Protezione del motore Caratteristiche
per l’applicazione pratica
Necessità per la protezione motore
Requisiti per la protezione motore
Misure protettive
Motor
Management
TM
Premessa
Il presente manuale tecnico «Protezione del motore» rappresenta un’ulteriore
pubblicazione sul tema «Sistema di controllo e protezione del motore (Motor
Management)».
Con questa pubblicazione, si rende disponibile per l’utente un manuale sempre più
vasto per la consultazione sulle prestazioni e sui dati operativi per la progettazione
e l’utilizzo.
Gli argomenti trattati sono:
• Avviamenti per motori
• Scelta e uso delle apparecchiature elettriche di comando
• Comunicazione
Sono già stati pubblicati i seguenti manuali tecnici
• «Motori asincroni trifasi» - informazioni sulla costruzione, tipi di
funzionamento, scelta e dimensionamento dei motori
• «Caratteristiche degli interruttori magnetotermici di potenza» - indicazioni
integrative per la gestione pratica degli interruttori magnetotermici di potenza.
Attualmente i motori elettrici fanno parte, di tutti i processi di produzione.
L’utilizzo ottimale delle macchine aumenta di significato dal punto di vista
economico. Il «Sistema di controllo e protezione del motore» della Rockwell
Automation può essere di aiuto:
• nell’utilizzare meglio gli impianti
• nel ridurre i costi di gestione
• nell’aumentare la sicurezza di funzionamento
Saremo lieti se le nostre pubblicazioni potranno aiutarvi a trovare soluzioni
economiche ed efficienti per le vostre applicazioni.
Copyright © 1997 by Rockwell Automation AG
Tutte le indicazioni si basano sullo stato attuale della tecnologia, senza vincoli legali.
i
Protezione del motore
Indice
1
Necessità della protezione motore
1.1
2
Requisiti della protezione motore
2.1
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
2.1.6
2.1.7
2.1.8
Riscaldamento
Comportamento funzionale
Temperatura limite e classi di isolamento
Invecchiamento dell’isolamento
Limiti di prestazione
Mancanza di fase
Asimmetria nella rete
Dispersione verso terra
Cortocircuiti
3
Requisiti di protezione del sistema
3.1
3.2
3.3
3.4
3.4.1
3.4.2
Arresto
Sotto carico
Senso di rotazione errato
Motori in ambienti esplosivi
Tipo di protezione ad elevata sicurezza EEx e con pericolo
esplosivo
Significato del tempo tE
4
Caratteristiche di protezione
4.1
5
Caratteristiche di protezione dipendenti
dalla temperatura
5.1
5.1
5.1.1
5.1.2
5.2
5.3
5.4
Problemi applicativi
Applicazioni
Inerzia termica
Termostati bimetallici nell’avvolgimento
Sensori PTC
Sensori termici lineari
ii
2.1
2.1
2.3
2.4
2.5
2.6
2.8
2.9
2.9
3.1
3.1
3.1
3.1
3.1
3.1
3.2
5.1
5.1
5.1
5.2
5.3
5.4
Protezione del motore
6
Protezione dipendente dalla corrente
6.1
6.1
6.2
6.2.1
6.2.2
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.3.5
6.3.6
6.3.7
6.4
6.5
6.6
6.6.1
6.6.1.1
6.6.1.2
6.6.1.3
6.6.2
6.6.2.1
6.6.2.2
6.6.2.3
Funzione
Caratteristiche dell’apparecchio
Funzionamento fisso
Funzionamento intermittente
Bimetallo - Principio di protezione
Funzione
Resistenza al cortocircuito
Funzionamento monofase
Mancanza di fase
Tempo di ripristino
Regolazione della corrente
Scatto libero
Protezione del motore per avviamento con carico pesante
Protezione del motore in ambienti esplosivi
Protezione elettronica del motore
Protezione dai sovraccarichi
Modelli di simulazione termica
Regolazione della corrente
Regolazione del tempo di intervento
Funzioni speciali di protezione del motore
Mancanza di fase
Asimmetria
Dispersione verso terra
Dispersione verso terra secondo il metodo "Holmgreen"
Dispersione verso terra con trasformatore di corrente
sommatorio
Protezione della dispersione verso terra in media tensione
Protezione dai cortocircuiti per motori in media tensione
Funzioni di comando
Forte sovraccarico e arresto
Sotto carico
Protezione del senso di rotazione
Controllo del tempo di avviamento
Arresto durante l’avviamento
Fonctions de commande
Preallarme
Regolazione del carico
Arresto dell’avviamento
Commutazione stella-triangolo
Avviamento a caldo
Possibilità di comunicazione
6.1
6.1
6.1
6.2
6.3
6.3
6.5
6.5
6.5
6.7
6.8
6.9
6.9
6.10
6.10
6.11
6.11
6.12
6.13
6.14
6.14
6.14
6.15
6.15
6.6.2.4
6.6.3
6.6.3.1
6.6.3.2
6.6.3.3
6.6.3.4
6.6.3.5
6.6.4
6.6.4.1
6.6.4.2
6.6.4.3
6.6.4.4
6.6.4.5
6.6.4.6
iii
6.16
6.16
6.21
6.22
6.22
6.23
6.24
6.24
6.25
6.26
6.26
6.26
6.26
6.27
6.28
6.29
Protezione del motore
6.6.5
Applicazioni degli apparecchi elettronici per la
protezione motore
6.6.5.1 Motori con bassa inerzia termica
6.6.5.2 Motori con elevata inerzia termica
6.6.5.3 Motori a rotore critico
6.6.5.4 Motori in media tensione
6.6.5.5 Motori ad anelli
6.6.5.6 Motori a doppia polarità
6.6.5.7 Motori a frequenza controllabile
6.6.5.8 Avviamento dolce, arresto dolce
6.6.5.9 Motori a ventilazione esterna
6.6.5.10 Temperatura ambiente elevata
6.6.5.11 Motori in ambienti esplosivi
6.6.5.12 Protezione di motori ad induzione compensati
7
Scelta corretta dell’apparecchio per la
protezione motore
7.1
7.2
Scelta della protezione secondo il tipo di applicazione
Scelta della protezione secondo il tipo di motore e di
trasmissione
Scelta della protezione secondo le condizioni ambientali
Scelta della protezione secondo i criteri del sistema
di controllo
7.3
7.4
iv
6.29
6.29
6.30
6.30
6.30
6.31
6.31
6.32
6.32
6.33
6.33
6.33
6.34
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
Protezione del motore
1
Esigenze per la protezione motore
Si potrebbe supporre che motori progettati, dimensionati, installati, messi in
funzione e sottoposti a manutenzione nel modo corretto, non dovrebbero presentare
problemi. Tuttavia, queste condizioni raramente corrispondono alla realtà. I guasti
più frequenti che si verificano sui motori dipendono dalle condizioni specifiche di
funzionamento.
Le statistiche mostrano che, ogni anno, bisogna calcolare un tasso di guasti dallo
0,5 al 4%. La maggior parte derivano dal sovraccarico termico. I difetti di
isolamento provocano dispersione verso terra, i cortocircuiti tra le spire oppure
negli avvolgimenti derivano dalle sovratensioni o agenti inquinanti come umidità,
olio, grasso, polvere o sostanze chimiche.
Le percentuali approssimative dei singoli guasti sono:
•
•
•
•
•
•
•
Sovraccarico termico
Guasti dell’isolamento
Mancanza di fase
Guasti dei cuscinetti
Invecchiamento
Guasti del rotore
Altro
30%
20%
14%
13%
10%
5%
8%
Per assicurare un funzionamento senza inconvenienti di un impianto elettrico, è
necessario prestare attenzione ai seguenti punti:
• Progettazione corretta: bisogna scegliere il motore giusto in funzione
dell’applicazione.
• Gestione professionale: le premesse per un funzionamento senza guasti sono
un’installazione eseguita da personale competente ed una manutenzione
regolare.
• Una buona protezione del motore: quest’ultima deve coprire tutti i tipi di
problemi prevedibili.
- Non deve entrare in funzione, fino a quando il motore non è in pericolo.
- Se il motore è in pericolo, il dispositivo di protezione deve innescarsi
prima che si verifichi un danno.
- Se non è possibile evitare un guasto, l’apparecchio di protezione deve
intervenire rapidamente per limitare il più possibile l’entità del guasto.
1.1
Protezione del motore
La tabella 1.2.1 offre una panoramica sulle cause di guasto più frequenti nei
motori, i loro effetti ed i possibili danni.
Cause
Sovraccarico termico:
• Condizioni di avviamento estreme
• Rotore bloccato
• Sovraccarico di lunga durata
• Sottotensione
• Funzionamento intermittente non
consentito
Problemi di raffreddamento:
• Raffreddamento limitato
• Temperatura ambientale troppo
Cause elettriche:
• Avviamento monofase
• Tensione asimmetrica
• Corto circuito verso terra
• Corto circuito tra le spire
• Corto circuito tra gli avvolgimenti
Effetti
Guasti possibili
Sovracorrente e
conseguente
riscaldamento non
consentito negli
avvolgimenti
gabbia del rotore
dissaldata
avvolgimenti statorici
bruciati
Riscaldamento
non accettabile
Avvolgimenti statorici
bruciati
Asimmetria della
sovracorrente
Riscaldamento
non accettabile
a seconda della
e del carico
avvolgimenti singoli o
parti di avvolgimenti
bruciati dimensione
del motore
Cause meccaniche:
• Equilibratura non assiale
Consumo non
• Trasmissione non assiale del motore regolare dei
• Trasmissione del motore montata
cuscinetti
impropriamente (ad es. carico dei
cuscinetti troppo alto con cinghie
trapezoidali)
Tab. 1.2.1
1.2
danni ai cuscinetti
Cause, effetti e guasti, possibili per le avarie dei motori.
Protezione del motore
2
Esigenza per la protezione motore
2.1
Riscaldamento
In base alle norme, ogni costruttore di motori elettrici garantisce che in condizioni
normale di funzionamento, le parti critiche della macchina non subiscano un
surriscaldamento eccessivo e che sovraccarichi di breve durata non abbiano alcuna
influenza sul buon funzionamento del motore. Il dispositivo per la protezione del
motore deve permettere il pieno utilizzo della macchina e di conseguenza il
corretto funzionamento del motore al suo rendimento massimo, e
contemporaneamente tenere sotto controllo il sovraccarico termico in modo
d’intervenire rapidamente.
2.1.1
Comportamento del motore in servizio
La caratteristica dei motori elettrici è quella di convertire l’energia elettrica
assorbita in energia meccanica. Questa conversione è tuttavia accompagnata da
perdite sotto forma di calore. La perdita globale si ottiene dalla somma delle
seguenti perdite individuali:
• Le perdite indipendenti dalla corrente sono: Queste perdite sono praticamente
costanti e sono presenti anche durante il funzionamento a vuoto.
- Perdite nel ferro che comprendono le perdite per isteresi magnetica e per
correnti parassite
- Perdite meccaniche dovute ad attrito ed alla ventilazione
• Le perdite dipendenti dalla corrente sono: Il valore di queste perdite varia in
funzione del carico, cioè in funzione della corrente assorbita.
- Perdite per effetto Joule nello statore
- Perdite per effetto Joule nel rotore
La potenza dissipata è proporzionale al quadrato della corrente che a sua volta è
proporzionale allo scorrimento del motore. All’avviamento il rotore del motore è
bloccato, la corrente che circola nello statore, secondo la Figura 2.2.1, è la
massima corrente di avviamento pari a 4...8 In. La potenza complessiva assorbita
viene trasformata in calore. Se il rotore rimane bloccato, la temperatura
dell’avvolgimento dello statore e del rotore sale velocemente in quanto una parte
del calore non viene trasmessa immediatamente nel pacco lamellare. Nel caso in
cui il motore non venga fermato in tempo, gli avvolgimenti dello statore e del
rotore possono bruciarsi.
La parte di potenza trasformata in calore diminuisce con l’aumento della velocità.
Una volta raggiunta la velocità nominale, la temperatura sale ulteriormente
secondo una curva esponenziale, secondo la Figura 2.2.2, fino a raggiungere la
temperatura di regime. Qualsiasi aumento della corrente assorbita genera dunque
una temperatura finale più elevata.
2.1
Protezione del motore
I
I
I
I
Figura 2.2.1 Inserzione di un motore a gabbia di scoiattolo con avviamento
diretto. Durante il tempo di accelerazione tA, si crea una corrente di
avviamento del motore IA molto elevata. Se il tempo di accelerazione
limite fissato dal costruttore non viene superato, in genere 10 s, la
corrente di avviamento non genera alcun surriscaldamento
inammissibile. E’ trascurabile il picco di corrente leggermente
asimmetrico al momento dello spunto iniziale.
ϑ
ϑG
ϑe
ϑs
ϑK
0t t
A B
t
ϑG Limite della temperatura sopportata
dall’isolamento
ϑK Temperatura ambiente
tA Tempo di accelerazione
ϑS Aumento della temperatura
all’avviamento
ϑe Aumento della temperatura in servizio
continuo con corrente nominale Ie
tB Tempo ammissibile di bloccaggio
Figura 2.2.2 Variazione della temperatura nell’avvolgimento del motore.
Durante il tempo di accelerazione tA, la temperatura
dell’avvolgimento aumenta rapidamente a causa dell’elevata
corrente di avviamento IA. Dopo l’avviamento, la temperatura
diminuisce temporaneamente in quanto il calore viene ceduto al
pacco lamellare. Se il rotore rimane bloccato, gli avvolgimenti
raggiungono velocemente i rispettivi limiti di temperatura.
Considerati sotto l’aspetto termico, i motori elettrici non sono degli insiemi
omogenei, perché l’avvolgimento, il ferro dello statore ed il rotore presentano delle
capacità e delle conducibilità termiche differenti. In seguito a carichi elevati, ma di
breve durata – come dopo un avviamento – si crea un certo equilibrio termico tra le
diverse parti del motore. Il calore dell’avvolgimento viene assorbito dal ferro più
freddo fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.
2.2
Protezione del motore
2.1.2
Limite di temperatura e classi di isolamento
La temperatura massima ammissibile negli avvolgimenti, e quindi, la capacità di
carico del motore vengono determinati soprattutto, dalla classe d’isolamento degli
avvolgimenti. Le norme IEC per le macchine elettriche (IEC 34-1 e IEC 85) e la
disposizione VDE 0530 parte 1 sono riassunte nella Tabella 2.3.1. Si distingue una
differenza tra:
• Temperatura ambiente: a questa temperatura, il motore può raggiungere la sua
potenza nominale senza subire un surriscaldamento.
• Limite della sovratemperatura K definita come valore medio della misurazione
della resistenza dell’avvolgimento a temperatura ambiente e a regime termico
raggiunto. La temperatura totale di funzionamento risulta come somma fra la
temperatura ambiente e la sovratemperatura dell’avvolgimento (K). Se la
temperatura ambiente è inferiore a 40 °C, il carico del motore può essere
aumentato. Al di sopra dei 40 °C, è necessario ridurre il carico.
• Temperatura totale consentita in °C nel punto più caldo dell’avvolgimento in
servizio permanente.
Classe di
Isolamento
E
B
F
H
Tab. 2.3.1
Temperatura
ambiente in °C
40
40
40
40
Limite
Temp. totale di
sovratemperatura K funzionamento in °C
75
120
80
130
105
155
125
180
Classe d’isolamento dei materiali degli avvolgimenti e temperatura
totale di funzionamento
La temperatura totale di funzionamento consentita dai materiali isolanti è composta
dalla temperatura ambiente, dal limite di sovratemperatura e da una tolleranza al
surriscaldamento. Quest’ultimo è un fattore di sicurezza, in quanto la misurazione
della temperatura attraverso la resistenza ohmica non stabilisce il punto più caldo
dell’avvolgimento.
Per temperature ambientali molto elevate, vengono costruiti motori con un
isolamento speciale resistenti al calore. Queste macchine possono erogare la
potenza nominale anche con temperature ambientali elevate.
Il metodo di raffreddamento molto diffuso è l’autoventilazione attraverso l’aria
ambiente. I motori autoventilati trasmettono una corrente d’aria nell’alloggiamento
interno attraverso un ventilatore montato sull’albero motore. Il compito di questo
ventilatore è quello di rinnovare continuamente l’aria sulla superficie del motore.
Questo genere di raffreddamento – che è comunque il più comune – utilizza l’aria
ambiente come agente di raffreddamento. La sua temperatura è dunque uguale a
quella dell’ambiente che circonda il motore, ma l’efficienza del raffreddamento
dipende ancora dalla velocità di rotazione del motore.
2.3
Protezione del motore
Grazie alla loro costruzione molto semplice (senza isolamento), i rotori dei motori
a gabbia di scoiattolo possono sopportare in servizio continuo temperature molto
più elevate.
I motori in media tensione ed i motori molto grossi in bassa tensione possono dare dei
problemi durante la fase di avviamento in quanto le perdite nel rotore sono più intense
che nelle altre parti. Il tempo di accelerazione di tali motori e il tempo di arresto
vengono, dunque, limitati dalla capacità termica del rotore. In questo caso, si parla, di
motori “a rotore critico”. L’elevato riscaldamento può condurre a sollecitazioni
meccaniche e avere come conseguenza la dissaldatura delle barre del rotore.
Per i tipi di motori con protezione “a sicurezza elevata EEx e”, l’alta temperatura
può provocare esplosione nell’ambiente con pericolo di incendio.
2.1.3
Invecchiamento dell’isolamento
Per quanto riguarda la durata di vita dell’avvolgimento, si possono calcolare
100.000 h di funzionamento per tutte le classi di isolamento a regime termico
raggiunto. Questo corrisponde a circa 12 anni di funzionamento continuo con
carico nominale. L’invecchiamento dell’isolamento è come un processo chimico
molto accelerato che dipende fortemente dalla temperatura, come indicato in
Figura 2.4.1. In seguito al riscaldamento, una parte del materiale isolante evapora,
dando luogo ad una porosità crescente che come conseguenza fa diminuire la
rigidità dielettrica. Come valore indicativo vale quanto segue: se la temperatura di
funzionamento è superiore di 10 K rispetto alla temperatura totale consentita dalla
classe d’isolamento, la durata di vita elettrica del motore si dimezza. Questa
considerazione indica che si deve prestare particolare attenzione alla temperatura
nominale di servizio sui lunghi periodi, mentre brevi sovraccarichi termici non
hanno praticamente alcuna influenza sulla durata di vita del motore.
t Durata di vita
ϑ Limite temperatura
Figura 2.4.1 Riduzione della durata della vita media degli avvolgimenti di un
motore in caso di sovratemperatura.
2.4
Protezione del motore
Le moderne tecniche di progettazione prendono in considerazione situazioni mirate
di sovraccarico termico per poter definire il tipo di motore. Questo è possibile per
l’utilizzo dell’intero ciclo di vita. Si tratta di eseguire la progettazione in base alla
durata di vita, con lo scopo di far coincidere esattamente la durata del motore con il
tempo di funzionamento per motivi economici.
2.1.4
Caratteristiche del limite d’intervento
Le pubblicazioni IEC per garantire la protezione dei motori standard, hanno
stabilito i valori limiti di intervento per i relè termici di sovraccarico ad azione
ritardata.
Per i relè di sovraccarichi termici con compensazione della temperatura ambiente,
regolati con la corrente nominale di funzionamento ed alimentati sui tre poli
principali, valgono i valori secondo le IEC 947-4-1 (EN 60947-4-1).
Figura 2.5.1 e Tabella 2.5.1.
I
Sovraccarico come multiplo del
valore di regolazione della corrente
ϑ Temperatura ambiente
IEC Valori limite secondo IEC 947-4-1
(EN60947-4-1)
Figura 2.5.1 Multipli della corrente come valore limite per i relè di sovraccarico
termico compensati alla temperatura ambiente secondo IEC 947-4-1
(EN60947-4-1)
Funzione
Multiplo del valore
della corrente di
regolazione
Tempo di
10 A
intervento
10
secondo la 20
classe:
30
Tab. 2.5.1
2.5
condizione
di non
intervento a
temperatura
1,05
condizione
di intervento
con l’aumento
della corrente
1,2
intervento
intervento a
ad alta
bassa
temperatura temperatura
ambiente
1,5
7,2
≥2h
≥2h
≥2h
≥2h
<2h
<2h
<2h
<2h
< 2 min
< 4 min.
< 8 min.
< 12 min.
2…10 s
4…10 s
6…20 s
9…30 s
Limiti di prestazione a +20 °C e carico tripolare per relè di
sovraccarico termico compensati alla temperatura ambientale
secondo IEC 947-4-1 (EN60947-4-1)
Protezione del motore
In caso di carico monofase o bifase dei relè di sovraccarico termico tripolari (ad
es. in mancanza di una fase), valgono i limiti di risposta elencati nella Tabella
2.6.1.
Tipo di relè di sovraccarico
termico
Multiplo della corrente
di regolazione
Risposta
Temps
t > 2 h,
de
a partire
t ≤ 2 h,
dallo stato
freddo del
relè
compensato alla temperatura ambiente
3 poli 1,0
2 poli 1,32
non sensibile alla mancanza di fase
1 polo 0
non compensato alla temperatura ambiente 3 poli 1,0
2 poli 1,25
non sensibile alla mancanza di fase
1 polo 0
compensato alla temperatura ambiente
2 poli 1,0
2 poli 1,15
sensibile alla mancanza di fase
1 polo 0,9
1 polo 0
Tab. 2.6.1
2.1.5
Temperatura
ambiente
di
riferimento
+ 20 °C
+ 40 °C
+ 20 °C
Limiti di risposta dei relè di sovraccarico termico tripolari con solo
carico bifase o monofase
Mancanza di fase
Per mancanza di una fase si intende l’interruzione di un conduttore della linea
trifase. Il motore continua a funzionare in bifase danneggiandosi. Una causa può
essere, ad esempio, l’intervento di un dispositivo di protezione contro la
sovracorrente. I motori piccoli e medi - sono nella maggior parte dei casi a statore
critico per cui solo lo statore si può danneggiare. E’ necessario fare la seguente
distinzione tra:
• Motori con collegamento a stella: questi motori non si danneggiano in caso di
mancanza di una fase. Come indicato in Figura 2.7.1, i motori non vengono
danneggiati da una mancanza fase, perché le correnti nell’avvolgimento sono
in questo caso identiche a quelle che passano nei conduttori esterni che ci sia o
non ci sia una mancanza fase. L’aumento della potenza dissipata nei due
avvolgimenti percorsi dalla corrente ha inoltre poca influenza sul
riscaldamento del motore, poiché una certa compensazione della temperatura
avviene con il terzo avvolgimento privo di corrente. Un apparecchio di
protezione, in grado di rilevare la corrente, interviene rapidamente in caso di
sovracorrente. I motori di piccola e media grandezza (a rotore critico) in
collegamento a stella, generalmente, non sono a rischio in caso di mancanza di
fase.
• Motori con collegamento a triangolo: nel collegamento a triangolo le correnti
di fase, in funzionamento normale, sono di 1/√3 volte più bassa rispetto alle
2.6
Protezione del motore
correnti di linea, ovvero ISTR = 0,58 In. In caso di mancanza fase la corrente in
un avvolgimento aumenta di circa il 50%, come indicato in Figura 2.7.2. Nelle
altre due fasi collegate in serie, la corrente si abbassa a circa il 67%. Questa
situazione si verifica perché il motore mantiene praticamente costante la
potenza disponibile all’albero. L’aumento della corrente negli avvolgimenti ed
in entrambi i conduttori esterni dipende dalla corrente di carico applicato.
Ie IStr
Correnti nei
conduttori esterni e
nelle fasi in
funzionamento
normale.
Ie1 IStr1
Correnti nei
conduttori esterni e
nelle fasi in caso di
funzionamento
difettoso.
Figura 2.7.1 Mancanza di fase di un motore in collegamento a stella.
Caratteristica della corrente in funzionamento normale e difettoso.
IL IStr
Correnti nei
conduttori esterni e
nelle fasi in
funzionamento
normale.
IL1 IStr1 IStr2
Correnti nei
conduttori esterni e
nelle fasi in
funzionamento
difettoso.
Figura 2.7.2 Mancanza di fase di un motore con collegamento a triangolo.
Caratteristica della corrente in funzionamento normale ed in
funzionamento difettoso in funzione del carico
2.7
Protezione del motore
Il riscaldamento di un avvolgimento cresce proporzionalmente al quadrato della
corrente. Quando lo scambio di calore avviene tra gli avvolgimenti ed il ferro, il
riscaldamento dell’insieme dello statore può essere considerato proporzionale
alla somma di tutte le perdite in tutti gli avvolgimenti. In seguito alle
considerazioni fin qui esaminate possiamo dire che:
- Collegati a stella, i motori non vengono danneggiati in caso di mancanza
fase.
- Collegati a triangolo, i motori la cui potenza nominale d’impiego è uguale
o inferiore a 10 kW, non necessitano di alcuna protezione speciale in caso
di mancanza fase, a condizione che il relè termico reagisca ad una corrente
bifase uguale o inferiore a 1,25 Ie. In questo caso, il riscaldamento è per lo
più uguale o inferiore a quello generato da un carico simmetrico trifase.
- Per i motori collegati a triangolo, la cui potenza nominale di impiego è
superiore a 10 kW si raccomanda di utilizzare dispositivi con protezione
elettronica contro la mancanza di fase. Alcune compagnie ed alcune società
fornitrici di energia elettrica prescrivono l’uso di dispositivi di protezione
sensibili alla mancanza fase principalmente in installazioni con coefficiente di
sicurezza elevato.
In caso di alimentazione monofase dello statore, le perdite del rotore sono di
gran lunga superiori rispetto all’alimentazione simmetrica. Ciò può
rappresentare un ulteriore pericolo, particolarmente per i motori a rotore critico.
2.1.6
Asimmetria nella rete di distribuzione
La tensione concatenata, così come la tensione di fase nella rete di distribuzione,
non sono esattamente uguali. Le cause possono essere, per esempio:
• rete di alimentazione con linee molto lunghe
• contatti difettosi degli interruttori magnetotermici di potenza e dei contattori
• morsetti di collegamento allentati
IEC e NEMA definiscono così l’asimmetria di tensione:
∆U (%) =
Massima deviazione fra la media della tensione di fase x 100
Media delle tensioni di fase
La corrente asimmetrica dell’avvolgimento risultante fra la somma delle tensioni è
pari a 6…10 volte della tensione asimmetrica causando un surriscaldamento e una
riduzione della durata di vita del motore. La Figura 2.9.1. mostra i fattori di
riduzione della potenza del motore secondo IEC e NEMA.
2.8
Protezione del motore
fR
attore di riduzione per la
produzione del motore
∆U Asimmetria di tensione [%]
∆
Figura 2.9.1 Riduzione della potenza dovuta ad asimmetria di tensione.
2.1.7
Dispersione verso terra
Il danneggiamento dell’isolamento è provocato, per lo più, da momentanee
sovratensioni che causano spesso dei cortocircuiti della macchina verso terra.
Queste sovratensioni sono spesso dovute a scariche di fulmine, rete di
commutazioni, scariche di condensatore ed il funzionamento di apparecchi
elettronici di potenza.
2.1.8
Cortocircuiti
I cortocircuiti possono essere unipolari verso terra e bipolari o tripolari con o senza
collegamento verso terra. Le principali origini di un cortocircuito sono i difetti
d’isolamento ed i guasti di natura meccanica. Un cortocircuito è sempre
caratterizzato dal passaggio di una corrente molto elevata e l’importanza dei guasti
aumenta proporzionalmente alla durata del cortocircuito. E’ dunque estremamente
importante rivelare il più rapidamente possibile qualsiasi cortocircuito e fermare
immediatamente l’impianto.
2.9
Protezione del motore
Protezione del motore
3
Requisiti del sistema di protezione
3.1
Blocco rotore
Una eccessiva coppia del carico od un danno meccanico può causare un’azione di
bloccaggio del rotore. È consigliabile interrompere la corrente il più presto
possibile. In questo modo, è possibile evitare qualsiasi sovraccarico termico e
meccanico del motore e della potenza di trasmissione. Generalmente, il numero di
guasti possibili può essere ridotto.
3.2
Sottocarico
I motori raffreddati dallo stesso mezzo rimosso, come nel caso di ventilatori e di
pompe sommerse, possono essere sottoposti ad un surriscaldamento in seguito ad
un’erogazione insufficiente del fluido, dovuta all’incrostazione di un filtro, oppure
dalla chiusura di una valvola, anche se il carico è inferiore al normale. Queste
macchine spesso si trovano, in luoghi difficilmente accessibili, come ad esempio
pompe sommerse oppure in fondo a un pozzo. Ciò comporta costose riparazioni in
caso di guasti ed inoltre, la riduzione della corrente assorbita, può anche causare un
guasto meccanico dell’installazione (un difetto sul giunto di accoppiamento, la
rottura dell’albero motore, la rottura di un nastro trasportatore e danni alle pale del
ventilatore). Queste situazioni di carico ridotto non mettono in pericolo il motore,
tuttavia causano interruzioni nella produzione e possono comportare danni al
sistema. Il riconoscimento tempestivo del guasto contribuisce a ridurre i tempi di
inattività e le possibili conseguenze di incidenti.
3.3
Inversione del senso di rotazione
L’inserzione di un motore nel senso di rotazione errato può danneggiare
gravemente un sistema sia a livello di guasti che di rischi di incidenti. Per i sistemi
mobili, come macchine edili, mezzi di trasporto frigoriferi, installazioni
trasportabili ed installazioni fisse collegate alla rete, si deve tenere conto dei lavori
di riparazione della rete di distribuzione elettrica dove esiste il rischio di inversione
di fase al momento delle riparazioni. In questi motori è necessario impedire
l’avviamento con senso di rotazione sbagliato.
3.4
Motori in ambienti con pericolo di esplosione
3.4.1
Protezione in ambiente con pericolo di esplosione ad elevata
sicurezza EExe
In certe condizioni, è possibile che scintille o una temperatura elevata possano
produrre una esplosione della miscela dell’aria, di gas o di vapori. Questa
temperatura di esplosione dipende in gran parte dai prodotti chimici presenti e dal
rapporto della miscela. L’accensione di una miscela esplosiva si evita assicurandosi
che la temperatura massima che può essere raggiunta dalla parte più calda del
motore stesso si trovi al di sotto della temperatura di esplosione più bassa del gas o
dei vapori in questione. Naturalmente la temperatura limite di riscaldamento
dell’isolamento dell’avvolgimento non può essere superata.
3.1
Protezione del motore
3.4.2
Significato del tempo tE
Per tempo tE si intende, secondo la Figura 3.2.1, il periodo di tempo che impiega il
motore per passare dalla temperatura di esercizio nominale alla temperatura limite
ammissibile. Questo periodo è definito per la condizione più sfavorevole, cioè a
rotore bloccato ed alla massima temperatura ambiente consentita. Il dispositivo di
protezione del motore deve, dunque, essere in grado di interrompere
l’alimentazione del motore in un tempo uguale o inferiore a tE quando la corrente
di avviamento raggiunge IA (valore massimo a rotore bloccato). In questo modo, il
motore non raggiunge la temperatura critica.
Figura 3.2.1 Tempo tE durante il quale la temperatura del motore a rotore
bloccato passa dalla temperatura nominale alla temperatura limite
consentita
ϑ Temperatura
ϑA Temperatura ambiente massima consentita nella zona circostante
del motore
ϑe Temperatura nominale d’impiego
ϑG Temperatura limite
t Tempo
1 Curva di riscaldamento in servizio nominale
2 Riscaldamento a rotore bloccato
Nei Paesi con certificazione di conformità, la curva caratteristica tempo/corrente
viene inclusa automaticamente nel collaudo. In questi Paesi solo gli apparecchi
collaudati in questo modo possono essere installati a protezione dei motori in
ambiente ad elevata sicurezza EEx e.
3.2
Protezione del motore
4
Metodi di protezione
Per controllare la temperatura del motore vengono impiegati due principi
fondamentali che sono:
• Controllo diretto della temperatura con sensori installati nell’avvolgimento
dello statore: il sensore misura direttamente la temperatura all’interno
dell’avvolgimento del motore, esattamente nel punto dove è stato posto. Inoltre
deve essere preso in considerazione il ritardo termico del sensore, che spesso
supera i 10 s.
Non sono controllati le seguenti anomalie:
- il sovraccarico termico
- la mancanza di fase
- l’asimmetria
- il cortocircuito
- la dispersione verso terra
• Controllo indiretto tramite la misurazione della corrente di linea: nella linea
d’alimentazione è consigliabile, se questa risulta essere la corrente assorbita
dal motore, la misurazione della corrente che ne causa l’aumento della
temperatura. Gli apparecchi di protezione sono regolabili in base alla corrente
nominale di funzionamento e per brevi situazioni di sovraccarico.
4.1
Protezione del motore
Protezione del motore
5.
Metodi di protezione dipendenti dalla
temperatura
5.1
Problemi applicativi
5.1.1
Applicazioni
I sensori termici sono installati nell’interno degli avvolgimenti dello statore. E,
misurano direttamente la temperatura critica del motore. I sensori termici vengono
installati soprattutto nei motori che hanno le seguenti condizioni di funzionamento:
•
•
•
•
•
•
Carico variabile
Funzionamento di posizionamento del carico marcia - arresto
Frenatura in controcorrente
Temperatura ambiente molto elevata
Ubicazione in luoghi con poca circolazione di aria ed in ambienti polverosi
Motori a velocità controllata
Per diverse applicazioni, il sensore termico da solo offre una protezione
insufficiente o, addirittura, nessuna. In questi casi vengono installati ulteriori
apparecchi di protezione per la misurazione della corrente. Essi sono necessari per:
• Motori a rotore critico
• Protezione in caso di:
- dispersione verso terra
- cortocircuito
- blocco rotore
- motori con inerzia termica ridotta
• intervento rapido in caso di mancanza fase e asimmetria
5.1.2
Inerzia termica
Per motori con bassa inerzia termica, come per esempio motori per pompe
sommerse, motori di compressori frigoriferi chiusi ermeticamente, il ritardo
termico del sensore nell’avvolgimento può essere critico. Il tempo di ricezione, a
seconda del tipo di sensore e della sua installazione nell’avvolgimento, è
nell’ordine di grandezza di 10 s.
In caso di rapidi cambiamenti di temperatura sorgono problemi di protezione. In
funzionamento continuo l’avvolgimento ed il sensore hanno in pratica la stessa
temperatura. Durante la fase di avviamento o in caso di notevoli modifiche del
carico, come ad es. a rotore bloccato, la temperatura dell’avvolgimento aumenta
molto rapidamente. La temperatura del sensore è in ritardo con la costante del
tempo di ricezione vedi Figura 5.2.1.
5.1
Protezione del motore
Quando il sensore raggiunge la
temperatura limite, l’avvolgimento con
classe di isolamento B ha già raggiunto
una temperatura ∆ϑ = 180 K sopra la
temperatura ambiente di 40°C a causa
della costante di tempo del sensore.
∆ϑ Differenza della temperatura sopra
la temperatura ambiente di 40 °C
ϑM Sviluppo della temperatura
nell’avvolgimento per motori con
aumento di temperatura di 15 K/s
ϑF Sviluppo della temperatura del
sensore
ϑG Temperatura limite per la classe di
isolamento B
t
Tempo in s
Figura 5.2.1 Ritardo termico di un sensore PTC installato nell’avvolgimento dello
statore.
In caso di blocco rotore di un motore di una pompa sommersa, la densità di
corrente nell’avvolgimento statorico può raggiungere i 50 A/mm2. In questo caso,
la temperatura dell’avvolgimento aumenta rapidamente di circa 15 K/s. Se il
sensore raggiunge la temperatura limite consentita dalla classe d’isolamento B con
una costante di tempo di accoppiamento di 8 s, la temperatura dell’avvolgimento
ha già superato i 180 K sopra la temperatura di 40°C ed il motore può correre dei
rischi.
5.2
Sensori bimetallici nell’avvolgimento
I sensori bimetallici sono due metalli laminati sovrapposti con coefficiente di
dilatazione termica diversa. Una volta riscaldati, si dilatano in maniera diversa e
possono attivare la commutazione di un contatto. Essi hanno il vantaggio che, di
solito, la tensione di controllo è collegata direttamente all’interruttore, in questo
modo si evita uno speciale dispositivo meccanico di intervento. I seguenti
inconvenienti limitano, tuttavia, il suo impiego:
• Lungo ritardo termico
• Precisione limitata. Un montaggio improprio può modificare la temperatura
d’intervento.
• Dimensioni eccessive rispetto ai sensori moderni.
5.2
Protezione del motore
5.3
Sensori PTC
Il sensore maggiormente utilizzato nei motori a bassa tensione è una sonda
pirometrica con coefficiente di temperatura positivo (Positive Temperature
Coefficient, PTC), queste sonde pirometriche PTC sono definite anche
termoresistenze. Queste sonde miniaturizzate (Figura 5.3.1) hanno una bassa
resistenza al di sotto della temperatura di risposta ed aumentano la loro resistenza
con l’aumento della temperatura, secondo diversi intervalli, come indicato nella
Figura 5.4.1. Questo cambiamento di resistenza viene trasmesso ad un dispositivo
d’intervento. La velocità di risposta della temperatura viene data dal sensore PTC
e, dunque, è indipendente dal dispositivo d’intervento.
a
Sensore PTC
(pirometrico)
b
Punto di saldatura
c
Isolamento del sensore
d
Isolamento degli
avvolgimenti
e
Fili di collegamento dei
sensori
f
Fili degli avvolgimenti
g
Isolamento dei fili
A, B, C Direzione forzata del
calore.
Figura 5.3.1 Sezione di un sensore PTC e dell’avvolgimento di un motore a bassa
tensione.
I sensori di solito sono installati nell’avvolgimento del motore all’estremità
dell’uscita dell’aria calda e la temperatura di risposta nominale TNF viene correlata
alla classe d’isolamento corrispondente. La risposta del sensore può essere
utilizzata per fermare il motore oppure come segnalazione.
Se deve scattare un allarme prima del raggiungimento della temperatura critica,
devono essere installati altri sensori con una temperatura di risposta nominale
inferiore.
5.3
Protezione del motore
R
4.000
ϑ
TNF
1.330
550
250
Ω
100
resistenza del sensore
in Ω
temperatura
limite della temperatura
nominale di
funzionamento in °C
Valori di interruzione
definiti
°
°
Figura 5.4.1 Caratteristica della resistenza in funzione della temperatura di un
sensore PTC secondo IEC 34-11-2.
5.4
Sensori di temperatura lineari
Come sensori termici lineari si utilizzano, di solito, i sensori Pt 100 in platino. Il
valore della resistenza si modifica in proporzione alla temperatura. I sensori Pt 100
hanno una resistenza di 100 Ω a 0 °C, come indicato nella Figura 5.4.2. Vengono
installati prevalentemente su grandi motori. I motori in media tensione hanno, di
norma, un sensore Pt 100 incorporato.
ϑ Temperatura [°C]
R Resistenza [Ω]
Figura 5.4.2 Curva caratteristica della resistenza di un sensore Pt 100.
Al contrario del sensore PTC, la cui temperatura di risposta nominale è determinata
dal sensore, nel sensore Pt 100 la temperatura di risposta può essere regolata
liberamente nel dispositivo d’intervento. E’ possibile selezionare qualsiasi
temperatura desiderata per il preallarme, per il riavviamento dopo un blocco
oppure per la regolazione del carico. Raramente vengono installati anche i sensori
Ni 100, Ni 120 e Cu 10.
5.4
Protezione del motore
6
Protezione dipendente dalla corrente
6.1
Funzion
La corrente assorbita dal motore ne misura il suo riscaldamento. Poiché la
temperatura non viene misurata nell’avvolgimento statorico oppure nel corpo
rotore, questa correlazione vale solo se vengono rispettate le seguenti condizioni:
• Il carico nominale del motore si riferisce alla temperatura ambiente di 40 °C.
• L’apparecchio di protezione deve consentire sovraccarichi termici temporanei,
per es. durante l’avviamento, secondo la Figura 6.1.1.
M
Curva che rappresenta la
variazione della corrente
d’avviamento del motore
F
Curva media d’intervento
di un relè termico
bimetallico
IAmax Corrente di avviamento
Corrente nominale
Ie
Tempo d’avviamento [s]
tA
Figura 6.1.1 Gli apparecchi di protezione del motore devono consentire
l’avviamento del motore. La caratteristica dell’apparecchio F deve
trovarsi sempre al di sopra della caratteristica del motore M
Nei sistemi di protezione con rilevamento della corrente si escludono i problemi e
le limitazioni illustrati per i sensori di temperatura.
6.2
Caratteristica del dispositivo di protezione
6.2.1
Funzionamento continuativo
In servizio continuo, si può evitare di superare la temperatura limite per mezzo di
un dispositivo relativamente semplice, come indicato in Fig. 6.2.1, che presenta un
comportamento, in funzione del tempo, che può essere diverso da quello del
motore. Unica condizione che la caratteristica di riscaldamento deve essere uguale
o più rapida di quella del motore.
6.1
Protezione del motore
Figura 6.2.1 Caratteristiche di riscaldamento del motore e del relè termico di
protezione in presenza di un lieve sovraccarico durante un
funzionamento normale
M
Caratteristica termica del motore
F1, F2 Apparecchio di protezione motore veloce: il motore è protetto
in caso di sovraccarico termico
F3
Apparecchio di protezione motore lento: il motore si può
riscaldare oltre la misura consentita in caso di sovraccarico
termico
ϑ
Temperatura
ϑIe
Temperatura alla corrente nominale di utilizzo
t
Tempo
• Apparecchi d’intervento più veloci della curva di riscaldamento del motore: il
motore viene protetto contro il sovraccarico. L’apparecchio di protezione
interviene troppo presto e impedisce in ogni caso lo sfruttamento completo del
motore.
• Apparecchi d’intervento più lenti della curva di riscaldamento del motore: il
motore si può riscaldare oltre i valori consentiti.
Grazie a sofisticati apparecchi per la protezione motore (capitolo 6.6.), è possibile
simulare con precisione l’andamento del riscaldamento del motore. Il motore è
protetto in modo sicuro, nonostante il massimo utilizzo.
6.2.2
Funzionamento in servizio intermittente
In caso di carico costante o di riscaldamento regolare del motore, le condizioni
termiche sono relativamente semplici. Con funzionamento in servizio intermittente la
coincidenza tra il comportamento termico transitorio del motore e quello del
dispositivo di protezione è estremamente importante. La Figura 6.3.1 mostra come
le diverse caratteristiche termiche sono differenti. In servizio intermittente, la
temperatura dell’avvolgimento varia molto in rapporto a quella del ferro. In caso di
cicli di funzionamento inferiori a 5...10 min, quest’ultima rimane praticamente
costante. Inoltre, le condizioni di raffreddamento dei motori con autoventilazione
sono molto diversi a secondo che il motore sia fermo o in funzionamento, ciò
significa che la costante del tempo di raffreddamento è 2…5 volte maggiore rispetto
alla costante del tempo di riscaldamento. I relè termici a bimetallo posti per la
protezione del motore non tengono conto di questa circostanza.
6.2
Protezione del motore
Figura 6.3.1 Caratteristiche di riscaldamento e di raffreddamento di motori e di
relè termici con servizio intermittente.
1 Caratteristica di riscaldamento del motore e del relè termico
2 Caratteristica di raffreddamento del motore
3 Caratteristica di raffreddamento di un relè termico, senza
considerare le differenze di raffreddamento del motore in
funzionamento ed in stato di fermo
4 Variazione della temperatura dell’avvolgimento nel motore
5 Variazione della temperatura dell’avvolgimento simulata dal relè
termico
ϑIe Temperatura in funzionamento nominale
t Tempo
Sebbene il comportamento termico transitorio sia diverso da un motore all’altro, i
dispositivi di protezione che misurano la corrente dovrebbero poter simulare il più
fedelmente possibile le variazioni di temperatura del motore. Vista la grande
difficoltà per la realizzazione di un tale sistema, si accetta generalmente un
compromesso e si sovraprotegge leggermente il motore.
Anche in funzionamento intermittente, gli apparecchi elettronici per la protezione
del motore menzionati nel Capitolo 6.6 permettono il massimo utilizzo del motore.
6.3
Bimetallo - Principio di protezione
6.3.1
Funzione
Il relè d’intervento per sovraccarico termico e la protezione contro il sovraccarico
termico degli interruttori magnetotermici di potenza sono composti da tre bimetalli
che si riscaldano sotto l’azione della corrente assorbita dal motore e si flettono. Il
bimetallo dopo una certa corsa che è funzione della corrente di regolazione
comanda un meccanismo che attraverso un contatto ausiliario di apertura, come
indicato dalla Figura 6.4.1, interrompe l’alimentazione ausiliaria della bobina del
contattore che comanda il motore. Negli interruttori magnetotermici di potenza
viene sganciato un dispositivo meccanico a scatto che provoca l’apertura. Si
possono considerare i seguenti tipi di riscaldamento, secondo la Figura 6.4.2:
• Riscaldamento diretto: la corrente di circa 20...70 A circola direttamente attraverso
il bimetallo. Non sono possibili correnti inferiori, in quanto la potenza dissipata
(Pv = I2 R) non è sufficiente per fare flettere il bimetallo. In base alla grandezza
della corrente d’intervento, il bimetallo può essere collegato in serie o in parallelo.
6.3
Protezione del motore
• Riscaldamento indiretto: la corrente circola in un avvolgimento di filo per
resistenze che avvolge il bimetallo. Il sistema è utilizzato per correnti di circa
0,1...20 A.
A Bimetalli riscaldati
indirettamente
B Meccanismo d’intervento
C Leverismo d’intervento
D Contatto mobile
E Bimetallo di compensazione
Figura 6.4.1 Principio di funzionamento del sistema d’intervento di un relè
termico tripolare con bimetallo di compensazione della temperatura
ambiente. Secondo le norme IEC (EN), la compensazione della
temperatura agisce tra –5 °C e +40 °C.
• Relè termici a bimetallo con trasformatore di corrente (TA): la corrente
assorbita dal motore (> 60 A) è letta per induzione dal primario del
trasformatore di corrente. Il secondario è collegato al relè termico a bimetallo.
In caso di cortocircuito, in pratica, è presente una protezione totale del relè
termico a bimetallo perché questi trasformatori di corrente sono a ferro saturo.
A bimetallo con elevata
flessione
B bimetallo con bassa
flessione
C flessione causata dal
riscaldamento
D leverismo
Figura 6.4.2 Metodi di riscaldamento del bimetallo.
a Riscaldamento diretto
b Riscaldamento indiretto
6.4
c Riscaldamento con trasformatore di corrente ( come relè secondario)
Protezione del motore
Nella maggior parte dei casi, i relè termici sono con compensazione della
temperatura ambiente di funzionamento. Questa compensazione viene realizzata da
una bilama supplementare che agisce tra i bimetalli percorsi dalla corrente ed il
congegno di apertura del contatto ausiliario, in modo che la caratteristica
d’intervento del relè termico non si modifichi a causa della temperatura ambiente
di funzionamento, compresa tra –5 e + 40 °C secondo le norme IEC e le EN, a
svantaggio dell’oggetto da proteggere. Poiché il carico consentito dei motori
diminuisce con l’aumento della temperatura ambiente di funzionamento, i relè
termici, per ragioni di sicurezza sono leggermente sottocompensati, con una
differenza media di compensazione di – 0,2%/K.
Durante l’avviamento, con condizioni di funzionamento normale e carico costante,
il relè termico a bimetallo protegge il motore perfettamente. Al contrario, la
protezione del motore nel funzionamento intermittente con un’alta frequenza di
commutazione e con carico variabile viene garantita in modo insufficiente, in
quanto il relè termico può simulare l’andamento termico del motore solo in
maniera approssimativa. In caso di avviamenti frequenti in funzionamento
intermittente la costante del tempo, sostanzialmente più breve rispetto al motore,
provoca un intervento anticipato e di conseguenza, la capacità termica del motore
non può essere sfruttata al massimo. La costante del tempo di raffreddamento del
relè termico è inoltre più breve per cui, in caso di funzionamento intermittente, la
differenza tra la temperatura del motore e la simulazione del relè termico aumenta
costantemente. Figura 6.3.1.
6.3.2
Resistenza al cortocircuito
Per motivi termici, la resistenza al cortocircuito dei relè termici a bimetallo con
riscaldamento diretto è superiore alla resistenza dei relè riscaldati indirettamente. In
presenza di correnti nominali elevate, i relè termici sono molto spesso alimentati
dal secondario di un trasformatore di corrente (TA). I relè sono resistenti al
cortocircuito e a valori molto alti di correnti. In riferimento alla corrente di
regolazione del relè termico IeF valgono, in linea di massima, i seguenti valori di
resistenza al cortocircuito:
• Relè termici riscaldati indirettamente
• Relè termici riscaldati direttamente
• Relè termici con trasformatore di corrente
6.3.3
fino a 16 IeF max
fino a 30 IeF max
fino a 50 IeF max
Funzionamento monofase
L’energia necessaria per l’intervento del meccanismo di commutazione può essere
prodotto solo dai tre bimetalli. Le tre bilame devono essere collegate in serie, come
mostrato nella Figura 6.6.1, affinché vengano attraversate dalla stessa corrente
anche in caso di funzionamento monofase..
6.3.4
Mancanza di fase
I motori con collegamento a stella non sono termicamente a rischio in caso di
mancanza di una fase. Nel caso di motori con collegamento a triangolo, bisogna
distinguere:
6.5
Protezione del motore
Figura 6.6.1 Collegamento in serie dei relè termici bimetallici nel funzionamento
monofase
• Potenza nominale Pe ≤ 10 KW: la corrente d’intervento del relè termico, in caso
di mancanza fase, deve essere ≤ 1,25 Ie
• Potenza nominale Pe ≥ 10 KW: gli apparecchi per la protezione del motore
devono avere il sistema d’intervento differenziale di tipo meccanico.
Diverse industrie richiedono nelle rispettive norme impiantistiche il sistema
d’intervento differenziale, per es. l’industria chimica, petrolchimica e del gas.
Intervento con sovraccarico
termico trifase
Intervento in caso di
mancanza fase con
bimetallo intermedio non
attraversato dalla corrente.
Figura 6.6.2 Principio di funzionamento dell’intervento differenziale dei relè termici.
1 Bimetalli
4 Leva differenziale
2 Cursore di mancanza fase 5 Contatto d’intervento (contatto a scatto)
3 Cursore di sovraccarico
S1 Movimento di
termico
controllo dell’intervento in
S2 Movimento di controllo dell’intervento presenza di un sovraccarico in
presenza di mancanza fase
S3 Apertura del contatto d’intervento
6.6
Protezione del motore
La disinserzione d’intervento differenziale è, come mostrato in Figura 6.6.2,
realizzata con un sistema a doppio effetto, uno in forma di cursore di mancanza
fase e uno di cursore di sovraccarico termico. Questo significa che una bilama che
si sta raffreddando, per mancanza della fase, sposta il cursore “mancanza fase”
nella direzione opposta al cursore “sovraccarico termico”. Questo movimento
opposto viene poi convertito in un movimento supplementare d’apertura del
contatto normalmente chiuso per mezzo di una leva differenziale.
Nel caso di una mancanza fase, questo dispositivo provoca l’intervento già all’85%
della corrente di regolazione trifase. Questo dato è riferito alla corrente che circola
nel relè termico. In caso di una mancanza di fase in un motore con collegamento a
triangolo, le correnti che circolano nel relè termico e negli avvolgimenti del motore
non sono uguali. La suddivisione delle correnti non è dunque nemmeno costante
nel motore poiché essa dipende dal carico.
La figura 6.7.1 mostra le caratteristiche tipiche d’intervento di un relè termico a
bimetallo con e senza sistema differenziale sia allo stato freddo che allo stato caldo.
Ie Corrente d’intervento
t Tempo d’intervento
[s] secondi
[m] minuti
Dallo stato freddo:
a Carico simmetrico tripolare
b Carico bipolare con scatto
differenziale
c Carico bipolare senza scatto
differenziale
Dallo stato caldo:
d Carico simmetrico tripolare
Figura 6.7.1 Caratteristiche tipiche d’intervento di un relè termico.
6.3.5
Tempo di ripristino
I relè termici necessitano, dopo un intervento, di un determinato periodo di tempo
per il raffreddamento delle lame bimetalliche. Questo periodo di tempo viene
definito tempo di ripristino. Solo al trascorrere di esso è possibile ripristinare il relè
termico.
Il tempo di ripristino dipende dalla caratteristica d’intervento del relè termico e
dalla grandezza della corrente che causa l’intervento. La Figura 6.8.1 fornisce i
valori medi per il tempo di ripristino dei relè termici. Si può dedurre che, per
esempio, dopo un intervento con una corrente impostata di 4 volte la corrente
nominale, il tempo di ripristino è uguale a circa 35 s.
6.7
Protezione del motore
IeF Impostazione della corrente
tw Tempo di ripristino
[s] secondi
[m] minuti
Figura 6.8.1 Massimi valori per il tempo di ripristino dei relè termici.
Il tempo di ripristino serve anche a consentire il raffreddamento del motore durante
questa pausa di funzionamento. Questo periodo di tempo, tuttavia, è nella maggior
parte dei casi insufficiente per stabilire una nuova partenza del motore.
6.3.6
Regolazione della corrente
Di norma il relè termico deve essere regolato in base alla corrente nominale Ie
assorbita dal motore . Nella maggior parte dei relè termici di protezione sono a
disposizione due scale su una targhetta graduata dove sono riportati il valore della
corrente per l’avviamento diretto ed in un secondo intervallo il valore
dell’avviamento stella-triangolo. In quest’ultimo è già considerato il fattore 1/√3.
L’utilizzo del motore con temperatura ambiente di funzionamento superiore ai
40 °C, necessita di una correzione della corrente sul relè termico. Se il costruttore
del motore non fornisce altre indicazione, vale la Tabella 6.8.1.
Temperatura ambiente in °C 30
Fattore di correzione Ie
1,08
Tab. 6.8.1
35
1,04
40
1
45
0,95
50
0,9
55
0,85
60
0,8
Fattori di correzione della corrente di regolazione dei relè termici in
funzione della temperatura ambiente di funzionamento.
Il carico ammissibile del motore varia anche in funzione dell’altitudine. Al di sopra
dei 1000m sul livello del mare, si deve tener conto di modificare la corrente di
regolazione del relè termico. Se il costruttore del motore non fornisce alcune
indicazioni, vale la Tabella 6.9.1. In presenza di una variazione della temperatura
ambiente di funzionamento superiore ai 40°C e di un’altitudine superiore ai 1000
sul livello del mare, la corrente di regolazione del relè termico deve essere corretta
di un fattore ottenuto dal prodotto dei fattori individuali di correzione.
6.8
Protezione del motore
Altezza d’installazione
sul livello del mare
≤ 1000
≥ 1500
2000
2500
3000
3500
Tab. 6.9.1
6.3.7
Fattore di correzione per la
potenza nominale
1,00
0,97
0,94
0,90
0,86
0,82
Valori di massima per la correzione della potenza nominale in
funzione dell’altezza d’installazione.
Disinserzione libera
La reinserzione libera è prescritta dalle norme IEC e dalle EN oltre che da diverse
disposizioni nazionali. La costruzione del meccanismo di disinserzione deve
permettere l’apertura anche in caso di azionamento simultaneo del tasto di riarmo o
del tasto 0. In questo caso, il riarmo è effettivo solo con una seconda pressione sul
tasto di riarmo.
Ciò significa che il meccanismo di disinserzione funziona anche in caso di riarmo
automatico, anche nel caso in cui il tasto di riarmo sia bloccato. La reinserzione è
dunque possibile solo dopo un secondo azionamento del tasto di ripristino.
6.4
Protezione del motore nell’avviamento di un motore con carico
pesante
La corrente di avviamento di un motore IA ≈ 4...8 Ie non dipende dal carico ma
dalla struttura del motore. Al contrario, il tempo di accelerazione tA dipende dal
carico. Secondo la Figura 6.9.1, si parla di avviamento con carico pesante se il
tempo di accelerazione, dipendente dalla corrente di avviamento, è di pochi
secondi. Un relè termico standard è, in questo caso, termicamente sotto sforzo
eccessivo e, nella maggior parte dei casi, interviene.
t
Ie
N
S
Tempo di accelerazione
Corrente nominale
Condizioni di avviamento normali
Avviamento con carico pesante
Figura 6.9.1 Nell’avviamento con carico pesante il tempo di accelerazione è
funzione della corrente di avviamento ed è di pochi secondi.
6.9
Protezione del motore
In questi casi, gli apparecchi elettronici per la protezione del motore possono essere
adattati con precisione all’avviamento del motore con carico pesante
(Capitolo 6.6). Di conseguenza, non sono più necessari circuiti temporanei con i
relè termici, come i trasformatori di corrente a ferro saturo ed il collegamento in
parallelo del relè termico di protezione durante la fase di avviamento.
6.5
Protezione del motore in ambienti con pericolo di esplosione
I relè termici per la protezione dei motori in ambiente EEx e devono corrispondere
alla norme e alle disposizioni illustrate nel Capitolo 3.4. I relè termici non offrono
la possibilità di protezione in ambiente con pericolo di esplosioni, dunque, non
possono essere installati in zone con pericolo di esplosione.
Nei Paesi con obbligo generale di collaudo, gli apparecchi per la protezione del
motore possono essere installati a protezione dei motori in ambiente EEx quando il
tempo tE del motore corrisponde o è superiore ai valori minimi. In caso contrario, il
tempo del motore tE deve essere confrontato con il valore della caratteristica di
scatto allo stato freddo. Se i valori corrispondono almeno alla caratteristica o sono
superiori, la protezione è garantita.
Inoltre, bisogna controllare se nei motori in collegamento a triangolo il tempo
d’intervento per lo scatto bipolare corrisponde a 0,87 volte IA/Ie ≤ tE
Gli apparecchi elettronici di protezione del motore (Capitolo 6.6) consentono la
regolazione precisa del tempo tE. In caso di avviamento con carico pesante, il
tempo tE consentito può essere sfruttato pienamente.
6.6
Protezione elettronica del motore
Gli apparecchi elettronici per la protezione del motore forniscono la possibilità di
simulare in modo più preciso le condizioni termiche all’interno del motore
qualunque sia il modo di funzionamento, come avviene sulla base dei relè termici a
bimetallo. Inoltre, le informazioni così acquisite ampliano il campo d’impiego
dell’apparecchio di protezione.
Le caratteristiche fondamentali degli apparecchi elettronici di protezione del
motore sono:
• Maggiore precisione della corrente regolazione.
• Migliore protezione in condizioni di funzionamento normale e di avviamento
normale, pesante e lungo.
• Funzioni ampliate della protezione, del controllo, della sorveglianza e della
regolazione.
6.10
Protezione del motore
6.6.1
Protezione dai sovraccarichi termici
6.6.1.1 Progettazione del modello termico
Per quanto riguarda la precisione, non è importante, in linea di massima, che gli
apparecchi siano realizzati su base analogica o digitale. Questi apparecchi che sono
equipaggiati con microprocessori, sono anche in parte adatti per la comunicazione
con sistemi di controllo di ordine superiore e possono, per esempio, essere connessi
ad un sistema di rete tramite bus. In base alle esigenze si utilizzano in pratica
apparecchi secondo i seguenti modelli:
• Modello a una sola immagine: semplici apparecchi elettronici per la
protezione del motore simulano il riscaldamento del motore sulla base di una
sola immagine termica. Le loro caratteristiche di riscaldamento e
raffreddamento possono essere paragonabili alle stesse condizioni dei relè
termici. Questi prendono in considerazione solo la capacità di riscaldamento
dell’avvolgimento statorico e, quindi, si raffreddano rapidamente durante la
fermata del motore, in quanto non si coinvolge la parte ferrosa della macchina.
Quindi il motore deve essere protetto da ulteriori sensori termici in caso di
carico variabile e di funzionamento intermittente.
• Modello a doppia immagine: complessi apparecchi elettronici per la
protezione del motore simulano il riscaldamento del motore sulla base di una
doppia immagine termica. La simulazione è basata sulla sovrapposizione del
riscaldamento nell’avvolgimento statorico e della massa di ferro del motore. In
questo modo, per esempio, è possibile simulare in modo corretto sia il
riscaldamento rapido all’interno dell’avvolgimento durante un avviamento con
carico pesante, sia la trasmissione ulteriore di calore tra l’avvolgimento del
motore e il ferro, che si riscalda molto più lentamente. Durante il normale
funzionamento, nel modello con simulazione a doppia immagine vengono
prese in considerazione anche le perdite nel ferro e le perdite causate
dall’asimmetria. In questo caso il motore può essere utilizzato anche in
ambiente con variazioni notevoli della temperatura permettendo così di
ottenere un maggior sfruttamento dell’impianto. Le diverse condizioni di
raffreddamento di un motore autoventilato in funzione o in stato di fermo,
vengono considerate per mezzo di due diverse costanti di tempo. Dopo
l’arresto del motore, la simulazione a doppia immagine considera sia il
raffreddamento rapido dell’avvolgimento fino alla temperatura del ferro, sia il
successivo raffreddamento lento del motore.
In questo modo la simulazione termica dell’apparecchio elettronico per la
protezione del motore corrisponde sempre alle condizioni che vi sono
all’interno del motore. Ciò consente il maggior sfruttamento del sistema e
garantisce una sicura protezione del motore, anche in condizioni di avviamento
e funzionamento difficoltosi.
La simulazione della doppia immagine può essere spiegata usando una rete di
capacità e resistenze, come illustrato in Figura 6.12.1.
6.11
Protezione del motore
PCu ≈ (I 2 + kI 2)
M
G
R1
PFe
S1
C1
C2
U1
R2
R3
ϑ Umgeb
Figura 6.12.1 – Modello a doppia immagine per la simulazione del riscaldamento
del motore
C1
C2
R1
R2
R3
PCu
PFe
S1
IM
IG
ϑUmgeb
Capacità corrispondente alla capacità termica dell’avvolgimento
(regolabile)
Capacità corrispondente alla capacità termica del ferro e delle altre parti del
motore
Resistenza corrispondente alla resistenza per la trasmissione di calore tra
l’avvolgimento e il ferro
Resistenza corrispondente alla resistenza per la trasmissione di calore
all’ambiente circostante quando il motore è fermo
Resistenza corrispondente alla trasmissione di calore all’ambiente
circostante quando il motore è in funzionamento
Alimentazione con una corrente proporzionale alle perdite nel rame
Alimentazione con una corrente proporzionale alle perdite nel ferro
Commutatore interno arresto/marcia
Corrente del motore
Componente opposta causata dall’asimmetria
Considerazione della temperatura ambiente con sensore Pt 100.
6.6.1.2 Regolazione della corrente
Tenendo controllata la temperatura di funzionamento del motore in servizio
continuo si assicura la durata dell’isolamento. Per questo motivo è molto
importante l’esatta regolazione della corrente. Se la corrente è regolata molto alta,
la protezione della macchina non può essere garantita. Nella regolazione è
necessario prendere in considerazione i fattori divergenti dalle condizioni normali,
come, ad esempio, una temperatura ambiente troppo alta, come indicato in
Tabella 6.8.1, oppure l’installazione del motore al di sopra dei 1000m sul livello
del mare. Vedere Tabella 6.9.1.
Con i moderni apparecchi elettronici per la protezione del motore, la corrente
nominale viene regolata direttamente, in modo digitale, in Ampere.
Nel caso in cui i trasformatori di corrente primari siano stati commutati in
precedenza, è necessario considerare anche i loro rapporto di trasformazione.
6.12
Protezione del motore
Se l’apparecchio per la protezione del motore viene regolato con la corrente di
funzionamento necessaria, più bassa rispetto alla corrente nominale, il sistema è
protetto ugualmente. Un aumento del carico, per esempio a causa di guasti
meccanici, viene riconosciuto e l’impianto può essere fermato, purché il danno sia
di lieve entità.
6.6.1.3 Regolazione del tempo d’intervento
Con la regolazione del tempo d’intervento, la caratteristica d’intervento degli
apparecchi elettronici per la protezione del motore viene adattata alla capacità
termica del motore. La regolazione ottimale del tempo d’intervento è possibile se il
tempo di blocco consentito del motore allo stato freddo e la sua corrispondente
corrente di blocco siano noti. Vedere la Figura 6.13.1. Il costruttore del motore è in
grado di definire entrambi i valori.
tA Tempo d’intervento in sec
Ie Corrente nominale del motore = IeF
a Massima corrente a rotore bloccato o di
avviamento, IA = 2,5…12 Ie
b Inerzia; regolazione con corrente a rotore
bloccato, impostazione per tIA = 1…600 sec
I
Figura 6.13.1 Curve caratteristiche tempo/corrente di un apparecchio elettronico
per la protezione motore (a partire dallo stato freddo).
Spesso non si conosce il tempo di arresto consentito. Se il motore, tuttavia, è
dimensionato correttamente per l’applicazione relativa, sono consigliati i tempi di
scatto seguenti:
• Motori standard: la regolazione normale è 10 s
• Motori speciali, ad es. trasmissioni termiche istantanee: si comincia con un
tentativo di avviamento con regolazione di 2 s. Se l’apparecchio di protezione
del motore interviene, si lascia raffreddare il motore e si avvia di nuovo con una
regolazione di 4 s e man mano si innalza il tempo di scatto, fino a quando
l’avviamento funziona.
6.13
Protezione del motore
6.6.2
Funzioni speciali per la protezione del motore
6.6.2.1 Mancanza di fase
Gli apparecchi elettronici per la protezione del motore intervengono per mancanza
fase indipendentemente dal carico, possono intervenire durante il normale
funzionamento.
Sono utilizzate le seguenti soluzioni:
• L’intervento differenziale del relè elettronico rivela qualsiasi mancanza di fase
immediatamente e indipendentemente dal carico del motore, l’intervento viene
leggermente ritardato per assicurare un servizio continuo
• Nel caso di mancanza fase, si richiede un intervento immediato, principalmente
con motori sottoposti a carichi elevati, per evitare qualsiasi riscaldamento inutile
e ridurre al minimo la durata dell’avaria. Anche in questo l’intervento viene
leggermente ritardato per assicurare un servizio continuo anche in presenza di
brevi interruzioni all’interno della linea d’alimentazione.
6.6.2.2 Asimmetria
Le tensioni asimmetriche sono normalmente causate dalle lunghe linee di
distribuzione. La corrente asimmetrica nell’avvolgimento del motore risulta, in
funzione della grandezza del motore, da 6…10 volte la tensione asimmetrica.
I motori in media tensione ed i grandi motori in bassa tensione sono quelli ad alto
rischio termico (motori a rotore critico). Per questa ragione, il carico deve essere
ridotto come mostrato nella Figura 2.9.1 se si vuole evitare un surriscaldamento
del motore. Alcuni apparecchi elettronici per la protezione del motore riconoscono
l’asimmetria e correggono la soglia d’intervento verso il basso. In pratica non è
sempre possibile ridurre il carico del motore. L’apparecchio di protezione può però
emettere un segnale d’allarme.
Nel caso d’alimentazione asimmetrica, non si danneggia soltanto il motore, ma
l’intero impianto. Pertanto è consigliabile controllare la tensione sulla linea
principale. In impianti con una linea “difettosa” con tensione principale
asimmetrica, i motori devono essere dimensionati in maniera adeguata, per evitare
di ridurre la loro durata di vita elettrica.
Elevate asimmetrie, oppure la mancanza di una fase, possono essere causate da
contatti difettosi di interruttori magnetotermici di potenza, contattori, morsetti di
cablaggio e fusibili difettosi così come da guasti interni al motore (perdita
d’isolamento). Grazie al riconoscimento e all’interruzione immediata si possono
evitare danni da surriscaldamento sugli apparecchi. Viene protetto l’impianto e le
parti meccaniche del motore.
6.14
Protezione del motore
Definizione della tensione asimmetria secondo NEMA, IEC e EN:
∆U (%) =
Massima deviazione della tensioni media di fase x 100
Tensioni media di fase
6.6.2.3 Dispersione verso terra
I danneggiamenti dell’isolamento nei motori sono spesso causati da picchi di
tensione. Questi picchi di tensione sono causati da fulmini, commutazioni di rete,
scariche capacitive ed elettronica di potenza. Altre cause sono l’invecchiamento
oppure il sovraccarico continuo o intermittente così come le vibrazioni meccaniche
e la penetrazione di corpi estranei. Il danneggiamento dell’isolamento nella
maggior parte dei casi porta ad una dispersione verso terra della macchina. Gli
impianti con collegamento a terra, le correnti di dispersione verso terra possono
raggiungere rapidamente valori molto elevati. A seconda del tipo d’impianto e delle
esigenze, il controllo della corrente di dispersione verso terra viene controllato con
il metodo "Holmgreen" oppure con un trasformatore di corrente sommatore
(Toroide sommatore).
La dispersione verso terra con il metodo “Holmgreen” (impianti collegati
rigidamente a terra)
Per rilevare la corrente di dispersione verso terra in impianti collegati rigidamente a
terra o a bassa impedenza si misurano generalmente le correnti all’interno dei tre
conduttori di linea. Nei motori funzionanti correttamente, la somma di queste correnti
è uguale a zero. Se, tuttavia, nell’avvolgimento del motore circola una corrente di
dispersione verso terra, una corrente I0 proporzionale alla corrente di dispersione che
compare al centro stella del trasformatore, viene rilevata dall’apparecchio di controllo
che provoca l’intervento. Una breve temporizzazione evita un intervento intempestivo
causato da una saturazione transitoria del trasformatore che può verificarsi in fase
d’azionamento. La sensibilità del dispositivo deve essere selezionata in modo da
evitare ogni disinserzione in presenza di errori di conduzione del trasformatore, di
segnali parassiti generati dalla terza armonica durante la commutazione di un
avviatore stella-triangolo o d’asimmetrie degli avvolgimenti. Figura 6.15.1
L1
L2
L3
1
3
5
MM
2
4
6
I0
M
3~
Figura 6.15.1 Protezione contro la dispersione verso terra secondo il metodo
«Holmgreen»
T1 TTrasformatore di corrente principale
MMApparecchio per la protezione del motore
I0 Corrente zero (proporzionale alla corrente di terra)
6.15
Protezione del motore
Dispersione verso terra con trasformatori di corrente sommatore
(Trasformatore di corrente a nucleo bilanciato o Toroide)
Nelle reti di distribuzione con neutro isolato, con collegamento verso terra ad
elevata impedenza o compensate, il rilevamento della dispersione verso terra con
elevato grado di sensibilità viene raggiunto con l’utilizzo di un trasformatore di
corrente sommatore che viene attraversato dalle tre fasi che alimentano il motore.
Con questo sistema di rilevamento della dispersione verso terra di tipo differenziale
la dispersione di piccole correnti garantiscono una protezione molto sensibile.
Dispongono di una soglia d’intervento molto bassa, con la possibilità di far
intervenire un segnale d’allarme o l’interruzione dell’alimentazione del motore al
primo cedimento dell’isolamento. Figura 6.16.1.
L1
L2
L3
1
3
5
T1
MM
2
4
6
K
L
Σ
T2
M
3~
Figura 6.16.1 Protezione contro la dispersione verso terra con trasformatore di
corrente sommatore
T1 Trasformatore di corrente principale (rilevamento della corrente
nelle due fasi)
T2 Trasformatore di corrente sommatore
MM Apparecchio per la protezione del motore
Applicazioni
• Motori in media tensione
• Impianti in condizioni ambientali difficili in presenza di umidità, polvere, ecc.
come ad es. miniere, cave di ghiaia, cementifici, mulini, lavorazione del legno,
centrali di pompaggio dell’acqua, trattamento dei liquami, drenaggi.
Protezione contro la dispersione verso terra nelle reti a media tensione
Di seguito verrà fornita una panoramica sui rapporti della dispersione verso terra
nelle reti con neutro isolato, con elevata impedenza, collegate a terra oppure
compensate. Tale panoramica non ha alcuna pretesa di completezza e non terrà
conto degli effetti transitori.
6.16
Protezione del motore
Nelle reti con neutro a terra, il valore della corrente di guasto è definito dalla
capacità tra il conduttore e la terra della rete e dalla resistenza di terra o
dall’induttanza di compensazione. A causa della loro lunghezza relativamente
limitata, le reti industriali si caratterizzano per una corrente di difetto a terra
estremamente debole. Le capacità tra i conduttori e la terra sono dunque
determinate essenzialmente dai cavi e dai motori.
I valori della capacità dei cavi si trovano nelle tabelle dei cavi e sono nell’ordine di
grandezza tra 0,2...1,2 µF per km. Per i motori in media tensione è possibile
prevedere circa 0,02...0,05 µF per megawatt di potenza del motore.
Per le reti industriali in media tensione, una regola approssimativa prescrive che la
corrente di difetto è di circa 1 A ogni 1000...1500 KVA di potenza del sistema. La
sorveglianza dell’insieme della rete si effettua molto spesso con la misurazione
della tensione tramite il neutro del centro stella.
La localizzazione di un eventuale difetto a terra si effettua tramite un rilevatore di
difetti verso terra nelle varie parti del motore. In molti casi le correnti di
dispersione a terra che si verificano sono molto deboli e l’isolamento delle fasi può
sopportare per un breve istante una corrente più elevata, il motore può funzionare
ancora per un certo tempo prima di procedere alla disinserzione vera e propria.
Rete con neutro isolato con collegamento a terra ad alta impedenza
In presenza di capacità simmetriche tra i conduttori e la terra, il potenziale del
neutro della rete è uguale a quello della terra e la somma delle correnti che passano
per tali capacità è zero. In servizio normale, la resistenza di terra ha un valore
ohmico elevato, Figure 6.19.2/6.20.1/6.20.3, in condizioni normale di
funzionamento la corrente nel centro stella dei trasformatori è zero. Lo scopo di
questa resistenza è quello di evitare sovratensioni nel caso di difetti intermittenti
verso terra, situazioni che si possono verificare all’interno di reti isolate. Il
dimensionamento è considerato corretto quando un difetto verso terra genera in
questa resistenza una corrente quasi uguale alla corrente del carico capacitivo della
stessa rete.
Se per es. una fase, Figura 6.19.1 e Figura 6.19.3, a causa di un difetto
d’isolamento viene collegata a terra, le altre due fasi misurano una tensione
concatenata verso terra. Attraverso la loro capacità di terra CN (vista dal lato della
rete in rapporto all’apparecchio per la protezione motore MM) e CM (vista dal lato
del motore) circola una corrente capacitiva verso terra e dalla terra attraverso i
punti di dispersione sulla fase 3. Nel collegamento a terra ad alta impedenza,
Figure 6.19.2/6.20.1/6.20.3, la tensione del centro stella, il cui potenziale è diverso
dallo zero, genera una corrente addizionale attraverso i punti di dispersione,
limitata dalla resistenza di terra.
6.17
Protezione del motore
In caso di dispersione verso terra sul lato della rete in rapporto al punto di
misurazione (punto di installazione dei trasformatori di corrente), l’apparecchio di
protezione MM misura la parte di corrente di dispersione verso terra che circola
attraverso CM. La sensibilità di risposta deve essere selezionata in modo che l’MM
in questo caso non intervenga. D’altra parte, l’MM dovrà riconoscere le dispersioni
verso terra nel modo più preciso possibile, in quanto nelle dispersioni verso terra
degli avvolgimenti del motore la tensione di transizione diminuisce con la
vicinanza del punto di dispersione al centro stella. La corrente di dispersione si
abbassa proporzionalmente a questa tensione. Di solito, la soglia d’intervento del
dispositivo di protezione è fissata ad un valore superiore al 5...10 % della corrente
generata da un difetto verso terra misurata ai morsetti del motore.
Rete compensata
Rete con collegamento a terra tramite risonanza, bobina di Petersen.
Nelle Figure 6.19.2/6.20.1/6.20.3 sono rappresentati il principio della rete
industriali compensata, benché siano piuttosto rare. La bobina di compensazione
fornisce, in caso di compensazione totale, una corrente di dispersione capacitiva,
ma in opposizione di fase in modo che circoli solo la corrente residua a bassissima
dispersione ohmica attraverso i punti di collegamento a terra.
Rappresentazione schematica di diversi tipi di rete e di punti di dispersione
verso terra
La corrente di dispersione verso terra misurata da un apparecchio elettronico per la
protezione motore MM con trasformatore di corrente sommatore dipende dal tipo
di rete e dal punto di dispersione verso terra. Le seguenti illustrazioni mostrano i
rapporti nelle diverse applicazioni.
Le figure seguenti indicano le condizioni per le diverse applicazioni:
K1 Contattore
MM Apparecchio per la protezione motore
M1 Motore
CN Capacità tra conduttore e terra - lato della rete
CM Capacità tra conduttore e terra del motore inclusi i conduttori tra il
trasformatore di corrente e il motore
L
Impedenza di compensazione
R
Resistenza di messa a terra ad elevata impedenza
T
Trasformatore
Corrente di dispersione verso terra
IE
6.18
Protezione del motore
T
M1
MM
K1
1
3 AC
U2
2
U1
3
U3
CN
CM
IE
Figura 6.19.1 Rete isolata:
Dispersione verso terra lato rete. L’MM misura la quantità di
corrente di dispersione verso terra attraverso CM.
T
1
K1
M1
MM
3 AC
U2
2
U1
3
U3
L
R
CN
CM
IE
Figura 6.19.2 Rete collegata a terra ad alta impedenza:
Dispersione verso terra lato rete. L’MM misura la parte di corrente
di dispersione a terra attraverso CM.
Rete compensata:
Attraverso i punti di dispersione circola una corrente ridotta, che
corrisponde alla
somma vettoriale della corrente di dispersione verso terra.
T
1
K1
M1
MM
3 AC
U2
2
U1
3
U3
CN
IE
CM
Figura 6.19.3 Rete isolata:
Dispersione verso terra lato motore sulla linee di alimentazione
L’MM misura la quantità di corrente di dispersione verso terra
attraverso CN.
6.19
Protezione del motore
T
1
K1
M1
MM
3 AC
U2
2
U1
3
U3
L
CN
R
CM
IE
Figura 6.20.1 Rete collegata a terra ad alta impedenza:
Dispersione verso terra lato motore nelle linee di alimentazione.
L’MM misura la somma vettoriale delle correnti di dispersione verso
terra attraverso CN e la resistenza di terra R
Rete compensata:
L’MM misura la somma vettoriale delle correnti di dispersione
attraverso CN e l’induttanza di compensazione L.
T
K1
1
M1
MM
3 AC
U2
U1
2
3
IE
U3
CM
CN
Figura 6.20.2 Rete isolata:
Dispersione verso terra nel motore. Quanto più il punto di
dispersione si trova vicino al conduttore di neutro del motore, tanto
più ridotta è la corrente di dispersione.
T
1
K1
MM
M1
3 AC
U2
U1
2
3
IE
L
R
CN
CM
U3
Figura 6.20.3 Rete collegata a terra ad alta impedenza:
Dispersione verso terra nel motore. L’MM misura la somma
vettoriale delle correnti di dispersione verso terra attraverso CN e
alla resistenza di terra R.
Rete compensata:
L’MM misura la somma vettoriale delle correnti di dispersione verso
terra attraverso CN e l’induttanza di compensazione L. Quanto più la
dispersione si trova vicino al conduttore di neutro del motore, tanto
più ridotta è la corrente di dispersione.
6.20
Protezione del motore
6.6.2.4 Protezione contro il cortocircuito per motore in media tensione
Le principali origini di un cto.cto. sono i difetti d’isolamento e i guasti di ordine
meccanico. Il corto circuito può essere unipolare verso terra, bipolare o tripolare
con o senza collegamento verso terra. Un cto.cto. è sempre caratterizzato dal
passaggio di una corrente molto elevata e l’importanza dei guasti aumenta
proporzionalmente alla durata del cto.cto.. E’ dunque molto importante rivelare il
più rapidamente possibile qualsiasi cto.cto. e fermare immediatamente
l’installazione. L’intervento viene ritardato di circa 50 ms, sia per permettere
l’attivazione rapida dell’interruttore automatico che per impedire una disinserzione
involontaria dovuta a picchi di corrente. Nel caso di un cto.cto., l’intervento è
assicurato da un relè di uscita indipendente dalle altre funzioni di protezione. Il
contatto di questo relè comanda la bobina di sgancio di un interruttore automatico
con elevato potere d’interruzione di cto.cto..
Per evitare che il contattore apra in condizioni di cto.cto. e quindi distruggersi, il
relè d’uscita per la protezione termica deve essere bloccato per correnti superiori
>12 Ie. Vedere le Figure 6.21.1 e 6.22.1.
L1
L2
L3
QM
QA
K1
T1
Interruttore automatico di potenza
Bobina di sgancio
Contattore di potenza
Trasformatore di corrente
principale
MM Apparecchio per la protezione del
motore
QM
QA
A1
K1
A2
1
3
5
F1
MM
T1
2
4
6
M
3~
Figura 6.21.1 MM per la protezione contro cto.cto. schema di collegamento
6.21
Protezione del motore
I
1
2 3
IA
Ie
MM
Relais KS
Relais MR
QM
tv
tQ
tBL
tLB
MM Apparecchio per la protezione del
motore
KS Relè per l’intervento del cto.cto.
MR Relè per l’intervento termico
QM Interruttore automatico di potenza
(relè d’intervento)
I
Andamento della corrente
IA
Taratura della corrente di risposta
Ie
Corrente nominale di
funzionamento
tv
Ritardo dell’intervento 50 ms
tG
Tempo di apertura dell’interruttore
tLB Durata dell’arco
1
Corto circuito
2
Apertura dei contatti
3
Interruzione del corto circuito
tBL Relè MR bloccato a ≥ 12 Ie
Figura 6.22.1 Diagramma d’intervento per corto circuito dell’MM.
6.6.3
Funzione del sistema di protezione
6.6.3.1 Massima corrente e blocco rotore
Durante il verificarsi di una condizione di massima corrente o di blocco rotore è
necessaria l’interruzione immediata del sistema, per evitare inceppamenti
meccanici e sovraccarichi termici sugli elementi del motore e sul sistema di
trasmissione della potenza. È possibile rilevare e segnalare la presenza di un
sovraccarico lento (per es. la rottura di un cuscinetto). Questo di evitare rischi
d’incidenti e la perdita di produzione, riducendo in questo modo le conseguenze
degli incidenti ed i cali di produzione. La funzione di protezione viene attivata
dopo il raggiungimento della velocità di regime e il funzionamento a carico
nominale del motore. Figura 6.23.1.
Applicazioni
• Nastri trasportatori
• Miscelatori
• Betoniere
• Frantoi
• Seghe, ecc.
6.22
Protezione del motore
I
I
I
≥
Figura 6.23.1 Funzione per la protezione della massima corrente e blocco rotore.
tv Ritardo d’intervento
1 vviamento del motore I ≥ 1,2 Ie
2 Funzionamento nominale
4 Protezione di blocco
3 Massima corrente e blocco
rotore non attiva
rotoreattiva (soglia d’intervento) 5 Protezione di blocco rotore
6.6.3.2 Carico ridotto (minima corrente)
I motori che sono raffreddati dal mezzo stesso che mettono in movimento (ad es.
pompe sommerse, ventilatori) possono essere sottoposti ad un surriscaldamento in
caso di perdita di carico (filtri ostruiti o saracinesche chiuse). In molti casi, queste
macchine sono installate in luoghi difficilmente accessibili. Le conseguenze sono
tempi di riparazione lunghi e costi relativamente elevati.
Valori di corrente assorbita al di sotto della corrente nominale di funzionamento del
motore possono anche indicare la presenza di guasti meccanici nell’impianto
(nastri trasportatori lacerati, pale di ventilatori guaste, giunti difettosi, alberi
spezzati o attrezzature usurate). Queste condizioni non mettono in pericolo il
motore ma comportano una diminuzione della produzione. Un riconoscimento
rapido e tempestivo aiuta a contenere i danni.
L’intervento per la protezione dal carico ridotto o minima corrente deve essere
ritardato allo scopo di disporre di tempo sufficiente, dopo l’avviamento, per
consentire l’apertura di una valvola o di una saracinesca che potrebbero essere
rimaste chiuse per varie motivazioni. Figura 6.24.1
Applicazioni
• Pompe sommerse
• Ventilatori
• Nastri trasportatori
• Sistemi di trasmissione meccanici
6.23
Protezione del motore
I
I
Ie
1
2
Ie
IT
3
3
t
tA
tp
ts
tv
tp
Figura 6.24.1 Funzione per la protezione dal carico ridotto.
1 Avviamento
ts Rilascio ritardato
2 Funzionamento nominale
rotezione dal carico ridotto3 Funzionamento con carico ridotto rilascio non attivo
tv Tempo d’intervento
tA Tempo di avviamento
tP Allarme
IT Soglia d’intervento
6.6.3.3 Protezione contro l’inversione di fase
Il controllo della sequenzialità delle fasi sulle rete di distribuzione è utile per la
protezione del motore che non deve invertire il senso di rotazione.
Si distinguono due metodi diversi:
• Monitoraggio continuo: la tensione nominale di rete viene controllata
costantemente. In caso d’inversione di fase (sequenzialità delle fasi nella rete
di distribuzione) viene impedito l’avviamento del motore.
• Reazione solo dopo l’avviamento: l’apparecchio di protezione reagisce solo
dopo che il motore è stato avviato e quando è possibile rilevare la corrente in
circolazione. Un motore con avviamento lungo che potrebbe avviarsi con
senso di rotazione errato e quindi danneggiarsi, necessita di un tempo di
risposta molto rapido.
6.6.3.4 Controllo del tempo di avviamento
Il tempo di avviamento è controllato. Se l’avviamento non termina entro il tempo
preselezionato la macchina può essere fermata. Questa procedura di controllo è
indipendente dallo stato termico del motore.
Applicazioni
• Impianti che richiedono un carico elevato oppure che rilevano già in fase di
avviamento il bloccaggio della macchina, onde evitare gravi danni. Cause
possibili: sistemi sovraccaricati, cuscinetti o elementi di trasmissione difettosi.
Figura 6.25.1
6.24
Protezione del motore
≥
I
I
I
≤
I
I
1 Avviamento,
corrente del motore ≥ 1,1 Ie
2 Funzionamento nominale
tv Tempo di avviamento max
3 Intervento se la fase
d’avviamento è troppo
lunga
Figura 6.25.1 Controllo del tempo d’avviamento.
6.6.3.5 Bloccaggio durante l’avviamento
Se un motore si blocca durante la fase d’avviamento, questo si surriscalda molto
rapidamente e raggiunge la temperatura limite dell’isolamento, dopo che il tempo di
bloccaggio permesso è scaduto. I grossi motori a bassa tensione, e soprattutto i
motori in media tensione, hanno tempi di bloccaggio consentiti molto brevi, ma
possono effettuare avviamenti significativamente lunghi. Per garantire l’avviamento,
il tempo di bloccaggio deve essere spesso aumentato. Grazie ad un trasduttore di
velocità esterno oppure ad un sensore di rilevamento, l’apparecchio di protezione
riconosce il bloccaggio e arresta immediatamente il motore. In questo modo il
motore ed il sistema non vengono sottoposti a nessun stress in caso di bloccaggio.
Durante il funzionamento, un sovraccarico troppo elevato o un bloccaggio vengono
riconosciuti con la funzione “Sovraccarichi elevati e bloccaggio”. Vedere
Figura 6.25.2.
I
I
2
Ie
1
1 Avviamento normale senza impedimento
da sovraccarico elevato o bloccaggio
2 Bloccaggio durante l’avviamento
tv Ritardo d’intervento
Ie
t
tv
Figura 6.25.2 Bloccaggio durante l’avviamento
Applicazioni
• Grossi motori a bassa tensione
• Motori in media tensione
• Impianti di trasporto
6.25
•
•
•
Mescolatori
Betoniere
Frantoi
• Seghe
• Gru edili
• Ponti elevatori
Protezione del motore
6.6.4
Funzioni di controllo
Gli apparecchi elettronici per la protezione del motore svolgono oltre alle funzioni
di protezione, anche funzioni di controllo e di comunicazione. In un sistema di
controllo molto avanzato, questi apparecchi possono anche essere combinati con
un sistema di comando manuale, oppure possono essere incorporati in una rete di
comunicazione.
Gli apparecchi per la protezione del motore sofisticati che, utilizzano la
simulazione della temperatura, per esempio, in base alla doppia immagine termica,
basata sulla corrente assorbita dal motore, può aiutare ad utilizzare il controllo per
ottimizzare il processo produttivo.
6.6.4.1 Preallarme
Spesso non è auspicabile fermare immediatamente l’impianto quando subentra una
situazione anomala nel funzionamento di una macchina (diversa dallo standard).
Un preallarme può essere consigliabile per ridurre il carico oppure, per esempio,
permettere la riparazione di un eventuale guasto verso terra solo durante la normale
interruzione dell’impianto.
E’ necessario fare la seguente distinzione fra:
• Preallarme dipendente dalla corrente per
- Sovraccarico termico al di sotto della soglia di bloccaggio
- Carico ridotto
- Asimmetria
- Dispersione verso terra.
• Preallarme dipendente dalla temperatura per:
- Per ridurre il limite di temperatura
6.6.4.2 Controllo del carico
Nei mescolatori, nei frantoi per pietre o nei sistemi dei nastri trasportatori il carico
del motore può essere dosato o ottimizzato. Se l’apparecchio per la protezione del
motore riesce a controllare con precisione la temperatura del motore, è possibile
regolare il sistema alla massima temperatura nominale di funzionamento, anche in
caso di carico variabile. Ciò permette l’utilizzo ottimale dell’impianto. La
regolazione può essere effettuata manualmente, in base all’indicazione del
riscaldamento, o tramite un meccanismo di controllo centralizzato.
6.6.4.3 Blocco dell’avviamento
I motori che si sono fermati a causa di un surriscaldamento, possono essere
riavviati solo dopo che il motore sia stato lasciato raffreddare sufficientemente e
l’intervento dell’apparecchio per la protezione sia stato ripristinato. Bisogna
tuttavia considerare che il motore non viene messo in pericolo nel riavviamento
solo nel caso di una precisa simulazione del raffreddamento del motore.
6.26
Protezione del motore
Per garantire un riavviamento del motore ancora caldo dopo un fermata dovuta a
condizioni di esercizio normale, è necessario che il motore sia lasciato raffreddare
fino a quando non compare l’indicazione sull’apparecchio per la protezione che la
condizione termica è ottima per riavviare. Il diagramma rappresentato in
Figura 6.27.1, previene tentativi di avviamenti, impedendo così insuccessi previsti
e sollecitazioni addizionali sul motore.
ϑ Riscaldamento degli
avvolgimenti
I
Corrente del motore
Ie
t Tempo
1 Temperatura d’intervento
2 Riscaldamento degli
avvolgimenti durante
l’avviamento
3 Avviamento bloccato
4 Temperatura limite per
l’avviamento
Figura 6.27.1
6.6.4.4 Controllo della commutazione per l’avviamento stella-triangolo
Poiché la corrente del motore è costantemente controllata, è possibile effettuare il
controllo di temporizzazione per un avviamento stella-triangolo
indipendentemente dal carico.
Motore
Acceso
Spento
I

Ie
Corrente del motore
Ιe
t
Funzionamento a stella
Funzionamento a triangolo
Ritardo di commutazione
~80 ms
Figura 6.27.2 Diagramma dell’avviamento stella-triangolo
6.27
~80 ms
Protezione del motore
6.6.4.5 Avviamento a caldo
Gli avvolgimenti del motore possono essere riscaldati per breve tempo al di sopra
delle temperatura limite consentita. Questo vale soprattutto per i motori a rotore
critico. La temperatura consentita del rotore per breve tempo è di circa 250 °C,
notevolmente superiore alla temperatura di funzionamento continuo che è di
100…150 °C. Ciò vuol dire che il tempo ammissibile a disposizione per
l’avviamento a caldo è dunque relativamente lungo. In generale è leggermente
inferiore a quello caratteristico per l’avviamento a freddo. Questa caratteristica del
motore può essere utilizzata con una particolare sofisticazione dell’apparecchio per
la protezione del motore, senza diversamente influenzare la corretta riproduzione
della temperatura. Figura 6.28.1.
Con la “limitazione del numero di avviamenti” è possibile evitare un numero
eccessivo d’avviamenti a caldo.
I
IA
1
2
3
4
Ie
t
ϑ1
ϑe
ϑ
t
t1
tw
tw
tw
Figura 6.28.1 Diagramma della corrente e della temperatura durante
l’avviamento a freddo e a caldo dei motori e soglie d’intervento
(ad es. CET 4/SMM 825).
IA Corrente di avviamento
Ie Corrente nominale
ϑe Temperatura ammessa dal motore in
funzionamento continuo e soglia
d’intervento normale dell’apparecchio per
la protezione del motore per
funzionamento continuo
ϑ1 Temperatura consentita dal motore per
breve tempo e limiti d’intervento
dell’apparecchio per la protezione del
motore con caratteristica d’intervento
modificata per l’avviamento a caldo.
6.28
1 1. Avviamento (avviamento
a freddo)
2 1. Avviamento a caldo
3 2. Avviamento a caldo
4 Avviamento a freddo (dopo
che il motore si è
raffreddato)
t1 Tempo min. prima del
primo avviamento a caldo
(t1 > 10 t6 Ie)
tw Tempo minimo tra due
avviamenti a caldo
(4…60 min.)
Protezione del motore
Applicazioni
Tutti gli impianti che devono riavviarsi in modo sicuro immediatamente dopo
un’interruzione della tensione di alimentazione.
• Processi chimici e impianti di produzione, ad es.:
- betoniere
- centrifughe
- pompe
- nastri trasportatori
• Miniere e gallerie, ad es.:
- ventilatori d’aria esterna
- ascensori
- pompe centrifughe
• Sistemi di approvvigionamento dell’acqua
• Drenaggi
6.6.4.6 Possibilità di comunicazione
I moderni apparecchi elettronici per la protezione del motore consentono, con
l’utilizzo di microprocessori, l’elaborazione, la memorizzazione e la preparazione
di tutti i dati di funzionamento e statistici rilevanti.:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
corrente assorbita
asimmetria
corrente di dispersione verso terra
riscaldamento
potenza assorbita
tempo d’intervento
durata del funzionamento
dati sulle condizioni del contattore e del motore
causa e condizioni d’allarme ed interventi precedenti
Tutti questi dati possono essere trasmessi attraverso collegamenti di rete di
comunicazione centralizzati con un sistema di controllo generale. D’altra parte, i
parametri di funzionamento memorizzati attraverso la rete di comunicazione
nell’apparecchio per la protezione del motore possono essere costantemente
adattati e modificati in funzione delle esigenze di processo. Gli apparecchi per la
protezione del motore modulari offrono l’allacciamento per i protocolli bus più
importanti.
6.6.5
Applicazioni degli apparecchi elettronici per la protezione del
motore
6.6.5.1 Motori a bassa inerzia termica
Tra questi motori si annoverano, ad esempio, i motori delle pompe sommerse, i
compressori per frigoriferi a chiusura ermetica ecc. che, nella maggior parte dei
casi, hanno un sistema di raffreddamento molto efficace. Il loro tempo di arresto
consentito è, di solito, molto breve in quanto gli avvolgimenti sono predisposti per
un carico specifico elevato.
6.29
Protezione del motore
Per queste macchine è richiesto una regolazione del tempo d’intervento di 2...4s.
La protezione dal carico ridotto è utile soprattutto per le pompe sommerse; infatti,
in caso di riduzione o di mancata presenza del carico, le condizioni di
raffreddamento del motore sono compromesse e aumentano rapidamente i rischi di
sovratemperature.
6.6.5.2 Motori con elevata inerzia termica
Se devono essere messe in funzione grandi masse con grossa inerzia meccanica e
tempi lunghi di avviamento, come ad es. ventilatori, centrifughe, sistemi di
mescolamento ecc., vengono installati spesso dei motori con avvolgimenti e gabbie
sovradimensionate.
Per queste macchine, gli apparecchi elettronici per la protezione del motore sono
particolarmente adatti, in quanto sono in grado di simulare con precisione il
riscaldamento durante la fase d’avviamento. Per la corretta funzionalità devono
essere impostati le classi d’intervento e la relativa corrente di bloccaggio.
6.6.5.3 Motori a rotore critico
I motori in media tensione ed i grossi motori a bassa tensione sono, nella maggior
parte dei casi, a rotore critico. Il tempo di bloccaggio e d’avviamento consentito è
limitato dalla capacità termica del rotore e viene indicato dal costruttore del
motore. Se il tempo d’intervento dell’apparecchio per la protezione del motore
viene regolato sul tempo di bloccaggio consentito, il modello termico corrisponde
alle esigenze pratiche del motore.
Per tempi brevi sono ammesse temperature alte nel rotore. Il motore è, dunque
protetto durante la fase d’avviamento allo stato caldo.
Se i motori a rotore critico vengono installati in condizioni d’avviamento pesante, è
necessario considerare che, in caso di bloccaggio, raggiungono rapidamente la
temperatura critica. Di conseguenza, è necessario regolare il tempo d’avviamento,
con la relativa classe d’intervento per l’avviamento con carico pesante, con un
tempo significativamente superiore rispetto al bloccaggio consentito. Affinché nella
fase d’avviamento la protezione del bloccaggio venga garantita ugualmente, la
velocità durante l’avviamento deve essere controllata con un misuratore della
velocità o dallo stato d’inattività. Allo stesso modo, durante il funzionamento
l’apparecchio per la protezione del motore deve reagire immediatamente ad un
bloccaggio.
6.6.5.4 Motori in media tensione
I motori in media tensione vengono utilizzati a partire da una potenza di circa 200
KW. La loro struttura ed il loro funzionamento non si differenziano dai motori a
bassa tensione, sono di regola a rotore critico, e quindi devono essere protetti.
6.30
Protezione del motore
6.6.5.5 Motori ad anelli
I motori ad anelli non corrono rischi termici neanche con ripetuti avviamenti. Le
perdite di calore all’avviamento vengono trasmesse alle resistenze d’avviamento
poste all’esterno del motore. Fondamentalmente i motori ad anelli a ventilazione
autonoma sono più facili da proteggere rispetto ai normali motori a gabbia di
scoiattolo, in quanto non si verificano grossi spostamenti di correnti se non
vengono fatti funzionare per lungo tempo a scorrimento elevato.
Nel motore ad anelli, sono presenti materiali isolanti sensibili alle temperature non
solo nello statore ma anche nel rotore. Il tempo d’intervento viene dunque
determinato dalla parte termicamente più debole. Il tempo di bloccaggio e
d’avviamento consentito, viene definito dal costruttore del motore. Se il grado
d’inerzia è impostato correttamente, i moderni apparecchi elettronici per la
protezione del motore proteggono anche i reostati di avviamento dal sovraccarico
termico. Il controllo della corrente nel circuito del rotore non è facile a causa
dell’alta frequenza (frequenza di scorrimento).
La corrente del rotore è approssimativamente proporzionale alla corrente dello
statore misurata dall’apparecchio per la protezione del motore. L’effetto della
protezione è dunque possibile anche in presenza di un controllo sullo statore con
ritorno dal rotore sulla rete di alimentazione. Questo è tuttavia possibile solo in
presenza di raffreddamento, ad es. attraverso una ventilazione esterna.
6.6.5.6 Motori a doppia polarità
I motori a doppia polarità vengono realizzati con avvolgimenti sezionati oppure da
sezioni di avvolgimenti commutabili, come nel collegamento Dahlander. Questi
avvolgimenti si trovano, in parte, nelle stesse scanalature e sono strettamente
accoppiate da un punto di vista termico, ed addirittura identiche. In servizio
continuo gli avvolgimento dell’una e l’altra sezione si scaldano
contemporaneamente e raggiungono entrambi la stessa temperatura.
Per la protezione dei motori a doppia polarità è necessario impiegare per ogni
velocità un apparecchio separato. Questo metodo ha tuttavia lo svantaggio che
nella commutazione da una velocità all’altra, il secondo apparecchio per la
protezione non rileva lo stato termico di esercizio dello stadio precedente. Solo
dopo un determinato periodo di tempo di funzionamento si riscalda e protegge
correttamente il motore.
La simulazione corretta della temperatura e una conseguente protezione più sicura
sono possibili nel caso in cui l’apparecchio per la protezione offre due diverse
regolazioni di corrente e rileva le correnti del motore in base alle due polarità.
6.31
Protezione del motore
6.6.5.7 Motori a frequenza controllata
Nei motori a ventilazione autonoma bisogna fare attenzione perché, in caso di
bassa velocità, il raffreddamento non viene più garantito. Il riscaldamento del
motore non dipende solo dalla corrente del motore. Figura 6.32.1. Perdite
supplementari di circa il 10 % si verificano a causa delle armoniche superiori.
140
120
100
Coppia [%]
80
3
1
2
60
40
20
0
0
25
Velocità [%]
50
75
100
125
150
175
200
Figura 6.32.1 Carico termico continuo consentito da un motore ad induzione
controllato da un convertitore di frequenza.
1 Coppia del carico
2 Coppia di un motore standard con carico continuo nominale
3 Coppia di un motore standard con produzione standard
Questi motori devono essere protetti addizionalmente con sensori termici,
ad es. sensori PTC.
La protezione che già dipende dalla corrente può essere compresa nel convertitore
statico oppure può essere realizzata attraverso apparecchi esterni
indipendentemente dalla frequenza:
• relè termico a bimetallo
• interruttori magnetotermici di potenza
• apparecchi elettronici per la protezione del motore con protezione PTC
integrata
La gamma di frequenze consentita, così come l’influsso delle alte frequenze
d’interruzione nel convertitore di frequenza, sono da tenere in considerazione al
momento della scelta dell’apparecchio di protezione.
6.6.5.8 Avviatori statici, con controllo rampa di decelerazione
Non tutti gli apparecchi per la protezione del motore sono adatti ai motori che
vengono comandati con avviatori statici sulla base del ritardo di fase. Durante
l’avviamento, si creano correnti non perfettamente sinusoidali e fortemente
divergenti dalla forma d’onda normale che possono pregiudicare alcune funzioni di
protezione. Per questa ragione, molte funzioni interessate possono essere escluse
durante le fasi d’avviamento e arresto statico.
6.32
Protezione del motore
Se l’avviamento statico è anche equipaggiato con un freno, l’apparecchio di
protezione deve ignorare l’asimmetria che si crea durante la fase di frenatura.
Se i motori vengono fatti funzionare per lungo tempo con tensione ridotta, devono
essere protetti anche per mezzo di sensori di temperatura (ad es. PTC).
6.6.5.9 Motori con ventilazione esterna
Il raffreddamento dei motori con ventilazione esterna non dipende dalla velocità
del motore. Queste macchine sono usualmente raffreddati per un certo periodo di
tempo anche dopo che sono stati fermati. Il raffreddamento rapido del motore può
essere tenuto in considerazione con un apparecchio elettronico per la protezione.
6.6.5.10 Temperatura ambienta elevata
Se la temperatura ambiente supera i 40 °C, la macchina può essere messa in
funzione solo con potenza ridotta. Questo problema può sorgere anche con una
temperatura ambiente normale, nel caso in cui, la temperatura ambiente aumenta
eccessivamente per es. a causa di irradiamento solare o altre fonti di calore.
In linea di principio bisogna tener presente questo problema già nella fase di
progettazione. La macchina deve essere dimensionata in misura adeguata, oppure è
necessario scegliere una classe d’isolamento maggiore ed adeguare la protezione
del motore a queste condizioni. Per determinate applicazioni viene accettata
consapevolmente una riduzione della durata di vita elettrica della macchina.
In caso di temperatura ambiente elevata sono possibili le seguenti soluzioni:
• Correzione della caratteristica d’intervento nell’apparecchio per la protezione
del motore e del carico nominale secondo la temperatura ambiente. Apparecchi
di protezione sofisticati prendono in considerazione la temperatura ambiente
automaticamente con un modello di simulazione della temperatura tramite i
sensori termici, ad es. PT100
• Correzione della corrente di regolazione: un termostato modifica la corrente di
regolazione nell’apparecchio per la protezione del motore ad un valore
preselezionato in linea con la temperatura ambiente. Ciò è possibile in
apparecchi di protezione, che sono predisposti per la protezione di motori a
doppia polarità con due impostazioni di corrente che possono essere
controllate. Il termostato può controllare allo stesso tempo anche il carico della
macchina.
6.6.5.11 Motori in ambienti con pericolo di esplosione
Il funzionamento di macchine elettriche nelle zone 1 e 2 richiede un’omologazione.
La zona 2 è l’ambiente meno impegnativo, in quanto il possibile disturbo può
verificarsi solo per un breve periodo di tempo. Un’atmosfera con pericolo di
esplosione può verificarsi solo per breve periodo di tempo e non in condizioni
normali di funzionamento.
6.33
Protezione del motore
In accordo con il grado di autoestinguenza dei materiali, il motore per passare dalla
condizione termica di funzionamento alla temperatura critica necessita del tempo
tE. Il tempo d’intervento dell’apparecchio di protezione del motore deve, per questa
ragione, essere uguale o più breve del tempo tE.
Al contrario dei relè termici a bimetallo, i relè elettronici per la protezione del
motore considerano anche il tempo di raffreddamento, in modo che si crei una
riserva di protezione elevata rispetto al relè termico a bimetallo.
6.6.5.12 Protezione di motori ad induzione con rifasamento
Durante il rifasamento singolo, i condensatori richiesti per la potenza reattiva di
rifasamento sono direttamente connessi ai morsetti del motore (eccezione: con
l’utilizzo di avviatori dolci secondo 6.6.5.8, i condensatori possono essere montati
prima dell’avviatore statico). In questo modo, il motore ed i condensatori vengono
accesi e spenti contemporaneamente. La linea d’alimentazione della rete e gli
apparecchi di accensione e di protezione trasmettono esclusivamente la corrente
rifasata, in quanto la corrente reattiva circola prevalentemente solo tra condensatore
e motore.
La corrente rifasata è la somma geometrica della corrente reattiva del motore,
meno la corrente reattiva del condensatore e la corrente attiva del motore.
Nell’apparecchio di protezione, al posto della corrente nominale di funzionamento,
deve essere regolata la corrispondente corrente rifasata. Quest’ultima può essere
misurata solo se il motore è a pieno carico e viene calcolata, di solito, secondo la
seguente formula generale:
IeF ≅ Ie
IeF
Ie
cosϕN
cosϕ2
cosϕN
cosϕ2
regolazione della corrente in Ampere
corrente nominale di funzionamento del motore in Ampere
fattore di potenza del motore per Ie
fattore di potenza rifasato
Mentre Ie e cosϕN possono essere ricavati dalle indicazioni del costruttore o dai
dati di targa, è piuttosto difficile misurare e calcolare cosϕ2. Se si ipotizza
cosϕ2 = 0,95 per condensatori misurati correttamente, la protezione del motore è
garantita.
Nel rifasamento di gruppo o centralizzato, l’apparecchio di protezione trasmette la
stessa corrente (non rifasata) del motore e deve dunque essere regolata in base alla
corrente nominale di funzionamento di quest’ultimo.
6.34
Protezione del motore
7
Scelta corretta dell’apparecchio per la protezione
del motore
Un concetto economico per la protezione del motore richiede che il dispositivo di
protezione venga adattato alle esigenze del motore e dell’impianto da mettere in
funzione.
Non è consigliabile proteggere un sistema non critico con un apparecchio
ultrasofisticato. D’altra parte il danno può essere notevole nel caso in cui una parte
dell’impianto di produzione in condizioni di avviamento e di esercizio impegnative
non viene adeguatamente controllato e protetto.
Le tabelle seguenti servono a semplificare la corretta scelta dell’apparecchio di
protezione o della combinazione di diversi apparecchi di protezione. Per ogni
applicazione bisogna intraprendere nuovamente la valutazione e la considerazione
di tutti i criteri rilevanti.
I criteri fondamentali di scelta sono:
- applicazione
- tipo di macchina e grandezza del motore
- condizioni ambientali
- esigenze del sistema di controllo e protezione del motore
7.1
Protezione del motore
Scelta della protezione secondo il tipo di applicazione
Applicazione
Cesoie
Presse
Frantoi
Miscelatori
Ascensori
Gru edili
Nastri trasportatori
Ventilatori
Compressori per frigoriferi
Compressori
Pompe idrauliche
Pompe sommerse
Pompe
7.1
Prestazioni tipiche
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
Avviamento con carico pesante
䢇
䡬
䢇 䢇
䢇
䡬
䢇
䡬
䢇 䢇
䡬
䢇
䡬 䢇 䡬
䢇
䢇 䡬
䢇
䡬 䢇
䡬
䢇
䢇
䢇 䢇
䢇 䢇
Avviamento normale
Carico continuo
Carico variabile
Funzionamento avviamento - arresto
Sovraccarico consentito di breve durata
Tipiche esigenze per la protezione dei guasti
䡬
䢇
䢇
䢇
䢇
䡬
䢇
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
Tempo d’avviamento troppo lungo
䢇
䢇
䢇
䢇
Sovraccarico elevato durante il funzionamento
䢇
䡬
䡬
䡬
䢇
䡬
䢇 䢇
䡬 䡬
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䡬
䡬
䢇
䢇
䡬
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䡬
䡬
Bloccaggio durante l’avviamento
Bloccaggio durante il funzionamento
䢇
䢇
䢇
䡬
䡬
䡬
Carico ridotto
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
Mancanza di fase
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
Asimmetria
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬 䡬
䡬 䡬
䢇
䡬
䢇
䢇
䡬
䡬
Asimmetria dal punto di vista termico
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䢇
䡬
䢇
䢇
䡬
䡬
Sensore termico PT 100 nell’avvolgimento
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬 䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
Dispersione verso terra con il metodo “Holmgreen”
Dispersione verso terra con trasformatore di corrente sommatore
Sensore termico PTC nell’avvolgimento
Tipiche prestazioni funzionali / guasti tipici / necessità di protezione
䡬 = Possibile
䢇 = Tipico
䢇
䢇 䡬
䢇
䢇
䢇
䢇
Avviamento normale
Necessità, possibili apparecchi
⽧ ⽧ 〫 〫 〫
〫 〫 ⽧
〫 〫 ⽧ ⽧ ⽧
〫 〫 ⽧ ⽧ ⽧
〫 〫 ⽧
〫 〫 ⽧
〫 〫 ⽧
〫 〫 ⽧
〫 〫 ⽧
⽧
⽧
〫 ⽧ ⽧
〫 ⽧ ⽧
7.2
Bassa: Bul. 140/KTA 3 (+ Bul. 817/RT 3)
Bassa: CTB; 193-EA (+ Bul. 817/RT 3)
Media: CEFB 1; 193-EB (+ Bul. 817)
Media: SMP 3 (+ Bul. 817/RT 3)
Alta: SMM 825/CET 4
Protezione del motore
〫 = Soluzione possibile
⽧ = Soluzione ottimale
Protezione del motore
Protezione del motore
Scelta del contattore secondo il motore e la macchina
Motore / macchina
Avviamento stella-triangolo
Motori a doppia polarità
A frequenza regolata 1)
Avviatori dolci
Motori ad anelli rotore avvolto
Motori EExe
Motori ad alta tensione
Motori NS > 355 KW
Motori NS > 90...355 KW
Motori NS > 45...90 KW
Motori NS < 45 KW
7.2
Guasti tipici / necessità di protezione
䡬
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䡬
䡬
Bloccaggio durante l’avviamento
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䡬
䢇
䢇
Sovraccarico elevato durante il funzionamento
䡬
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䡬
䢇
䢇
Bloccaggio durante il funzionamento
Sovraccarico consentito di breve durata
䡬
䡬
䢇
䡬
䡬
Temperatura ambiente dal punto di vista termico
䡬
䡬
Sensore termico PTC nell’avvolgimento
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䡬
䡬
䡬
䢇
䢇
䡬
䡬
䢇
䢇
䢇
䡬
䡬
Asimmetria dal punto di vista termico
Sensore termico PT 100 nell’avvolgimento
Max. 400 Hz per corrente sinusoidale pura
10…400 Hz (CEFB 1-41/42)
In chiarimento
30…100 Hz
䡬
䢇
䢇
䢇
䡬
䡬
䡬
䢇
䢇
䢇
Asimmetria
Protezione del motore
Necessità, possibili apparecchi
⽧
〫
〫
〫
〫
⽧
Bassa: CTB; 193-EA (+ Bul. 817/RT 3)
⽧
⽧
⽧
〫
〫
⽧
Media: CEFB 1; 193-EB (+ Bul. 817)
⽧
⽧
〫
〫
⽧
Media: SMP 3 (+ Bul. 817/RT 3)
⽧ 〫 〫 〫
⽧ ⽧ 〫
〫 〫 ⽧
⽧
⽧
⽧
⽧
⽧
〫
⽧
⽧
〫
〫
〫
〫
⽧
Bassa: Bul. 140/KTA 3 (+ Bul. 817/RT 3)
7.3
Alta: SMM 825/CET 4
140 / KT 3, CTB
CEF 1-12
193-E, SMP 3
SMM 825 / CET 4
䢇
䢇
䢇
䡬
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
䢇
Mancanza di fase
1) Limitazioni
䡬
䡬
䢇
䢇
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
Dispersione verso terra con trasformatore di corrente sommatore
Difetti tipici / necessità di protezione
䡬 = Possibile
䢇 = Tipico
䢇
䢇
䢇
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
䡬
Dispersione verso terra col metodo "Holmgreen"
Protezione del motore
〫 = Soluzione possibile
⽧ = Soluzione ottimale
䢇
Cortocircuito (motori ad alta tensione)
Protezione del motore
Scelta della protezione secondo le condizioni ambientali
Condizione ambientale
Umidità
Polvere
Alte temperature
Grosse variazioni della temperatura
Nessuna esigenza speciale
7.3
䢇
䢇
䢇
Sensore termico PTC nell’avvolgimento
䢇
䢇
䢇
Sensore termico PT 100 nell’avvolgimento
䢇
䢇
䡬
Temperatura ambiente dal punto di vista termico
䡬
䢇
Dispersione verso terra con il metodo “Holmgreen”
䡬
䢇
Dispersione verso terra con trasformatore di corrente sommatore
Funzioni di protezione
䡬 = Possibile
䢇 = Tipico
Funzione di protezione
Protezione del motore
⽧
〫
⽧
⽧
⽧
〫
〫
⽧
Bassa: CTB; 193-EA (+ Bul. 817/RT 3)
⽧
〫
〫
⽧
Media: CEFB 1; 193-EB (+ Bul. 817)
⽧
〫
〫
⽧
〫
Media: SMP 3 (+ Bul. 817/RT 3)
⽧
⽧
⽧
⽧
⽧
7.4
Bassa: Bul. 140/KTA 3 (+ Bul. 817/RT 3)
Alta: SMM 825/CET 4
Protezione del motore
〫 = Soluzione possibile
⽧ = Soluzione ottimale
Necessità, possibili apparecchi
Protezione del motore
Scelta della protezione secondo i criteri del sistema di controllo e
protezione del motore
Funzioni MCC
Riconoscimento
Motore spento/acceso
Diagnosi
Comunicazione
Visualizzazione, apparecchio
Statistica
Comunicazione
Visualizzazione, apparecchio
Allarmi
Comunicazione
Visualizzazione sull’apparecchio
Dati di funzionamento
Con comunicazione
Con relè di segnalazione
7.4
䢇
䢇
䢇
䢇
Tempo di avviamento troppo lungo
䢇
䢇
䢇
䢇
Sovraccarico elevato durante il funzionamento
䢇
䢇
䢇
䢇
Dispersione verso terra con trasformatore di corrente sommatore
䢇
䢇
䢇
䢇
Asimmetria
䢇
䢇
䢇
䢇
Sensore termico PT 100 nell’avvolgimento
Dati utili di funzionamento
䢇
䢇
䢇
䢇
Corrente del motore
䢇
䢇
䢇
䢇
Asimmetria
䢇
䢇
䢇
䢇
Corrente di dispersione verso terra
䢇
䢇
䢇
䢇
Riscaldamento
䢇
䢇
䢇
䢇
Temperatura statorica
Sistema di controllo e protezione del motore
Necessità, possibili apparecchi
Bassa: CTB; 193-EA/EB, + interfaccia I/O
⽧ ⽧
〫 〫 ⽧ ⽧
⽧ ⽧
〫 〫 ⽧ ⽧
7.5
⽧ ⽧
〫 〫 ⽧ ⽧
⽧
⽧
⽧ ⽧
〫 〫 ⽧ ⽧
⽧ ⽧ ⽧ ⽧
⽧ ⽧
⽧
Bassa: Bul. 140/KTA 3 + interfaccia I/O
Media: SMP 3
Media: SMP 3 + interfaccia I/O
Alta: SMM 825/CET 4
Alta: SMM 825/CET 4 + interfaccia I/O
Sistema di controllo e protezione del motore Funzioni di allarme utili e dati di funzionamento
〫 = possibile soluzione
䡬 = possibile
⽧ = soluzione ottimale
䢇 = tipico
Funzioni d’allarme utili
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Pubblicazione WP-Protect IT, Gennaio 98