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Lucia FROSINI
Dipartimento di Ingegneria industriale e dell’informazioneUniversità di Pavia
E-mail: [email protected]
Tecniche innovative per la diagnostica delle macchine elettriche rotanti
Spin Innovation Conference10 Novembre 2020
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Negli ultimi anni, il trend delle tecniche diagnostiche per il monitoraggio delle macchineelettriche rotanti ha mostrato una straordinaria crescita e sviluppo, come possiamoosservare dall’incremento nel numero e nella qualità di articoli scientifici sull’argomento.Principali ragioni:1) La manutenzione predittiva è sempre più diffusa nel settore industriale e non
solo (es. trazione elettrica): questa strategia richiede tecniche diagnostichepreferibilmente non invasive e on-line.
2) Il mondo sta diventando sempre più elettrico.
Introduzione
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3) I sensori per misurare le grandezze da monitorare sonosempre più affidabili, miniaturizzati e a basso costo.
DiagnosticaDiagnostica significa: identificare un malfunzionamento (fault) prima che si trasformiin un guasto vero e proprio (failure) e stimare la sua gravità.Passi principali della diagnostica: acquisizione dati (data acquisition), elaborazione dati (data processing), presa di decisione (decision-making).I metodi per acquisizione, elaborazione dei dati e scelta della soglia che separa lacondizione di guasto da quella di sano possono influenzare pesantemente le probabilitàdi commettere un errore in fase di presa di decisione.Se quest’ultima è fornita da un algoritmo automatico, si parla di diagnosi.
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PrognosticaLa prognostica è un’evoluzione della diagnostica: richiede il monitoraggio continuo dei parametri della macchina; prevede il tempo rimanente prima del guasto, Remaining Useful Life (RUL).Obiettivi della prognostica: comprendere l’evoluzione del guasto; prevedere quando la macchina non sarà più in grado di funzionare correttamente.
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La prognostica può ridurre i costi di unamanutenzione preventiva non necessaria eal tempo stesso evitare guasti inaspettati.
Macchine elettriche rotanti
poli salienti rotore lisciomagneti
permanenti (PMSM)
MACCHINA SINCRONA (SM)
SynRM SRM
MACCHINA A RILUTTANZA
gabbia di scoiattolo (SCIM)
rotore avvolto (WRIM)
DFIM
MACCHINA ASINCRONA (IM)
MACCHINA A COLLETTORE
(BDCM)
Varianti:- trifase, monofase, multi-fase- flusso radiale, flusso assiale- direttamente connessa alla rete
(DOL) o tramite convertitoreelettronico
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anomalie di carico
nucleo laminato di statore e rotore
avvolgimento statore
magneti permanenti
avvolgimento rotore cuscinetti traferro carico e
ausiliari
cuscinetti volventi
cuscinetti a strisciamento
avvolgim.AT
barre smorzatrici
rotore avvolto
ingranaggi
Componenti principali delle machine elettriche rotanti soggette ai guasti
gabbia di rotore
avvolgim. BT
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Cosa aggiunge il convertitore elettronico? Stress aggiuntivi:1) sull’isolamento: colpisce maggiormente motori in bassa tensione di piccola e
media potenza, perché la frequenza di switching è più elevata. Difficilmente colpiscemotori a tensione più elevata, perché la fswitch è più bassa e l’isolamento èpredisposto per sostenere tensioni superiori al kV.
2) sui cuscinetti: colpisce maggiormente motori di media ed elevata potenza, per lemaggiori dimensioni e lunghezza d’albero.
Difficoltà nella diagnostica. Presenza di sensori (corrente, tensione, velocità) da impiegare per la diagnostica.
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Stress aggiuntivi dovuti ai convertitori1) Fenomeno dell’onda riflessa:può indurre sovratensioni 2-3volte la tensione di linea, conprematuro deterioramentodell’isolamento:
2) Tensione di modo comune adelevata frequenza ed erratamessa a terra del rotore:possono provocare correntid’albero che danneggiano icuscinetti:
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Difficoltà nella diagnostica dovuti ai convertitoriLa diagnostica attraverso la misura dei segnali elettromagnetici (e non solo) èinfluenzata dall’alimentazione tramite convertitori elettronici:a) Presenza di armoniche nei segnali elettromagnetici (e non solo) prodotte
dall’inverter: diminuisce la probabilità di individuare un guasto.b) Effetto di compensazione dovuto al sistema di controllo, se l’azionamento lavora in
anello chiuso: maschera gli effetti indotti dal guasto.c) Operazioni a frequenza variabile: distribuiscono le armoniche caratteristiche del
guasto in un ampio intervallo di frequenze e possono renderle non individuabili.Inoltre, se si impiega un controllo a orientamento di campo, il malfunzionamento puòmodificare i parametri della macchina, con conseguenti disturbi nel funzionamentodel sistema di controllo, a causa del valore inaccurato del flusso stimato.
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Avvolgimento di statore
Alta tensione (≥ 700 V): Parte più stressata: isolamento verso massa; Guasto lentamente progressivo; Test off-line periodici (resistenza di isolamento,
indice di polarizzazione, TanDelta, ecc.); Analisi periodiche on-line di scariche parziali; Nuova tecnica: test di interferenza
elettromagnetica (EMI).
Bassa tensione (< 700 V): Parte più stressata: isolamento di conduttore; Guasto velocemente progressivo; Sarebbe necessario un monitoraggio on-line
continuo di alcuni parametri; Analisi della corrente di statore e del flusso disperso
esterno nel dominio della frequenza; Solo per WRIM, analisi della corrente di rotore.
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Osservazioni su avvolgimento di statore Per rendere efficiente l’analisi di corrente e flusso, è necessaria un’elevata risoluzione
in frequenza e quindi un periodo di acquisizione relativamente lungo (alcuniminuti), che potrebbe superare il tempo sufficiente a provocare un guasto effettivo.
In alternativa, possono essere utilizzate tecniche avanzate per l’analisi dei segnali. Un corto circuito di statore in un PMSM è ancora più pericoloso, perché può avere,
come effetto secondario, la smagnetizzazione dei magneti.
Un’analisi termograficapuò evidenziare un sensibile aumento di temperatura.
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SM poli salienti
SM rotore liscio PM SM
SM elevata potenza: Test off-line: rilievo
riflettometrico (RSO), misura impedenza dinamica, misura tensioni d’albero;
Monitoraggio on-line del flusso disperso interno.
Un guasto di rotore provoca un’asimmetria nelle impedenze del circuito equivalente e nella
distribuzione delle correnti:Il suo effetto primario è su
flusso al traferro, corrente di statore, flusso disperso esterno.
L’effetto secondario è sulla vibrazione.
Per WRIM, è anche possibile l’analisi della corrente di rotore.
smag
netiz
zazio
ne
In generale, questi guasti sono lentamente progressivi.
Avvolgimento di rotore e magneti
IM gabbia di scoiattolo (SCIM)
IM rotore avvolto (WRIM)
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Osservazioni su avvolgimento di rotore La diagnostica delle barre di rotore è
generalmente efficace tramite l’analisi dellearmoniche di corrente e flusso dispersoesterno alle frequenze (1±2s)fs (s =scorrimento, fs = frequenza di alimentazione).
Tuttavia possono verificarsi falsi positivi e falsinegativi.
Una nuova tecnica promettente è l’analisi della correntein transitorio di avviamento, anche con alimentazionetramite convertitore di potenza. È però difficilmenteimplementabile per motori di elevata potenza che nonpossono essere riavviati di frequente.
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Esempio di rilievo di barre rotte di rotore con s = 6% tramite:• corrente di statore (1°
riga)• flusso disperso (2° riga)• accelerazione (3° riga)• alimentazione da rete
(1° colonna)• alimentazione tramite
due inverter diversi (2°e 3° colonna).
Anche l’analisi delle vibrazioni risente del convertitore elettronico.
Osservazioni su avvolgimento di rotore
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Cuscinetti a strisciamento(per turboalternatori):
Il film d’olio smorza in modo significativo levibrazioni del rotore;
Necessari sensori che misurano il movimentorelativo del rotore rispetto ai cuscinetti;
Soluzione ideale: due sensori relativi posizionatia 90° l’uno dall’altro, su ciascun cuscinetto.
Cuscinetti a rotolamento(per la maggior parte delle macchine rotanti): Tecnica tradizionale basata su analisi periodica delle
vibrazioni (effetto primario); Tecniche più recenti basate su analisi continua di
corrente di statore e flusso disperso esterno (effettosecondario).
Tecniche innovative basate su analisi di velocità dirotore e segnale acustico misurato tramitesmartphone.
Guasto lentamente progressivo, eccetto quando è prodotto dalle
correnti d’albero causate da convertitori elettronici
Cuscinetti
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Osservazioni su cuscinetti a rotolamentoEsempio di rilievo di guasto a cuscinetto:• motore
alimentato da rete (1°colonna)
• motore alimentato da inverter (2°colonna)
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L’effetto primario dell’eccentricità è su flusso al traferro, corrente di statore eflusso disperso esterno. Tuttavia, specie in caso di eccentricità dinamica, uneffetto importante è sulle vibrazioni:⇒ L’analisi in frequenza di tutte queste grandezze può essere efficacementeimpiegata per individuare l’eccentricità.
L’eccentricità è in generale un guasto lentamente progressivo, se dovuto adusura dei cuscinettiPuò essere velocemente progressivo, se dovuto a scelta errata della lunghezzadel traferro o ad errate procedure di installazione: elevate eccentricitàpossono portare in poco tempo a uno strisciamento del rotore sullo statore,con danni conseguenti su avvolgimenti e nuclei di statore e di rotore.
Eccentricità al traferro
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Esempio di eccentricità in due motori dovuta a normali tolleranze costruttive:• corrente di statore (1° riga)• vibrazione (2° riga) • motori alimentati da rete
(1° colonna)• motori alimentati da
inverter (2° colonna)Le armoniche caratteristiche dell’eccentricità sono visibili nella corrente, anche quando l’alimentazione è da inverter, mentre nella vibrazione sono nascoste dal rumore introdotto dall’inverter.
Osservazioni su eccentricità
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Conclusioni (1/2)Trend attuale della diagnostica delle macchine elettriche rotanti: Metodi applicabili on-line durante il funzionamento della macchina, a regime o in
transitorio di avviamento: duplice vantaggio, perché un metodo on-line permette ilfunzionamento continuo del processo in cui la macchina è inserita e consente divalutare le condizioni della macchina sotto i suoi normali stress (termici, elettrici,meccanici, ambientali).
Risoluzione delle difficoltà derivanti da alimentazione tramite convertitori elettronici,che possono smorzare o mascherare le impronte caratteristiche indotte dai guasti neisegnali misurati ai fini diagnostici.
Estensione della diagnostica a nuovi azionamenti elettrici (PMSM, SynRM, DFIM).
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Conclusioni (2/2) Impiego di segnali elettromagnetici, possibilmente misurati attraverso sensori già
presenti nell’azionamento elettrico, come indicatori diagnostici per individuare guastinon solo di origine elettrica, ma anche meccanica.
Tecniche di Machine Learning e Deep Learning per diagnosi automatica del guasto: ènecessario far riferimento a data set disponibili online e/o a vaste campagne dimisura in laboratorio.
I risultati delle recenti ricerche sono promettenti, sebbene le nuove tecniche propostedebbano essere ottimizzate e diventare più robuste.
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Riferimenti bibliografici1. L. Frosini, Novel diagnostic techniques for rotating electrical machines - A review, Energies, 2020, 13(19), 5066.2. L. Frosini, S. Zanazzo, A. Albini, M. Ferraris, An experimental investigation of the high frequency effects in low voltage
electrical drives, in Proceedings of SDEMPED 2017.3. A. Muetze, Bearing currents in inverter-fed AC-motors, PhD dissertation, 2003.4. A.C.P. Muxiri, F. Bento, D.S.B. Fonseca, A.J. Marques Cardoso, Thermal analysis of an induction motor subjected to inter-
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frequency extraction for reliable broken rotor bar detection, in Proceedings of ICEM 2020.6. V. Fernandez-Cavero, J. Pons-Llinares, O. Duque-Perez, D. Morinigo-Sotelo, Detection of broken rotor bars in non-linear
startups of inverter-fed induction motors, in Proceedings of SDEMPED 2019.7. D. De Palo, D. Morinigo-Sotelo, L. Frosini, Detectability study of broken rotor bars in induction motors at different loads
and supplies, in Proceedings of SDEMPED 2019.8. M. Minervini, L. Frosini, L. Hasani, A. Albini, A multisensor induction motors diagnostics method for bearing cyclic fault, in
Proceedings of ICEM 2020.
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