Risparmio energetico attraverso la Manutenzione Predittiva applicata ai Motori elettrici. Claudio Cola SPM Instrument S.r.l.

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1 Risparmio energetico attraverso la Manutenzione Predittiva applicata ai Motori elettrici Claudio Cola SPM Instrument S.r.l. Workshop - Riduzione dei costi energetici: strumenti e sistemi di gestione

2 I2 Industrial Innovation S.r.l. Offre prodotti e servizi innovativi a supporto dei processi aziendali: Marketing R&D e progettazione Produzione Manutenzione Troubleshooting Training Comunicazione Soluzioni in tempo reale, in mobilità ed in remoto. Sito: Mail: sales@industrial-innovation.it Tel SPM Instrument Srl strumenti, servizi e consulenza per la Manutenzione su Condizione e l ottimizzazione dei consumi energetici: Analisi Vibrazioni - Condition monitoring [strumenti portatili ed online] Controllo macchine elettriche Power Quality Allineamento /laser Equilibratura Termografia Training Sito: Mail: info@spminstrument.it Tel. 0732/ Novima S.r.l. Consulenza per l identificazione di soluzioni tecniche, progettuali e documentali nel campo della sicurezza di macchine e impianti industriali: Marcatura CE di macchine e impianti Sicurezza ambientale Manuali uso e manutenzione, training e manuali officina Cataloghi ricambi e tempari Traduzioni tecniche Novima S.r.l. Sito : Mail: info@novimasrl.it Tel: Risparmio energetico attraverso la Manutenzione Predittiva applicata ai Motori elettrici Claudio Cola SPM Instrument S.r.l.

3 Possibilità nascoste: [Una corretta strategia manutentiva deve essere condivisa e parte di una visione allargata in tutte le aree di una azienda] MANUTENZIONE PERDITE DI QUALITÀ PERDITE DI ENERGIA COSTI CAPITALE PERDITE DI CAPACITÀ AMBIENTE DI LAVORO PERDITE DI PRODUZIONE MERCATO PERSO AUMENTO INVESTIMENTI Spesso i costi di manutenzione messi a budget sono solo la punta dell iceberg. I costi reali, molte volte sotto forma di mancati guadagni, sono nascosti, o riemergono in qualche altro budget.

4 STABILISCI UNA TUA STRATEGIA DI MANUTENZIONE

5 LA MANUTENZIONE A GUASTO: [REATTIVA, O MANUTENZIONE ISTERICA] il guasto avviene casualmente (spesso di notte o il sabato mattina) al danno primario si aggiunge sempre un danno secondario. provoca inevitabilmente il fermo dell impianto (mancata rischio aumentato per gli infortuni potenziale rischio ambientale i tempi di riparazione sono sempre lunghi (reperibilità dei pezzi competenti) produzione) di ricambio e delle persone =

6 LA MANUTENZIONE PREVENTIVA: [PROGRAMMATA, CALENDARIZZATA, TIME BASED] Il concetto di base è quello di regolari revisioni del macchinario prima che sopraggiunga un guasto, considerando solo la probabilità di vita del componente soggetto a normale usura: Ovvero si considera solo la possibilità di vita utile di un componente.

7 LA MANUTENZIONE PREDITTIVA: [MANUTENZIONE SU CONDIZIONE] Il concetto di base è: SE NON C E NIENTE DI ROTTO, NON RIPARARLO. Le macchine manifestano le loro necessità attraverso una serie di segnali deboli prima che questo possa costituire un problema serio di guasto, le macchine esprimono la loro condizione operativa attraverso vibrazioni, shock, rumore, temperatura ecc

8 LA MANUTENZIONE PROATTIVA: [MANUTENZIONE MIGLIORATIVA] Il concetto di base è rimuovere le possibili cause di guasto riconosciute, prima che possano costituire un problema da gestire. corretto allineamento adeguato bilanciamento corretta revisione delle macchine analisi delle cause di guasto corretta lubrificazione training del personale ecc

9 quindi la migliore strategia manutentiva è un accorta miscelazione delle 4 ma ha come punto cardine il monitoraggio delle macchine (la manutenzione su condizione)

10 L IMPORTANTE E UTILIZZARE LE OPPORTUNE TECNICHE DIAGNOSTICHE :

11 Metodo SPM Intensità delle vibrazioni Metodo EVAM Motortesting Analisi MCA ed ESA Condizioni dei cuscinetti Lubrificazione dei cuscinetti Sbilanciamento Difetto di allineamento Parti allentate Debolezza strutturale Danni agli ingranaggi Analisi FFT Danni agli avvolgimenti Efficienza energetica

12 Manutenzione su condizione di motori elettrici con AT PRO MCA (motor circuit analysis). ESA (electrical signature analysis) Opportunità di efficientamento energetico

13 Necessità di avere un programma di Motor Testing Individuare opportunità di recupero energetico Verificare la condizione di un motore elettrico prevenendo i fermi inattesi Stimare la vita residua del motore ai fini della programmazione delle attività di manutenzione 13

14 Evolversi del guasto e conseguente perdita di efficienza Il guasto ad un motore elettrico è inevitabile e solo questione di tempo Video ripreso all avvio di un motore elettrico. Tutti I guasti nascono tra filo e filo degli avvolgimenti per effetto dell attrito tra di essi.

15 Cause di guasto di un motore elettrico Causes of Motor Failure Rotor Failures 10% Stator Failures 37% Balance and Alignment 12% Bearings 41% Corto circuito 22 % Basso isolamento 5 % Avvolgimenti contaminati/surriscaldati 38 % Connessioni lente 35 %

16 TECNICHE DI MOTOR TESTING DI TIPO STATICO (off-line)

17 Cosa può fare il Motor Testing? Eseguire i test direttamente dal quadro elettrico Controllare i motori giacenti a magazzino Controllare le connessioni elettriche, (cavi & motore) per recupero energetico Individuare rotture alle barre del rotore Corti circuiti tra fili di una stessa matassa della stessa fase Corti circuiti tra matasse della stessa fase Corti circuiti tra fase e fase Contaminazione degli avvolgimenti, difetti di isolamento & eccentricità dell air-gap Verificare motori AC/DC, generatori & trasformatori

18 Il dipolo elettrico Un campo elettrico polarizza l atomo. Interrompendo il campo elettrico, gli atomi ritornano alla loro posizione originaria rilasciando l energia accumulata (es. la scarica che si percepisce a seguito di una prova di isolamento col Megaohmetro). L atomo diventa più resistivo al passaggio di corrente elettrica fino al valore massimo di resistività dielettrica. La capacitanza varia Potenziale negativo Potenziale positivo

19 Conduttore Orientamento dei dipoli Capacitanza Alta Bassa Terra Alta Conduttore MegOhms Alta Isolamento verso terra Bassa 19 Tensione Alta

20 Movimento dei dipoli conduttore conduttore conduttore Difetto Capacitivo conduttore conduttore conduttore Isolante con difetto

21 Grandezze impiegate MCA Rilievo di alcune grandezze Resistenza Impedenza Induttanza Capacitanza Angolo di fase Rapporto Corrente/Frequenza Forma d onda rotorica Test Soglie Descrizione Impedenza 3% Devono essere equilibrate Fi +- 1 punto Indica la presenza di corti circuiti. Una lettura di è buona, mentre indica la presenza di un corto I/F +- 2 punti Indica la presenza di corti circuiti. Una lettura di è buona, mentre indica la presenza di un corto Isolamento >5 MΩ Per motori fino a 600 V Isolamento >100 MΩ Per motori maggiori di 600 V e motori DC IEEE STANDARD (Reccomended practice for testing insulation Resistance of Rotating Machinery) IEEE STANDARD (Guide for insulation maintenance of Rotating Machinery) IEEE STANDARD (Standard test code for Resistance Measurements) IEEE STANDARD (Test guide for Electrical Instruments) IEEE STANDARD (Standard for Transformers and Inductors) IEEE STANDARD (Reccomended practice for testing electronics Transformers and Inductors) IEEE STANDARD (Standardfor Transformers and Inductors) ANSI/EASA Standard AR IEC/EN

22 Recupero energetico con prove statiche Recuperi energetici conseguibili in 3 maniere Individuazione degli squilibri di Impedenza Z Individuazione di anomalie alle connessioni elettriche Individuazione di problemi al rotore

23 Squilibrio di impedenza Un motore con un significativo squilibrio di impedenza lavora con un efficienza più bassa rispetto a quella di targa. Uno squilibrio di impedenza crea uno squilibrio di corrente nelle tre fasi che infine si traduce in una generazione di calore con effetti negativi sulla durata degli avvolgimenti e dei cuscinetti. In particolare la riduzione dell efficienza del motore può essere desunta dal seguente grafico: 23

24 Esempio di recupero conseguibile da uno squilibrio di impedenza Motore da 50Hp con carico al 85% ed efficienza del 95% che lavora 6000 h/anno (250 giorni) 50 hp *.746 * 0.85 * [(100/91) (100/95)] = 1.47 kw 6.000h/anno * 1.47kW = 8820 kwh Costo kwh /kwh oppure 200 g diesel /kwh Incremento Annuo dei Costi Energetici = equivalenti a 1960 litri di gasolio

25 Esempio di recupero conseguibile da un difetto di Si prenda, un motore elettrico avente le seguenti caratteristiche: 1. Motore da 50 kw 2. Fattore di potenza Efficienza di targa 95% 4. Ore lavoro/anno 6000 (in moto circa 250 giorni) 5. Squilibrio di R di 0.5 Ω connessioni 6. Costo energia elettrica /kwh oppure 200 g di diesel/kwh 7. Corrente assorbita 85 A Extra potenza assorbita per effetto dello squilibrio= I 2 R/1000 = (85 2 * 0.5)/1000 = 3.61 kw Maggior consumo energetico annuo per effetto dello squilibrio = 3.61 kw*6000 h = kwh Incremento Annuo dei Costi Energetici = 2815 equivalenti a 4800 litri di gasolio

26 Tipico risultato di prima indagine 28 % in allarme 72 % OK 26

27 TECNICHE DI MOTOR TESTING DI TIPO DINAMICO (on-line)

28 Misure on line On-line Electrical Signature Analysis (ESA) for Stato di salute dell intero sistema Power Quality ed azionamenti (drive) Stato motore (statore e rotore) Condizione meccanica del carico

29 Misure on line Direttamente sulla morsettiera del quadro Rileva corrente e tensione Non occorre scollegare alcuna apparecchiatura 29

30 ESA in breve Rilevazione della forma d onda di corrente e tensione Analisi FFT Individua molti guasti elettrici e meccanici Power quality incluso armoniche Motore Elettrico & Meccanico (statore, rotore, air gap, cuscinetti, allineamento etc) Giunti/Riduttori/Cinghie Il motore agisce come trasduttore

31 Ogni guasto si manifesta ad una certa frequenza Type of Fault Stator Mechanical Rotor Indicator Static Eccentricity Mechanical Unbalance Pattern (CF) CF = RS x Stator Slots LF Sidebands CF = RS x Rotor Bars LF Sidebands CF = RS x Rotor Bars LF and 2LF Sidebands Proprietary algorithm is used Dynamic Eccentricity Stator Electrical (Shorts) CF = RS x Rotor Bars LF and 2LF Sidebands with Running Speed Sidebands CF = RS x Stator Slots LF Sidebands with Running Speed Sidebands

32 Misure on line Power Quality & Corrente Power Factor (cos ( cosφ) Squilibrio corrente/tensione tensione Valori di tensione RMS Picchi di V ed I e Crest Factor Impedenza di fase Potenza (Apparente ( Apparente, Attiva e Reattiva) Distorsione Armonica Totale (Tensione e Corrente) Macchina Carico THDF (Transformer Harmonic De-rating Factor) VDF (Voltage De-rating Factor)

33 Misure on line Macchina Potenza impiegata Efficienza per motori AC & DC Air Gap (Eccentricità Statica & Dinamica) Disallineamento/Squilibrio Macchina Spettro ad alta frequenza (FFT) di Tensione e Corrente Armoniche (V & I)

34 Applicazioni ESA Motori AC/DC VFD Generatori/Alternatori Motori di trazione Motori macchine utensili Inverter Power Quality

35 Recupero energetico con prove dinamiche Recuperi energetici conseguibili in 6 maniere Verifica del rifasamento (cosφ) Squilibrio di corrente/tensione Distorsione armonica totale Efficienza di lavoro del motore Problemi al rotore (e conseguenti vibrazioni e calore) Disallineamento e squilibrio meccanico

36 Rifasamento Misura i valori di (cosφ), della potenza attiva, reattiva ed apparente fase - fase e totale Evita di incorrere in penalità per potenza reattiva

37 Squilibrio di corrente e tensione Spesso impatta gran parte dello stabilimento Riduce le prestazioni del motore ed il rendimento Le perdite aumentano considerevolmente

38 Distorsione armonica totale Presenza di onde sovrapposte a quella fondamentale. Generata da carichi monofase (illuminazione, PC) oppure da inverter Provoca surriscaldamento del motore (perdita efficienza e affidabilità) per correnti parassite Provoca riscaldamento del conduttore neutro Massimo valore ammissibile 5% THD

39 Efficienza di lavoro del motore Calcolo dell Efficienza (utilizza norma NMEA MG-1) Individua condizioni di lavoro non ottimali

40 Difetti al rotore Guasti possibili : Rottura barre rotoriche Difetti di fusione Eccentricità statica Eccentricità dinamica Bande laterali della Frequenza di passaggio poli attorno alla frequenza di rete indica barre rotoriche rotte. 40

41 Vantaggi del Motor Testing Individuare opportunità di recupero energetico Migliora l affidabilità delle macchine prevenendo i fermi inattesi Stima la vita residua del motore ai fini della programmazione delle attività di manutenzione Non richiede investimenti iniziali

42 GRAZIE PER LA VOSTRA ATTENZIONE