Diagnosi motori elettrici

7/25/2019 Diagnosi motori elettrici

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GUASTI DI ROTORE NEI MOTORIASINCRONI

Lucia FROSINI

Dipartimento di Ingegneria Industriale e dellInformazioneUniversit di Pavia

E-mail: [email protected]

Tipi di rotore

L. Frosini

Le macchine asincrone possono avere i seguentitipi di rotore:

rotore con avvolgimenti: per macchine a rotoreavvolto (fili di rame).

rotore a barre, per macchine a gabbia.Lavvolgimento costituito dalle barre e da dueanelli frontali di corto circuito. Il rotore pu esseredi tipo pressofuso (die-cast) o con le barreinserite nelle cave e saldate agli anelli frontali(fabricated). Nel primo caso le barre sono quasisempre di alluminio (ma possono essere di rame oleghe di rame), nel secondo caso sono quasisempre di rame.

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Tipi di rotore

L. Frosini

Il rotore a gabbia di scoiattolo di una macchina asincrona formato da treparti fondamentali :

1) Nucleo magnetico

2) Barre rotoriche3) Anelli di corto circuito

Rotore a gabbia

Pressofuso Saldato

Rame Alluminio Rame Alluminio

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Confronto rame - alluminio

L. Frosini

Rame

Minore resistivit

Minore coefficiente di dilatazione Conservazione delle caratteristichemeccaniche anche ad alte temperature

Alluminio

Temperatura di fusione minore

Minore peso specifico Minor costo


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Rotore avvolto per macchine asincrone

L. Frosini

Le macchine asincrone con rotore avvoltosono dette anche slip ring perch le tre

fasi dellavvolgimento distribuito di rotoresono cortocircuitate e collegate a tre anelli.

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Rotore a gabbia di tipo pressofuso

L. Frosini

impiegato nelle macchine asincrone dibassa-media potenza (50100 kW) e alimentatigeneralmente in media tensione, il rotore costituito da barre di rame chevengono inserite nelle cave e saldate agli anelli di corto circuito.

900 kW, 6000 V, 8 poli

2800 kW, 6600 V, 2 poli


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Rotore a gabbia con barre assemblate

L. Frosini

Altri esempi di rotore a gabbiafabricated (con barre assemblate):

300 kW, 3300 VRotore a gabbia a barre di rame saldate

per motore da 3 MW, 6 kV, 2 poli 10


L. Frosini

Per questi rotori, il guasto pi probabile dato dalla rottura di una barra o dallafrattura in prossimit della giuntura tra barre e anelli.

900 kW, 6 kV, 8 poli 3100 kW, 11 kV, 2 poli

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L. Frosini

Altri esempi di rotore con barre rotte:

Es.: 2600 kW, 4160 V, 2 poli

Se il guasto diagnosticato prima di arrivare alla rottura completa del motore:Costo di riparazione del motore: 60.000 $ (riparazione) + 30.000 $ (fermo impiantopianificato).Altrimenti: costo di sostituzione del motore: 170.000 $ (motore nuovo) + 200.000 $(fermo impianto non pianificato).

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Rottura di una barra di rotore

L. Frosini

La fase di avviamento un momento critico per la gabbia: lelevatatemperatura, prodotta dalle elevate correnti, provoca dilatazioni nelle barre,favorendo la possibile insorgenza di fratture o distacchi nel punto di contatto

tra barre e anelli (fatica meccanica, cedimento delle saldature).Il conseguente aumento di impedenza del ramo soggetto al guasto comportauna ridistribuzione delle correnti nei conduttori sani, con conseguente squilibriodel flusso magnetico di reazione, che a sua volta provoca uno squilibrio nellecorrenti di statore.

Questo squilibrio ha come conseguenza la formazione di campi rotanti disequenza inversa e armonici ai quali associato un aumento delle correnti suentrambi gli avvolgimenti (notevole sul rotore, molto meno sullo statore), concrescita delle temperature.


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Modello del rotore simmetrico

L. Frosini

La forza elettromotrice indotta nei circuiti di rotore avr frequenza sf, dove s lo scorrimento relativo tra la frequenza elettrica dello statore (di alimentazione)

e la frequenza elettrica del rotore (freccia da f a sf).

Frequenza correnti di statore:

Frequenza correnti di rotore:

f

sf

Il campo rotante prodotto dalle correnti di rotore a frequenza sf interagisce conil campo rotante di statore (freccia da sf a f), dando origine alla coppiaelettromagnetica.

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Modello del rotore simmetrico

L. Frosini

Velocit campo rotante statorico

Velocit campo rotante rotoricorispetto al rotore

Velocit meccanica rotore

f1= f/pp

f2= sf1= sf/pp

fr= (1-s)f1= (1-s)f/pp

Frequenza correnti di statore:

Frequenza correnti di rotore:

f

sf

Lo statore vede un campo dirotore rotante a velocit:

sf1+ (1-s)f1= f1

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Rotore dissimmetrico

L. Frosini

La presenza di una asimmetria nel circuito elettrico di rotore determina uncampo controrotante di rotore con correnti di rotore a frequenza sf.

Lo statore vede un campo controrotante di rotore a frequenza:sf1+ (1s)f1= f1 2sf1= (1-2s)f1

Questo campo controrotante di rotore induce nello statore una forzaelettromotrice, e quindi una componente della corrente di statore Ileft, afrequenza(12s)f: freccia da sf a (12s)f.

La corrente di statore Ileft, indotta dalla dissimmetria di rotore, interagisce con

le correnti di rotore di frequenza sf : freccia da (12s)f a sf.

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Rotore dissimmetrico

L. Frosini

Ci produce anche una coppia alternata al doppio della frequenza discorrimento (2sf)che d origine ad unoscillazione nella velocit di rotazione, econseguentemente ad una riduzione in ampiezza della corrente di statore Ileftalla frequenza (12s)f.

Il fenomeno delloscillazione della velocit di rotazione ha come ulteriore effettola produzione di una seconda armonica nella corrente di statore Iright afrequenza (1+2s)f.

Frequenzacorrenti statore:

Frequenzacorrenti rotore:

f

sf

(12s)f (1+2s)f

2sfArmonica di coppia/velocit:


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Analisi della corrente di statore

L. Frosini

La procedura diagnostica basata sullanalisi delle bande laterali di corrente(12s)f efficace se le correnti tra barre non sono presenti.

La componente a sinistra direttamente correlata ai guasti di rotore, mentre acomponente a destra causata dalleffetto dello speed ripple e la suaampiezza varia con linerzia combinata di rotore-carico. Leffetto dello speedripple influenza anche lampiezza della componente a sinistra.

Di seguito sono riportati i risultati sperimentali relativi a un motore con rotorepressofuso in allumino, 1,5 kW, 220 V, 50 Hz, 4 poli, scorrimento nominale

6%, 28 barre di rotore. Sono disponibili tre rotori: sano, con una barra rotta econ due barre rotte. Le sezioni delle barre e dellanello sono quasi uguali.

A. Bellini C. Concari, G. Franceschini, C. Tassoni, A. Toscani, Vibrations, currents and stray fluxsignals to asses induction motors rotor conditions, IEEE Industrial Electronics, Proc. IECON 2006.

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Spettro della corrente di statore

L. Frosini

Lampiezza delle bande lateralia frequenze (12s)f nello

spettro della corrente distatore dipende:

dal numero di barre rotte(aumenta col numero);

dal carico della macchina(aumenta col carico).

a) a vuotob) a mezzo caricoc) a pieno carico

1 barra rotta 2 barre rotte

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Rottura di barre di rotore

L. Frosini

Purtroppo andamenti oscillanti di coppia possono essere prodotti direttamentedal carico, senza la presenza di asimmetrie o guasti di rotore.

Pertanto, per unanalisi pi approfondita, ma anche pi costosa, pu essereutile prendere in considerazione anche altre grandezze elettromagnetiche emeccaniche, utilizzando sensori di flusso, accelerometri e analisi dellatemperatura.

Queste oscillazioni di coppia produconodelle bande laterali nello spettro dellacorrente di statore, che potrebberocomparire proprio in corrispondenza dellefrequenze analizzate per la rottura di dellebarre di rotore.

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Spettro dellavibrazione radiale

L. Frosini

Anche lampiezza delle bandelaterali a frequenze fr2sf nellospettro della vibrazione radiale

dipende:dal numero di barre rotte

(aumenta col numero);

dal carico della macchina(aumenta col carico).

a) a vuoto

b) a mezzo carico

c) a pieno carico

1 barra rotta 2 barre rotteRosso: sano, Blu: guasto


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Flusso disperso

L. Frosini

Negli stessi esperimenti stata anche rilevata laf.e.m. indotta dal flusso disperso attraverso unsensore costituito da 300 spire avvolte su un

nucleo magnetico a forma di C di sezionerettangolare 25x10 mm2, posizionato sul motore.

Il flusso disperso il flusso magnetico che siirradia fuori dalla carcassa del motore.

indotto dalle correnti di statore e rotore, ma prevalgono le correnti distatore, a causa delleffetto di schermo magnetico dato dallo statore.

Nello specifico, una o due correnti di fase di statore prevalgono, a causa dellaposizione fissa del sensore e della posizione distribuita degli avvolgimenti distatore.

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Flusso disperso

L. Frosini

Quindi ci si aspetta che il flusso dispersoincluda le stesse informazioni ottenute dalle

correnti di statore.Infatti, le bande laterali a frequenze f2sf sonoancora presenti. Come prima, le loro ampiezzedipendono dal carico della macchina.

Si nota che la componente a destra aumentacon lo scorrimento di pi che la componente a

sinistra, perch come indicatore utilizzata laderivata del flusso (f.e.m.) al posto del flusso.

2 barre rotte

a)

c)

b)

a) a vuotob) a mezzo caricoc) a pieno carico

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Flusso disperso

L. Frosini

In conclusione, la corrente di statore e il flusso disperso possono essere usaticon la stessa efficacia al fine di individuare e quantificare i guasti di rotore.

La scelta migliore dipende dalla specifica applicazione e dalla facilit diinstallare sensori di flusso o di corrente nello specifico ambiente industriale.

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Barre inclinate e loro effetti

L. Frosini

Pro

Riduzione rumore durante la marcia

Riduzione di ripple di coppia

Contro

Favoriscono le correnti tra barre


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Prove sperimentali sulle correnti tra barre

L. Frosini

La corrente fluisce attraverso le piastre di rame negli anelli di corto di circuitoe quindi lungo le barre di rotore.

Le barre sono state scoperte in alcuni punti per rendere possibile un buon

contatto con le sonde di tensione.

Lampiezza delle correnti iniettate durante le prove stata: 100 A, 150 A e200 A. In questo modo la densit di corrente in ciascuna barra rimaneabbastanza bassa (al massimo 0,2 A/mm2), quindi il riscaldamento del rotorenon un problema (ogni prova richiede circa un minuto).

MAIN CHARACTERISTICS OF THE ROTORS

Copper resistivity 0.017810-6m Stack length 180 mm

Rotor diameter 93.1 mm Shaft diameter 16 mm

Bar number (Nb) 16 Pole number 2

Bar depth 11 mm Tooth width 2.879 mm

Slot area 52.6928 mm2 Bar area (S) 47.15 mm2

Skew 1.3333 Lam. thickness 0.65 mm

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Prove sperimentali sul rotore sano

L. Frosini

Le cadute di tensione su una barra in ogni sezione del rotore sano sono:

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

V12 V23 V34 V45 V56

SectionVoltageDro

p[mV]

Section

100AInjection

150AInjection

200AInjection

Le leggere variazioni nelle tensioni V12

e V56

sono dovute alle posizioni dellesonde nei punti 1 e 6, che sono posizionati sugli anelli di corto circuito, dovela sezione del rame considerevolmente maggiore rispetto alla sezione dellabarra: quindi la caduta di tensione in questi punti minore a causa dellaminore resistenza degli anelli.

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Prove sperimentali sul rotore sano

L. Frosini

La resistenza di ciascuna sezione della barra pu essere calcolata usando laformula:

Dove le Nb= 16 barre sono considerate nominalmente identiche, cos che lacorrente si possa considerate equamente divisa tra le barre.

I valori sperimentali di resistenza cos calcolati sono mostrati in tabella, dovesi pu notare che i valori ottenuti nelle tre prove sono simili.

Il valore teorico della resistenza di ciascuna barra vicino al valoresperimentale R16:

bN V

RI

100 [A] 150 [A] 200 [A]

R12 [] 7.52 7.04 7.60

R13 [] 20.00 19.63 20.24

R14 [] 32.64 32.85 33.52

R15 [] 45.44 45.33 45.40

R16 [] 55.52 55.47 56.32

8060692852

180001780.

.

..

S

lR

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Prove sperimentali sul rotore con una barra rotta

L. Frosini

Il rotore con una barra rotta ha unabarra forata a un estremo.

Ogni barra di questo rotore divisa in5 sezioni, dove possibile accedere

alla superficie della barra per avereuna buona connessione con la sonda.

stata misurata la caduta di tensionein ogni sezione per tutte le 16 barre dirotore, collegando una prima sonda alpunto 1 e una seconda sonda in ogni

punto fino al 6.


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Prove sperimentali sul rotore con una barra rotta

L. Frosini

In conclusione, sono statiosservati 3 diversi andamenti

nella caduta di tensione per lebarre del rotore guasto:

costante (=),

concavo (+)

convesso (-), simile al rotoresano.

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

V12 V23 V34 V45 V56

Sectionvoltagedrop[mV]

Section

Bar 7 Bar8 Bar9 Bar10 Bar11

Brokenbar1atthisend

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

V12 V23 V34 V45 V56


Section

Bar4 Bar5 Bar6 Bar12 Bar14

Brokenbar1atthisend

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

V12 V23 V34 V45 V56


Section

Bar2 Bar3 Bar13 Bar15 Bar16

Brokenbar1atthisend

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Prove sperimentali sul rotore con tutte le barrerotte

L. Frosini

Infine, il rotore con una barrarotta stato modificato forando

tutte le barre ad estremit alterne.Tutte le curve delle cadute ditensione presentano lo stessoandamento concavo: tutte lebarre hanno aumentato V12e V56.

Questo effetto dovuto allacondizione di guasto, che per fas che il rotore presenti in qualchemodo una condizione simmetricaelettricamente.

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

V12 V23 V34 V45 V56

Section

voltage[mV]

Section

Bar1 Bar2

Bar3 Bar4

Bar5 Bar6

Bar7 Bar8

Bar

9 Bar

10Bar11 Bar12

Bar13 Bar14

Bar15 Bar16

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Prove sperimentali sul rotore con tutte le barrerotte

L. Frosini

In conclusione, per V12e V56si sono manifestati 3 tipi di andamenti:

riduzione della caduta di tensione per il motore sano,

caduta di tensione quasi costante per la barra rotta del rotore con una sola

barra rotta, aumento della caduta di tensione per il rotore con tutte le barre rotte.

0.08

0.12

0.16

0.2

0.24

V12 V23 V34 V45 V56

SectionVoltage[mv]

Section

Healhyrotor(differentrotor)

Onebrokenbar

Allbrokenbars(onebrokenbarrotorwithfurtherbarsbroken)

Nellultimo caso, ciascuna barra rotta solo in una delle estremit, inmodo alternato: questa rotturaprovoca un aumento di tensione

anche nelle estremit non rottedelle barre adiacenti, poich questesezioni saranno percorse dacorrenti pi elevate.

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Prove sperimentali sui rotori

L. Frosini

In conclusione, dai risultati sperimentali evidente che una rottura completain una barra non impedisce alla corrente di fluire lungo questa barra.

La corrente fluisce attraverso percorsi disponibili nel nucleo ferro-magnetico

verso le altre barre.Quindi landamento costante e concavo dipendono dalle correnti tra barre chepassano attraverso il nucleo nelle altre barre.

Nota importante: le prove sperimentali descritte hanno avuto lobiettivo dicomprendere il comportamento delle correnti tra barre nei motori a gabbia,

ma non possono trovare applicazione come prove diagnostiche, in quantodistruttive.

L F i i

L F i i


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Effetto delle correnti tra barre sulla diagnostica

L. Frosini

La procedura diagnostica basata sulla sola analisi delle correnti di statore perindividuare la rottura di barre di rotore pu fallire nel caso in cui siano presenticorrenti tra barre, poich queste riducono il grado di asimmetria del rotore e,di conseguenza, lampiezza delle componenti spettrali considerate.

Daltro canto, la presenza di correnti tra barre ha effetto sulle vibrazioni delrotore: linterazione del flusso radiale con le correnti tra barre, che sisviluppano lungo la circonferenza del rotore, produce una forza (e quindi unavibrazione) in direzione assiale.

Pertanto, lanalisi congiunta delle grandezze precedentemente considerate

(corrente di statore, flusso disperso, vibrazioni radiali) con quella dellavibrazione assiale pu aumentare lefficacia della procedura diagnosticaproposta.

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Effetto delle correnti tra barresulla diagnostica

L. Frosini

C. Concari, G. Franceschini, C. Tassoni, Differential DiagnosisBased on Multivariable Monitoring to Assess Induction Machine

Rotor Conditions,IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 55,Issue 12, 2008.

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Effetto delle correnti tra barre sulla diagnostica

L. Frosini

I grafici riportati nella pagina precedente sono riferiti aun piccolo motore asincrono (1,5 kW, 4 poli) congabbia pressofusa in alluminio: in questo caso lecorrenti tra barre in presenza di una o due barre rottesono trascurabili e la diagnostica di rotore attraversolanalisi della corrente di statore rimane efficace.

Unaltra ricerca ha considerato motori di tagliasuperiore (55 kW, 2 poli, con gabbia in rame e barreinclinate) e ha verificato che la rottura di una barramodifica le vibrazioni assiali a frequenze diverse da

quelle indicate nel grafico precedente.G.H. Muller, C.F. Landy,A novel method to detect broken rotor barsin squirrel cage induction motors when interbar currents are

present, IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 18, Issue 1, 2003.

sano

1 barra rotta

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Influenza di altri guasti sullo spettro dellacorrente di statore

L. Frosini

Leccentricit di rotore provoca la presenza di bande laterali nello spettro dellacorrente di statore alle frequenze:

f fr

dove f la frequenza di alimentazione e fr la frequenza di rotazione delrotore: fr= (1s)f/pp.

Lampiezza di queste bande laterali fortemente dipendente dal grado dieccentricit sia statica che dinamica.

In particolare, leffetto delleccentricit dinamica aumenta passando dalfunzionamento a carico nominale a quello a vuoto.

L Frosini


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Influenza di altri guasti sullo spettro dellavibrazione

L. Frosini

La figura sintetizza le frequenze che vengono sollecitate nello spettro dellevibrazioni della cassa di statore, nei vari casi di malfunzionamento.

Sbilanciamento

meccanico vibrazioni a f

r

Problemi al

giuntovibrazioni a 2f

r

Asimmetrie campo

magnetico rotorico(rottura barre)

vibrazioni a fr2sf

se

multiple

Asimmetrie campo

magnetico statorico

vibrazioni a 2fs

emultiple

Eccentricit

statica

vibrazioni a 2fs

Eccentricit

dinamica vibrazioni a f

r,

(2fsf

r), (2f

s+f

r)

Cuscinetti guasti vibrazioni a

frequenze funzionidella geometria dei

cuscinetti

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