APPARECCHI DI PROTEZIONE

PROTEZIONE
DEI
MOTORI ASINCRONI
Indice
2
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
5.
Conclusioni
6.
Esercitazioni
1. Generalità
INDICE
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
2. Sovracorrenti
INDICE
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 di cortocircuito, al contrario la corrente diventa molto intensa in brevissimo
tempo.
4
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.
Relè termico
5
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 e
per 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
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
INDICE
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.
Contatti
Esempio di numerazione dei terminali di un avviatore diretto
principali
Vista
dall’alto
Contatti
secondari
Contatti
relè termico
8
INDICE
TELERUTTORE
Principio di
funzionamento
9
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’intervento magnetico 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
INDICE
11
3.3 Relè termico
INDICE
Il relè termico è costituito da due lamine bimetalliche con diversi coefficienti di
dilatazione 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.
Contatto NC a
riposo (chiuso)
12
Contatto NC in
azione (aperto)
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.
Classe
1,05 Ir
10 A
10
20
30
13
>2 h
Tempi di intervento
1,2 Ir
1,5 Ir
<2h
7,2 Ir
< 2 min
< 4 min
2<Tp<10
4<Tp<10
< 8 min
< 12 min
6<Tp<20
9<Tp<30
3.4 Fusibile
INDICE
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
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.
Classificazione dei fusibili in relazione al campo di interruzione e alla
categoria di utilizzazione
CAMPO DI
APPLICAZIONE
15
CATEGORIA
G
(Uso generale)
M
(Protezione dei motori)
g
(pieno campo)
gG
gM
a
(campo ridotto)
-
aM
3.5 Termosonda a termistori
INDICE
Le cause che possono condurre ad una sovratemperatura negli avvolgimenti
del motore 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
3.6 Salvamotore
INDICE
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
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.
Fig.a
Fig. b
Protezione
termica
18
INDICE
4.2 Protezione dei motori contro il cortocircuito
INDICE
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.
Fig.a
Fig. b
Protezione contro
il corto circuito
19
5. Conclusioni
INDICE
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
INDICE
Metodi diversi di comando e protezione contro il sovraccarico e il
cortocircuito, dei motori asincroni.
a)
b)
c)
d)
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)
21
e)
INDICE
Metodi diversi di comando e protezione contro il sovraccarico e il
cortocircuito, dei motori asincroni.
a)
b)
c)
d)
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)
22
e)
TABELLE DI RIFERIMENTO PER LO SVOLGIMENTO
DELLE ESERCITAZIONI
Tabella per la scelta dei fusibili
aM ( accompagnamento motori)
Potenza
[Kw]
0,75
3
5,5
7,5
9
11
15
30
45
90
Corrente
assorbita
[A]
2
6,6
11,5
16
18,3
23
31
60
86
170
Fusibili
aM
4
10
16
20
25
25
40
80
100
200
Salvamotori
Caratteristiche del motore
Potenza Corrente
nominale nominale
IR
[kW]
[4 poli]
0,75
1,95
2,25
1,1
2,85
3,15
3
4
5,5
7,5
7,1
8,8
11,6
15,5
7,5
9,5
13
//
Caratteristiche del Salvamotore
Potere di
Campo di Numero di
interruzione
regolazione articolo
per U 220/380V
1,6 ÷ 2,5 A MBS15/68
100 kA
100 kA
2,5 ÷ 4 A MBS15/69 con fusibili gl
Fusicolor In ≤ 35A
6 ÷ 10 A
10 ÷ 16 A
MBS15/71
100 kA
con fusibili gl
MBS15/72 Fusicolor In ≤ 50A
Coordinamento tra interruttori automatici e contattori per motori elettrici
Kw
0,75
3
7,5
11
15
30
45
90
a 380 V~
A
1,95
7,1
15,5
22
30
60
86
170
tipo
LS07
LS4
LS17S LS27
LS37 LS57 LS107 LS177
Contattore
Ie [A]
5,5
9,5
16
23
32
63
110
180
tipo B7/1/88 B17S/34 B17S/37 B27S/58 B27/2/58 B67/37 B207/39 B207/40
Relè termico
campo di
min
1,8
5,6
11
15
22
42
80
120
regolazione [A]
2,8
8
17
23
32
62
120
180
Motore
23
INDICE
INDICE
ESERCITAZIONE N. 1
Scegliere il contattore, il relè termico e i fusibili per il comando e protezione di un
motore di potenza 11 KW.
Soluzione :
Tabella per la scelta dei fusibili
In corrispondenza del valore
aM ( accompagnamento motori)
di potenza 11 kW si trovano i
Corrente
Potenza
Fusibili
assorbita
seguenti dati :
[Kw]
aM
[A]
Corrente nominale del motore
0,75
2
4
3
6,6
10
In = 22A.
5,5
11,5
16
Tipo aM
Contattore
LS27
7,5
16
20
9
18,3
25
In = 25 A.
Relè termico
B27S/58
LS27
B27S/58
Reg.15-23 A.
11
15
30
45
90
23
31
60
86
170
25
40
80
100
200
Campo di regolazione relè
termico 15 …23 A.
Corrente nominale dei fusibili
In = 25 A tipo aM
Coordinamento tra interruttori automatici e contattori per motori elettrici
Kw
0,75
3
7,5
11
15
30
45
90
a 380 V~
A
1,95
7,1
15,5
22
30
60
86
170
tipo
LS07
LS4
LS17S LS27
LS37 LS57 LS107 LS177
Contattore
Ie [A]
5,5
9,5
16
23
32
63
110
180
tipo B7/1/88 B17S/34 B17S/37 B27S/58 B27/2/58 B67/37 B207/39 B207/40
Relè termico
campo di
min
1,8
5,6
11
15
22
42
80
120
regolazione [A]
2,8
8
17
23
32
62
120
180
Motore
P=11 kW
24
INDICE
ESERCITAZIONE N. 2
Quali fra i seguenti grafici, realizza un corretto coordinamento fra fusibile e relè termico ?
a)
b)
a) Errato, in quanto in questa situazione
interverrebbe sempre il fusibile.
c)
b) Errato, in quanto in questa situazione il fusibile
interviene per un valore troppo elevato di corrente.
c) Corretto, in quanto in questa situazione
l’intervento del termico avviene entro 10 In.
25
Tabella per la scelta dei fusibili
aM ( accompagnamento motori)
Potenza
[Kw]
0,75
3
5,5
7,5
9
11
15
30
45
90
Corrente
assorbita
[A]
2
6,6
11,5
16
18,3
23
31
60
86
170
Tipo aM
In = 10 A.
LS4
B17S/34
Reg.5.6-8 A.
26
4
10
16
20
25
25
40
80
100
200
Salvamotori
Caratteristiche del motore
Potenza Corrente
nominale nominale
IR
[kW]
[4 poli]
0,75
1,95
2,25
1,1
2,85
3,15
3
4
5,5
7,5
7,1
8,8
11,6
15,5
7,5
9,5
13
//
Caratteristiche del Salvamotore
Potere di
Campo di Numero di
interruzione
regolazione articolo
per U 220/380V
1,6 ÷ 2,5 A MBS15/68
100 kA
100 kA
2,5 ÷ 4 A MBS15/69 con fusibili gl
Fusicolor In ≤ 35A
6 ÷ 10 A
10 ÷ 16 A
MBS15/71
100 kA
con fusibili gl
MBS15/72 Fusicolor In ≤ 50A
Coordinamento tra interruttori automatici e contattori per motori elettrici
Kw
0,75
3
7,5
11
15
30
45
90
a 380 V~
A
1,95
7,1
15,5
22
30
60
86
170
tipo
LS07
LS4
LS17S LS27
LS37 LS57 LS107 LS177
Contattore
Ie [A]
5,5
9,5
16
23
32
63
110
180
tipo B7/1/88 B17S/34 B17S/37 B27S/58 B27/2/58 B67/37 B207/39 B207/40
Relè termico
campo di
min
1,8
5,6
11
15
22
42
80
120
regolazione [A]
2,8
8
17
23
32
62
120
180
Motore
P= 3 kW
Fusibili
aM
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.
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.
Soluzione: dal diagramma delle protezioni possiamo verificare che sono
compatibili solo per il 1° motore.
27
ESERCITAZIONE N. 5
INDICE
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.
Tipo aM
In = 4 A.
LS07
MBS15/68
Reg.5,6-8 A.
P=0,75kW
28
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.
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
t
I
Soluzione: Non è possibile, perché la protezione interviene anche nella fase
d’avviamento
29
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.
Tabella Iavv.
t
100
minuti
tempo corrente
sec
A.
0
80
0,1
79
1
75
5
30
6
20
8
10
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.
10
1
10
secondi
1
RT
0,1
F
0,01
10
30
100
1000
A
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