se il conduttore di neutro non è sovraccaricato,
• se un dispositivo specifico non provoca il peggioramento dei parametri di alimentazione dopo l’inserzione.

L’analisi dell’influenza dei dispositivi sull’emissione di interferenze dovrebbe essere eseguita in modo comparativo. In pratica significa misurare i parametri prima dell’avvio della macchina, durante il funzionamento a vuoto, sotto carico e nei momenti in cui si presenta il problema. In questo modo è possibile indicare se la fonte delle interferenze è un inverter specifico, un servodrive, un alimentatore, un sistema di riscaldamento, un convertitore, un modulo di potenza o un’altra utenza.

Questo approccio è particolarmente importante quando il problema riguarda l’intera linea di produzione. Una macchina può introdurre interferenze nella rete di alimentazione comune, mentre gli effetti possono essere visibili in un punto completamente diverso, ad esempio in un controllore PLC, un pannello HMI, un sistema di visione o un modulo di comunicazione.

Quali strumenti di misura si utilizzano per la diagnostica delle interferenze?

La valutazione professionale delle interferenze richiede la scelta degli strumenti di misura in funzione del tipo di problema. Strumenti diversi si usano per valutare la qualità dell’energia, altri per rilevare impulsi di disturbo rapidi e altri ancora per localizzare le fonti di emissione elettromagnetica.

Analizzatore della qualità dell’energia

Un analizzatore della qualità dell’energia permette di registrare i parametri di alimentazione nel tempo. È particolarmente utile quando il problema si presenta periodicamente e non può essere catturato durante una breve misura. Il dispositivo può registrare tensioni, correnti, armoniche, THD, buchi di tensione, aumenti di tensione, interruzioni, asimmetria di fase ed eventi transitori.

La registrazione a lungo termine permette di collegare l’interferenza a un momento preciso del funzionamento della macchina, a una variazione del carico, all’avviamento dell’azionamento o all’inserzione di un’altra utenza nello stabilimento.

Oscilloscopio digitale

L’oscilloscopio digitale è indispensabile per osservare forme d’onda a variazione rapida, impulsi, picchi di tensione e stati transitori. Permette di vedere fenomeni che un normale misuratore non mostra. È particolarmente utile nella diagnostica degli ingressi PLC, dei segnali encoder, dei percorsi analogici, dell’alimentazione dell’elettronica e delle interferenze rapide nei circuiti di controllo.

Analizzatore di spettro

L’analizzatore di spettro permette di determinare quali frequenze dominano nelle interferenze. È importante, perché spesso la fonte del problema può essere collegata alla frequenza caratteristica di funzionamento di un determinato dispositivo, ad esempio alla frequenza di commutazione di un inverter o di un convertitore.

Grazie all’analisi dello spettro è più facile stabilire se le interferenze provengono dal sistema di azionamento, dall’alimentatore switching, dal cavo motore, dal modulo di potenza o da un’altra fonte nell’installazione.

Misuratori di campo elettromagnetico

I misuratori di campo elettromagnetico consentono di localizzare aree con un livello di emissione elevato. Sono utili nella valutazione della disposizione di cavi, quadri di comando, azionamenti, sistemi di potenza e apparecchiature di misura sensibili. Permettono di verificare se il problema può derivare dall’irradiazione di interferenze verso circuiti vicini.

Come ridurre le interferenze dopo l’esecuzione delle misure?

Una riduzione efficace delle interferenze dovrebbe derivare dalle misure, non dalla sostituzione casuale dei componenti. Se l’analisi delle forme d’onda di corrente, tensione e qualità dell’energia mostra la fonte del problema, è possibile scegliere le azioni di assistenza o modernizzazione corrette.

Le soluzioni più comunemente utilizzate includono:

• induttanze di rete, che limitano la pendenza di salita della corrente e riducono l’influenza dei carichi non lineari sulla rete,
• induttanze motore, utilizzate tra inverter e motore per limitare fenomeni sfavorevoli sui cavi motore,
• filtri EMC, che riducono le interferenze condotte,
• filtri attivi e passivi, che aiutano a ridurre le armoniche e migliorare i parametri di alimentazione,
• miglioramento della schermatura dei cavi, soprattutto nei sistemi di azionamento e misura,
• corretta messa a terra ed equipotenzialità degli elementi della macchina e dei quadri di comando,
• isolamento galvanico dei circuiti di controllo, dei segnali analogici o della comunicazione,
• modifica del percorso dei cavi separando le tratte di potenza da quelle di segnale,
• verifica dello stato degli alimentatori, dei convertitori e dei moduli di potenza,
• controllo dello stato di cavi, morsetti, schermi e collegamenti di protezione.

In molti casi l’effetto migliore non deriva da un’unica modifica, ma dalla combinazione di più interventi: miglioramento della schermatura, scelta dei filtri, organizzazione dei percorsi dei cavi, controllo della messa a terra e conferma dei risultati con nuove misure. Questo approccio riduce il rischio che il problema si ripresenti dopo alcuni giorni o settimane di funzionamento della macchina.

Quando affidare misure professionali su macchine industriali?

Conviene affidare misure professionali su macchine industriali quando il guasto è ripetibile, il costo del fermo è elevato oppure la precedente sostituzione dei componenti non ha risolto il problema. In molti stabilimenti l’aspetto più costoso non è il dispositivo danneggiato in sé, ma il tempo di produzione perso, il lavoro della manutenzione, i ritardi nell’evasione degli ordini e il rischio di ulteriori arresti della linea.

È particolarmente utile eseguire la diagnostica quando:

• la macchina si arresta casualmente e non esiste una causa evidente unica,
• i controllori PLC, i pannelli HMI o i moduli di comunicazione segnalano errori di comunicazione,
• inverter o servodrive passano spesso in stato di errore,
• dopo la sostituzione del dispositivo il problema continua a presentarsi,
• si verifica il surriscaldamento di motori, trasformatori, alimentatori o cavi,
• compaiono disturbi nei segnali provenienti da encoder, sensori o sistemi di misura,
• l’avvio di una macchina influenza il funzionamento di altri dispositivi nello stabilimento,
• è pianificata la modernizzazione della linea, l’aggiunta di inverter, servodrive o sistemi di potenza,
• è necessario verificare la qualità dell’energia elettrica prima di continuare l’esercizio o ampliare l’installazione.

In RGB Elektronika eseguiamo la diagnostica di dispositivi e sistemi di automazione industriale, e l’analisi delle interferenze insieme alla valutazione della qualità dell’energia possono aiutare a stabilire se la fonte del problema è l’alimentazione, l’installazione, un dispositivo di potenza, l’elettronica di controllo o il modo in cui gli elementi sono collegati nella macchina.

Se la macchina funziona in modo instabile e gli errori compaiono casualmente, vale la pena eseguire le misure prima che si verifichi un altro fermo. L’analisi professionale delle forme d’onda di corrente, tensione e qualità dell’energia elettrica consente di ridurre il rischio di sostituire inutilmente componenti funzionanti e di individuare più rapidamente la reale causa del problema.

Contatta RGB Elektronika se hai bisogno di supporto nella diagnostica delle interferenze, nella valutazione della qualità dell’alimentazione o nelle misure su macchine industriali.

Chiama: +48 717 500 983