1. Introduzione
I guasti prematuri dei cuscinetti nei motori industriali alimentati da convertitori di frequenza (VCR) stanno diventando un problema critico nei moderni sistemi di produzione. I sintomi si manifestano spesso come aumento dei livelli di rumore, surriscaldamento del gruppo cuscinetto ed eventualmente distruzione catastrofica delle piste di rotolamento in uno schema caratteristico noto come "erosione elettrica" (EDM). Questo rapporto analizza questo processo, concentrandosi sull'interazione del sistema, inclusi componenti come Telemecanique LD1LB030FC.
2. Panoramica del componente
Telemecanique LD1LB030FC funziona come un elemento critico nel circuito di controllo del motore. Nel contesto di un inverter, fornisce isolamento e protezione, ma non è progettato per filtrare i transitori ad alta frequenza che si verificano durante la commutazione dei transistor IGBT in un inverter. Un motore controllato da inverter funziona con un'elevata velocità di variazione della tensione (dV/dt), che crea un accoppiamento capacitivo tra l'avvolgimento dello statore e il rotore. Ciò provoca una tensione sull'albero del motore rispetto all'alloggiamento.
3. Prova del rifiuto
L'ispezione tecnica mostra chiari segni di danni ai cuscinetti EDM:
- Segni visivi: Scanalature caratteristiche (scanalature) sugli anelli interni ed esterni del cuscinetto, causate da scariche di microarco.
- Dati sulle vibrazioni: l'analisi dello spettro delle vibrazioni mostra picchi energetici elevati alle frequenze corrispondenti alla frequenza di commutazione dell'azionamento, nonché alle frequenze dei difetti dei cuscinetti (BPFO, BPFI).
- Misurazioni della tensione dell'albero: le misurazioni oscillografiche mostrano picchi di tensione dell'albero superiori a 10-15 V, che rappresenta la soglia per la rottura del film d'olio nel cuscinetto.
- Monitoraggio della temperatura: c'è un eccesso stabile della temperatura operativa del cuscinetto di 15-25°C rispetto a motori simili che funzionano direttamente dalla rete.
4. Indagine sulla causa principale
L'uso del diagramma di Ishikawa (diagramma a "lisca di pesce") ha permesso di strutturare i fattori che influenzano:
- Elettriche: frequenza di commutazione IF elevata (oltre 4 kHz), mancata corrispondenza delle caratteristiche del cavo (elevata capacità parassita).
- Meccanico: lubrificazione insufficiente (degrado del lubrificante sotto l'azione delle scintille), messa a terra errata dell'albero.
- Sistema: mancanza di filtraggio ad alta frequenza sull'uscita IF, mancanza di messa a terra dello statore e del rotore secondo lo schema ad alta frequenza (collegamento HF).
5. Cause principali classificate
- Tensione di modo comune: il motivo principale per cui si crea corrente capacitiva attraverso i cuscinetti. Probabilità: 85%. Confermato dalle misurazioni della tensione dell'albero.
- Messa a terra inadeguata: le correnti ad alta frequenza cercano il percorso con minore resistenza, ovvero attraverso i cuscinetti del motore anziché il conduttore di terra. Probabilità: 10%. Confermato dalla mancanza di un adeguato collegamento HF tra l'inverter e il motore.
- Degradazione del lubrificante: un effetto secondario che aumenta il processo di degradazione. Probabilità: 5%. È stato confermato dall'analisi della composizione chimica del lubrificante.
6. Azioni correttive
Per eliminare le cause, è necessario attuare una strategia globale:
- A breve termine: Installazione di anelli di messa a terra dell'albero (Shaft Grounding Rings) sull'albero motore per deviare la corrente senza passare attraverso i cuscinetti.
- A lungo termine: Introduzione di cuscinetti isolati sul lato opposto alla trasmissione (NDE) (anelli in ceramica o isolati) per interrompere il circuito del flusso di corrente.
- Sistematico: utilizzo di cavi motore schermati con un'adeguata messa a terra a 360 gradi su entrambe le estremità (per la messa a terra HF) e installazione di induttanze di modo comune in uscita sull'uscita IF per limitare dV/dt.
7. Lista di controllo diagnostica per un tecnico
| passo | azione | Strumento |
|---|---|---|
| 1 | Ispezione visiva per la presenza di polvere metallica | Torcia elettrica, recensione |
| 2 | Misura della tensione all'albero (picco) | Un oscilloscopio con una sonda isolata |
| 3 | Controllo della resistenza di terra del motore | Milliometro |
| 4 | Analisi del livello di vibrazione alle alte frequenze | Vibroanalizzatore |
| 5 | Controllo dell'integrità dello schermo del cavo | Multimetro |
| 6 | Termografia dei cuscinetti assemblati | Termocamera |
| 7 | Test di isolamento dei cuscinetti (NDE) | Megaohmmetro (con alimentazione spenta) |
| 8 | Valutazione dello stato del lubrificante | Ispezione/analisi visiva |
8. Strategia di prevenzione
Per garantire l’affidabilità del sistema, si consiglia:
- Implementazione di un programma di manutenzione preventiva con misurazione della tensione dell'albero ogni 3000 ore di funzionamento.
- Analisi regolare dello spettro delle vibrazioni (trimestrale) per rilevare i primi segni di elettroerosione.
- Utilizzo di componenti testati per la compatibilità con l'azionamento, selezionabili tramite il Catalogo elettronico UNITEC-D, per sostituire i componenti critici.
9. Conclusione
La lotta alle correnti nei cuscinetti causate da IF richiede un approccio sistematico, dalla messa a terra fisica alla selezione dei cuscinetti corretti. Una strategia efficace combina il monitoraggio delle condizioni, un'adeguata installazione di messa a terra e l'uso di componenti specializzati. Per selezionare cuscinetti e protezioni di ricambio, visitare il Catalogo elettronico UNITEC-D.
10. Collegamenti
- EN 60034-25: Macchine elettriche rotanti. Parte 25. Guida alla progettazione e al funzionamento di motori CA alimentati da inverter.
- ISO 10816-3: Valutazione delle vibrazioni della macchina.
- Manuali del produttore: documentazione tecnica Telemecanique LD1LB030FC.
- Manuale sull'analisi dei guasti dei cuscinetti: guide tecniche SKF/NSK.
