INVERTER - Guasti d’isolamento del MOTORE e Le SOLUZIONI_v1

L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionamenti elettrici negli ultimi

decenni ha sostanzialmente rivoluzionato la tipologia di alimentazione dei motori elettrici. Da un lato ciò ha

migliorato la qualità del controllo della velocità, ma dall’altro ha aggravato le sollecitazioni che gli isolanti

delle macchine devono sopportare.

Ing. Ibrahim GULESIN

INVERTER - Guasti d’isolamento del MOTORE e Le SOLUZIONI

DEL BO S.p.A.

Sede Legale Via Guglielmo MELISURGO 4 – 80133 Napoli

Sede Operativa Stabilimento Zona A.S.I. Pascarola – 80023 Caivano [ NA ]

Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Introduzione L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionamenti elettrici negli ultimi decenni ha sostanzialmente rivoluzionato la tipologia di alimentazione dei motori elettrici. Da un lato ciò ha migliorato la qualità del controllo della velocità, dall’altro ha aggravato le sollecitazioni che gli isolanti delle macchine devono sopportare. Tali dispositivi operano una conversione di tipo AC/DC e DC/AC che permette, come nella modulazione Pulse Width Modulation (PWM), di poter variare la frequenza di alimentazione della macchina, generando una sequenza di impulsi di larghezza variabile. Si è quindi passati dalle tradizionali alimentazioni con forme d’onda alternate sinusoidali a forme di tensione impulsive e ad elevata frequenza, cioè caratterizzate da rapidi fronti di salita e di discesa (dell’ordine di qualche kV/μs). La natura impulsiva di queste forme d’onda ha aggravato la sollecitazione elettrica a cui sono sottoposti i materiali impiegati per l’isolamento dei conduttori degli avvolgimenti delle macchine. E’ importante notare che l’utilizzo dei dispositivi elettronici, che ormai si trovano sparsi nelle reti di bassa tensione, assorbono correnti ad elevato contenuto armonico sul lato del prelievo e hanno quindi un effetto distorcente che altera l’andamento sinusoidale della rete stessa. Quindi, senza opportuni filtri, anche tutte le altre utenze connesse nelle vicinanze, dimensionate per alimentazioni sinusoidali di tipo tradizionale, possono risentire di queste distorsioni armoniche. Per tutti questi motivi è sorta la necessità di verificare l’adeguatezza dei tradizionali isolamenti ad essere in grado di sopportare le sollecitazioni che derivano dall’utilizzo di convertitori elettronici. In particolare, per i motori elettrici tale interrogativo è stato posto in seguito al verificarsi di un elevato numero di guasti inaspettati (precoci), probabilmente imputabile alla diversa sollecitazione elettrica applicata ai materiali. La consapevolezza di condizioni che possono produrre onde riflesse e di una selezione del motore

appropriato tipo Classe F o Classe H può garantire una durata del motore al minor costo possibile.

Le seguenti informazioni sono state sviluppate per aiutare a far capire agli utenti il funzionamento degli

inverter e dei motori sincroni/asincroni e di comprendere il fenomeno onda riflettente in termini correlati

all’emissione, ai meccanismi di rottura noti dei motori e le soluzioni disponibili. Sebbene, questo fenomeno

possa influenzare soltanto una piccola porzione d’impianti, è importante riconoscere la situazione e

considerare le possibili soluzioni prima dell'installazione.

Ing. Ibrahim GULESIN

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Sommario Introduzione ...................................................................................................................................................... 1

INVERTER ........................................................................................................................................................... 3

La modulazione P.W.M. Pulse Width Modulation ........................................................................................ 3

Forme d’onda di corrente e tensione ............................................................................................................ 4

Vantaggi e svantaggi dell’inverter PWM ....................................................................................................... 5

Meccanismo di generazione di sovratensioni ............................................................................................... 5

Considerazioni sull'applicazione comuni ........................................................................................................... 7

MOTORI ............................................................................................................................................................. 8

Sistemi d’isolamento del motore .................................................................................................................. 9

Isolamento fessura ........................................................................................................................................ 9

Isolamento bobina in Testa ........................................................................................................................... 9

Isolante in resina ......................................................................................................................................... 10

Tecniche di montaggio e Effetti su motori .................................................................................................. 10

Capire Perché motori a velocità variabile AC si rompono. .......................................................................... 10

NEMA Standards .............................................................................................................................................. 16

Conclusione e soluzioni ................................................................................................................................... 20

RIFERIMENTI .................................................................................................................................................... 26

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

INVERTER Gli inverter sono convertitori statici impiegati per generare forme d’onda di tensione o di corrente alternata, controllate in ampiezza e frequenza, utilizzando una sorgente di tensione o corrente continua. Lo schema di principio dell’azionamento di un motore sincrono/asincrono alimentato mediante inverter è illustrato in Figura 1. Si può osservare un primo stadio composto da un raddrizzatore (con cui si rende continua la tensione di rete) e un secondo stadio composto da un’induttanza, che ha il compito di ridurre le armoniche immesse in rete dall’inverter. Vi è poi un condensatore C, che ha la funzione di ridurre i picchi di tensione all’uscita del raddrizzatore e di mantenere il più possibile costante la tensione sul DC bus. È poi presente un ramo di frenatura nel caso si voglia frenare il motore in maniera elettrica. Infine, come terzo stadio, sono presenti i tre rami di inverter pilotati mediante la modulazione PWM.

La modulazione P.W.M. Pulse Width Modulation Una tecnica di controllo per pilotare l’apertura e la chiusura degli interruttori statici è la Pulse Width Modulation (PWM). La PWM si applica ai componenti elettronici a commutazione forzata. Tale prerogativa è resa necessaria dalla presenza delle aperture e delle chiusure dei componenti ad istanti ben precisi e con frequenze piuttosto elevate da 0,7KHz fino a 20kHz, questo significa che IGBT si attiva e disattiva con una tensione da 7.000 fino a 20.000 volte al secondo. Quindi significa che il tempo di salita della tensione è breve, di solito meno di un microsecondo. I tempi di salita brevi con linee elettriche lunghe determinano tra l'azionamento e il controllore riflessioni di tensione, anche dette onde riflesse che hanno tensioni di picco elevate. Se le tensioni sono abbastanza grandi, generano sollecitazioni potenzialmente distruttive nell'isolamento del motore.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

infatti la forma d'onda della tensione di uscita è tanto migliore quanto più elevata è la frequenza di commutazione. Gli istanti di commutazione dei componenti nella tecnica PWM nascono dal confronto tra due funzioni: una di forma triangolare a frequenza costante chiamata portante Vpor, e una modulante Vmod di forma e frequenza pari alla tensione desiderata in uscita all'inverter V(t). L’ampiezza della modulante è invece una parte della V(t) per ovvie ragioni di comodità ( Figura 2).

Figura 2 - Grafico della funzione portante triangolare e modulante.

• Le tensioni generate dall’inverter hanno un contenuto armonico spesso intollerabile per i motori. • Pilotando ogni ramo di inverter in modo complementare ad una frequenza elevata come se fosse un chopper il cui rapporto di intermittenza varia con legge sinusoidale si ottiene una tensione alternata con un “contenuto armonico” ad alta frequenza che viene filtrato dal motore e quindi tollerato. • La legge di pilotaggio si ottiene per comparazione di due funzioni una sinusoidale e una triangolare. • I tre rami di inverter avranno funzioni di pilotaggio sfasate tra di loro di 120° per ottenere un sistema trifase

Forme d’onda di corrente e tensione

Figura 3 – Vag forma d’onda di corrente su ogni fase singolarmente e Vab forma d’onde di tensione tra le fasi

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Vantaggi e svantaggi dell’inverter PWM Vantaggi: • La corrente è più simile ad una sinusoide. • Il convertitore è mono-stadio perché per variare l’ampiezza non mi serve il chopper in ingresso. • I motori girano molto regolarmente. Svantaggi: • Il controllo degli impulsi è più complicato. • I semiconduttori commutano ad una maggior frequenza e quindi si scaldano di più.

Meccanismo di generazione di sovratensioni

L'inverter commerciale rettifica una tensione di alimentazione e in più regola il tutto in una tensione DC. È

la grandezza della tensione DC che diventa circa 1,4 volte maggiore di quella della tensione di sorgente

(circa 630V nel caso di una tensione di ingresso di 440V AC). Il valore di picco della tensione di uscita è

generalmente vicino a questo valore di tensione DC Bus; ma, poiché esiste induttanza (L) e capacità

parassite (C) nel cablaggio tra l'inverter ed il motore, la variazione di tensione dovuta alla commutazione

degli elementi dell'inverter provoca un picco di tensione originario dalla risonanza LC e comporta l'aggiunta

di una tensione elevata ai morsetti del motore (fare riferimento alla Fig. 2). Questa tensione raggiunge

talvolta fino a circa il doppio della tensione inverter DC (630V x 2 = circa 1240 V o 620x3=1860V ) secondo

una velocità di commutazione degli elementi inverter ed una condizione di cablaggio.

In più nel settore ascensoristico come uscita dell’inverter si usano 2 contattori di linea che se non sono

sincronizzati bene con l’inverter possono creare ulteriori picchi di tensione. Per evitare i picchi di tensione

in uscita dell’inverter, assicurare che sia l'inverter che il motore sono completamente fermi prima di

attivare o disattivare il contattore di linea.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Mentre l'onda PWM fornisce i vantaggi e prestazioni al motore, può anche creare tensioni che possono stressare il sistema d’isolamento del motore e causare danni. Il grafico in alto mostra la tipica forma d'onda di uscita PWM dal driver ai morsetti di uscita del convertitore di frequenza. La forma d'onda sul grafico in basso mostra la stessa forma d'onda dei morsetti del motore. Si noti che il fenomeno dell'onda riflessa ha sollevato il livello di picco della forma d'onda di tensione al motore. La maggior parte degli azionamenti attualmente utilizzano gli IGBT di ultima generazione che offrono vantaggi per la progettazione dell’inverter. Questi azionamenti presentano anche la possibilità che la forma d'onda di uscita al motore può avere ampiezze di picco due o tre volte maggiore della tensione del DC bus. Come risultato queste tensioni possono potenzialmente stressare e danneggiare il sistema d’isolamento in alcuni motori odierni. Analogamente all’alimentazione in AC sinusoidale a 50 ÷ 60 Hz, quando la tensione ad onda quadrata sollecita l’isolamento dei motori alimentati tramite un convertitore PWM, supera un determinato valore di soglia; per cui si ha l’innesco delle scariche e si definisce un parametro detto PDIV (Partial Discharge Inception Voltage), ovvero soglia di innesco delle scariche parziali. Ogni impulso di scarica libera una quantità molto piccola di energia. Questo comporta la progressiva erosione e la decomposizione chimica del materiale sollecitato fino al momento in cui un canale ramificato di dimensioni microscopiche penetra al di sotto della superficie del ’isolante. Il canale si sviluppa, aumentano contemporaneamente la sua dimensione e l’intensità delle scariche parziali che lo coinvolgono. Una volta raggiunto il conduttore che funge da secondo elettrodo, si forma un sentiero conduttore che determina la scarica totale dell’isolante.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Considerazioni sull'applicazione comuni

Gli Inverter con uso di IGBT creano picchi di tensione 2-3 volte maggiore del DC-bus e questo rappresenta

un problema per il motore. È importante ricordare che motori tradizionali a velocità variabile alla fine

possono perdersi nell’isolamento e danneggiarsi. L'isolamento del motore dipende dal riscaldamento del

motore a temperatura dell’ambiente, dall'intervallo di carico e dalla velocità dell'applicazione. Vibrazioni

eccessive e carichi d'urto continueranno a essere un problema così come i problemi ambientali quali

l'umidità, l’accumulo di sporcizia e sostanze chimiche aggressive che possono influenzare la vita del motore.

La tecnologia delle unità IGBT di oggi può causare stress eccessivo all’isolamento del motore che deve

essere trattato come un altro problema di applicazione. A causa delle alte velocità di commutazione e dei

brevi tempi di salita dei dispositivi IGBT, le tensioni di picco sul motore possono danneggiare l'isolamento.

Il tempo di salita che determina il dv / dt, o variazione di tensione, per il cambiamento nel tempo della

forma d'onda, può anche influenzare il guasto del motore. Non solo determina la distanza dal convertitore

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

in cui avvengono le tensioni di picco, ma influiscono anche la distribuzione non uniforme di tale tensione

all'interno del motore e, quindi, l'effetto sul sistema d’isolamento. Poiché le unità PWM di oggi con una

tecnologia IGBT hanno frequenze portanti superiori, con la frequenza portante si può aumentare il numero

d’impulsi che hanno elevati picchi di tensione transitori. Tutti questi fattori quindi determinano la gravità

dell'impatto sul motore.

MOTORI Le macchine elettriche sono costituite principalmente da tre tipi di materiali:

il rame, per quanto riguarda la parte elettrica;

il ferro, per quanto concerne i circuiti magnetici;

l’isolante, per separare due o più parti attive a potenziale differente. L’isolamento risulta essere il punto più critico nella realizzazione di una macchina elettrica, perché fra i tre materiali sopra elencati, l’isolante rappresenta quello che si degrada più facilmente in presenza di sollecitazioni di varia natura (elettrica, termica, meccanica e chimica), di cui, prima fra tutte, quella termica. Una valutazione empirica consente di stimare , infatti, il dimezzamento della vita di un isolante per ogni aumento della temperatura di esercizio di 7 °C. Gli isolanti vengono scelti, per questo, in base alla loro classe termica, in funzione delle temperature raggiunte a regime termico dalla macchina. Si parla di vita di un sistema per indicare la durata del suo funzionamento, ovvero il tempo fino al guasto. E’ necessario conoscere il comportamento di queste caratteristiche allorché l’isolante venga sottoposto a sollecitazioni che ne causano l’invecchiamento, ovvero è necessario conoscere il degrado di proprietà quali la rigidità dielettrica, che è fondamentale per il corretto funzionamento dei sistemi elettrici. Le sollecitazioni che causano il degrado dei sistemi isolanti sono essenzialmente tre:

sollecitazione termica;

sollecitazione meccanica;

sollecitazione elettrica. L’azione congiunta di più sollecitazioni comporta una diminuzione della vita del sistema isolante in causa, fino a valori inaccettabili rispetto alle condizioni di progetto, a causa dell’elevato sinergismo tra i vari tipi di sollecitazione. Lo studio della resistenza alla sollecitazione elettrica di un materiale isolante consiste nel valutare gli effetti di una tensione applicata ad esso, mantenuta costante. La vita del materiale risulta tanto più breve quanto più è elevato il campo elettrico applicato. Il guasto è causato dal cedimento (ovvero la scarica totale), conseguenza della riduzione nel tempo delle sue proprietà elettriche. Esso avviene in seguito alla formazione di un canale ramificato di prescarica (treeing, ovvero arborescenza elettrica) che si origina a partire dalle scariche parziali, che hanno luogo nei vacuoli o nelle microscopiche fessure che sono presenti all’interno del materiale isolante.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Sistemi d’isolamento del motore

Sistemi di isolamento del motore sono progettati per proteggere il motore elettrico. L'isolamento è

richiesto in caso di una differenza di potenziale elettrico tra due conduttori. L'integrità del sistema

d’isolamento del motore non è determinata da un singolo componente ma piuttosto dalla combinazione di

componenti e tecniche di produzione. Un tipico sistema d’isolamento comprende il filo(Wire), isolamento

meta stick tra fase-fase( mid stick), isolamento testata della bobina tra fase-terra(Top stick), resina isolante

tra i fili e Isolamento totale dal statore fase-terra (Slot Liners).

Filo

Il primo componente di isolamento è il filo. Il filo smaltato è tipicamente una pellicola ricoperta da smalto.

Lo spessore del materiale e la concentricità del rivestimento possono influenzare la qualità del sistema di

isolamento.

Isolamento fessura La fessura d’isolamento del motore separa fisicamente l’elemento del motore. Rivestimenti di scanalatura e

di stecche aumentano l’isolamento di fase-terra. Nel mezzo ci sono stecche che aumenta l’isolamento fase-

fase. Infine si aggiunge una rigidità dielettrica al sistema d’isolamento tramite un’ultima stecca che ricopre

una bobina.

Isolamento della bobina Alla testa della bobina viene aggiunta una stecca in modo tale da determinare un isolamento

supplementare che rafforza le prestazioni del motore. La carta di fase (stecca) può essere collocata tra gli

avvolgimenti di fasi diverse e l’isolamento può essere aggiunto ai conduttori che emergono da queste

bobine. L'intero gruppo può essere nastrato e allacciato per aumentare la resistenza e impedire il

movimento della componente. Questo può aumentare notevolmente il valore dielettrico d’isolamento tra

fase-fase e tra i gruppi di bobina.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Isolante in resina

L’isolante in resina è detto così perché dopo l'avvolgimento è rivestito con una resina isolante. Questa

resina deve riempire quanto più spazio possibile tra i cavi e le fessure dello statore per creare una solida

unità. Ciò aggiunge alla capacità dielettrica del sistema d’isolamento l’aumento della tensione richiesta per

determinarne la corona. Il tipo di resina utilizzata può variare da BOME solvente a un tipo reattivo 100%. Il

solvente in resina BOME richiede che i solventi siano rimossi durante il processo d’indurimento (Bake)

lasciando il materiale isolante finale. Per le resine reattive 100%, il materiale di soluzione diventa parte del

materiale isolante finale.

Tecniche di montaggio e effetti sui motori

Come funziona il sistema d’isolamento? Gli assemblati ed elaborati possono influenzare notevolmente la

qualità finale? Un sistema d’isolamento è la somma delle sue parti. Il disegno di avvolgimento può

migliorare un sistema d’isolamento mantenendo conduttori con elevata differenza di potenziale elettrico

come distanti fisicamente tra loro. Inoltre, il processo mediante il quale viene applicata la resina può

influenzare notevolmente le prestazioni d’isolamento. Alcune resine sono applicate da un processo

d’immersione e quindi gli avvolgimenti sono cotti per aiutare il flusso di materiale durante intero

avvolgimento; in altri casi si far scorrere la resina sopra lo statore prima per poi essere cotta. Un altro

metodo è un VPI o impregnazione sottovuoto. Questo metodo forza la resina negli avvolgimenti in modo da

aumentare lo spessore del rivestimento eliminando i vuoti. Molti di questi processi possono essere eseguiti

più volte per migliorare il sistema. Così come l’uso dell’inverter sta aumentando nel settore degli

azionamenti, i sistemi d’isolamento del motore si stanno adattando al funzionamento di questo. In

particolare i primi modelli di modulazione PWM poiché causano un eccessivo riscaldamento del motore è

stata aggiunta una maggiore resistenza termica al motore a corrente alternata, con l’utilizzo di classi

maggiori di materiali isolanti. Gli sforzi sono quindi concentrati su un migliore isolamento di fasi, resine, filo

smaltato e tecniche di produzione per eliminare la possibilità di guasti nei motori.

Capire perché i motori a velocità variabile AC si rompono. Per capire perché i motori a velocità variabile si rompono facilmente e sapere in che modo si sta cercando

di evitare questi inconvenienti, è importante capire i meccanismi di rottura dei motori stessi.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Avvolgimento a terra nello slot. Questo tipo di guasto d’isolamento è in genere causato da contaminanti, abrasioni, vibrazioni, o picchi di tensione.

Avvolgimento a terra in bordo di Slot. Questo tipo di guasto d’isolamento è in genere causato da contaminanti, abrasioni, vibrazioni, o picchi di tensione.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Danni dovuti a rotore bloccato. Grave deterioramento termico dell'isolamento in tutte le fasi del motore è normalmente causato da correnti molto elevate nell'avvolgimento dello statore a causa di una condizione del rotore bloccato. Può anche verificarsi a causa di soste eccessive e inversioni.

Danni dovuti a corto circuito. Questo tipo di guasto d’isolamento è in genere causato da contaminanti, abrasioni, vibrazioni, o picchi di tensione.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Danni dovuti ad avvolgimento fase-fase. Questo tipo di guasto d’isolamento è in genere causato da contaminanti, abrasioni, vibrazioni, o picchi di tensione.

Danni dovuti ad avvolgimento corto circuito tra avvolgimenti. Questo tipo di guasto d’isolamento è in genere causato da contaminanti, abrasioni, vibrazioni, o picchi di tensione.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Danni dovuti a bobina in corto. Questo tipo di guasto d’isolamento è in genere causato da contaminanti, abrasioni, vibrazioni, o picchi di tensione.

Danni dovuti a cottura/rottura di una fase. Guasti d’isolamento come questo è di solito causato da picchi di tensione. Le sovratensioni sono spesso il risultato di circuiti di potenza di commutazione, fulmini, scariche di condensatori, e dispositivi di potenza a stato solido (IGBT).

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Danni dovuti alla tensione sbilanciata. Deterioramento d’isolamento termico in una fase di statore può derivare da una tensione disuguale tra le fasi. Tensioni non uguali sono di solito causate da carichi sbilanciati sulla sorgente di alimentazione, una cattiva connessione al terminale, o un contatto ad alta resistenza. Uno sbilanciamento di tensione all’1% può causare un 6% -10% dello squilibrio della corrente!

Danni dovuti a sovratensione. Questo tipo di guasto d’isolamento è in genere causato da contaminanti, abrasioni, vibrazioni, o picchi di tensione.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Oltre a utilizzare filo isolato, la maggior parte dei motori riceve isolamento supplementare immergendo gli

avvolgimenti in un serbatoio di materiale isolante per formare un rivestimento sugli avvolgimenti. Questo

processo aggiunge valore isolante al filo magnete, compensando intaccature e variazioni di spessore nel

materiale isolante del filo originale.

Alcuni avvolgimenti possono ottenere una seconda immersione (con un processo di trattamento tra le

bagnature o un altro processo a "goccia" che in cui si aumenta il materiale isolante nei giri finali). Questo

risolve il problema di guasti d’isolamento del motore che accadono sulle spire terminali dell'avvolgimento,

ma non negli slot. Misure d’isolamento supplementari possono assicurare che avvolgimenti con diversi

potenziali sono elettricamente isolati l'uno dall'altro.

Il processo d’isolamento, tuttavia, lascia solitamente vuoti d’aria microscopici nel rivestimento. Questi fori

possono essere punti di guasto d’isolamento, quando picchi di tensione, sono impresse su di statore da

un'onda riflessa. Frequentemente, dal 60 al 80% della tensione possono essere distribuiti tra la prima spira

dell'avvolgimento del motore. In questo momento con i dati definitivi non è disponibile per determinare la

causa esatta del guasto d’isolamento. Infatti i costruttori di motori sono di opinioni discordanti sui risultati

del fenomeno dell'onda riflessa:

• La tensione stress elettrico supera la tensione di rottura del vuoto aria, provocando una scarica parziale.

Successive scariche parziali lentamente deteriorare l'isolamento.

• La tensione di ionizzazione dell'aria circostante, portando ad arco tra gli avvolgimenti (noti come corona),

causano il guasto immediato del motore.

• La tensione di picco è superiore al grado d’isolamento del filo magnete, causando uno stress dielettrico e

il fallimento dell’eventuale isolamento.

Non vi è nessuna ricerca definitiva sul fatto degli effetti delle onde riflesse nell’ isolamento del cavo. La

maggior parte dei cavi comunque sono immuni a questo fenomeno a causa del loro isolamento sostanziale.

NEMA Standards Nel tentativo di far fronte agli effetti di commutazione rapida IGBT da punto di vista del produttore dei motori, una commissione (National Electrical Manufacturers Association) NEMA ha definito uno standard per la capacità d’isolamento del sistema. Nella norma “NEMA MG1 Parte 31.40.4.2” si tenta di definire Dv / dt o variazione della tensione nel tempo e massima tensione di picco. È descritto come un aumento 0,1 micro secondi dal 10% al 90% della tensione di stato stazionario ha un picco massimo di 1600 volt. Ragion per cui i motori a velocità variabile e corrente alternata deve essere conformi alla norma NEMA MG1 Parte 31.40.4.2 standard. Oltre agli standard NEMA, questi motori dovrebbero anche avere un rating minimo (Corona Inception Voltage) CIV di 1600 volt alla temperatura di esercizio nominale per 460 VAC, e 1800 volt per 575 VAC. In relazione ai valori di isolamento nominale (Corona Inception Voltage) CIV a temperatura d'esercizio nominale fornisce uno standard che può essere verificato con controlli e qualità. Il cavo installato tra i morsetti di uscita del convertitore e i terminali del motore AC rappresentano

un’impedenza per la causa d’impulsi di tensione PWM del convertitore. Questi cavi contengono valori

rilevanti d’induttanza e capacità che sono direttamente proporzionali alla lunghezza del cavo. Ogni volta

che questa impedenza del cavo non corrisponde all’impedenza del motore, un'onda riflessa avviene

indipendentemente dal PWM semiconduttore tecnologia (IGBT, BJT, GTO, ecc.).

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

La forma d'onda PWM con picchi dell’onda riflessa, se è ha un sufficiente livello di tensione superiore al

(Corona Inception Voltage) livello CIV, inizierà il processo di scarica parziale e / o corona (ionizzazione).

Quando il motore incontra gli impulsi PWM con picchi di alta tensione, un gradiente di alta tensione tra

conduttori provoca aria adiacente ad un conduttore, o aria a spire terminali del motore, per ionizzare che

produce ozono. La formazione di questa corona può causare danni fisici (ion bombardment) e chimici agli

avvolgimenti e la possibilità di punti localizzati caldi ad alta temperatura. In alcuni casi, quando la resina è

applicata al motore, piccole bolle rimangono nel materiale. Queste bolle, note come vuoti, possono fornire

l'aria necessaria per iniziare il processo corona.

Una delle chiavi per risolvere i problemi dell'onda riflessa è la scelta di un motore con un rating adeguato

(Corona Inception Voltage) CIV. Come in precedenza discusso, la tensione d’inizio corona può essere

influenzata da una serie di fattori. Questi fattori includono:

Concentricità e spessore del film filo smaltato

Metodo di assemblaggio / qualità dell'avvolgimento compreso il modello

L'applicazione di resina, e la mancanza di danni meccanici

Il processo di avvolgimento compreso il tipo di resina utilizzata, il numero di volte in resina che

viene applicata nonché il processo in cui viene applicato.

Le condizioni ambientali come l'umidità, la temperatura e contaminanti.

Espandendo l'area di mostre di tensione onda riflessa vibrante anche un singolo impulso può avere

una forma d'onda di vibrazione che può causare una tensione superiore al valore della corona più

di una volta. Questa vibrazione può essere influenzata dalla lunghezza del cavo, il tipo e la posizione

del cavo utilizzato così come frequenza portante dello inverter. L'area al di sotto di ciascuno di

questi picchi è una potenza che genera scariche parziali.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Se la tensione supera il livello CIV del motore, ogni superamento del livello CIV causerà una scarica parziale.

Ripetute scariche parziali / corona provocheranno un deterioramento nell’isolamento del motore. La

combinazione di potenza sotto la curva e il numero di picchi transitori sopra il livello CIV determinano il

tasso di deterioramento. Per esempio, la lunghezza del cavo e del tipo di cavo utilizzato può influenzare la

frequenza di oscillazione del cavo che determina il numero d’impulsi che appaiono sopra il nominale CIV.

Inoltre, i cavi del motore più lunghi in grado di ridurre la frequenza di vibrazione, che si estende in questi

impulsi per provocare una zona più ampia sotto ogni impulso che crea maggiore potenza per la generazione

della corona. L'intensità della scarica parziale / corona è influenzata da una serie di fattori:

Lunghezza del cavo tra inverter e motore che determina l'ampiezza dell'onda riflessa.

Il tempo Dv/Dt del dispositivo che determina l'ampiezza a qualsiasi lunghezza del cavo e del

motore.

Il livello di tensione imposto al motore può essere influenzato da anche altri fattori, come la

tensione d’ingresso della rete. Per esempio l’ ingresso di 380Vac di uno inverter avrà un DC bus

532Vdc e con 440Vac avrà un DC bus 616Vdc, in uscita dell’inverter si crea quindi un voltaggio

transienti min. 1064Vac e max. 1848Vac.

La commutazione dell'inverter o frequenza portante determina il numero di volte per forma d'onda

PWM che supera il livello di tensione CIV del motore. Nel processo finale, l'azione delle scariche

parziali o corona eventualmente erode o degrada l'isolamento tra le spire all'interno del motore.

Quando l'isolamento non riesce inoltre la corrente può fluire fase-fase, fase-terra, avvolgimento-

avvolgimento, filo-filo e in questi casi l’inverter si blocca.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

In molti casi questi fallimenti non sono abbastanza gravi da causare effettivamente il fallimento

totale del motore. Motori con isolamento danneggiato possono essere a volte utilizzati in tutta la

linea senza nessuna influenza. Tuttavia, gli inverter di oggi con sensibili circuiti elettronici spesso

possono rilevare piccoli problemi in modo rapido e determinare mal funzionamento di un motore

con isolamento danneggiato.

Un esempio misurata in Fig. 3 illustra un rapporto di valore di picco della tensione, terminale del motore tra

inverter e motore.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Conclusione e soluzioni

Negli ultimi 10 anni le indagini del mercato sui danni dell'isolamento del motore a causa delle sovratensioni

provenienti dall’inverter mostrano che l'incidenza del danno è 0,013% sotto la condizione di picchi di

tensione oltre 1.100 V e la maggior parte del danno si verifica in diversi mesi dopo la messa in servizio dell’

inverter. Per eleminare anche questa minima percentuale sono state prese varie misure su 13 motori

sincroni magneti permanenti e motori asincroni con riduttore. Le misure sono state effettuate senza

reattore e con reattore per vedere il miglioramento. Ne segue:

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Misura dV/dt fase-fase senza l’aggiuntiva reattanza : V = 1060V , dV/dt = 1060/274 ns = 3868

V/us. Misura effettuata a regime, I motore = 10 A.

Misura dV/dt fase-fase senza L‘aggiuntiva reattanza: Ispezione-(partenza/arresto impulsiva), dV/dt

non rilevanti, grafico riportato solo per traccia delle verifiche effettuate.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Misura dV/dt fase-terra senza L’aggiuntiva, Ispezione-(partenza/arresto impulsiva),. dV =

2.35kV , dt = 27us. dV/dt, dV/dt non rilevante.

Misura dV/dt fase-terra senza L’aggiuntiva, a regime in ispezione. dV = 1.01kV , dt = 3.1 us, dV/dt

non rilevante.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Misura fase-fase a regime con L da 2.7mH in serie al motore. dV = 850V, dt = 7.6 us.

dV/dt = 112 V/us , meno del 3% dei 3868 V/us senza induttanza.

Misura fase-fase a regime con L da 2.7mH in serie al motore. dV = 820V, dt = 9.2 us. Il risultato è

analogo a quello dell’impianto precedente, il dV/dt è ancora più basso perché la corrente

misurata sul motore = 13/14 A, infatti l’impianto è un 480 Kg di portata anziché un 320 Kg, a

parità di motore.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Motore asincrono 18kW,400V,39 A,930 rpm,50Hz,impianto presumibilmente 10-12 persone a 1.75

m/s, corrente in discesa a vuoto = 30 A - Misura dV/dt fase-fase a regime senza induttanze. Il dV/dt è

analogo a quello rilevato sull’impianto con motore sincrono a magneti permanenti, infatti dV = 1040V,

dt = 280ns , dV/dt = 3714 V/us.

Misura dV/dt fase-fase a regime con induttanza da 2.7 mH, fatta in ispezione in quanto l’impianto è

ancora in fase di montaggio. Anche in questo caso il dV/dt è trascurabile per merito dell’induttanza

aggiunta dV = 800V, dt = 8.04us, dv/dt < 100V/us.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

Quando la distanza tra il convertitore e il motore supera la lunghezza consigliata dal costruttore, la

protezione supplementare è richiesta. Ciò può essere sotto forma di un reattore (reattanza) o nella forma

di un filtro speciale per ridurre le tensioni di picco sul motore. Quindi si tenta di sopprimere le

sovratensioni. Ci sono due metodi per la soppressione di sovratensioni, uno è quello di ridurre la tensione

crescente e un altro è di ridurre il valore di tensione di picco. Se lunghezza del cavo è relativamente breve,

le sovratensioni possono essere soppresse riducendo la tensione (dv / dt) con l'installazione di una

reattanza CA sul lato uscita dell'inverter. (Vedi fig. 4 (1)) filtro Dv/Dt

Se la lunghezza del cavo diventa lungo, per sopprimere la tensione di picco di sovratensione bisogna

installare un reattanza e un filtro sul lato uscita dell'inverter cosi da consentire la riduzione di picchi di

tensione ai morsetti del motore. (Vedi fig. 4 (2))

Three-phase dV/dT filters (3 lines) Mediante l'uso di filtro REO un dV / dT picchi di tensione sono 70-90% ridotto.

DEL BO S.p.A.



Telefono 081.8889200 – Fax 081.8889201

Ing.Ibrahim GULESIN

RIFERIMENTI

1. Persson, E., “Transient Effects in Application of PWM Inverters to Induction Motors,” IEEE Transaction on Industry Applications, Vol.

28,1992, No. 5, pp. 1095 – 1101.

2. Deisenroth, H., Trabert, Ch., “Vermeidung von Überspannungen bei Pulsumrichterantrieben,“ Antriebstechnik, etz. 114, pp. 1060 –

1066,1993. (in German)

3. Kawkabani, B., Simond, J.J., Kehtari, F., “Voltage Peaks of Low Voltage Induction Motors due to PWM Inverter Supply,” in EPE'95,

pp. 1465 –1469, Sevilla, Spain, 1995.

4. Takahashi, T., Tetmeyer, M., Tsai, H., Lowery, T., “Motor Lead Length Issues for IGBT PWM Drives,” in Proceedings of IEEE Annual

Pulp and Paper Conference, pp. 21 – 27, 1995.

5. Kerkman, R.J., Leggate, D., Skibinski, G., “Interaction of Drive Modulation & Cable Parameters on AC Motor Transients,” in

Conference Record of IEEE Industry Applications Conference, 1996, pp. 143 – 152.

6. Kerkman, R.J., Leggate, D., Schlegel, D., Skibinski, G., “PWM Inverters and Their Influence on Motor Over-Voltage,” in IEEE Annual

Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1997, pp. 103 – 113.

7. Doležel, I., Škramlík, J., Valouch, V., “Parasitic Currents in PWM Voltage Inverter-Fed Asynchronous Motor Drives,” in EPE'99,

Lausanne, Switzerland, 1999.

8. Skibinski, G., Kerkman, R. J., Leggate, D., Pankau, J., Schlegel, D.,“Reflected Wave Modeling Techniques for PWM AC Motor

Drives,” in IEEE Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition,1998, Vol. 2, pp. 1021 – 1029.

9. Benešová, Z., Mayer, D., Ulrych, B., “Transient Phenomena in Three- Phase Networks with Distributed Parameters,” in Proceedings of

SPETO'98 Conference, Gliwice, Poland, 1998, pp. 295 – 298.

10. Kunakorn, A., Hiley, J., Smith, K. S., “Frequency Dependent Time Domain Models for Calculating Switching Transients in PWM

Drives,” in 2000 International Conference on Power System Technology, Perth, Australia, 2000, Vol. 1, pp. 205 – 210.

11. Peroutka, Z., Benešová, Z., “Evaluation and Modeling of Transient Overvoltage in Voltage Source Inverter Drives,” in Proceedings of

SPETO 2002 Conference. Gliwice, Poland, 2002. Vol. 2, pp.195 – 198.

Documents

INVERTER - Guasti d’isolamento del MOTORE e Le SOLUZIONI_v1