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TECNICA manutenzione
La manutenzione dei motori
elettrici finalizzata al
risparmio energetico
Ignazio Arces, Luca Ferraris, Lucia Frosini
La manutenzione ha lo scopo di assicurare nel tempo l’affidabilità di una macchina, intesa come
funzionamento nelle modalità previste in fase di progetto. Nelle attività industriali ad alta intensità energetica
può essere economicamente conveniente allargare il significato di manutenzione al mantenimento delle
prestazioni al di sopra di un livello minimo prefissato. Il lavoro introduce un metodo pratico per valutare la
convenienza di una strategia di manutenzione basata sul risparmio energetico, riepilogando le tecniche
diagnostiche e le azioni manutentive necessarie, con particolare applicazione ai motori elettrici di un processo
a ciclo continuo quale una raffineria di petrolio.
Nelle attività industriali ad alta intensità energetica, come nel
caso delle raffinerie di petrolio, il costo operativo annuo di un
motore in funzionamento continuo può essere circa 8\9 volte
il costo iniziale del motore stesso. In questi casi, l’attività di
manutenzione può essere trasformata in un’opportunità di
risparmio energetico; essa ha infatti lo scopo di assicurare nel
tempo l’affidabilità di una macchina, intesa come funzionamento nelle modalità previste in fase di progetto. Pertanto, è
possibile definire un valore limite del rendimento che si vuole
mantenere implementando la strategia di manutenzione
basata sul risparmio energetico.
Il rendimento dei motori elettrici si riduce infatti nel tempo a
causa di [1]:
- condizioni ambientali particolari (ad esempio l’inquinamento che provoca ostruzione dei canali di ventilazione non
permettendo lo smaltimento del calore);
- carenza di lubrificazione;
- non corretto allineamento alla macchina operatrice;
- elevate vibrazioni;
- scarsa qualità della potenza elettrica;
- incremento dei fenomeni di scariche parziali rispetto alla
condizione di macchina nuova.
Per mantenere il rendimento al di sopra del limite imposto,
occorrerà:
- gestire la qualità della fornitura di energia elettrica al
motore entro tolleranze ristrette;
- trasferire in maniera efficiente la potenza al carico meccanico;
- mantenere opportunamente le prestazioni della macchina
utilizzatrice (per evitare di sovraccaricare inutilmente il
motore elettrico).
La registrazione dei dati rappresenta il supporto fondamentale
I. Arces, Eni SpA; L. Ferraris, Politecnico di Torino, Sede di Alessandria;
L. Frosini, Dipartimento Ingegneria Elettrica, Università di Pavia
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per una strategia di manutenzione “pro-attiva” (oltre che preventiva e predittiva) del motore elettrico: il confronto dei dati
raccolti con le registrazioni storiche permette infatti di rilevare prontamente degradi nelle prestazioni, consentendo al
manutentore di intervenire in tempo.
La scheda tecnica del motore, che riporta il servizio, il
costruttore, il numero seriale, il modello, la taglia e le specifiche degli ancillari (tipo di accoppiamento ecc.), dovrà anche
riservare un campo per la registrazione sia delle azioni di
manutenzione sia dei test periodici di performance.
In genere queste informazioni si trovano su due o tre database
diversi (DB Schede tecniche e azioni manutentive, DB risultati diagnostica elettrica, DB risultati diagnostica meccanica),
che dovranno quindi dialogare fra di loro.
Nel lavoro verrà presentato un metodo pratico per valutare la
convenienza di una strategia di manutenzione basata sul
risparmio energetico, riepilogando le tecniche diagnostiche
(meccaniche, termiche, elettriche) e le azioni manutentive
necessarie, con particolare applicazione ai motori elettrici di
un processo a ciclo continuo quale una raffineria di petrolio.
Manutenzione ed esperienza dal campo
In ambito industriale si possono distinguere quattro strategie
di manutenzione:
- Manutenzione Correttiva (MC) o reattiva o ad evento;
- Manutenzione Programmata (MP) o preventiva o periodica;
- Manutenzione su Condizione (CBM) o predittiva;
- Manutenzione Pro-Attiva.
La scelta della strategia più opportuna da applicare a ciascuna
macchina è basata sulla minimizzazione del costo operativo e
dipende dal periodo di vita della macchina stessa.
In generale, l’approccio più diffuso è un compromesso tra la
CBM e MP, che sono tra loro strettamente correlate: la CBM
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necessita infatti di attività diagnostiche che in parte possono
essere effettuate in linea, in parte solamente fuori linea, e
quindi durante le fermate previste per la MP, la cui periodicità
può essere opportunamente calibrata grazie alle informazioni
acquisite tramite le attività diagnostiche effettuate per la
CBM.
La tabella della figura 1, frutto delle best pratices industriali,
fornisce le linee guida generali sulla frequenza delle attività di
manutenzione da eseguire sui motori elettrici, in funzione dell’ambiente nel quale il motore viene esercito, che rappresenta
il primo indicatore per il livello di manutenzione richiesto.
Le attività diagnostiche effettuate durante le revisioni com-
Figura 1 - Frequenza delle attività di manutenzione sui motori
elettrici
prendono misure di tipo elettrico, meccanico e di temperatura
e hanno lo scopo di fornire informazioni sulle reali condizioni
di funzionamento della macchina, nell’ottica di attuare una
manutenzione su condizione.
Misure di tipo meccanico (vibrazioni e rumore)
L’analisi delle vibrazioni può essere efficacemente impiegata
per rilevare guasti incipienti nei cuscinetti, negli avvolgimenti
di statore, nel rotore e nell’accoppiamento con la macchina
utilizzatrice.
Per individuare le frequenze sollecitate nelle diverse condizioni di guasto (figura 2), occorre considerare le principali
sorgenti di vibrazione nei motori elettrici: forza di Maxwell,
forza di Lorentz, comportamento dinamico del rotore, risposta
dei cuscinetti alla vibrazione trasmessa dal rotore [3].
La forza attrattiva per unità di superficie che si sviluppa tra
rotore e statore è data dalla componente radiale del tensore di
Maxwell:
(1)
dove B è l’induzione magnetica al traferro e µ0 è la permeabilità magnetica del vuoto.
La componente principale di B ha distribuzione spaziale al
traferro con periodo che dipende dal numero di paia poli e
ampiezza variabile sinusoidalmente nel tempo con frequenza
pari a quella di alimentazione fs. Quindi la componente principale di σn avrà ampiezza variabile sinusoidalmente nel tempo
con frequenza 2fs e la frequenza principale delle vibrazioni
della cassa di statore sarà 2fs.
In condizioni di perfetta concentricità, σn agisce perpendicolarmente alle superfici di rotore e statore in modo simmetrico,
per cui, integrato lungo tutto il traferro, dà risultante nulla.
Quando il rotore e lo statore non sono tra loro concentrici, se
il rotore è rigido e i cuscinetti sono a rotolamento, come nella
maggior parte dei motori elettrici, si possono distinguere due
tipi di eccentricità: statica e dinamica.
Nel caso di eccentricità statica (ad esempio causata da disallineamento dovuto a tolleranze costruttive o da usura dei cuscinetti) la posizione di minima lunghezza del traferro è fissa
nello spazio e nel tempo: integrando σn lungo il traferro, si
ottiene una risultante statica non nulla nella direzione di traferro minimo.
L’eccentricità statica produce anche una componente addizionale di σn (rispetto alla condizione di concentricità) variabile
sinusoidalmente nel tempo con frequenza 2fs; quindi ci si
aspetta un aumento della vibrazione a 2fs [4].
Nel caso di eccentricità dinamica (ad esempio causata da
ingobbamento del rotore o dal suo comportamento flessibile)
la posizione di minima lunghezza del traferro ruota con il
rotore, per cui si produce una forza magnetica rotante alla
velocità del rotore fr. L’eccentricità dinamica produce vibrazioni anche alle frequenze (2fs – fr), (2fs + fr) [4]. Inoltre,
l’eccentricità dinamica determina anche uno sbilanciamento
meccanico, ossia una forza centrifuga che ruota alla velocità
di rotazione del rotore, e che quindi si manifesta tramite vibrazioni a frequenza fr [5].
Asimmetrie del campo magnetico di statore o di rotore provocano una non sinusoidalità della distribuzione spaziale dell’induzione e, di conseguenza, effetti sulle vibrazioni.
In particolare, la rottura delle barre di rotore provoca un
aumento delle vibrazioni alle frequenze (fr – 2sfs) e (fr + 2sfs)
[6] e a frequenze multiple dispari della frequenza di rotazione
fr con bande laterali analoghe alle precedenti [7].
Asimmetrie del campo magnetico statorico, dovute a difetti di
costruzione, corto circuito parziale di alcune sezioni dell’avvolgimento o terna di tensioni di alimentazione non simmetrica, provocano vibrazioni a 2fs, e a frequenze multiple pari di
fs [7].
La forza di Lorentz agente sulle testate degli avvolgimenti è
prodotta dall’interazione tra il flusso disperso e le correnti che
fluiscono negli avvolgimenti. Anche la pulsazione di questa
forza è 2fs e la sua ampiezza è proporzionale al quadrato della
corrente. A causa della complessa geometria delle testate, le
vibrazioni dovute a questa forza si sviluppano in direzione
radiale, assiale e tangenziale. L’avvolgimento di statore è progettato per resistere a questa forza, tuttavia frequenti fermate e
avviamenti della macchina o variazioni di carico possono
allentare il serraggio degli avvolgimenti e una conseguente
abrasione o criccatura dell’isolamento. L’analisi delle vibrazioni delle testate è impiegata per la diagnostica di motori di
elevata potenza, utilizzando accelerometri triassiali posti sugli
avvolgimenti.
Vibrazioni del motore possono essere indotte dalla macchina
utilizzatrice a causa di allentamenti meccanici al giunto o coppia di carico non costante. Queste vibrazioni si presentano
generalmente a frequenze multiple di fr, ma anche a frequenze
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dipendenti dalla frequenza di variazione del carico.
Ulteriori vibrazioni sono provocate dai guasti nei cuscinetti. Il
monitoraggio del livello complessivo della vibrazione della
cassa del cuscinetto può essere utile per rilevare guasti non
ciclici (corrosione o fluting provocato dalle correnti elettriche), mentre i guasti ciclici (ad esempio la sfaldatura) producono componenti della vibrazione a frequenze specifiche, funzione della geometria dei cuscinetti e di fr [8].
La rumorosità è un altro indicatore di problemi incipienti:
deterioramento dei cuscinetti in atto, parti rotte dentro il
motore, ventola sganciata, cinghia allentata, o il risultato di un
non corretto allineamento.
macchina ferma, i manager di manutenzione dovrebbero
affiancare prove diagnostiche elettriche effettuabili con macchina in servizio come il rilievo on-line delle scariche parziali
(PD) dell’isolamento: la figura 3 riepiloga sinteticamente
l’efficienza dei vari metodi diagnostici verso i vari tipi di
difetti elettrici di un motore.
Figura 3 - Metodi di misura e difetti rilevati negli avvolgimenti dei
motori elettrici
Figura 2 - Sintesi delle frequenze sollecitate nello spettro delle
vibrazioni
Misure di temperatura
Rilevare e registrare la temperatura della carcassa del motore
può fornire un’utile base di dati per il programma di manutenzione, in quanto i motori più caldi sono quelli meno efficienti,
perché dissipano energia sotto forma di calore.
Pertanto, in una manutenzione basata sull’energy saving, un
altro utile strumento è l’Infrared Thermal Imaging per il
rilievo delle temperature di lavoro e della distribuzione del
calore nelle condizioni di normale esercizio [9].
Misure di tipo elettrico
Tra i test elettrici periodici normalmente effettuati su motori a
media tensione ci sono:
- la misura della resistenza di isolamento prima di ogni riavviamento dopo fermo prolungato;
- l’indice di polarizzazione (che fornisce indicazioni sul
degrado dell’isolamento ma precipuamente sulla pulizia e la
presenza di umidità sull’avvolgimento) eseguito normalmente dopo una manutenzione generale di impianto ed
almeno ogni quattro anni (30.000 ore circa di funzionamento) ed in occasione di interventi di revisione generale
della macchina;
- la misura di Tangente δ.
Il problema è la ripetibilità delle misure: nel DB che raccoglierà i risultati si dovrà prevedere un campo recante la data di
taratura della strumentazione, lo stato del motore (appena fermato o fermo da tempo), le condizioni al contorno (umidità,
temperatura ecc.) [2].
Accanto alle prove menzionate, che possono eseguirsi solo a
Tutte le misure delle PD in una macchina elettrica dovrebbero
essere eseguite in conformità allo Standard IEEE 1434-2.000
ed una regola empirica è che se nell’arco di un semestre si ha
un raddoppio dell’attività PD all’interno di una macchina è in
corso un rapido deterioramento dell’isolamento. Lo Standard
IEEE prevede che durante le misure siano registrate alcune
variabili di processo: potenza attiva, potenza reattiva, tensione
concatenata di alimentazione, corrente di fase, temperatura
dello statore massima e minima, pressione e umidità
ambiente, tempo in cui il carico è stato costante. Durante le
prove è necessario che la tensione di alimentazione sia entro il
±2% della tensione nominale. Se in fase di costruzione la
macchina elettrica non viene dotata di sensori fissi per la
misura on line delle PD è possibile installare delle sonde
rivolgendosi a specialisti del settore o utilizzare tecnologie
non invasive come quella basata sui frame sensors [10].
Figura 4 - Tipico schema di misura basato su CT e frame sensors [10]
►
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Nello schema di misura della figura 4, il sensore CT
(trasformatore di corrente per la misura degli impulsi ad alta
frequenza che si generano in seguito a PD) potrà rilevare PD
in morsettiera o nel cavo di alimentazione, mentre i frame
sensors posizionati sulla carcassa della macchina potranno
rilevare PD nell’avvolgimento. L’esperienza degli autori
suggerisce due misure all’anno per le macchine di media
tensione in due stagioni differenti (per registrare il differente
impatto di temperatura e umidità) [10].
La qualità della fornitura di energia elettrica al motore ha un
grosso impatto sull’efficienza e quindi deve essere mantenuta
entro certe tolleranze.
Un degrado della qualità dell’energia fornita è costituito dal
funzionamento bifase che si verifica per un’apertura di una
fase della rete di alimentazione, per un cattivo contatto sullo
starter del motore o per intervento di un solo fusibile di protezione del motore: in ogni caso si ha un sovraccarico sulle
rimanenti fasi con sovratemperature che possono danneggiarne gli avvolgimenti.
Una terna di tensioni di alimentazione non simmetrica è fonte
impropria di calore e di dissipazione di energia: il rapporto
percentuale fra la massima deviazione della tensione dal valor
medio ed il valor medio deve esser mantenuto entro l’1%.
Valori intorno al 2% possono ridurre di otto volte la durata di
vita del sistema di isolamento; gli standard americani raccomandano di ridurre la potenza del motore al 75% se lo sbilanciamento supera il 5%. È necessario installare quindi idonei
strumenti per monitorare lo sbilanciamento unitamente alla
frequenza (sono tollerabili variazioni del ±5% dal valore
nominale) ed alla tensione (sono tollerabili variazioni del
±6% dal valore nominale).
Da non trascurare sono, infine, gli effetti delle armoniche di
corrente prodotte dagli inverter che, oltre ad essere fonte di
dissipazione di energia, possono essere causa indiretta di guasti meccanici.
Valutare la convenienza di una strategia
di manutenzione energy saving
Qualunque sia la strategia di manutenzione applicata in
un’attività industriale dovrà essere minimo il costo operativo
totale C:
(2)
dove CG è il costo di mancata produzione a causa di un guasto,
CM è il costo di manutenzione e λG e λM sono dei fattori di
peso dei suddetti costi che per semplicità porremo uguale a 1
(nei casi in cui l’interrompibilità del servizio è un vincolo λG
avrà un valore molto più elevato di λM).
I costi di manutenzione CM di un motore elettrico sono funzione dei costi di diagnostica e ispezione CDIAG e dei costi di
riparazione o sostituzione CR (pulizia, parti di ricambio, materiali di consumo, costo del lavoro):
(3)
Questi costi crescono proporzionalmente con la frequenza
dell’attività di manutenzione. I costi CDIAG sono funzione del
luogo di installazione e del design del motore. Un design che
non tenga conto del luogo di installazione imporrà costi di
diagnostica più alti perché si ricorre a tecniche più raffinate
delle tradizionali misure affidate al personale interno
(l’outsourcing in questi casi è la scelta economicamente conveniente).
Intuitivamente, quando su un sistema non viene fatta manutenzione il guasto è inevitabile e CG raggiunge il massimo valore.
All’aumentare di CM si osserva una diminuzione non lineare di
CG, e, da un certo punto in poi, al crescere di CM si ha un
effetto molto limitato su CG (figura 5). Il costo operativo
ottimo sarà funzione della strategia di manutenzione, della disponibilità di risorse economiche e di risorse umane qualificate.
Figura 5 - Andamento del costo del guasto CG in funzione del costo
di manutenzione CM
Manutenzione correttiva, preventiva,
su condizione
La manutenzione correttiva (MC) è economicamente conveniente quando i disservizi generano piccole perdite finanziarie
e minimi inconvenienti per i clienti; in questo caso i costi di
diagnostica sono nulli ma tutti gli altri costi permangono.
La manutenzione programmata (MP) è l’attivazione periodica
delle funzioni di manutenzione con l’obiettivo di prevenire i
guasti catastrofici e la manutenzione in emergenza; la MP
include la diagnostica dei macchinari e la riparazione (o sostituzione) allorquando viene rilevato un guasto incipiente (o
previsto su base storica). Tale strategia ha la difficoltà maggiore nel fissare gli intervalli di manutenzione: un approccio
conservativo con riparazioni o sostituzioni premature genererà un incremento del costo CR.
La manutenzione su condizione (CBM) è infine una manutenzione programmata sulla base del monitoraggio continuo o
periodico del macchinario con l’attivazione della funzione
manutentiva solo quando richiesta dal macchinario stesso; la
CBM aiuta ad incrementare il fattore di servizio di un macchinario ed a ridurre il costo totale di manutenzione anche se ha
come rovescio della medaglia l’incremento dei costi di diagnostica; la figura 6 mostra un possibile andamento del costo
operativo applicando la CBM.
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è però oggettivamente difficile da valutare ed il solo modo per
stimarlo, chiaramente inaccettabile, è riferirsi ad un “caso
base” ottenuto interrompendo la manutenzione ed intervenendo su condizione.
Conclusioni
Figura 6 - Andamento del costo operativo applicando la CBM
Normalmente la strategia che conduce al minimo costo operativo dipende dal periodo della vita del motore elettrico; superata la cosiddetta mortalità infantile, un motore nuovo ha una
probabilità di guasto più bassa di uno con qualche anno di vita
(a parità di condizioni operative) e per esempio la CBM è efficiente in questo periodo; ragionando così si perviene ai cosiddetti approcci ibridi che di fatto sono quelli più diffusi.
A risultati diversi invece conduce una strategia di manutenzione pro-attiva finalizzata al risparmio energetico. Infatti
nella scrittura della funzione di costo dovrà essere introdotto
(col segno meno) il costo evitato dell’energy saving.
La quantificazione del risparmio energetico
Per quantificare il beneficio economico di una strategia di
manutenzione pro-attiva, si propongono, come metodo quantitativo per la stima dei kWh risparmiati, le seguenti equazioni:
(4)
(5)
dove:
- Pn = potenza nominale [kW] del motore,
- Fi = fattore di carico dell’i-esima condizione di utilizzo,
- ηN = efficienza ottenuta implementando la strategia di
manutenzione basata sul risparmio energetico,
- ηO = efficienza prima di implementare la strategia,
- hi = ore annue di esercizio in ciascuna condizione di carico,
- n = numero delle configurazioni di carico per il motore.
Ad esempio, se il motore funziona al 50% del carico nominale, al 75% ed al 100%, n sarà pari a 3 e si calcoleranno i kW
risparmiati in tre intervalli di fattore di carico.
Le best pratices industriali suggeriscono che un’opportuna
manutenzione aumenta del 10\15% il rendimento delle apparecchiature meccaniche: questa quota di risparmio energetico
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Nel lavoro è stata presentata una sintesi delle tecniche diagnostiche oggi impiegate sui motori elettrici, nell’ottica di una
manutenzione su condizione (o predittiva). Le stesse tecniche
possono essere utilmente impiegate nell’ambito di una manutenzione di tipo pro-attivo, orientata a intervenire con opportune attività di manutenzione ogniqualvolta il rendimento
scenda sotto un livello prefissato.
In questo modo, il costo operativo del motore dovrà tenere
conto, oltre che del costo di manutenzione CM e del costo di
mancata produzione a causa di un guasto CG, anche del costo
evitato legato al risparmio energetico –CE, ottenuto mantenendo il rendimento del motore al di sopra del livello stabilito.
Bibliografia
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[9] http://www.petersonpredict.com/
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