I motori vengono utilizzati in tutti gli ambienti industriali e sono sempre più performanti, rendendo più complesse le operazioni volte a mantenerne le prestazioni ottimali. È importante ricordare che le cause dei problemi alla trasmissione e ai motori non sono limitate a un unico fattore.

I guasti dei motori possono essere dovuti sia a problemi meccanici sia elettrici. Le giuste conoscenze teoriche e pratiche possono fare la differenza, evitando costosi tempi di inattività e favorendo un utilizzo migliore delle risorse in azienda. Diversi sono gli strumenti che possono occorrere per manutenere la catena che contiene il motore.
L’isolamento degli avvolgimenti e l’usura dei cuscinetti sono i principali motivi di guasti ai motori, ma tali condizioni possono verificarsi per diversi motivi. Questo articolo spiega come individuare le 13 cause più comuni per questo genere di anomalie.

Power Quality

1. Tensione transitoria

I transitori possono provenire da diverse fonti all’interno o all’esterno dell’impianto. L’accensione o lo spegnimento di carichi nella stessa rete, i sistemi capacitivi di correzione del fattore di potenza o anche fenomeni meteorologici distanti possono generare tensioni transitorie nei sistemi di distribuzione. L’erosione o rottura dell’isolamento degli avvolgimenti del motore possono essere causati da questi transitori, che variano in ampiezza e frequenza. Individuarne la fonte può essere difficile a causa della rarità dei fenomeni e del fatto che i sintomi possono manifestarsi in tante maniere. Un transitorio può comparire sui cavi di comando senza necessariamente causare danni diretti alle apparecchiature, pur interrompendo le operazioni.
Impatto: difetti nell’isolamento degli avvolgimenti del motore possono causare guasti prematuri al motore e tempi di inattività non programmati
Strumentazione per misurazione e diagnostica: analizzatore di rete trifase Fluke 435-II; motor drive analyzer MDA 550
Criticità: elevata

2. Squilibrio di tensione

Quando una tensione o due hanno un valore più elevato rispetto alle altre si ha uno squilibrio di tensione. La tensione è solitamente fornita dal distributore di energia e deve essere garantita stabile entro certi termini normati. Uno squilibrio di tensione causa scarsa efficienza del motore e un’usura non simmetrica che porta a un innalzamento di temperatura e una erosione dei cuscinetti. Oltre all’energia sprecata lo squilibrio di tensione causa problemi anche alle apparecchiature e quindi al motore. Un valore tollerabile dello squilibrio di tensione è del 2%. Oltre tale valore è necessario un intervento sulla rete, un’investigazione sui consumi e infine un confronto con il distributore dell’energia. Il Fluke 435-II può essere utilizzato in tutti i punti della catena per valutare e misurare lo squilibrio di tensione e le conseguenze che questo causa.
Impatto: la presenza di sbilanciamento causa riduzione nell’efficienza dei motori, fa aumentare i costi e riduce la vita delle parti
Strumentazione per misurazione e diagnostica: analizzatore di rete trifase Fluke 435-II; motor drive analyzer MDA 550
Criticità: alta

3. Distorsione armonica

Le armoniche sono tutte le fonti indesiderate di tensione in corrente alternata ad alta frequenza (multipli della frequenza nominale) o di corrente che alimenta gli avvolgimenti del motore. Questa energia in eccesso non è utilizzata per far girare l’albero motore ma circola negli avvolgimenti e contribuisce a disperdere l’energia internamente alando la temperatura e quindi deteriorando l’isolamento degli avvolgimenti. Un livello di distorsione armonica basso è normale e accettabile, alcune armoniche sono generate dalle parti di sistema che gestiscono carichi elettronici. Per individuare la distorsione armonica e monitorare i livelli di corrente utilizzate un analizzatore di rete. Per monitorare le temperature dei trasformatori utilizzate una termocamera, accertandovi che gli apparati non siano sottoposti a eccessive sollecitazioni. Ogni armonica ha un diverso livello accettabile di distorsione, definito da norme come IEEE 519-1992. Alcune armoniche come la 5a sono più dannose di altre.
Impatto: la riduzione nell’efficienza dei motori causa aumenti nelle temperature operative e fa aumentare i costi e riduce la vita delle parti
Strumentazione per misurazione e diagnostica: analizzatore di rete trifase Fluke 435-II; termocamera TiS60+; motor drive analyzer MDA 550
Criticità: media

Trasmissioni a frequenza variabile

4. Riflessioni sulla trasmissione dei segnali PWM in uscita

Il motore viene solitamente controllato da un driver tramite una trasmissione a frequenza variabile che impiega una tecnica con modulazione d’ampiezza di impulso (PWM) per controllarne la tensione di uscita e la frequenza. In presenza di mancata corrispondenza di impedenza tra sorgente e carico vengono generate delle riflessioni che non sono positive. Le riflessioni sono il risultato di installazioni non corrette, selezione dei componenti errata o attrezzature che presentano un certo degrado nel tempo. In un circuito di azionamento del motore, il picco della riflessione può essere alto come il livello del bus in corrente continua.
Impatto: difetti nell’isolamento degli avvolgimenti del motore possono causare tempi di inattività non programmati
Strumentazione per misurazione e diagnostica: oscilloscopio a 4 canali Fluke 190-204 ScopeMeter® con elevata velocità di campionamento motor drive analyzer MDA 550
Criticità: elevata

5. Corrente Sigma

Per tanti motivi si possono avere nel circuito delle correnti indesiderate, possiamo definirle genericamente correnti Sigma. Tali correnti si creano a seguito della variazione della frequenza del segnale, del livello di tensione, della capacità e dell’induttanza nei conduttori. Queste correnti di circolazione possono farsi strada attraverso i sistemi di messa a terra causando scatti o innalzamenti di temperatura in avvolgimenti o nella rete stessa. Una corrente Sigma può trovarsi nel cablaggio del motore ed è la somma della corrente delle tre fasi in un punto qualsiasi nel tempo. In una situazione ideale, la somma delle tre correnti dovrebbe essere uguale a zero. Semplificando, la corrente di andata e di ritorno dalla trasmissione dovrebbero essere uguali. La corrente Sigma può anche essere intesa come un segnale asimmetrico in conduttori multipli che può causare l’accoppiamento capacitivo delle correnti nel conduttore di massa.
Impatto: scatti imprevisti del differenziale di protezione e del circuito a causa di flussi di corrente nel cavo di terra.
Strumentazione per misurazione e diagnostica: oscilloscopio palmare isolato a 4 canali Fluke 190-204 ScopeMeter con pinza amperometrica a banda larga (10 kHz) (Fluke i400S o simili), motor drive analyzer MDA 550
Criticità: bassa

6. Sovraccarichi operativi

Quando il carico è eccessivo nel motore si verifica è sottoposto a un sovraccarico. I sintomi principali che accompagnano il sovraccarico del motore sono un assorbimento eccessivo di corrente, un valore di coppia insufficiente e il surriscaldamento. Con una termocamera è possibile valutare l’eccesso di calore nel motore che è una delle principali cause di guasto al motore. Anche se i singoli componenti del motore come cuscinetti, avvolgimenti del motore e altri componenti possono operare correttamente, in caso di sovraccarico, il motore continua a riscaldarsi. In presenza di guasto è conveniente iniziare la ricerca guasti verificando se sono presenti sovraccarichi nel motore, il 30% dei guasti al motore sono causati da sovraccarichi, è importante comprendere come misurarli e identificarli. Una valutazione della corrente assorbita può essere la prima azione da cui partire.
Impatto: usura prematura dei componenti elettrici o meccanici del motore, che causa a sua volta guasti prematuri
Strumentazione per misurazione e diagnostica: multimetro digitale Fluke 289; termocamera TiS60+
Criticità: elevata

Cause Meccaniche

7. Disallineamento

Quando si verifica un disallineamento, l’albero motore non è allineato al carico o il componente che collega il motore al carico non è allineato. Neanche un giunto flessibile, consigliato da molti professionisti, elimina e compensa il disallineamento. Purtroppo l’accoppiamento flessibile protegge solo l’accoppiamento dai disallineamenti. Anche con un giunto flessibile, un disallineamento dell’albero trasmetterà forze cicliche dannose lungo l’albero e nel motore, portando a eccessiva usura del motore e aumentando il carico meccanico apparente. Le vibrazioni sono il frutto del disallineamento sia nel carico sia nell’albero motore. Esistono diversi tipi di disallineamento:

  • Disallineamento angolare: gli assi degli alberi si intersecano ma non sono paralleli
  • Disallineamento parallelo: gli assi degli alberi sono paralleli ma non concentrici
  • Disallineamento composto: una combinazione tra disallineamento parallelo e angolare.

Solitamente il disallineamento è composto ma si analizzano separatamente per risolvere problemi più semplici.
Impatto: usura prematura dei componenti di trasmissione meccanici, che a sua volta causa guasti prematuri
Strumentazione per misurazione e diagnostica: strumento laser di allineamento degli alberi Fluke 830
Criticità: elevata

8. Sbilanciamento dell’albero

Il grafico riporta l’intensità delle vibrazioni del motore in funzione dell’ordine di rotazione. È stato ottenuto con un tester per vibrazioni o vibrometro. Lo sbilanciamento è la condizione di un componente rotante in cui il centro della massa non si trova sull’asse di rotazione. È presente un disequilibrio nel peso da qualche parte sul rotore. Non si può mai eliminare completamente uno sbilanciamento del motore ma è possibile identificare quando il motore opera al di fuori della gamma normale e agire per correggere il problema. Lo sbilanciamento può essere causato da numerosi fattori, tra cui:

  • Massa irregolare negli avvolgimenti del motore e altri fattori legati all’usura.
  • Accumulo di sporcizia
  • Variazioni nel processo produttivo
  • Pesi non bilanciati

Impatto: usura prematura dei componenti di trasmissione meccanici, che a sua volta causa guasti prematuri
Strumentazione per misurazione e diagnostica: tester per vibrazioni Fluke 810
Criticità: elevata

9. Allentamento dell’albero

Un allentamento si verifica quando vi è un eccessivo gioco tra le parti. Può presentarsi in diversi posti:

  • tra gli elementi rotanti e fissi della macchina, come in un cuscinetto.
  • tra due parti normalmente fisse, come un piede e le fondamenta.

Un analizzatore o tester per vibrazioni aiuta a individuare l’eventuale allentamento di una macchina rotante. Lo strumento permette di identificare dov’è l’allentamento e risolvere il problema riducendo gli sprechi.
Impatto: accelerazione nell’usura dei componenti rotanti, che a sua volta causa guasti meccanici
Strumentazione per misurazione e diagnostica: tester per vibrazioni Fluke 810
Criticità: elevata

10. Usura dei cuscinetti

Un cuscinetto danneggiato è la causa di scarsa efficienza a causa della maggiore resistenza e del calore che genera per via di problemi meccanici, di lubrificazione o di usura. Il guasto al cuscinetto può essere causato da diversi fattori:

  • Tensioni indotte nell’albero
  • Disallineamento dell’albero
  •  Tenuta inefficace del cuscinetto
  •  Lubrificazione inadeguata o non corretta
  •  Montaggio non corretto
  •  Un carico maggiore rispetto a quello previsto
  •  Normale usura

I cuscinetti sono la principale fonte dei guasti meccanici in uno stabilimento e Il 13% dei guasti al motore; per questo è importante imparare a risolvere questo potenziale problema. Una volta verificatosi il guasto al cuscinetto, si viene a creare un effetto a cascata che contribuisce ai guasti al motore.
Impatto: accelerazione nell’usura dei componenti rotanti, che a sua volta causa guasti ai cuscinetti
Strumentazione per misurazione e diagnostica: tester per vibrazioni Fluke 810; termocamera TiS60+
Criticità: elevata

Fattori di installazione errata

11. Instabilità

Quando i piedini di montaggio di un motore o componente non sono posizionati in modo omogeneo o la superficie di montaggio su cui i piedini poggiano non è a livello si genera instabilità. Questa condizione può creare una situazione problematica in cui il serraggio delle viti di fissaggio dei piedini introduce ulteriori difficoltà e disallineamenti. L’instabilità spesso si manifesta tra due viti di fissaggio disposte in diagonale, in maniera simile al modo in cui una sedia o un tavolo non a livello tende ad oscillare in diagonale. Esistono due tipi di instabilità:

  • Instabilità parallela: si verifica quando uno dei piedini di montaggio è più alto rispetto agli altri tre
  • Instabilità angolare: si verifica quando uno dei piedini di montaggio non è in posizione parallela o a livello rispetto alla superficie di montaggio.

In entrambi i casi, l’instabilità può essere provocata da irregolarità nel montaggio dei piedini della macchina o della base su cui poggiano. In ogni caso, qualsiasi condizione di instabilità deve essere indagata e risolta prima di ottenere il corretto allineamento dell’albero. Uno strumento laser di allineamento può determinare se vi sia o meno un’instabilità in una particolare macchina rotante.
Impatto: disallineamento nei componenti meccanici di trasmissione
Strumentazione per misurazione e diagnostica: strumento laser di allineamento degli alberi Fluke 830
Criticità: media

12. Stress alle tubazioni

Il Motore è connesso tramite tubazioni al resto delle attrezzature. Se queste sono fonte o oggetto di nuove sollecitazioni, pressioni e forze che agiscono, le vibrazioni si trasferiscono sul motore e alla trasmissione determinando un disallineamento. L’esempio più comune di questo problema si ha nelle più semplici combinazioni motore/pompa, in cui viene applicata una pressione sulle tubazioni, ad esempio:

  • Valvola o altro componente di recente installazione
  • Gancio o materiali di montaggio a parete della tubazione danneggiati o mancanti
  • Un oggetto che colpisce, piega o preme sulla tubazione
  • Spostamento nella base

È importante controllare l’allineamento della macchina regolarmente e non solo al momento dell’installazione perché tali forze possono applicare una pressione angolare o di spostamento sulla pompa, che a sua volta fa sì che l’albero del motore/pompa sia disallineato. L’allineamento di precisione è una condizione temporanea che può cambiare nel tempo, va verificata regolarmente.
Impatto: disallineamento dell’albero e conseguente stress sui componenti rotanti, che causa guasti prematuri.
Strumentazione per misurazione e diagnostica: strumento laser di allineamento degli alberi Fluke 830
Criticità: bassa

13. Tensione dell’albero

Un fenomeno spesso trascurato ma comune avviene quando la tensione dell’albero motore supera la capacità isolante della pasta per cuscinetti. In questa condizione possono verificarsi scariche elettriche verso il cuscinetto esterno, provocando corrosioni e scanalature nelle piste del cuscinetto. I primi segni di questo problema sono il rumore e il surriscaldamento. Quando il cuscinetto inizia a perdere la forma originale e frammenti di metallo si mischiano con la pasta e aumentano l’attrito. Si può verificare con la termocamera l’innalzamento della temperatura. Questo può causare la distruzione del cuscinetto nel giro di pochi mesi di funzionamento del motore. I guasti dei cuscinetti prevedono costi elevati sia in termini di riparazione del motore sia di periodi di inattività, pertanto contribuire a evitare questo problema misurando la tensione dell’albero e del cuscinetto è un importante passo nella diagnosi. La sonda in fibra di carbonio, disponibile come accessorio, vi consente di misurare la tensione dell’albero mentre il motore è alimentato e in rotazione.
Impatto: degli archi sulla superficie del cuscinetto formano corrosione e scanalature, causando vibrazioni eccessive e guasti al cuscinetto
Strumentazione per misurazione e diagnostica: oscilloscopio palmare isolato a 4 canali Fluke-190-204 ScopeMeter con sonda di tensione AEGIS in fibra di carbonio; motor drive analyzer MDA 550; termocamera FlukeTiS60+
Criticità: elevata

Quattro strategie per il successo

I sistemi di controllo dei motori sono utilizzati nei processi più critici degli impianti di produzione. Un fermo macchina dovuto a un intervento non programmato può causare una perdita economica importante, oltre al consumo energetico elevato e alla necessità di reperire velocemente la parte di ricambio. Dotare ingegneri e tecnici di una formazione avanzata, dare priorità ai carichi di lavoro e organizzare la manutenzione preventiva per monitorare le apparecchiature e risolvere problemi intermittenti o sfuggenti vi permetterà di ridurre i costi legati all’inattività e evitare le anomalie dovute alla normale usura del sistema.

Ci sono quattro principali strategie che potete intraprendere per ripristinare o evitare i guasti prematuri nei motori e nei componenti rotanti:

  1. Documentare le condizioni operative, le specifiche delle macchine e gli intervalli di tolleranza nelle prestazioni.
  2. Acquisire e documentare le misurazioni critiche all’installazione, prima e dopo gli interventi di manutenzione e su base regolare.
  3. Acquisire e documentare le misurazioni critiche all’installazione, prima e dopo gli interventi di manutenzione e su base regolare.
  4. Appuntare in un grafico le misurazioni individuali per identificare la tendenza di base. Qualsiasi cambiamento nelle tendenze che causi modifiche di entità pari a +/- 10%-20% (o qualsiasi altra percentuale stabilita in base alle vostre prestazioni di sistema o criticità) deve essere esaminato per comprenderne la causa alla radice.