Protezione e sicurezza dei motori Pm a deflussaggio
profondo (gamma di potenza costante > 1:4):
L’applicazione del fusibile duale 1,2
Sintesi:
Il fusibile duale e’ un dispositivo di protezione per equipaggiamento e operatore
sviluppato per sistemi di azionamento di motori a magnete permanente a
deflussaggio profondo.
Il fusibile duale deve essere utilizzato come protezione secondaria di sicurezza,
e cioè deve essere utilizzato come sistema ridondante di protezione per
l’eventualità’ di una non funzionalità del sistema di protezione primario; il
fusibile duale, infatti, interviene una volta sola e successivamente richiede un
intervento manuale di manutenzione per sostituzione del medesimo.
Applicazione del fusibile duale: i motori a deflussaggio
profondo.
Il fusibile duale si applica nei sistemi di
azionamento con motori PM (a magnete
permanente) in cui il flusso magnetico del
motore viene controllato dall’elettronica di
pilotaggio per portare il motore a velocita’
superiori a quella corrispondente alla
saturazione in tensione dell’azionamento, che
corrisponde alla velocità in cui la forza
elettromotrice del motore e’ uguale a quella
erogabile dall’azionamento. In generale questa tensione e’ simile alla tensione
dell’alimentazione rete; di poco inferiore per azionamenti con DC bus non
regolato, di poco superiore per quelli con DC bus stabilizzato. Questa velocità
1
Richiesta di brevetto europeo Phase Motion Control Appl. EPO n. del xx.xx.xx
2
Certificazione RINA in corso
Doc Phase Motion Control 06595-0-A-W
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viene convenzionalmente definita velocità di ginocchio a vuoto. Al di sotto di
questa velocità, il motore opera a coppia massima costante, limitata dalla
corrente erogabile dall’azionamento; al di sopra, il motore può essere utilizzato
in regime di potenza costante, con coppia decrescente in funzione della
velocità.
In molte applicazioni, e’ desiderabile operare in regime di potenza costante su
un campo di regolazione, inteso come rapporto tra la velocità massima
utilizzabile e la velocità di ginocchio, il più ampio possibile. Il progresso della
tecnologia dei motori PM ha consentito di espandere questo campo di
regolazione, una volta limitato a 1:2;1:3, in modo considerevole
Motori PM di concezione avanzata, quali quelli realizzati da Phase Motion
Control possono essere azionati, applicando una opportuna corrente diretta
smagnetizzante all’avvolgimento del motore, fino a velocità anche 10 volte
superiori alla velocità di ginocchio. Tuttavia, nell’eventualità’ che tale corrente
venisse improvvisamente a mancare, per esempio per un guasto od un allarme
dell’azionamento, la tensione ai capi del motore salirebbe fino ad un valore pari
alla velocità istantanea moltiplicata per la forza elettromotrice del motore. In
prima approssimazione, questo valore e’ simile alla tensione rete moltiplicato il
coefficiente di deflussaggio.
Da questa considerazione segue che, se il coefficiente di deflussaggio di un
motore PM viene incrementato oltre il valore di ~ 3.5, la tensione a vuoto in
caso di emergenza alla massima velocità potrebbe eccedere i 2 kV, che e’ il
valore di tensione di isolamento generalmente previsto per le apparecchiature
di bassa tensione secondo la IEC 34
Utilizzando una gamma di potenza costante di 1:10, questa tensione potrebbe
arrivare sino a 3-4 kVac. Chiaramente, questa tensione non può essere
sopportata dal sistema isolante tanto del motore quanto dell’impianto. Di
conseguenza, tutti i sistemi che fanno uso di motori PM deflussati oltre un certo
coefficiente (normalmente attorno a 1.1,5) vengono dotati di un dispositivo
ausiliario di protezione primaria. Questo può essere integrato nell’azionamento
o fornito assieme all’azionamento, ma separatamente. In ogni caso, si tratta di
un dispositivo detto di “crowbar” elettronico, che in caso di superamento di una
tensione di sicurezza, di solito tra gli 800 e i 900 Vac, sul motore, per qualsiasi
Doc Phase Motion Control 06595-0-A-W
Pag. N.2 di 5
motivo, cortocircuitano lo stesso azzerandone la tensione ai capi e disabilitando
l’azionamento fino al completo arresto inerziale del motore. Questi dispositivi
sfruttano la proprietà intrinseca dei motori “deflussabili” di avere correnti di cc
limitate e molto prossime alla corrente nominale. L’energia cinetica del carico e’
quindi dissipata all’interno del motore. Questi dispositivi funzionano
generalmente in modo del tutto affidabile, anche perché sono generalmente
progettati in modo “fail safe” e cioe’ tali da cortocircuitare il dispositivo anche in
caso di guasto e quindi di garantire la sicurezza anche a scapito della
funzionalità.
Da un punto di vista normativo, tuttavia, secondo la direttiva macchine, il
progettista o fornitore dell’impianto e’ responsabile dell’analisi della sicurezza
dell’applicazione in presenza di guasti. Tale responsabilità non e’ trasferibile al
fornitore del componente perché la sicurezza dipende dall’impiego del
componente e dalla sua combinazione con gli altri componenti dell’impianto.
Nella pianificazione di un azionamento a deflussaggio profondo, quindi, oltre
all’analisi della funzionalità del sistema, che generalmente con il sistema di
protezione primario e’ garantita in tutti i casi, e’ necessario verificare anche la
sicurezza del sistema per ogni genere di guasto. Di conseguenza, se il
dispositivo di sicurezza primario viene ritenuto non sufficientemente affidabile,
ovvero se si rileva che nella sua progettazione non sono state tenute presenti
tutte le possibili modalità di guasto3, il progettista della macchina deve
introdurre delle ulteriori protezioni a garanzia della sicurezza dell’operatore. Il
fusibile duale serve appunto a tale scopo.
Il fusibile duale e’ un dispositivo costituito da una barriera isolante calibrata in
tensione, che in presenza di una tensione superiore a quella di soglia, con una
capacita di corrente di cortocircuito superiore a qualche decina di A, genera al
suo interno una scarica a valanga controllata trasformandosi irreversibilmente
un conduttore a bassa impedenza. Da qui la definizione di fusibile duale; si
3
E’ stato rilevato che molti dei sistemi di sicurezza primari in commercio cortocircuitano il
motore ma NON garantiscono protezione per sovratensioni verso massa. Un ipotetico
guasto di motore ad alta velocità con scarica a massa di una fase E contemporanea
apertura di un cavo motore potrebbe in questo caso propagare sovratensioni verso massa
attraverso alcuni dei dispositivi di protezione in commercio.
Doc Phase Motion Control 06595-0-A-W
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tratta di un circuito aperto, che una volta superata una soglia di tensione, si
trasforma in un corto circuito; lo stesso funzionamento di un fusibile
convenzionale, in cui però i ruoli di corrente e tensione vengono invertiti.
Il dispositivo funziona indifferentemente in corrente continua o alternata ed e’
bidirezionale.
Collocazione del fusibile duale nel circuito del motore
Nell’impiego come protezione secondaria, una terna di fusibili duali viene
collegata tra le tre fasi del motore e la massa della macchina. Nel caso in cui la
protezione primaria per qualsiasi motivo fallisse l’intervento, la presenza dei
fusibili duali garantisce che in nessun caso la tensione esistente tra uno dei
terminali protetti e la massa ecceda il 1700 V, ben al disotto dei 2500 V che la
direttiva IEC34 richiede per l’isolamento dell’azionamento e del resto della
macchina verso l’operatore.
L’impedenza del fusibile duale, una volta intervenuto, consente di condurre una
corrente elevata, pari a quella di CC del motore, fino all’arresto dello stesso.
Il fusibile duale garantisce la protezione di tutto quanto e’ connessa a monte
dello stesso.
Per dimensionare l’applicazione del fusibile duale occorre:
1) Verificare che la corrente massima del fusibile duale sia inferiore alla
corrente di CC del motore alla massima velocità;
2) Posizionare la terna di fusibili duali il più possibile vicino al motore, ma
in una posizione accessibile per l’eventuale sostituzione;
3) Se tra drive e motore e’ interposta un’induttanza si raccomanda di
installare il fusibile tra drive e induttanza in quanto la tensione a valle
della stessa può in certi casi assumere valori tali da innescare
l’intervento indesiderato della protezione. La corrente di CC di verifica e’
quella del sistema motore + induttanza, il che e’ favorevole; tenere
presente tuttavia che tutto quello che e’ a valle del fusibile potrebbe non
esserne protetto in caso di interruzione di un collegamento ed effettuare
una analisi di sicurezza in conseguenza.
4) A corollario di quanto sopra, tenere presente che quanto esposto al
punto 3 vale in generale; nel caso di interruzione di conduttori a valle
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dei fusibili, gli stessi conduttori possono essere sede di tensioni elevate
e ciò va tenuto presente in sede di impianto (schermi, masse adeguate).
Verifica della corretta installazione
Il fusibile duale puo’ e deve essere verificato dopo il completamento del
cablaggio di macchina e prima della messa in servizio. A tal fine:
1. Scollegare l’azionamento
2. Cortocircuitare i tre conduttori motore precedentemente collegati
all’azionamento
3. Verificare con un adeguato strumento misuratore di isolamento non
distruttivo, in CC, limitato in corrente a <1 mA, che l’isolamento del
sistema verso massa sia
a. > 100 mOhm fino a >1500V,
b. si verifica una scarica reversibile tra 1500 e 1800 Vdc. Tale
scarica conferma l’adeguato montaggio dei dispositivi.
HIGH DEFLUX RATIO (> 1:5) TK MOTOR
TYPICAL CONNECTION DIAGRAM
NOTE
Voltage at these terminals and on the connection cable during normal operation can be as high as
1500 Vrms (phase to phase value). This must be taken into account for the selection of cables and
inductor insulation voltage.
Lmax 3 m
INDUCTOR
U
VPM
MODULE
V
W
Star Point
Snubber
SN0001.0
TK
Motor
Motor
Frame
SHIELDED POWER CABLE
GROUND
BAR
DRIVE
3 x DUAL FUSE
DF-1730
CONNECTION BOX
U
V
W
GND
GROUND
BAR
POWER CABINET
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REV.
B
DESCRIPTION
Modified dimensions: were 84.7 and 20.7mm
DATE
06/06/2007
NAME
A.Sommariva
79,7 B
25
Material
M12
19
7
45
19
M12
25
B
16 6,7
Mass
.
.
Dual Fuse
Geometrical tolerance (ISO 2768-2)
Class
Linear tolerance (ISO 2768-2)
Class
Angular tolerance
0.5
÷3
>3÷
6
>6÷
30
>30÷
120
±0.1
±0.1
±0.2
±0.3
Date
Drawn
Checked
B
Project-Prod.item/Instrument
Treatment
Designed
Rev
0.25 kg
21/05/07
21/05/07
K
m
Description
Undimensioned
chamfers
±1°
>120 >400÷ >1000 >2000
÷400
1000 ÷2000 ÷4000 Undimensioned
radii
±0.8
±1.2
±2
±0.5
Name
M.Venturini
A.Sommariva
.
1x45°
R0,5
PHASE
MOTION
CONTROL
Dual Fuse
DF - 17 30
Drawing No.
05379-0-B-4
Scale
1:1
Sheet
1/1
Reproduction forbidden without specific authorization
Phase Motion Control - 16141 Genova Italy - Via Adamoli, 461 - Tel +39 010 835 161 Fax +39 010 4206736 - Email [email protected] - http://phase.eu