Motori asincroni e inverter (VFD): le regole per evitare il degrado dell’isolamento e le correnti sui cuscinetti

Il passaggio dall’alimentazione diretta da rete alla regolazione tramite convertitore di frequenza modifica in profondità le sollecitazioni cui è sottoposta la macchina asincrona, perché la tensione applicata ai morsetti non è più una sinusoide a 50 hertz ma una successione di impulsi rettangolari con fronti che salgono in poche decine di nanosecondi, ripetuti con frequenza portante di alcuni chilohertz. Le due conseguenze che il progettista di impianto incontra con maggiore frequenza riguardano l’invecchiamento accelerato del sistema isolante e la comparsa di correnti che attraversano i cuscinetti, entrambe assenti nel funzionamento a tensione sinusoidale.

La diffusione dei dispositivi di potenza a commutazione rapida ha migliorato il rendimento dell’azionamento e ridotto le perdite armoniche nel motore, ma ha spostato lo spettro della tensione applicata verso frequenze dove il comportamento dell’avvolgimento cessa di essere descrivibile con il modello a parametri concentrati: le capacità parassite verso il pacco lamellare, fra spira e spira e fra avvolgimento e rotore diventano percorsi a bassa impedenza, e il cavo di collegamento smette di comportarsi come un semplice conduttore.

Nessuno di questi fenomeni conduce al guasto immediato, e questa è la ragione per cui vengono sottovalutati in sede di progetto: la macchina funziona regolarmente per mesi mentre l’isolante subisce erosione localizzata e le piste dei cuscinetti accumulano crateri da scarica, fino al cedimento che si presenta come evento improvviso e viene registrato come difetto di fornitura del componente.

Sovratensioni ai morsetti del motore: riflessione sulla linea, tempo di salita e lunghezza critica del cavo

Il cavo che collega convertitore e macchina si comporta come linea di trasmissione quando il tempo di salita dell’impulso risulta breve rispetto al tempo di propagazione lungo la tratta, condizione che si verifica con i moduli a IGBT di generazione recente, il cui fronte si esaurisce fra i cinquanta e i duecento nanosecondi. L’impedenza caratteristica del cavo, dell’ordine di alcune decine di ohm, incontra all’estremità l’impedenza d’ingresso dell’avvolgimento, di valore molto superiore, e produce un coefficiente di riflessione prossimo all’unità con conseguente raddoppio della tensione ai morsetti.

La lunghezza oltre la quale il fenomeno si manifesta pienamente si ricava dal prodotto fra tempo di salita e velocità di propagazione, che nei cavi industriali si colloca attorno ai centocinquanta metri per microsecondo, diviso due: con fronti di cento nanosecondi la lunghezza critica scende sotto i dieci metri, valore che rende il problema strutturale in qualunque installazione, non un’eccezione riservata alle tratte lunghe. Su un azionamento alimentato a 400 volt, con tensione di bus continuo prossima ai 560 volt, il picco ai morsetti supera agevolmente i 1100 volt, e le riflessioni multiple nelle configurazioni sfavorevoli portano il valore oltre.

Le prescrizioni di riferimento fissano i limiti che il sistema isolante deve sostenere: la IEC 60034-25 definisce i profili di sollecitazione ammessi per le macchine alimentate da convertitore in funzione della tensione nominale e della categoria di isolamento, mentre la pratica nordamericana descritta nella parte 31 della MG1 impone alle macchine per servizio con inverter la tenuta di picchi pari a 1600 volt con fronti non inferiori a 0,1 microsecondi. La verifica in campo richiede sonda differenziale con tenuta adeguata e oscilloscopio con banda passante di almeno cento megahertz, con misura eseguita direttamente in morsettiera e riferimento di massa realizzato con collegamento cortissimo.

Degrado del sistema isolante: distribuzione non uniforme della tensione e scariche parziali

Il fronte ripido non si distribuisce uniformemente lungo l’avvolgimento, poiché la ripartizione iniziale segue le capacità parassite anziché le induttanze: la prima bobina collegata ai morsetti assorbe una quota della sollecitazione che nei casi peggiori supera il settanta per cento dell’ampiezza dell’impulso, e all’interno di quella bobina le prime spire sopportano il gradiente più severo. La conseguenza è che il cedimento fra spire adiacenti si concentra sistematicamente all’ingresso dell’avvolgimento, dove nessuna prova di isolamento verso massa lo intercetta prima della perforazione definitiva.

Quando la tensione fra due conduttori supera la soglia di innesco determinata dalla curva di Paschen per il gas presente nei microvuoti dell’impregnazione, si innescano scariche parziali che erodono lo smalto per bombardamento ionico, per azione dell’ozono e per riscaldamento localizzato. Il parametro che descrive la robustezza del sistema è la tensione ripetitiva di innesco, che diminuisce al crescere della temperatura e dell’umidità e che le norme della serie IEC 60034-18 impongono di verificare con margine rispetto alla sollecitazione attesa. La suddivisione fra sistemi di tipo primo, progettati per non presentare attività di scarica in esercizio, e sistemi di tipo secondo, concepiti per resistere alla presenza di scariche, orienta la scelta della macchina in funzione della tensione nominale.

Le contromisure costruttive comprendono l’impiego di filo smaltato resistente alla corona, ottenuto con cariche inorganiche disperse nel rivestimento, l’aumento dello spessore dell’isolamento fra spire nelle prime matasse, l’impregnazione sotto vuoto che elimina le cavità gassose nelle testate. Sul piano termico va considerata la riduzione della portata d’aria nelle macchine autoventilate quando il funzionamento prolungato avviene a bassa velocità con coppia costante, condizione che impone ventilazione assistita o declassamento della potenza erogabile.

Correnti sui cuscinetti: tensione di modo comune, scariche nel film lubrificante e correnti circolanti

La modulazione a larghezza di impulso genera una tensione di modo comune data dalla somma istantanea dei potenziali di fase, che non si annulla come nel sistema sinusoidale equilibrato e si applica all’insieme costituito da avvolgimento, pacco statorico e rotore. Il partitore capacitivo formato dalle capacità fra avvolgimento e rotore, fra rotore e statore e attraverso i cuscinetti trasferisce sull’albero una frazione di quella tensione, quantificata dal rapporto di tensione di cuscinetto che nelle macchine ordinarie si colloca fra il tre e il dieci per cento.

Quando il valore così ottenuto supera la rigidità dielettrica del film lubrificante, che nelle condizioni operative tipiche cede fra i cinque e i quindici volt, si verifica una scarica che fonde localmente il materiale della pista e produce il cratere caratteristico della lavorazione per elettroerosione. La ripetizione del fenomeno a ogni commutazione degrada la superficie fino a generare la rigatura trasversale regolare che l’analisi vibrazionale rileva come famiglia di armoniche non correlate alle frequenze geometriche del cuscinetto; il grasso, sottoposto a scariche continue, scurisce e perde le proprietà lubrificanti per la carbonizzazione degli additivi.

Accanto a questo meccanismo agiscono le correnti circolanti ad alta frequenza, provocate dal flusso concatenato con l’albero che la corrente di modo comune circolante nello statore genera lungo la circonferenza della carcassa: la corrente si richiude attraverso i due cuscinetti e la struttura, e assume valori significativi nelle macchine di grande taglia, indicativamente a partire dall’altezza d’asse 280, dove il percorso magnetico risulta favorevole. Una terza famiglia si manifesta quando il rotore è collegato a terra attraverso la macchina condotta con impedenza inferiore a quella del collegamento di statore, situazione nella quale la corrente di modo comune sceglie il percorso attraverso i cuscinetti del motore per raggiungere il riferimento.

Motori asincroni e inverter: cablaggio schermato, filtri di uscita e provvedimenti sui cuscinetti

Il primo intervento riguarda il collegamento, che deve essere realizzato con cavo simmetrico schermato dotato di conduttori di protezione disposti simmetricamente attorno alle fasi, con schermo continuo attestato a trecentosessanta gradi mediante pressacavi conduttivi sia sul convertitore sia sulla morsettiera del motore. L’attestazione a coda di maiale annulla il beneficio, poiché introduce un’induttanza che a qualche megahertz presenta impedenza sufficiente a costringere la corrente a percorsi alternativi, i cuscinetti compresi.

I filtri installati all’uscita si distinguono per funzione e per costo:

• le induttanze di uscita e i filtri per la limitazione della derivata rallentano il fronte e contengono il picco senza modificare la forma d’onda complessiva;
• i filtri sinusoidali, dimensionati con frequenza di taglio inferiore alla portante, restituiscono ai morsetti una tensione praticamente priva di componenti di commutazione e consentono l’impiego di cavi non schermati su tratte lunghe, con l’onere di ingombro e di perdite;
• i nuclei in materiale nanocristallino inseriti sui tre conduttori di fase attenuano specificamente la componente di modo comune, riducendo la corrente disponibile per il percorso attraverso i supporti.

Sul lato macchina la pratica consolidata prevede l’isolamento del cuscinetto lato opposto comando, ottenuto con anello esterno rivestito in ossido di alluminio oppure con corpi volventi in nitruro di silicio, soluzione quest’ultima preferibile per l’assenza di percorsi capacitivi residui alle alte frequenze.

L’isolamento di entrambi i supporti senza altro provvedimento sposta il problema sulla macchina condotta, e va quindi accompagnato da un anello di messa a terra dell’albero, realizzato con fibre conduttive che offrono un percorso a bassa impedenza per la corrente di scarica, oppure da un giunto isolante che interrompa la continuità elettrica verso il carico. Il collegamento equipotenziale ad alta frequenza fra carcassa del motore e telaio della macchina azionata, eseguito con conduttore piatto di sezione ampia e lunghezza minima, completa l’insieme.

Verifiche in campo e criteri di collaudo dell’azionamento

La misura della tensione d’albero si esegue con spazzola in carbone tenuta a contatto con l’estremità libera e sonda differenziale collegata alla carcassa, osservando su oscilloscopio la forma d’onda che nelle condizioni critiche mostra il caratteristico dente di sega interrotto bruscamente dal collasso della tensione all’atto della scarica. L’ampiezza registrata prima del cedimento e la frequenza di ripetizione degli eventi forniscono l’indicazione quantitativa sulla severità della sollecitazione, mentre la corrente che attraversa il supporto si rileva con bobina di Rogowski su un percorso appositamente predisposto in fase di montaggio.

Sul piano documentale la specifica di acquisto della macchina deve riportare la categoria del sistema isolante conforme alla serie IEC 60034-18, il valore di picco sostenibile ai morsetti, il tempo di salita minimo ammesso e la configurazione dei supporti richiesta in funzione dell’altezza d’asse e della lunghezza prevista del collegamento. La sola dicitura relativa all’idoneità al servizio con convertitore, priva di parametri verificabili, non costituisce garanzia contrattuale utilizzabile in caso di contestazione.

La scelta della frequenza portante entra nel bilancio complessivo con effetti contrapposti, poiché valori elevati riducono il contenuto armonico della corrente e la rumorosità magnetica della macchina, mentre aumentano in proporzione diretta il numero di commutazioni e quindi l’energia trasferita al circuito di modo comune insieme alle perdite nei semiconduttori. Il monitoraggio periodico della temperatura degli avvolgimenti mediante sonde annegate nelle cave, insieme al controllo dello stato del grasso e all’analisi per inviluppo sui supporti, consente di verificare nel tempo l’efficacia dei provvedimenti adottati e di intervenire prima che il danneggiamento raggiunga lo stadio in cui la sostituzione del cuscinetto non basta più.