I motori elettrici svolgono un ruolo fondamentale nella nostra vita quotidiana, dove viviamo, lavoriamo e giochiamo.In poche parole, fanno quasi tutto ciò che si muove, si muove.Quasi il 70 per cento dell'elettricità consumata dall'industria viene utilizzata dai sistemi di motori elettrici.1

Circa il 75% dei motori industriali in funzione viene utilizzato per azionare pompe, ventilatori e compressori, una categoria di macchinari altamente suscettibile a importanti miglioramenti dell'efficienza2.Queste applicazioni funzionano spesso a velocità costante, in ogni momento, anche quando non sono necessarie.Questa operazione costante spreca energia e produce emissioni di CO2 non necessarie, ma controllando la velocità di un motore, possiamo ridurre il consumo di energia, risparmiare energia e ridurre l'impatto ambientale.

Un modo per controllare la velocità di un motore è attraverso l'uso di un variatore di velocità (VSD), un dispositivo che regola la velocità di rotazione di un motore elettrico variando la frequenza e la tensione fornite al motore.Controllando la velocità di un motore, un azionamento può ridurre il consumo di energia (ad esempio, riducendo la velocità dell'attrezzatura rotante del 20 percento può ridurre i requisiti di alimentazione in ingresso di circa il 50 percento3) e fornire un notevole miglioramento nel controllo del processo e un notevole risparmio sui costi di esercizio nel corso della vita dei moAs utili come VSD per risparmiare energia in molte applicazioni, possono causare guasti prematuri al motore se non adeguatamente collegati a terra.Sebbene ci siano molte diverse cause di guasti ai motori elettrici, il problema più comune quando si utilizza un azionamento è il guasto dei cuscinetti causato dalla tensione di modo comune.

Danni causati dalla tensione di modo comune

In un sistema CA trifase, la tensione di modo comune può essere definita come lo squilibrio presente tra le tre fasi creato dalla potenza modulata in ampiezza di impulso del convertitore, o la differenza di tensione tra la massa del generatore e il punto neutro dei tre carico di fase.Questa tensione di modo comune fluttuante induce elettrostaticamente la tensione sull'albero del motore e questa tensione dell'albero può scaricarsi attraverso gli avvolgimenti o attraverso i cuscinetti.I moderni design ingegneristici, l'isolamento di fase e il filo resistente ai picchi dell'inverter possono aiutare a proteggere gli avvolgimenti;tuttavia, quando il rotore vede un accumulo di picchi di tensione, la corrente cerca il percorso di minor resistenza verso terra.Nel caso di un motore elettrico, questo percorso scorre direttamente attraverso i cuscinetti.

Poiché i cuscinetti del motore utilizzano il grasso per la lubrificazione, l'olio nel grasso forma una pellicola che funge da dielettrico, il che significa che può trasmettere le forze elettriche senza conduzione.Nel tempo, però, questo dielettrico si rompe.Senza le proprietà di isolamento del grasso, la tensione dell'albero si scaricherà attraverso i cuscinetti, quindi attraverso l'alloggiamento del motore, per ottenere la messa a terra elettrica.Questo movimento di corrente elettrica provoca archi nei cuscinetti, comunemente indicati come elettroerosione meccanica (EDM).Poiché questo arco continuo si verifica nel tempo, le aree della superficie della pista del cuscinetto diventano fragili e minuscoli pezzi di metallo possono rompersi all'interno del cuscinetto.Alla fine, il materiale danneggiato si fa strada tra le sfere e le piste del cuscinetto, provocando un effetto molatura, che può produrre pitting di dimensioni micron, chiamato frosting, o creste simili a washboard nella pista del cuscinetto, chiamate scanalature.

Alcuni motori possono continuare a funzionare man mano che il danno peggiora progressivamente, senza problemi evidenti.Il primo segno di danneggiamento del cuscinetto è solitamente un rumore udibile, dovuto alle sfere del cuscinetto che viaggiano sulle aree bucherellate e ghiacciate.Ma nel momento in cui si verifica questo rumore, il danno è generalmente diventato abbastanza consistente da rendere imminente il guasto.

Basato sulla prevenzione

Le applicazioni industriali in genere non presentano queste difficoltà di cuscinetto sui motori a velocità variabile, ma in alcune installazioni, come gli edifici commerciali e la movimentazione dei bagagli negli aeroporti, non è sempre disponibile una solida messa a terra.In questi casi, è necessario utilizzare un altro metodo per deviare questa corrente lontano dai cuscinetti.La soluzione più comune consiste nell'aggiungere un dispositivo di messa a terra dell'albero a un'estremità dell'albero del motore, soprattutto nelle applicazioni in cui la tensione di modo comune può essere più prevalente.Una messa a terra dell'albero è essenzialmente un mezzo per collegare il rotore rotante del motore a terra attraverso il telaio del motore.L'aggiunta di un dispositivo di messa a terra dell'albero al motore prima dell'installazione (o l'acquisto di un motore con uno preinstallato) può essere un piccolo prezzo da pagare rispetto al prezzo dei costi di manutenzione associati alla sostituzione dei cuscinetti, per non parlare degli elevati costi di tempi di fermo in una struttura.

Oggi nel settore sono disponibili diversi tipi comuni di dispositivi di messa a terra dell'albero, come spazzole di carbone, spazzole in fibra ad anello e isolatori dei cuscinetti di messa a terra e sono disponibili anche altri metodi di protezione dei cuscinetti.

Le spazzole di carbone sono in uso da più di 100 anni e sono simili alle spazzole di carbone utilizzate sui commutatori dei motori CC.Le spazzole di messa a terra forniscono il collegamento elettrico tra le parti rotanti e stazionarie del circuito elettrico del motore e portano la corrente dal rotore a terra in modo che la carica non si accumuli sul rotore fino al punto in cui si scarica attraverso i cuscinetti.Le spazzole di messa a terra offrono un mezzo pratico ed economico per fornire un percorso a terra a bassa impedenza, specialmente per motori con telaio più grande;tuttavia, non sono privi di inconvenienti.Come per i motori a corrente continua, le spazzole sono soggette ad usura a causa del contatto meccanico con l'albero e, indipendentemente dal design del portaspazzole, l'assieme deve essere periodicamente ispezionato per garantire il corretto contatto tra le spazzole e l'albero.

Gli anelli di messa a terra dell'albero funzionano come una spazzola di carbone, ma contengono più fili di fibre elettricamente conduttive disposte all'interno di un anello attorno all'albero.L'esterno dell'anello, che è tipicamente montato sulla piastra terminale del motore, rimane fermo, mentre le spazzole scorrono sulla superficie dell'albero del motore, dirigendo la corrente attraverso le spazzole e verso terra in sicurezza.Gli anelli di messa a terra dell'albero possono essere montati all'interno del motore, consentendone l'uso su motori per lavaggio e sporco.Tuttavia, nessun metodo di messa a terra dell'albero è perfetto e gli anelli di messa a terra montati esternamente tendono a raccogliere i contaminanti sulle loro setole, il che può ridurne l'efficacia.

Gli isolatori per cuscinetti di messa a terra combinano due tecnologie: uno schermo di isolamento in due parti senza contatto che utilizza un design a labirinto per impedire l'ingresso di contaminanti e un rotore metallico e un anello di filamento conduttivo isolato per deviare le correnti dell'albero dai cuscinetti.Poiché questi dispositivi prevengono anche la perdita di lubrificante e la contaminazione, sostituiscono le guarnizioni dei cuscinetti standard e gli isolatori dei cuscinetti tradizionali.

Un altro modo per impedire una scarica di corrente attraverso i cuscinetti consiste nel fabbricare i cuscinetti da un materiale non conduttore.Nei cuscinetti in ceramica, le sfere rivestite in ceramica proteggono i cuscinetti impedendo alla corrente dell'albero di fluire attraverso i cuscinetti al motore.Poiché nessuna corrente elettrica scorre attraverso i cuscinetti del motore, ci sono poche possibilità di usura indotta dalla corrente;tuttavia, la corrente cercherà un percorso verso terra, il che significa che passerà attraverso le apparecchiature collegate.Poiché i cuscinetti in ceramica non rimuoveranno la corrente dal rotore, per i motori con cuscinetti in ceramica si consigliano solo specifiche applicazioni ad azionamento diretto.Altri inconvenienti sono il costo di questo tipo di cuscinetti del motore e il fatto che i cuscinetti sono generalmente disponibili solo fino alla dimensione 6311.

Sui motori di potenza superiore a 100 cavalli, si consiglia generalmente di installare un cuscinetto isolato sull'estremità opposta del motore su cui è installato il dispositivo di messa a terra dell'albero, indipendentemente dallo stile di messa a terra dell'albero utilizzato.

Tre consigli per l'installazione dell'azionamento a velocità variabile

Tre considerazioni per il tecnico della manutenzione quando tenta di ridurre la tensione di modo comune in applicazioni a velocità variabile sono:

1. Assicurarsi che il motore (e il sistema motore) siano correttamente collegati a terra.
2. Determinare il corretto bilanciamento della frequenza portante, che minimizzerà i livelli di rumore e lo squilibrio di tensione.
3. Se si ritiene necessario un dispositivo di messa a terra dell'albero, selezionarne uno che funzioni meglio per l'applicazione.

Quando è presente una corrente di rilevamento, non esiste una soluzione adatta a tutte le dimensioni.È fondamentale che il cliente, il fornitore di motori e azionamenti collaborino per identificare la soluzione più appropriata per l'applicazione specifica.