1. Fondamenti elettrici per l'analista delle vibrazioni

Prima di diagnosticare i difetti del motore in base agli spettri delle vibrazioni, è essenziale comprendere le principali frequenze elettriche che determinano le vibrazioni del motore.

1.1. Frequenza di linea (LF)

Frequenza di alimentazione CA: 50 Hz nella maggior parte dell'Europa, dell'Asia, dell'Africa e della Russia; 60 Hz in Nord America e in alcune parti del Sud America e dell'Asia. Tutte le forze elettromagnetiche nel motore derivano da questa frequenza.

1.2. Doppia frequenza di linea (2×LF)

Il frequenza della forza elettromagnetica dominante nei motori a corrente alternata. In un sistema a 50 Hz, 2×LF = 100 Hz; in un sistema a 60 Hz, 2×LF = 120 Hz. La forza di attrazione magnetica tra statore e rotore raggiunge il picco due volte per ciclo elettrico, rendendo 2×LF la frequenza fondamentale di "vibrazione elettrica" di ogni motore a corrente alternata.

1.3. Velocità sincrona e slittamento

Il campo magnetico dello statore ruota a velocità sincrona:

dove P è il numero di poli. Il rotore di un motore a induzione ruota sempre leggermente più lentamente. Questa differenza è scontrino:

Scorrimento tipico a pieno carico per motori a induzione standard: 1–5%. Per un motore a 2 poli a 50 Hz: N_s = 3000 giri/min, velocità effettiva ≈ 2940–2970 giri/min.

1.4. Frequenza di passaggio del polo (F_p)

La velocità con cui i poli del rotore "scivolano" oltre i poli dello statore. Il risultato è universale — indipendentemente dal conteggio dei poli:

Per un motore funzionante a 50 Hz con scorrimento 2%: F_p = 2 × 0,02 × 50 = 2 Hz. Questa frequenza appare come bande laterali caratteristiche negli spettri delle barre del rotore rotte.

1.5. Frequenza di passaggio della barra del rotore

Dove R è il numero di barre del rotore. Questa frequenza e le sue bande laterali diventano significative quando le barre del rotore sono danneggiate.

1.6. Tabella di riferimento della frequenza chiave

StatoreRotoreAvvolgimentiIntercapedine d'ariaMeccanicoAssiale Qualsiasi distorsione del traferro modifica direttamente l'attrazione magnetica, modificando immediatamente il modello di vibrazione. Il simbolo ± indica le bande laterali (modulazione).

2. Panoramica dei metodi diagnostici

Nessuna tecnica, da sola, può rilevare tutti i difetti dei motori elettrici. Un programma diagnostico affidabile combina diversi metodi complementari:

VibrazioniMCSAESAMCATermografia Nessun metodo singolo garantisce una copertura completa. Si raccomanda vivamente un approccio diagnostico combinato.

2.1. Analisi spettrale delle vibrazioni

Strumento principale per la diagnostica della maggior parte delle apparecchiature rotanti. Gli accelerometri sugli alloggiamenti dei cuscinetti catturano gli spettri che rivelano difetti meccanici (sbilanciamento, disallineamento, usura dei cuscinetti) e alcuni difetti elettrici (traferro irregolare, avvolgimenti allentati). Tuttavia, l'analisi delle vibrazioni da sola non può rilevare tutti i guasti elettrici del motore.

2.2. Analisi della firma della corrente del motore (MCSA)

Una pinza amperometrica su una fase cattura lo spettro di corrente. Le barre del rotore rotte producono bande laterali a LF ± F p. L'MCSA viene eseguito online ed è completamente non invasivo.

2.3. Analisi della firma elettrica (ESA)

Analizza simultaneamente gli spettri di tensione e corrente presso l'MCC. Rileva asimmetrie della tensione di alimentazione, distorsioni armoniche e problemi di qualità dell'alimentazione.

2.4. Analisi del circuito motore (MCA)

UN non in linea Test di misurazione della resistenza fase-fase, dell'induttanza, dell'impedenza e della resistenza di isolamento. Essenziale durante gli arresti per manutenzione.

2.5. Monitoraggio della temperatura

L'andamento della temperatura dell'avvolgimento dello statore e della temperatura dei cuscinetti fornisce un avviso tempestivo di sovraccarico, problemi di raffreddamento e degrado dell'isolamento.

3. Difetti dello statore

I difetti dello statore sono responsabili di circa 23–37% di tutti i guasti del motore. Lo statore è la parte fissa contenente il nucleo di ferro laminato e gli avvolgimenti. I difetti producono vibrazioni principalmente a 2×LF (100 Hz / 120 Hz) e i suoi multipli.

3.1. Eccentricità dello statore — Traferro d'aria irregolare

Il traferro tra rotore e statore è tipicamente 0,25–2 millimetri. Anche una variazione 10% crea uno squilibrio misurabile della forza elettromagnetica.

Cause

• piede zoppo — la causa più comune
• Alloggiamenti dei cuscinetti usurati o danneggiati
• Deformazione del telaio dovuta a trasporto o installazione impropri
• Distorsione termica in condizioni operative
• Scarse tolleranze di fabbricazione

Firma spettrale

• Tipicamente dominante 2×LF nello spettro della velocità radiale
• Spesso accompagnato da un lieve aumento di 1X e 2X a causa dell'attrazione magnetica sbilanciata (UMP)
• Eccentricità statica: 2×LF domina con poca modulazione
• Componente dinamica: bande laterali a 2×LF ± 1X può apparire

Valutazione della gravità

Nota: queste sono linee guida illustrative, non uno standard formale. Confrontare sempre con i valori di riferimento della macchina.

Test di conferma

Test di spegnimento (test istantaneo): durante il monitoraggio delle vibrazioni, disattivare il motore. Se il picco 2×LF scende bruscamente — in pochi secondi, molto più velocemente del rallentamento meccanico — la fonte è elettromagnetica.

3.2. Avvolgimenti dello statore allentati

Gli avvolgimenti dello statore sono sottoposti a forze elettromagnetiche a 2×LF durante ogni ciclo operativo. Nel corso degli anni, il fissaggio meccanico (resine epossidiche, vernici, cunei) può degradarsi. Gli avvolgimenti allentati vibrano a 2×LF con ampiezza crescente, accelerando l'usura dell'isolamento per sfregamento.

Firma spettrale

• Vibrazione prevalentemente radiale
• 2×LF potrebbe essere meno stabile: leggere fluttuazioni di ampiezza
• Casi gravi: armoniche a 4×LF, 6×LF

Conseguenze

Questo è distruttivo per l'isolamento degli avvolgimenti — provoca un degrado accelerato, guasti a terra imprevedibili e il completo guasto dello statore, che richiede il riavvolgimento.

3.3. Cavo di alimentazione allentato — Asimmetria di fase

Un contatto scadente crea asimmetria di resistenza. Anche Asimmetria di tensione 1% provoca circa Asimmetria della corrente 6–10%. Le correnti sbilanciate creano una componente di campo magnetico rotante all'indietro.

Firma spettrale

• L'ampiezza 2×LF aumenta a causa dell'attrazione magnetica sbilanciata
• In alcuni casi, bande laterali vicine a ±⅓×LF (~16,7 Hz nei sistemi a 50 Hz) attorno al picco 2×LF
• Nello spettro di corrente (MCSA): corrente di sequenza negativa elevata

Controlli pratici

• Controllare tutte le terminazioni dei cavi, i collegamenti delle barre collettrici, i contatti dei contattori
• Misurare la resistenza fase-fase, entro 1% l'una dall'altra
• Misurare la tensione di alimentazione su tutte e tre le fasi: l'asimmetria non deve superare 1%
• Termografia IR della scatola di terminazione dei cavi

3.4. Lamierini dello statore in cortocircuito

I danni all'isolamento tra le lamine consentono la circolazione di correnti parassite, creando punti caldi localizzati. Non sempre rilevabili negli spettri di vibrazione. La termografia IR è il metodo di rilevamento primario. Offline: test del nucleo elettromagnetico (test EL-CID).

3.5. Cortocircuito tra le curve

Un cortocircuito tra spire crea un loop di corrente circolante localizzato, riducendo le spire effettive nella bobina interessata. Produce un aumento 2×LF, elevata terza armonica di bassa frequenza nella corrente e asimmetria della corrente di fase. Rilevabile al meglio tramite test di sovratensione MCA offline.

2×LF1X / 2XBande laterali Il test di spegnimento conferma l'origine elettromagnetica: se 2×LF cala bruscamente durante la diseccitazione (molto più velocemente del coastdown), la sorgente è elettromagnetica.

4. Difetti del rotore

I difetti del rotore rappresentano circa 5–10% di guasti al motore ma sono spesso i più difficili da individuare precocemente.

4.1. Barre del rotore rotte e anelli terminali incrinati

Quando una barra si rompe, la ridistribuzione della corrente crea un'asimmetria magnetica locale, ovvero un "punto magnetico pesante" che ruota alla frequenza di scorrimento rispetto al campo dello statore.

Firma di vibrazione

• 1X picco con bande laterali a ± F_p. Per slittamento 50 Hz / 2%: bande laterali a 1X ± 2 Hz
• Casi gravi: bande laterali aggiuntive a ± 2F_p, ± 3F_p
• 2×LF può anche mostrare F_p bande laterali

Firma MCSA

Scala di gravità MCSA

Importante: l'MCSA richiede un carico costante vicino alle condizioni nominali. A carico parziale, l'ampiezza della banda laterale diminuisce.

Forma d'onda del tempo

Le barre del rotore rotte producono una caratteristica "modello di "battitura" — l'ampiezza modula alla frequenza di passaggio del polo. Spesso visibile prima che le bande laterali spettrali diventino evidenti.

1XBande laterali ±FpBande laterali MCSA La conferma migliore per la rottura delle barre del rotore è tramite MCSA. Lo spettro di vibrazione suggerisce il difetto; l'MCSA fornisce una valutazione quantitativa della gravità.

4.2. Eccentricità del rotore (statica e dinamica)

Eccentricità statica

Offset dell'asse centrale dell'albero rispetto al foro dello statore. Produce un aumento 2×LF. In corrente: armoniche della fessura del rotore a f_RBPF ± LF.

Eccentricità dinamica

Il centro del rotore orbita attorno al centro del foro dello statore. Produce 1X con 2 bande laterali LF e frequenza di passaggio della barra del rotore elevata. In corrente: bande laterali a LF ± f_marcire.

Nella pratica, entrambi i tipi sono solitamente presenti simultaneamente: il modello è una sovrapposizione.

4.3. Arco del rotore termico

I motori di grandi dimensioni possono sviluppare un gradiente di temperatura che causa un arco temporaneo. Produce 1X che varia nel tempo Dopo l'avvio, in genere aumenta per 15-60 minuti, per poi stabilizzarsi. L'angolo di fase varia con lo sviluppo dell'arco. Per distinguerlo dallo sbilanciamento meccanico (che è stabile), è necessario monitorare ampiezza e fase 1X per 30-60 minuti dopo l'avvio.

4.4. Spostamento del campo elettromagnetico (spostamento assiale)

Se il rotore è spostato assialmente rispetto allo statore, la distribuzione del campo elettromagnetico diventa assialmente asimmetrica. Il rotore subisce un'oscillazione forza elettromagnetica assiale a 2×LF.

Cause

• Posizionamento assiale del rotore non corretto durante il montaggio o dopo la sostituzione del cuscinetto
• Usura del cuscinetto che consente un gioco assiale eccessivo
• Spinta dell'albero dalla macchina condotta
• Espansione termica durante il funzionamento

Forza EM assialeSpostamento / sbalzoStatore CLRilevamento L'assiale 2×LF che scompare istantaneamente allo spegnimento è il principale elemento di differenziazione rispetto alle cause meccaniche.

5. Difetti elettrici correlati ai cuscinetti

5.1. Correnti dei cuscinetti ed EDM

La tensione tra l'albero e l'alloggiamento provoca il flusso di corrente attraverso i cuscinetti. Fonti: asimmetria magnetica, tensione di modo comune VFD, carica statica. Scariche ripetute creano microscopiche cavità (Elettroerosione) che porta a scanalatura — scanalature uniformemente distanziate sulle piste.

Firma spettrale

• Frequenze di difetti dei cuscinetti (BPFO, BPFI, BSF) con picchi molto uniformi e "puliti"
• Elevato livello di rumore ad alta frequenza nello spettro di accelerazione
• Avanzato: caratteristico suono "a tavola da lavare"

Prevenzione

• Cuscinetti isolati (anelli rivestiti)
• Spazzole di messa a terra dell'albero (specialmente per applicazioni VFD)
• Filtri di modo comune sull'uscita VFD
• Misurazione regolare della tensione dell'albero: picco inferiore a 0,5 V

6. Effetti dell'azionamento a frequenza variabile (VFD)

6.1. Spostamento di frequenza

Tutte le frequenze elettriche del motore variano proporzionalmente alla frequenza di uscita del VFD. Se il VFD funziona a 45 Hz, 2×LF diventa 90 Hz. Le bande di allarme devono essere adattabile alla velocità.

6.2. Armoniche PWM

La frequenza di commutazione (2–16 kHz) e le bande laterali compaiono negli spettri. Possono causare rumore udibile e correnti nei cuscinetti.

6.3. Eccitazione torsionale

Le armoniche di ordine basso (5a, 7a, 11a, 13a) creano pulsazioni di coppia che possono eccitare frequenze naturali torsionali.

6.4. Eccitazione di risonanza

Quando il VFD attraversa un intervallo di velocità, le frequenze di eccitazione possono attraversare le frequenze naturali strutturali. È necessario stabilire mappe di velocità critiche per le apparecchiature azionate da VFD.

7. Riepilogo della diagnosi differenziale

ElettricoMeccanicoAnalisi 2×LFDifetti del rotore Il test di spegnimento istantaneo è la prima biforcazione dell'albero diagnostico. Una volta confermata l'origine elettrica, la frequenza e la direzione dominanti restringono la diagnosi.

8. Strumentazione e tecniche di misurazione

8.1. Requisiti per la misurazione delle vibrazioni

8.2. Balanset-1A per la diagnostica del motore

Il vibrometro portatile a doppio canale Balanset-1A (VibroMera) fornisce funzionalità fondamentali per la diagnostica delle vibrazioni dei motori:

Dopo aver diagnosticato e corretto il difetto del motore, il Balanset-1A può essere utilizzato per bilanciamento del rotore in situ — completando l'intero flusso di lavoro dalla diagnosi alla correzione senza rimuovere il motore.

8.3. Migliori pratiche di misurazione

• Tre direzioni — verticale, orizzontale e assiale — su ciascun cuscinetto. L'assiale è fondamentale per lo spostamento del campo elettromagnetico
• Preparare le superfici — rimuovere vernice e ruggine per un accoppiamento affidabile dell'accelerometro
• Condizioni di stato stazionario — velocità nominale, carico, temperatura
• Condizioni operative record — velocità, carico, tensione, corrente con ogni misurazione
• Tempi coerenti — stesse condizioni per i confronti di tendenza
• Test di spegnimento quando si sospetta una vibrazione elettrica: richiede pochi secondi e fornisce un'identificazione affidabile della fonte

9. Riferimenti normativi

• GOST R ISO 20816-1-2021 — Vibrazioni. Misurazione e valutazione delle vibrazioni delle macchine. Parte 1. Linee guida generali.
• GOST R ISO 18436-2-2005 — Monitoraggio delle condizioni. Monitoraggio delle condizioni di vibrazione. Parte 2. Formazione e certificazione.
• ISO 20816-1:2016 — Vibrazioni meccaniche. Misurazione e valutazione. Parte 1: Linee guida generali.
• Norma ISO 10816-3:2009 — Valutazione delle vibrazioni delle macchine. Parte 3: Macchine industriali >15 kW.
• IEC 60034-14:2018 — Macchine elettriche rotanti. Parte 14: Vibrazioni meccaniche.
• IEEE 43-2013 — Pratica consigliata per testare la resistenza di isolamento.
• IEEE 1415-2006 — Guida per i test di manutenzione delle macchine a induzione.
• NEMA MG 1-2021 — Motori e generatori. Limiti di vibrazione e prove.
• Norma ISO 1940-1:2003 — Requisiti di qualità dell'equilibrio per i rotori.

10. Conclusione

1. 2×LF è l'indicatore elettromagnetico primario. Un picco evidente a una frequenza esattamente doppia rispetto a quella di alimentazione suggerisce fortemente una sorgente elettromagnetica. Il test di spegnimento fornisce conferma.
2. La direzione è importante. Radiale 2×LF → traferro / avvolgimenti / alimentazione. Assiale 2×LF + 1X → spostamento del campo elettromagnetico: uno dei difetti più distruttivi.
3. Le bande laterali raccontano la storia. ± ⅓×LF → problemi con il cavo di alimentazione. ± F_p → barre del rotore rotte. Il pattern delle bande laterali è spesso più diagnostico del picco principale.
4. La risoluzione spettrale è fondamentale. Per motori a 2 poli a 50 Hz, 2X e 2×LF distano solo ~2 Hz. La risoluzione ≤ 0,5 Hz è obbligatoria.
5. Combinare i metodi. Vibrazione + MCSA + MCA + Termografia. Nessun metodo copre tutti i difetti.
6. Parla con gli elettricisti. Il personale addetto alla riparazione dei motori possiede conoscenze insostituibili sui motori specifici, sulla loro storia e sulle condizioni di fornitura.

Flusso di lavoro consigliato

Fasi diagnosticheMCSAVerifica Seguire questa sequenza sistematicamente. Il test di spegnimento (fase 2) richiede pochi secondi e distingue in modo affidabile la fonte elettrica da quella meccanica.

Moderni vibrometri portatili a doppio canale come il Balanset-1A consentono ai tecnici sul campo di eseguire analisi delle vibrazioni spettrali con la risoluzione e la precisione di fase richieste per l'identificazione dei difetti del motore, dal rilevamento di traferri irregolari all'analisi di fase incrociata fino al successivo bilanciamento del rotore in situ.