PROTEZIONE DEI MOTORI ASINCRONI

1. PROTEZIONEDEI MOTORI ASINCRONI

2. Indice 1. Generalità 2. Sovracorrenti 2.1 - Sovraccarico 2.2 – Corto circuito 3. Dispositivi di manovra e protezione 3.1 – Teleruttore 3.2 - Interruttori automatici 3.3 - Relè termici 3.4 – Fusibili 3.5 – Termosonde a termistori 3.6 - Salvamotore 4. 4.1 - Protezione da sovraccarico 4.2 - Protezione da cortocircuito • Conclusioni • Esercitazioni 2

3. INDICE 1. Generalità Le protezioni di un motore elettrico sono essenziali per un buon funzionamento e per una sua lunga durata. Le protezioni principali che bisogna prevedere sono : - contro il sovraccarico - contro i cortocircuiti - contro le sovratemperature Per una protezione più completa si possono inoltre prevedere quelle contro il blocco di rotore, gli squilibri di corrente, le dissimmetrie nel sistema di alimentazione trifase. 3

4. INDICE 2. Sovracorrenti Le sovracorrenti si verificano qualora il motore assorbe correnti superiori a quella nominale IN. Il fenomeno noto come sovraccarico consiste nel passaggio di una corrente superiore a quella nominale (fino a circa 10-12 volte), provocando un surriscaldamento delle condutture e degli apparati. Nel caso dicortocircuito, al contrario la corrente diventa molto intensa in brevissimo tempo. 4

5. Relè termico INDICE 2.1 Sovraccarico Nel caso di sovraccarico, dovuto generalmente a coppia resistente troppo elevata o bloccaggio del rotore causato dalla macchina operatrice, la temperatura del motore può aumentare e superare la massima ammissibile con conseguenti danni. Deve dunque entrare in funzione un dispositivo di protezione in un dato tempo. In questi casi il dispositivo generalmente utilizzato è costituito da un relè termico a lamine bimetalliche. 5

6. INDICE 2.2 Cortocircuito Il cortocircuito è senza dubbio il più grave e pericoloso guasto che possa accadere in un impianto elettrico. Infatti il corto determina una situazione in cui il circuito a valle rimane non alimentato, mentre nel tratto a monte si generano correnti di valore estremamente alto. I cortocircuiti oltre a distruggere parti d’impianto, perché possono provocare seri danni alle apparecchiature a causa di effetti elettrodinamici eper intensi riscaldamenti, sono pericolosi anche per le persone. La causa principale di tali guasti negli impianti elettrici è la presenza di difetti nell’isolamento, causati spesso da sovracorrenti che lentamente possono ricuocere l’isolamento, causare archi ed infine cortocircuiti. L’intensità della corrente dipende anzitutto dal tipo di cortocircuito, dalla natura del carico e dall’istante in cui avviene. La determinazione della corrente di corto è basilare per la scelta di interruttori e fusibili, perché il loro potere d’interruzione deve essere sufficiente ad interrompere la corrente massima di corto. E’ quindi di fondamentale importanza limitare drasticamente i suoi effetti installando le adeguate protezioni che sono il fusibile e l’interruttore automatico. 6

7. INDICE 3. Dispositivi di manovra e protezione I dispositivi che vengono utilizzati per la manovra e la protezione sono: Il teleruttore utilizzato per avvio a distanza e per molteplici manovre L’interruttore automatico, impiegato contro i corto circuiti Il relè termico che protegge dai sovraccarichi Il fusibile contro i corto circuiti La termosonda contro le alte temperature Il salvamotore che effettua una protezione globale 7

8. Esempio di numerazione dei terminali di un avviatore diretto Contatti principali Vista dall’alto Contatti secondari Contatti relè termico INDICE 3.1 Teleruttore Il teleruttore, è un dispositivo di manovra, generalmente previsto per un numero elevato di operazioni, avente una sola posizione di riposo e capace di interrompere le correnti del circuito in condizioni ordinarie. 8

9. INDICE TELERUTTORE Principio di funzionamento 9

10. INDICE 3.2 Interruttore automatico Contro i pericoli del corto circuito, si può utilizzare l’interruttore automatico di protezione motore. Esistono interruttori che hanno curve d’intervento definite in funzione delle caratteristiche di avviamento del motore. In ogni caso, la soglia d’interventomagnetico deve assumere valori di almeno 12 –15 volte la In per evitare interventi intempestivi durante l’avviamento. I moderni interruttori automatici sono costituiti sul principio della limitazione della corrente; questo effetto viene realizzato sfruttando l’effetto di repulsione elettrodinamica dei contatti, in modo da aumentare al massimo la velocità di apertura. L’interruttore protegge meglio del fusibile (vedi 3.3) in presenza di correnti di corto non particolarmente elevate ( 15 – 20 volte In ), perché interviene in un tempo inferiore. Viceversa, il fusibile è più veloce in presenza di correnti di corto molto elevate. Inoltre l’interruttore attua un’interruzione omnipolare, consente un immediato ripristino dopo lo sgancio e consente manovre anche a distanza. Se la corrente di corto supera il potere d’interruzione dell’interruttore è necessario utilizzare in combinazione all’interruttore anche un fusibile ad alto potere d’interruzione. In casi del genere grazie alla protezione di “back-up” è possibile raggiungere poteri d’interruzione superiori a quelli dei singoli componenti. Le norme CEI affermano che la protezione di back-up consiste nel coordinamento per la protezione contro le sovracorrenti di due dispositivi di protezione in serie. 10

11. INDICE 11

12. Contatto NC a riposo (chiuso) Contatto NC in azione (aperto) INDICE 3.3 Relè termico Il relè termico è costituito da due lamine bimetalliche con diversi coefficienti didilatazione termica. L’inflessione dei bimetalli agisce su un meccanismo di commutazione di un contatto in apertura (tipo NC) collegato in serie alla bobina del contattore. 12

13. INDICE CLASSI D’INTERVENTO (da norma CEI EN 60947) La scelta del relè termico di sovraccarico viene definita sulla base del tempo di avviamento. Secondo le norme CEI EN 60947, si definisce avviamento normale quello che si completa in 10 s; in questi casi l’apparecchiatura ha una caratteristica di sgancio adatta a non intervenire intempestivamente durante l’avvio. Per avviamenti pesanti, è invece necessario utilizzare relè con classi di sgancio superiori ( 20 per avviamenti sino a 20 s, 30 per avviamenti sino a 30 s). I tempi di avviamento lunghi dipendono da coppie resistenti molto elevate, o ad un PD2 notevole. 13

14. INDICE 3.4 Fusibile Il fusibile è l’elemento più tradizionale ed ancora molto diffuso grazie alla sua economicità. E’ generalmente costituito da un vero e proprio elemento fusibile, realizzato con strozzature in rame o argento. Viene incorporato in un involucro di ceramica o altro materiale isolante. Il suo principio costruttivo garantisce tempi di fusione che decrescono sensibilmente al crescere della corrente di corto circuito, ed è in grado di controllare entro uno spazio di estinzione relativamente piccolo correnti di corto molto elevate, che arrivano sino a 100kA. 14

15. Classificazione dei fusibili in relazione al campo di interruzione e alla categoria di utilizzazione CAMPO DI APPLICAZIONE CATEGORIA G (Uso generale) M (Protezione dei motori) g (pieno campo) gG gM a (campo ridotto) - aM INDICE I fusibili si suddividono in differenti classi d’impiego ( aM per protezioni motori, gL e gG per uso generale ). Nella prassi impiantistica i più utilizzati sono gli aM che, presentando una curva ritardata si adattano specificatamente all’impiego con i motori elettrici. I fusibili sono contraddistinti da due lettere : la prima “a” oppure “g” si riferisce al campo di interruzione, la seconda “G” oppure “M” designa la categoria di utilizzazione. In definitiva il fusibile aM è adatto per interrompere elevate correnti, mentre deve essere protetto per le correnti di sovraccarico da un relè termico, la cui caratteristica sta al di sotto dei limiti di sovraccaricabilità del fusibile. 15

16. INDICE 3.5 Termosonda a termistori Le cause che possono condurre ad una sovratemperatura negli avvolgimentidelmotore sono quelle che conducono ad un sovraccarico elettrico, ed inoltre vi possono essere fonti quali elevata temperatura ambiente, ventilazione del motore ostacolata, guasto nell’impianto di raffreddamento. Per garantire efficaci protezioni contro questi eventi si usano termosonde a termistori. Questi vengono normalmente inseriti all’interno delle cave di statore, e successivamente collegate fra loro ed allacciati all’ingresso di uno sganciatore elettronico che ne raccoglie il segnale. 16

17. INDICE 3.6 Salvamotore Il salvamotore svolge una funzione di protezione completa contro i principali tipi di guasto che possono presentarsi in un motore. E’ l’alternativa alla combinazione fusibile - relè termico Rispetto ad essi presenta una serie di vantaggi soprattutto in termini di compattezza e di capacità d’uso. Infatti il salvamotore è dotato di uno sganciatore che gli permette una protezione completa contro cortocircuito,sovraccarico e mancanza di fase. Il salvamotore è spesso corredato di bobine di apertura sia a lancio di corrente sia di minima tensione, destinate non solo ad aprire a distanza l’interruttore, ma a sganciarlo in presenza di una mancanza o di abbassamento di tensione. Questa bobina è spesso dotata di contatti ausiliari anticipati per permettere, durante il ripristino dell’interruttore, che sia messo in tensione prima dei contatti principali, per evitare sganci intempestivi. 17

18. Fig.a Fig. b Protezione termica INDICE 4.1 Protezione dei motori contro il sovraccarico Nel primo schema, la protezione contro il sovraccarico è ottenuta tramite relè termico inserito isolatamente, mentre nel secondo caso, la protezione termica è inserita nel dispositivo dell’interruttore automatico magneto-termico. 18

19. Fig.a Fig. b Protezione contro il corto circuito INDICE 4.2 Protezione dei motori contro il cortocircuito Nell’inserzione a) la protezione contro il corto circuito è ottenuta tramite fusibile, mentre nel caso b) è effettuata dall’interruttore automatico con la protezione magnetica. 19

20. INDICE 5. Conclusioni Le soluzioni possono quindi essere le seguenti : Interruttore automatico:quando le manovre di avviamento e di arresto del motore sono poco frequenti;diversamente si deve abbinare all’interruttore automatico un contattore. L’interruttore automatico deve avere una corrente di intervento termico regolabile e una caratteristica di intervento del relè magnetico con corrente superiore a 10 In. L’interruttore automatico non è idoneo come dispositivo di comando funzionale per macchine o apparecchiature che presentino pericolo se avviate intempestivamente ( es. sega circolare ); in questi casi risponde allo scopo il circuito marcia-arresto oppure si può abbinare all’interruttore un relè di minima tensione Fusibile-avviatore: meno costosa delle altre, ma con il pericolo che intervenga un solo fusibile (occorre utilizzare un avviatore con relè termico differenziale). Interruttore magnetotermico: con caratteristiche di tipo D di corrente nominale più elevata di quella di regolazione dell’avviatore Apparecchio integrato (ACP): con funzioni di contattore e di interruttore automatico (salvamotore) è ottimale, raggruppando in un unico apparecchio le funzioni di contattore e salvamotore, ma attualmente può risultare più costosa delle altre. 20

21. b) c) d) e) a) a) contattore e interruttore automatico (salvamotore) b) avviatore e fusibile c) avviatore e interruttore automatico con solo sgancio magnetico d) avviatore e interruttore automatico e) apparecchio integrato (ACP) con funzioni di contattore e di interruttore automatico (salvamotore) INDICE Metodi diversi di comando e protezione contro il sovraccarico e il cortocircuito, dei motori asincroni. 21

22. b) c) d) e) a) a) contattore e interruttore automatico (salvamotore) b) avviatore e fusibile c) avviatore e interruttore automatico con solo sgancio magnetico d) avviatore e interruttore automatico e) apparecchio integrato (ACP) con funzioni di contattore e di interruttore automatico (salvamotore) INDICE Metodi diversi di comando e protezione contro il sovraccarico e il cortocircuito, dei motori asincroni. 22

23. Tabella per la scelta dei fusibili aM ( accompagnamento motori) Salvamotori Coordinamento tra interruttori automatici e contattori per motori elettrici INDICE TABELLE DI RIFERIMENTO PER LO SVOLGIMENTO DELLE ESERCITAZIONI 23

24. Scegliere il contattore, il relè termico e i fusibili per il comando e protezione di un motore di potenza 11 KW. Soluzione : In corrispondenza del valore di potenza 11 kW si trovano i seguenti dati : Tabella per la scelta dei fusibili aM ( accompagnamento motori) Coordinamento tra interruttori automatici e contattori per motori elettrici P=11 kW INDICE ESERCITAZIONE N. 1 Corrente nominale del motore In = 22A. Tipo aM In = 25 A. Contattore LS27 Relè termico B27S/58 Campo di regolazione relè termico 15 …23 A. LS27 Corrente nominale dei fusibili In = 25 A tipo aM B27S/58 Reg.15-23 A. 24

25. INDICE ESERCITAZIONE N. 2 Quali fra i seguenti grafici, realizza un corretto coordinamento fra fusibile e relè termico ? b) a) a) Errato, in quanto in questa situazione interverrebbe sempre il fusibile. b) Errato, in quanto in questa situazione il fusibile interviene per un valore troppo elevato di corrente. c) c) Corretto, in quanto in questa situazione l’intervento del termico avviene entro 10 In. 25

26. Tabella per la scelta dei fusibili aM ( accompagnamento motori) Salvamotori Coordinamento tra interruttori automatici e contattori per motori elettrici INDICE ESERCITAZIONE N. 3 Scegliere il contattore, il relè termico e i fusibili per il comando e protezione di un motore di potenza 3 KW. In alternativa al contattore + relè termico si può impiegare il salvamotore. Tipo aM In = 10 A. LS4 B17S/34 Reg.5.6-8 A. P= 3 kW 26

27. Soluzione: dal diagramma delle protezioni possiamo verificare che sono compatibili solo per il 1° motore. INDICE ESERCITAZIONE N. 4 I due diagrammi, rappresentano rispettivamente le curve di avviamento di due motori ed il coordinamento di protezione relè termico-fusibile. Verificare se per entrambi i motori, le scelte delle protezioni sono corrette. 27

28. INDICE ESERCITAZIONE N. 5 Scegliere le apparecchiature di comando e di protezione di un motore asincrono trifase di potenza 0,75 KW. In alternativa al contattore + relè termico si può impiegare il salvamotore. Soluzione : In corrispondenza del valore di potenza 0,75 kW si trovano i seguenti dati : Corrente nominale del motore In = 1,95A. Contattore LS07 Relè termico B71/88 Campo di regolazione relè termico 1,8-2,8 A. Corrente nominale dei fusibili In = 4 A tipo aM Il salvamotore da utilizzare è il tipo MBS15/68 con campo di regolazione 1,6 - 2,5 A. Si noti che la corrente nominale del motore è compresa entro il campo di regolazione del salvamotore. Tipo aM In = 4 A. LS07 MBS15/68 Reg.5,6-8 A. P=0,75kW 28

29. t I INDICE ESERCITAZIONE N 6 E’ possibile proteggere i motori con curve di avviamento come in figura, con un magnetotermico delle caratteristica indicata ? (Le scale delle due grandezze rappresentate sono uguali) Clicca qui per sovrapporre i due grafici Soluzione: Non è possibile, perché la protezione interviene anche nella fase d’avviamento 29

30. Tabella Iavv. 100 minuti 10 1 10 secondi 1 RT 0,1 F 0,01 A 10 100 1000 INDICE ESERCITAZIONE N.7 Dato un motore asincrono trifase, con la corrente di avviamento indicata in tabella, determinare le caratteristiche della protezione termica e del fusibile che proteggano il motore in modo coordinato. Soluzione: Scegliere la protezione termica ed il fusibile, in modo tale che non intervengano durante l’avviamento del motore. Le due caratteristiche devono incontrarsi in un punto che ha come coordinate la corrente di avviamento ed il tempo in cui l’avviamento si completa. t 30

31. INDICE ESERCITAZIONE N.8 Per le esercitazioni Nr. 1 - 3 - 5 effettuare una ricerca in Internet presso i siti Bticino, Gewiss, ecc, per verificare i costi delle varie apparecchiature utilizzate ( relè termici, fusibili, interruttori automatico, salvamotori ). Redarre quindi una relazione che metta a confronto le varie soluzioni, non solo dal punto di vista tecnico ma anche economico. 31