Nei motori elettrici si impiegano normalmente RTD, termistori, termocoppie o sensori a fibra ottica, ciascuno adatto a un diverso obiettivo di misura. L’attenzione si concentra spesso sulla temperatura degli avvolgimenti, ma lo stesso motore può avere sensori anche sui cuscinetti, sulla carcassa o in altri punti interni.
Il sensore adatto dipende dalla posizione di misura, dall’intervallo di temperatura, dall’ambiente elettrico, dalla precisione e dalla risposta richieste, dallo spazio d’installazione e dall’interfaccia di monitoraggio.
Quali sensori di temperatura si usano nei motori elettrici?
Quattro tipologie coprono gran parte delle misure di temperatura nei motori. Gli RTD (rilevatori di temperatura a resistenza) sfruttano la variazione della resistenza elettrica con la temperatura. Anche i termistori si basano sulla variazione di resistenza, ma usano materiali semiconduttori e hanno una curva caratteristica diversa. Le termocoppie generano una piccola tensione dipendente dalla temperatura. I sensori a fibra ottica usano un segnale ottico; nei modelli basati sulla fluorescenza, la temperatura viene ricavata dal comportamento fluorescente di un materiale posto sulla punta sensibile.
Un motore può inoltre integrare sensori per i cuscinetti e sensori superficiali o sulla carcassa. Questi rilevano grandezze termiche diverse da quelle misurate nei sensori degli avvolgimenti e dello statore.
Sensori RTD per la misura della temperatura dei motori
Un RTD è un rilevatore di temperatura a resistenza. La sua resistenza varia in modo stabile e ripetibile al variare della temperatura; il dispositivo di monitoraggio converte il valore misurato in una temperatura. PT100 e PT1000 sono sigle comuni che indicano la resistenza nominale a una temperatura di riferimento.
Nei motori gli RTD vengono comunemente integrati nell’avvolgimento dello statore o posizionati sui cuscinetti. Un RTD per avvolgimenti viene installato in fabbrica in una posizione selezionata, spesso tra i lati delle bobine o in un altro punto previsto dal progetto del motore. Grazie alla relazione stabile tra resistenza e temperatura, gli RTD sono adatti al monitoraggio continuo; molti relè di protezione, PLC e sistemi di supervisione accettano direttamente ingressi RTD.
Nella scelta occorre considerare alcuni aspetti. Un RTD richiede conduttori elettrici, quindi vanno valutati cablaggio e isolamento, soprattutto nelle macchine ad alta tensione. Anche il percorso del segnale può richiedere attenzione in ambienti elettricamente impegnativi. Classi di precisione, tolleranze e intervalli di temperatura dipendono dal tipo di RTD e dal produttore: fanno fede i dati tecnici del prodotto.
Termistori negli avvolgimenti dei motori
I termistori sono resistori sensibili alla temperatura. Nei modelli NTC la resistenza diminuisce quando la temperatura aumenta; i modelli PTC mostrano in genere un forte aumento della resistenza intorno a una temperatura definita.
I termistori PTC sono spesso usati per la protezione e il rilevamento di soglie. Un circuito di controllo sorveglia la resistenza e una variazione marcata segnala il raggiungimento di una condizione impostata nell’avvolgimento. I termistori NTC forniscono una resistenza dipendente dalla temperatura, convertibile in un valore termico con un circuito adatto.
I termistori sono utili quando servono dimensioni compatte, una funzione di protezione semplice o una variazione rapida della resistenza. Non tutti sono dispositivi per misure continue e precise: comportamento e funzione dipendono dal tipo di sensore e dal circuito di controllo. Un termistore di protezione risponde a un’esigenza diversa rispetto a un sensore destinato a fornire dati continui sulla temperatura degli avvolgimenti.
Termocoppie per la misura nei motori
Una termocoppia unisce due metalli diversi; la giunzione genera una tensione dipendente dalla temperatura. La giunzione di misura può essere di dimensioni ridotte e la velocità di risposta varia con la costruzione. Le termocoppie sono impiegate in numerose applicazioni industriali, anche nei motori e nelle apparecchiature azionate.
Le considerazioni principali riguardano il collegamento elettrico. Il segnale è una tensione di basso livello trasportata da conduttori e lo strumento deve gestire il riferimento della giunzione fredda. Negli ambienti elettricamente impegnativi, messa a terra, schermatura e instradamento dei cavi possono influire sulla misura. Ciò non impedisce l’uso delle termocoppie nei motori, ma in alcune installazioni il cablaggio richiede più attenzione rispetto a un sensore ottico.
Sensori di temperatura a fibra ottica per gli avvolgimenti dei motori
La tecnologia INNO è basata sulla misura puntuale a fibra ottica con fluorescenza. La sonda dispone di una punta sensibile che rileva la temperatura nella propria posizione. Una fibra ottica porta la luce di eccitazione fino alla punta e riporta il segnale allo strumento compatibile, che lo converte in un valore di temperatura.
Ogni sonda misura un singolo punto fisico definito. La fibra tra la punta e lo strumento trasporta il segnale, ma non misura la temperatura lungo il proprio percorso. Si tratta di misura puntuale, non distribuita: la sonda non individua automaticamente un punto caldo sconosciuto, quindi la posizione va scelta in anticipo.
Negli avvolgimenti, una sonda a fibra ottica per la temperatura degli avvolgimenti del motore viene installata con la punta sensibile nella posizione scelta. La struttura generale e le varianti delle sonde sono illustrate nella pagina dedicata ai sensori di temperatura a fibra ottica.
Per le applicazioni sui motori sono rilevanti queste caratteristiche:
- Isolamento elettrico del percorso sensibile ottico
- Elevata resistenza alle interferenze elettromagnetiche
- Adatta ad alcuni ambienti ad alta tensione o con intensi campi elettromagnetici
- Geometria compatta della sonda, utile quando lo spazio d’installazione è limitato
- Monitoraggio multipunto con più sonde indipendenti
Sono caratteristiche del metodo di misura, non garanzie valide per ogni installazione. L’idoneità di una sonda a fibra ottica per un motore specifico dipende dal punto di misura, dal progetto dell’avvolgimento e dal percorso disponibile per portare la fibra fuori dalla macchina.
Confronto tra RTD, termistore, termocoppia e sensore a fibra ottica
La tabella confronta le quattro tipologie in base al principio di funzionamento e agli impieghi comuni. È un confronto neutrale, non una classifica; le caratteristiche effettive variano da prodotto a prodotto.
| Tipo di sensore | Principio di misura | Impiego tipico nei motori | Segnale elettrico nel punto di misura | Misura continua della temperatura | Criterio principale di scelta |
|---|---|---|---|---|---|
| RTD | La resistenza varia con la temperatura | Monitoraggio degli avvolgimenti integrati, dello statore e dei cuscinetti | Sì, i conduttori elettrici arrivano all’elemento sensibile | Sì | Cablaggio, isolamento e percorso del segnale nell’ambiente elettrico |
| Termistore | La resistenza del semiconduttore varia con la temperatura | Protezione degli avvolgimenti e rilevamento di soglie; in alcuni modelli anche lettura della temperatura | Sì, i conduttori elettrici arrivano all’elemento sensibile | Dipende dal tipo di sensore e dal circuito di controllo | Stabilire se occorre una protezione o un dato di temperatura continuo |
| Termocoppia | Tensione termoelettrica alla giunzione di metalli diversi | Misure industriali generali, anche in alcuni punti di motori e apparecchiature | Sì, il segnale a bassa tensione viaggia su conduttori | Sì | Riferimento della giunzione, messa a terra e schermatura |
| Sensore a fibra ottica | Segnale ottico della punta sensibile, ad esempio il comportamento della fluorescenza | Misura diretta in punti selezionati degli avvolgimenti, anche in ambienti elettricamente impegnativi | No, nel punto di misura il percorso del segnale è ottico | Sì | Posizione puntuale, percorso della fibra e canali compatibili dello strumento |
Dove si installano i sensori di temperatura in un motore elettrico?
La posizione di misura spesso determina la scelta del sensore prima di qualsiasi altro criterio, perché ogni posizione risponde a un obiettivo diverso.
Avvolgimenti dello statore
Lo statore è una delle posizioni principali per il monitoraggio della temperatura del motore. I sensori vengono integrati o collocati in punti selezionati dell’avvolgimento, di solito durante la produzione. Qualsiasi sensore statorico rileva soltanto la posizione in cui è installato: il punto scelto conta quanto il tipo di sensore.
Cuscinetti
Il monitoraggio dei cuscinetti ha un obiettivo diverso dal controllo degli avvolgimenti: riguarda lubrificazione e condizioni meccaniche, e spesso impiega RTD. In generale non è necessario usare la fibra ottica sui cuscinetti; la scelta dipende da posizione, ambiente e sistema di monitoraggio.
Carcassa del motore
La temperatura della carcassa o della superficie è più facile da rilevare, ma non corrisponde direttamente a quella interna degli avvolgimenti. La differenza dipende da progetto, carico e raffreddamento. La misura sulla carcassa può servire ad altri scopi, ma non sostituisce un sensore posizionato nell’avvolgimento.
Altri punti interni
In base alla progettazione del motore possono interessare anche cave, testate degli avvolgimenti o altri punti termici. L’accessibilità dipende dalla costruzione e non esiste una regola valida per ogni macchina.
Perché è importante la temperatura degli avvolgimenti
La temperatura degli avvolgimenti riflette l’effetto combinato di corrente, perdite, carico, raffreddamento, condizioni ambientali e flusso d’aria. All’aumentare della corrente di carico, in genere crescono le perdite dell’avvolgimento e il calore generato. Se il raffreddamento o la circolazione dell’aria sono limitati, a parità di carico la temperatura può salire. Un sensore nell’avvolgimento rileva il risultato complessivo di questi fattori, cosa che una misura superficiale non può fare.
I valori di temperatura ammissibili dipendono dalla progettazione del motore, dal sistema d’isolamento e dalle specifiche applicabili: vanno ricavati dalla documentazione della macchina, non da valori generici. I metodi di misura, compresi quelli basati sulla resistenza degli avvolgimenti e sulle tecniche superficiali, sono descritti nell’articolo su come si misura la temperatura degli avvolgimenti di un motore.
Monitoraggio di più punti di temperatura nel motore
Un sensore puntuale fornisce un valore in una sola posizione. Se occorre controllare più punti, ciascuno richiede il proprio sensore. Nella misura puntuale a fibra ottica, a ogni punto definito corrispondono una sonda e un canale attivo compatibile dello strumento.
Ad esempio, monitorare tre posizioni indipendenti dell’avvolgimento richiede normalmente tre sonde e almeno tre canali attivi compatibili. È solo un esempio: il numero di punti dipende dalla progettazione del motore e dall’obiettivo del monitoraggio; non tutti i motori ne richiedono tre.
Più sonde forniscono più misure puntuali indipendenti, non un profilo di temperatura distribuito. Gli strumenti multicanale sono descritti nella pagina dedicata ai sistemi di monitoraggio termico a fibra ottica, mentre il contesto applicativo più ampio è trattato nella sezione sul monitoraggio della temperatura di motori e generatori.
Come scegliere un sensore di temperatura per motori elettrici
Valuta i seguenti punti in sequenza: ognuno restringe le opzioni disponibili.
- Posizione di misura: avvolgimento, statore, cuscinetto, carcassa o altro punto interno.
- Intervallo di temperatura previsto: verifica i valori nella documentazione del sensore.
- Risposta richiesta: quanto rapidamente la lettura deve seguire le variazioni.
- Precisione richiesta: come indicato nelle specifiche e verificato per il sensore scelto.
- Requisiti di isolamento elettrico: valuta se è accettabile un cablaggio conduttivo nel punto di misura.
- Ambiente elettromagnetico: alta tensione, campi intensi o condizioni ad alta frequenza.
- Spazio disponibile per l’installazione: lo spazio effettivo nel punto di misura previsto.
- Diametro e geometria del sensore: verifica che la sonda entri nella posizione scelta.
- Percorso del cavo o della fibra: definisci come il collegamento esce dal motore e raggiunge lo strumento.
- Numero di punti di misura: ogni posizione indipendente richiede il proprio sensore.
- Canali di monitoraggio necessari: prevedi un numero sufficiente di ingressi compatibili per tutti i sensori.
- Interfaccia di controllo, PLC o monitoraggio: verifica il tipo di segnale accettato dal sistema esistente.
Scelta del sensore in base alle condizioni applicative
La tabella riporta i tipi di sensore comunemente valutati nelle condizioni tipiche e la domanda decisiva per la scelta. Non esclude altre possibilità.
| Condizione applicativa | Tipi di sensore comunemente valutati | Domanda determinante |
|---|---|---|
| Monitoraggio di avvolgimenti statorici integrati | RTD, termistore, termocoppia, fibra ottica | Il sistema accetta il tipo di segnale e la posizione è accessibile durante la produzione? |
| Soglia di protezione del motore | Termistore, RTD | È sufficiente una funzione di commutazione o serve un dato continuo di temperatura? |
| Misura industriale generale della temperatura | RTD, termocoppia | Quale intervallo e interfaccia richiede l’applicazione? |
| Avvolgimento di un motore ad alta tensione | RTD, fibra ottica | Come vengono gestiti isolamento e separazione elettrica nel punto di misura? |
| Ambiente con forti campi elettromagnetici | Sensori elettrici schermati, fibra ottica | Cablaggio e schermatura mantengono affidabile il segnale elettrico o è preferibile un percorso ottico? |
| Monitoraggio multipunto degli avvolgimenti | RTD, fibra ottica | Quanti punti indipendenti servono e sono disponibili canali sufficienti? |
| Monitoraggio dei cuscinetti | RTD, termocoppia | Quali montaggio e interfaccia sono consentiti nella posizione del cuscinetto? |
Misura della temperatura in alta tensione e in presenza di forti interferenze elettromagnetiche
I sensori elettrici si basano su cablaggio conduttivo e segnali elettrici. In molti motori funzionano bene, ma nelle macchine ad alta tensione o con campi elettromagnetici intensi il cablaggio diventa parte integrante del progetto. Isolamento, messa a terra, schermatura e percorso dei cavi richiedono attenzione, così come l’affidabilità del segnale in presenza del campo.
La misura a fibra ottica usa un percorso ottico tra il punto sensibile e lo strumento. Nel punto di misura non esiste un percorso conduttivo del segnale: in alcuni ambienti ad alta tensione, con campi intensi o a radiofrequenza, ciò può semplificare isolamento elettrico e instradamento. Non significa immunità completa: le sonde a fibra ottica presentano un’elevata resistenza alle interferenze elettromagnetiche, ma il risultato dipende anche dall’installazione.
Progettazione di un nuovo motore o retrofit del monitoraggio termico
In un motore nuovo, i sensori integrati possono essere previsti già in fase di progettazione e produzione. Si definiscono i punti di misura, si posizionano i sensori quando l’avvolgimento è accessibile e si integra nel progetto il percorso dei cavi o delle fibre.
In un motore esistente, l’accesso interno agli avvolgimenti è di norma limitato. Le opzioni possono comprendere RTD già integrati, sensori sui cuscinetti, misure superficiali o altri punti interni accessibili. Non si deve presumere che una sonda a fibra ottica possa sempre essere installata a posteriori nell’avvolgimento: ogni caso richiede una verifica tecnica.
Vincoli d’installazione che possono influenzare la scelta
- Scegliere il sensore prima di definire la posizione di misura.
- Considerare la temperatura della carcassa equivalente a quella degli avvolgimenti.
- Presumere che un solo sensore rappresenti l’intero avvolgimento.
- Trascurare l’isolamento elettrico richiesto nel punto di misura.
- Rimandare la definizione del percorso del cavo o della fibra alle fasi finali del progetto.
- Usare un termistore di protezione quando servono dati continui di temperatura.
- Presumere che più sonde puntuali equivalgano a una misura distribuita.
Conclusione
Nei motori elettrici si possono usare RTD, termistori, termocoppie e sensori a fibra ottica, ma rispondono a diverse esigenze di misura e protezione. Gli RTD consentono il monitoraggio continuo basato sulla resistenza elettrica; i termistori offrono sensori compatti e funzioni di protezione; le termocoppie coprono numerose misure industriali; la fibra ottica rileva punti definiti tramite un segnale ottico elettricamente isolato.
La scelta parte dal punto di misura e dall’ambiente operativo, non dal nome del sensore. Una volta definiti posizione, intervallo termico, condizioni elettriche e interfaccia di monitoraggio, le opzioni adatte diventano più chiare.
Per misurare direttamente la temperatura degli avvolgimenti di un motore, INNO può aiutare a valutare i punti di misura, la configurazione delle sonde, il percorso delle fibre e i canali necessari.
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