Talete SpA, Italia
Di Gabriele Ribichini, amministratore delegato, Dewesoft Srl, Italia

Gli inverter sono la causa della bruciatura delle morsettiere del motore in un sito di approvvigionamento idrico?

Dopo l'installazione degli inverter di potenza elettrica, i nostri clienti hanno iniziato a riscontrare frequenti guasti ai motori in uno dei loro impianti di produzione. Gli inverter stavano introducendo alcuni fenomeni nascosti che causavano il problema, ma cosa fare in questa situazione?

Stavano quasi per tornare a un'alimentazione standard a 50 Hz per limitare i danni quando, grazie alla tecnologia Dewesoft, si sono resi conto che il problema era stato innescato da un semplice dado in ottone nella morsettiera del motore.

Burned electric motor

Hai mai avuto problemi dopo aver installato gli inverter nel tuo impianto elettrico?

Gli inverter PWM (Pulse Width Modulation) sono in grado di far funzionare motori AC asincroni a velocità del motore variabile rispetto alla fonte di alimentazione standard a 50 Hz dalla rete. Gli inverter convertono la potenza del motore AC dalla rete in una potenza DC e forniscono un'uscita dell'inverter come segnale di potenza PWM utilizzato per alimentare gli avvolgimenti del motore a induzione.

A differenza degli inverter a onda sinusoidale pura, possono portare un buon risparmio energetico, ma poiché introducono un numero elevato di armoniche possono anche causare problemi delicati come aumenti di temperatura, guasti ai cuscinetti, vibrazioni e rumore, a causa di tutti gli effetti dei fenomeni delle alte frequenze nella rete (cattiva qualità dell'alimentazione).

È dimostrato che gli strumenti tradizionali sono spesso ciechi alle frequenze di uscita degli inverter, se hai a che fare con inverter devi indossare degli ottimi occhiali!

Il problema del cliente - Guasto del motore

In un sito di approvvigionamento idrico di Talete SpA, le morsettiere dei motori asincroni che azionano le pompe hanno iniziato a bruciarsi frequentemente dopo l'installazione degli inverter. I tecnici hanno iniziato a incolpare il nuovo sistema di alimentazione basato sull'alimentatore PWM e volevano tornare ad un'alimentazione standard da rete a 50 Hz.

Il responsabile tecnico ha voluto capire il motivo di questo guasto elettrico. Bypassare gli inverter avrebbe sprecato completamente l'investimento e sarebbero tornati ad un consumo di energia costante anche a basse portate. Non era una buona idea!

Talete SpA è una società interamente pubblica formata dagli enti locali, dai comuni e dalla provincia di Viterbo in Italia. L'azienda si occupa del ciclo di vita dell'acqua dolce, dalla fornitura di acqua potabile alla gestione di depuratori e fognature. Svolge inoltre attività di ricerca, consulenza e assistenza nonché tutela, monitoraggio e valorizzazione dei corpi idrici.

All'interno delle loro strutture è presente qualsiasi tipo di motore elettrico, avviatore, inverter e pompe; ambiente in cui Dewesoft trova numerosi ambiti applicativi, dall'analisi delle macchine rotanti alla misura della qualità di potenza.

Lake Bolsena, ItalyIl lago di Bolsena, il più grande lago vulcanico d'Europa, fornisce acqua potabile e per l'irrigazione

Uno dei loro sistemi di sollevamento dell'acqua utilizza due motori elettrici gemelli da 315 kW per sollevare l'acqua dolce dal Lago di Bolsena fino alla città di Montefiascone, a circa 400 metri sopra il livello del lago.

Queste pompe erano alimentate direttamente dalla rete trifase a 50 Hz fino a quando un aggiornamento del sistema non ha introdotto sistemi di controllo basati su inverter PWM per consentire un controllo più efficiente del flusso d'acqua.

Electric motors driving a water pumpUno dei due motori elettrici che azionano una pompa dell'acqua

Dopo questa modifica le morsettiere del motore hanno iniziato a guastarsi spesso (almeno una o due volte all'anno) a causa della temperatura eccessiva, con conseguenti grossi danni e la necessità di sostituire il cablaggio completo dal motore al rispettivo inverter.

Non essendosi mai verificato prima questo problema, tutta l'attenzione è stata rivolta agli inverter e agli effetti del controllo motore ad alta frequenza (PWM).

Questo tipo di sistema introduce un elevato numero di armoniche portando talvolta dei fenomeni inaspettati.

Power inverters

Inverter presso il sito di pompaggio di Talete, progettati per un'ampia gamma di potenze e tensioni

Misura della potenza elettrica ad alta precisione in un'ampia gamma di frequenze

Con i sistemi di misura elettrica standard non è possibile comprendere tutti i fenomeni di potenza che scaturiscono dall'accoppiamento di un inverter ed un motore, ciò a causa dello loro limitata capacità di analizzare segnali ad alta frequenza. Per questi motivi i tecnici non riuscivano a trovare alcun problema su questo sistema, brancolando nel buio!

I sistemi di test di fascia alta, d'altra parte, sono progettati per lo più per test di laboratorio e i tecnici non erano felici di usarli sul campo a causa della loro fragilità e complessità di utilizzo.

Alcuni di essi sono noti come analizzatori di potenza e forniscono risultati di calcoli di potenza mediati in cicli (tipicamente 10) senza dare la possibilità di registrare forme d'onda grezze, molto importanti per comprendere i fenomeni transitori, rivedere le misure ed eventualmente ricalcolare i parametri di potenza se necessario durante l'analisi dei dati in post produzione.

Anche la precisione nelle misure e nei calcoli è spesso un problema. I sistemi sul mercato spesso rivendicano una precisione di misura molto buona, ma sono progettati per dare il meglio a 50Hz.

Quando si ha a che fare con gli inverter è necessario ricordare che viene generato un gran numero di armoniche ad alta frequenza, quindi lo strumento deve essere progettato per fornire buone prestazioni di misura in un'ampia gamma di frequenze, non solo a 50Hz.

Un normale inverter industriale, come quello utilizzato da Talete in questo sistema, può essere basato su una frequenza di commutazione di 20kHz o più; questo significa che per analizzare solo 10 armoniche è necessario uno strumento con una larghezza di banda analogica di almeno 200kHz, ottenibile con una frequenza di campionamento di circa 500kHz o più.

La Soluzione di Misura Dewesoft

Dewesoft dispone di ottime soluzioni hardware e software per l'acquisizione di dati per questo tipo di misure.

La famiglia Dewesoft DAQ SIRIUS include la versione HS (High Speed) che utilizza un campionamento ad alte prestazioni e contiene un convertitore ADC a 16 bit in grado di leggere segnali alla velocità di 1 MS/s. Questo porta una larghezza di banda analogica di circa 460 kHz, sufficiente per analizzare 20 armoniche di un tipico inverter industriale.

High speed DAQ anti aliasing filterGli amplificatori di corrente e tensione Dewesoft

La combinazione di hardware e software consente una precisione come nessun altro. Anche il sistema più noto sul mercato non funziona come Dewesoft quando si analizza un alimentatore ad ampio spettro di frequenze.

Quando si utilizzano inverter, non c'è solo un segnale sinusoidale a 50Hz da analizzare come nell'alimentazione AC standard.

Dewesoft power analyser vs. conventional power analyserGli amplificatori ad alta velocità SIRIUS integrati negli ingressi ad alta e bassa tensione raggiungono nuove dimensioni nella precisione di misura.

Queste caratteristiche ad alte prestazioni sono integrate in un sistema compatto, robusto e portatile progettato per essere trasportato e utilizzato facilmente e in sicurezza sul campo. Caratteristiche come l'isolamento completo e l'auto-configurazione delle sonde di corrente potrebbero essere cruciali quando si eseguono misure sul campo in ambienti scomodi e con tempi di prova limitati rispetto ad un laboratorio.

Measurement setup on the electric motor with SIRIUS data acquisition system and softwareLa configurazione di misura sul motore con il sistema di acquisizione dati e il software SIRIUS

Risultati della misura

Abbiamo analizzato la fonte di alimentazione del motore in tutti i suoi scenari di lavoro cercando di scoprire i problemi. Le forme d'onda e i parametri di potenza sono stati calcolati e archiviati per un'analisi approfondita successiva.

The 3-phase Delta connection of the motorIl collegamento a triangolo trifase del motore

Il motore trifase aveva una connessione a triangolo e il software è stato configurato di conseguenza per calcolare tutti i parametri di potenza tipici e i parametri di qualità di potenza come richiesto dalle norme EN50160 e IEC61000.

3-phase Delta wiring channel setup inside Dewesoft X power moduleL'impostazioni di misura nel software di acquisizione dati Dewesoft X fornisce una selezione visiva dei diversi schemi di cablaggio, in questo caso, Delta trifase

Three line voltage and current measurementGrafico che mostra le tre tensioni di linea sovrapposte alle rispettive correnti

Le misure hanno mostrato le tre tensioni di linea sovrapposte alle rispettive correnti. Utilizzando un inverter è normale osservare segnali di tensione altamente distorti poiché le onde sinusoidali sono costruite utilizzando PWM (Pulse Width Modulation) dalla potenza DC.

Dewesoft è anche in grado di rappresentare questo fenomeno utilizzando grafici di armoniche, dove viene misurata la frequenza fondamentale di linea effettiva e i suoi contributi multipli (armoniche) vengono sommersi.

Dewesoft X harmonics displayVisualizzazione delle armoniche in Dewesoft

I valori totali calcolati sono stati riportati come:

  • P: 250 kW
  • Q: 184 kVAr
  • D: 147 kVAr
  • S: 310 kVA

A partire da una potenza apparente di 310 kVA, solo 250 kW (potenza attiva) vengono convertiti in potenza meccanica, a causa di un'importante presenza di potenza reattiva (Q = 184 kVAr).

Un osservatore attento potrebbe notare che la maggior parte della potenza reattiva è dovuta alla distorsione (Distortion Power D = 147kVAr) e non ad un effetto cosPhi.

Losses in conduction due to reactive powerPerdite di conduzione dovute alla potenza reattiva

Due armoniche prevalenti (5a e 7a) provocano surriscaldamenti degli avvolgimenti statorici e vibrazioni torsionali, su cui si potrebbe ulterioremente indagare, ma sucuramente non rappresentano la causa del guasto della morsettiera.

Anche se il motore non funziona in modo efficiente, la potenza apparente misurata è inferiore alla potenza nominale (S = 310 kVA <315 kVA), inoltre è noto che l'effetto della distorsione armonica riduce notevolmente la vita del motore, ma non causa bruciature alla morsettiera.

Le cause principali

Utilizzando la tecnologia DAQ Dewesoft abbiamo potuto facilmente dimostrare che la causa principale della bruciatura della morsettiera non era sicuramente correlata all'effetto degli inverter sul motore.

Quindi abbiamo iniziato ad analizzare il sistema alla radice per trovare altre possibili cause.

Electric motor windings end lugs were not in direct contact with the inverter cable end lugs
Il problema: i capicorda degli avvolgimenti del motore non erano a diretto contatto con i capicorda del cavo dell'inverter

Abbiamo notato che i capicorda degli avvolgimenti del motore NON erano a diretto contatto con i capicorda del cavo dell'inverter, tra loro è stato installato un dado in ottone.

Con il motore funzionante a piena potenza, abbiamo misurato una caduta di tensione sul dado in ottone di circa 6Vrms considerando tutte le armoniche - avendo una larghezza di banda analogica di circa 460kHz.

Con un flusso di corrente di 450 Arms per fase potremmo calcolare una potenza dissipata totale di circa 8 kW nella morsettiera di ogni motore.

Questo fenomeno potrebbe facilmente spiegare perché le morsettiere bruciano regolarmente.

Conclusioni

"Rimuoviamo questi dannati dadi!" gridò Luigi, il responsabile tecnico.

Con questa semplice modifica, il problema è stato risolto immediatamente, senza costi e mantenendo in funzione gli inverter per un efficiente controllo del flusso.

Power inverters removing the nuts on the cablesLa soluzione più semplice: rimuovere i dadi

Da questa applicazione è stato chiaro a tutti quanto sia importante utilizzare il giusto strumento di misura quando si ha a che fare con gli inverter.

Gli azionamenti PWM alimentati da inverter stanno diventando molto popolari nei moderni impianti industriali e i sistemi di misura tradizionali, progettati per l'alimentazione AC, non forniscono più misure affidabili, cosicché diversi semplici fenomeni non possono essere facilmente compresi.

Le caratteristiche più importati in queste applicazioni sono larghezza di banda elevata, affidabilità di misura ad alta precisione lontano da 50 Hz, memorizzazione delle forme d'onda e portatilità del sistema.

Dewesoft ha una buona esperienza in questi fenomeni elettrici ad alta frequenza e una serie completa di soluzioni pronte per l'uso che hanno aiutato questo cliente a comprendere e risolvere un problema complicato.