Correnti d’albero… e su cuscinetti. Sfatiamo un mito!

Per l’alimentazione di grandi motori elettrici, generalmente nel settore movimentazione pesante, spesso si sceglie di utilizzare cavi multipolari bilanciati anche se sono più costosi e hanno una durata di vita più breve dei cavi unipolari. Per quale motivo? Questa tecnologia, si presume, impedisce il generarsi delle correnti d’albero indotte che finiscono poi a scaricarsi nei cuscinetti dell’albero motore. igus è andata a fondo della questione.

Mr. Rainer Rossel, Head of Business Unit cavi chainflex® della igus® GmbH, ha voluto con questo articolo affrontare un argomento tecnico delicato e spesso motivo di discussione di impiantisti e progettisti.
Da diversi anni, è sostenuta a gran voce la teoria della possibile riduzione delle correnti d’albero indotte con l’impiego di cavi multipolari bilanciati. Particolarmente pericoloso, questo presupposto non funziona per dispositivi che sono alimentati con sistemi in movimento, come ad esempio quelli che si trovano sulle gru nel settore portuale.
Nella configurazione tecnica ideale, le corse del carrello sul ponte della gru sono supportate da catene portacavi. In queste catene vengono spesso a trovarsi fianco a fianco cavi dati e fibra ottica, con cavi motore di diametri importanti che alimentano i potenti motori elettrici dei paranchi e dei carrelli.

Per l’alimentazione elettrica ci sono generalmente due approcci: cavi multipolari simmetrici o cavi unipolari, siano essi schermati o non schermati. Gli unipolari risultano meno costosi da produrre e, rispetto ai multipolari, hanno un peso minore da tenere in considerazione in catena portacavi. Ad ogni modo, Il più grande vantaggio che si ottiene, è la maggior durata in servizio con minori esigenze di spazio. Pertanto, vi sono tutti i presupposti per scegliere la soluzione con i cavi unipolari.

Tuttavia, molti produttori di gru sono ancora titubanti rispetto a questo argomento proprio a causa del mito delle correnti indotte che perseguita il settore da molti anni. L’affermazione che con i cavi multipolari si riducono i rischi di correnti d’albero sui cuscinetti crea incertezza e molti produttori di gru decidono di giocare la ‘carta sicurezza,’ facendosi carico al momento dell’acquisto di un aumento dei costi, di svantaggi in termini di spazio di installazione e di vita più breve del sistema di alimentazione in catena portacavi.

Il Mito alla prova

Ma è veramente il tipo di cavi ad avere a che fare con le correnti indotte ai cuscinetti? igus ha intrapreso un’attenta analisi durata sei mesi per trovare le risposte. Queste le esatte domande:

– Accade realmente, dal punto di vista pratico, che nelle grandi unità alimentate da inverter si generano queste correnti d’albero?

– Le correnti sui cuscinetti e la loro intensità, sono influenzate da particolari misure, dal tipo di impianti o tipologie di cavi?

Per fare questo test in modo pratico ed efficace, l’azienda ha retrofittato una grande gru a portale con convertitori di frequenza ed un motore da 580-kVA, impiegando un sistema per catena portacavi da 30 m, idoneo ad operare nella struttura di prova igus.

Per misurare le correnti indotte del motore asincrono, tale motore doveva essere preparato di conseguenza.

Il flusso delle correnti, quindi, non è stato fatto fluire attraverso la piastra di appoggio ed è stato necessario realizzare una sala prove adeguatamente isolata. Per effettuare le misurazioni, è stato utilizzato un trasduttore applicato all’albero per mezzo di un apposito collettore e grazie al quale si sono potute fare le rilevazioni.
Nell’ impianto di prova, che era collegato con un trasformatore separato alla rete elettrica pubblica, sono state simulate diverse corse della gru dove il peso del motore ha sostituito il container di carico. La serie di studi ha evidenziato durante tutto il periodo di prova la natura e la quantità delle correnti sui cuscinetti con l’uso di diversi tipi di cavi e metodi di installazione e messa a terra.

Per ottenere risultati significativi rispetto all’uso di cavi in impianti per gru, i singoli tipi di cavi sono stati testati nelle stesse medesime condizioni.

MULTIPOLARI COMPOSTI SIMMETRICI

UNIPOLARI

MULTIPOLARI ASIMMETRICI

Si osserva che questi movimenti, tipici delle gru, sono caratterizzati da frequenti cambi del senso di rotazione e delle velocità e, nello stesso tempo, sono stati osservati anche la durata degli attriti ed il conseguente surriscaldamento.
Allo stesso modo, sono stati esaminati in modo pratico gli errati o poveri concetti di messa a terra che spesso si incontrano in campo. Per fare ciò, l’enorme motore da 580-kVA è stato rimosso dalla struttura in acciaio, adeguatamente isolato e rimontato.

In questo modo, è stato possibile simulare diversi stati potenziali tra lo statore e il sistema nel suo complesso.

Risultati Unici
I risultati degli esperimenti hanno evidenziato diverse condizioni:
• le massime correnti ai cuscinetti si verificano a basse velocità ed alte temperature;
• tali correnti si generano alle alte velocità con un conseguente aumento della temperatura nel tempo;
• se cambiano la velocità o la direzione di rotazione, si blocca la rotazione del cuscinetto;
• la struttura di queste correnti indotte, si sviluppa nel tempo ad una velocità costante da circa 50 a 100 secondi massimo;
• ad una velocità costante per un lungo periodo, si verificano basse correnti indotte con cavi multipolari simmetrici;
• con differenti messe a terra tra motore e inverter, si verificano correnti indotte particolarmente alte
Dopo tutte le prove, si constata che: se in una configurazione di funzionamento classico di una gru, viene realizzato un corretto impianto ad equipotenziale prima e dopo l’unità, l’uso di cavi multipolari simmetrici o unipolari non influisce sull’intensità delle correnti indotte ai cuscinetti. La ragione è che velocità e direzione di rotazione del motore, in un profilo operativo standard di una gru, cambiano costantemente e di conseguenza le correnti indotte ai cuscinetti diminuiscono progressivamente prima di avere un effetto distruttivo.

Correnti d’albero
Dalla teoria alla pratica

Come una delle principali cause del flusso di corrente attraverso i cuscinetti, si individua la tensione d’albero. Il termine tensione d’albero si riferisce alla tensione che è indotta nel conduttore ad anello costituito dell’albero motore, i due cuscinetti, le piastre d’appoggio e il telaio. Misurata tra le due estremità dell’albero, si rileva una tensione applicata pari a 500 mV che è considerata critica.
La tensione d’albero ha cause fisiche: asimmetrie magnetiche all’interno della macchina tendono a compensarsi e di conseguenza si innesca un anello di flusso magnetico. Questo a sua volta induce una tensione nel circuito elettrico che va a crearsi (albero, cuscinetti, supporto cuscinetti e telaio).

In aggiunta, l’impiego di un eventuale inverter ad impulsi, introduce ulteriori sollecitazioni elettriche sui cuscinetti. Per consentire il funzionamento a velocità variabile, si rende necessaria una modulazione di larghezza di impulso (PWM). Gli inverter a volte hanno alte frequenze di clock. Elevate frequenze di commutazione permettono una corrente in macchina quasi sinusoidale, riducono le perdite addizionali negli avvolgimenti delle fasi, i disturbi elettromagnetici e le variazioni di coppia.

Lo stress sui cuscinetti, causato dall’inverter, ha anche origini capacitive. Questo fenomeno è legato fisicamente alle ripide rampe di tensione in uscita dall’inverter, causati dalle operazioni di commutazione rapida e dal metodo di controllo del convertitore di impulsi. Questa tensione dipende dalla frequenza di commutazione dell’inverter dove, a frequenze superiori a 1 kHz, le capacità tra le diverse componenti della macchina giocano un ruolo cruciale.
A causa dei brevi tempi di commutazione, le alte tensioni di contatto (dv / dt) possono variare fino a oltre fino a oltre 10 kV/µs. A queste tensioni, le rampe capacitive sugli avvolgimenti dello statore (CWG), si oppongono al pacchetto del rotore (CWR) e gli sforzi sulle guide (CRG) risulta non trascurabile. Le correnti d’albero risultanti possono quindi essere suddivisi in:

 Correnti EDM: correnti di scarica derivanti da accumuli di tensione ai capi dell’albero e per mezzo del grasso dei cuscinetti. Le scariche (8-15V) avvengono bruscamente dopo aver raggiunto il valore di soglia.

 Correnti Circolari: si verificano contemporaneamente in entrambi i cuscinetti e hanno una polarità opposta tra loro e quasi la stessa elevata ampiezza. La frequenza è di diverse kHz.

 Correnti di Terra del Rotore: se i componenti dell’albero e del rotore sono collegati a terra, possono verificarsi correnti di rotore. Queste possono essere tanto maggiori quanto più differiscono l’impedenza di terra (impedenza dell’inverter verso terra) dall’ impedenza dell’inverter e l’impedenza del rotore da quella dello statore. La corrente di Terra del Rotore può avere ampiezze di diversi ampere, con frequenze di pochi kHz.

 Correnti d’Albero Capacitive: a causa della tensione e della capacità presenti sui cuscinetti, vengono a generarsi delle piccole correnti. Questi sono considerati, in base alle attuali conoscenze, come eventi non critici per la durata di un cuscinetto d’albero motore.

Ancora una volta, igus®, si è messa a disposizione dei propri interlocutori per dare un supporto mirato a risolvere problematiche tecniche che i clienti si trovano ad affrontare.
La soluzione del possibile utilizzo di cavi standard, riduce costi e tempi d’attesa legati ovviamente alla realizzazione di cavi speciali che sarebbero quindi di non facile reperibilità sia in fase di prima installazione che poi successivamente in fase di manutenzione.

“chianflex® works” è sinonimo anche di questo!

Prodotti e link

http://www.igus.it

IGUS produce:

– catene portacavi in plastica http://www.igus.it/energychains
– cavi flessibili per catene portacavi http://www.igus.it/chainflex
– catene preassemblate con cavi e connettori http://www.igus.it/readychains
– cuscinetti autolubrificanti in plastica http://www.igus.it/iglidur
– sistemi di scorrimento lineari http://www.igus.it/drylin
– boccole in plastica http://www.igus.it/wpck/9128/drytech_home
– cuscinetti in plastica http://www.igus.it/wpck/9128/drytech_home
– cuscinetti a sfere http://www.igus.it/wpck/4961/ballbearing

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