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Perché i motori con inverter di frequenza (VFD) causano danni ai cuscinetti?
Risposta breve
Gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) possono generare una tensione sull'albero a causa dell'elevata frequenza di commutazione all'interno dell'inverter. Quando questa tensione si accumula, la corrente elettrica può scaricarsi attraverso i cuscinetti del motore. Nel tempo, queste scariche ripetute danneggiano le superfici dei cuscinetti, causando pitting, rumore, vibrazioni e guasti prematuri. L'installazione di un anello di messa a terra per l'albero consente di deviare in sicurezza la corrente verso terra, prevenendo i danni ai cuscinetti.
L'uso crescente di motori azionati da VFD
Gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) sono ampiamente utilizzati per migliorare l'efficienza energetica e controllare la velocità del motore. Sono comuni nei sistemi industriali quali pompe, compressori, impianti di climatizzazione (HVAC) e sistemi di trasporto su nastro.
Tuttavia, molti ingegneri riscontrano un problema inaspettato dopo l'installazione dei sistemi VFD: i cuscinetti dei motori iniziano a guastarsi molto prima del previsto.
Questo problema non è causato da una cattiva lubrificazione o da sovraccarico meccanico. In molti casi, la vera causa è un danno elettrico interno al cuscinetto.
Come i VFD generano la tensione sull'albero
A differenza delle tradizionali alimentazioni elettriche che erogano una tensione sinusoidale regolare, i variatori di frequenza (VFD) regolano la velocità del motore mediante modulazione della larghezza degli impulsi (PWM). Questo metodo commuta rapidamente la tensione attivandola e disattivandola ad alte frequenze.
Durante questo processo di commutazione si genera un fenomeno denominato tensione di modo comune.
Questa tensione può indurre un potenziale elettrico tra l’albero del motore e il suo telaio. Mentre il motore è in funzione, la tensione sull’albero aumenta progressivamente.
Non appena la tensione diventa sufficientemente elevata da superare il sottile strato di lubrificante presente all’interno del cuscinetto, si verifica una scarica elettrica.
Ciò che accade all’interno del cuscinetto
Ogni scarica è estremamente ridotta, ma si comporta come una scintilla microscopica tra le superfici metalliche.
Migliaia di queste scintille possono verificarsi ogni secondo durante il funzionamento del motore.
Nel tempo, questa attività elettrica ripetuta provoca diversi tipi di danni:
● Pitting – crateri di piccole dimensioni sulla pista di rotolamento
● Incisione – una superficie opaca e grigia usurata
● Lamatura – scanalature equidistanti lungo la pista di rotolamento del cuscinetto
Aumento delle vibrazioni e del rumore
Studi condotti su sistemi industriali con motori elettrici indicano che i danni elettrici ai cuscinetti possono essere responsabili di una percentuale elevata di guasti prematuri nei motori azionati da inverter (VFD).
Prevenire il problema mediante anelli di messa a terra dell’albero
Un anello di messa a terra dell’albero protegge il cuscinetto fornendo un percorso elettrico controllato verso terra. Invece di consentire alla tensione di scaricarsi attraverso il cuscinetto, l’anello di messa a terra devia la corrente parassita dall’albero rotante direttamente verso il telaio del motore.
L’anello di messa a terra dell’albero utilizza microfibre conduttive che mantengono un contatto continuo con l’albero durante la rotazione del motore. Poiché l’anello di messa a terra offre un percorso a resistenza inferiore rispetto al cuscinetto, la corrente elettrica vi fluisce naturalmente anziché attraverso il cuscinetto.
Una semplice soluzione preventiva
Per molti sistemi motori moderni, i danni elettrici ai cuscinetti non sono immediatamente visibili fino al verificarsi di un guasto. Installando precocemente, nella fase di progettazione del sistema, un anello di messa a terra dell’albero, gli ingegneri possono ridurre il rischio di danneggiamento prematuro dei cuscinetti e migliorare l'affidabilità a lungo termine del motore.
Domande Frequenti
1. Perché i motori azionati da inverter (VFD) generano correnti sui cuscinetti?
L’alta frequenza di commutazione negli inverter (VFD) genera una tensione di modo comune che può indurre una tensione sull’albero, la quale potrebbe scaricarsi attraverso i cuscinetti del motore.
2. La lubrificazione può prevenire i danni elettrici ai cuscinetti?
No. La lubrificazione protegge contro l’usura meccanica, ma non è in grado di impedire le scariche elettriche.
3. Qual è il metodo di protezione più comune?
Gli anelli di messa a terra dell’albero sono ampiamente utilizzati perché deviano in sicurezza la corrente parassita lontano dai cuscinetti.
