Progettazione di sistemi di alimentazione sicuri e affidabili per il settore dell'estrazione mineraria.

Nelle miniere di tutto il mondo, le apparecchiature alimentate elettricamente trasportano, frantumano e macinano la roccia e le materie prime, illuminano le caverne buie, azionano pompe e ventole e alimentano trivelle, macchine da taglio, depolveratori e montacarichi. I guasti alle apparecchiature comportano costosi tempi di fermo macchina, pertanto si esige un'elevata affidabilità nonostante le vibrazioni, gli urti e l'esposizione a sostanze chimiche, polvere, calore e umidità.

Progettare reti di alimentazione elettrica per questo ambiente, garantendo al contempo la sicurezza dei lavoratori, è una sfida, ma aiuta la disponibilità di prodotti elettrici commerciali certificati secondo gli standard operativi e di sicurezza internazionali. Per semplificare la progettazione dei sistemi e garantire la compatibilità tra i componenti, i progettisti possono utilizzare un unico fornitore per gran parte delle apparecchiature necessarie a creare una soluzione completa.

Questo articolo illustra brevemente i requisiti ambientali e di qualità della tensione che il settore dell'estrazione mineraria impone alle apparecchiature elettriche. Presenta quindi esempi di soluzioni specializzate di SolaHD e spiega come utilizzarle in un approccio multilivello per garantire la qualità della tensione e la sicurezza dei lavoratori.

Le sfide dell'elettrotecnica sotterranea

Nelle miniere, le apparecchiature sono soggette a liquidi corrosivi, polvere combustibile, sporcizia, sostanze chimiche aggressive, forti vibrazioni, urti casuali, sbalzi di tensione e variazioni termiche estreme. Tuttavia, le apparecchiature e i relativi sistemi di alimentazione devono essere sicuri e affidabili.

La sicurezza è rafforzata dalla supervisione di istituzioni come la U.S. Mine Safety and Health Administration (MSHA) e dal Federal Mine Safety and Health Act del 1977. Un altro standard statunitense è il National Electrical Code (NEC) o National Fire Protection Association (NFPA) 70. Questo standard riguarda l'installazione sicura di cablaggi e apparecchiature elettriche. L'articolo 500 della NEC richiede l'installazione di apparecchiature conformi al codice, testate e approvate per rischi specifici, compresi quelli presenti nelle miniere e nelle loro vicinanze.

Per garantire la qualità della tensione è necessario comprendere l'architettura di base dell'alimentazione e i problemi ad essa associati.

In genere le miniere prelevano l'energia dalla rete c.a., anche se viene utilizzata energia c.c. ad alta tensione, fornita dalla conversione c.a./c.c. o da microreti in c.c. in loco. I gruppi di continuità (UPS) ne sono un esempio. I sistemi seguono una struttura di base: l'energia ad alta tensione proveniente dalla rete c.a. alimenta trasformatori ad alta tensione che alimentano una sottostazione principale. La sottostazione principale distribuisce l'energia a più sottostazioni secondarie e direttamente ai grandi carichi motori della miniera. Le sottostazioni secondarie forniscono energia ai carichi di media tensione e ai trasformatori di media/bassa tensione collegati ad altre apparecchiature.

Sebbene questa rete di alimentazione sia generalmente stabile, spesso si verificano problemi di qualità della tensione. Tali problemi si manifestano sotto forma di interruzioni di corrente, interruzioni temporanee dell'energia elettrica, cali di tensione, sovratensioni, transitori di tensione, distorsioni armoniche e rumore elettrico (Figura 1).

Figura 1: Le forme d'onda mostrate rappresentano i problemi di qualità della tensione. (Immagine per gentile concessione dell'autore, basata su informazioni di SolaHD)

Considerate la causa e l'effetto di questi problemi di qualità della tensione:

Interruzioni di corrente: si tratta di perdite complete di energia elettrica per un periodo prolungato, in genere causate da un incidente o da un guasto alle apparecchiature della rete di generazione o di distribuzione dell'azienda. Le interruzioni di corrente possono causare guasti hardware e crash delle apparecchiature informatiche, interrompere le operazioni e ridurre la durata prevista delle apparecchiature elettriche.

Interruzione temporanea dell'energia elettrica: descrive ciò che accade quando la tensione di alimentazione è al di sotto dei livelli minimi normali per un periodo prolungato. Si verifica quando la sovracapacità o altri problemi di rete costringono le società che erogano l'energia elettrica ad abbassare la tensione per far fronte alla domanda. Gli effetti sono simili a quelli di un'interruzione di corrente.

Cali di tensione: i cali e le condizioni di sottotensione sono i disturbi della qualità della tensione più comuni nel settore dell'estrazione mineraria. Si verificano quando un aumento significativo del carico sollecita l'alimentazione, facendo scendere la tensione di alimentazione al di sotto di un livello di soglia. L'IEEE definisce un calo di tensione come una riduzione dal 10 al 90% della tensione normale a 60 Hz. Un evento di abbassamento dura meno di un minuto ma più di 8 ms. Le sottotensioni durano più di un minuto.

Sia i cali che le sottotensioni possono causare l'intervento di interruttori automatici, il malfunzionamento e lo spegnimento delle apparecchiature o il loro guasto prematuro. Un funzionamento continuo aumenta il rischio di combustione o esplosione. Tra i segni di questi problemi si annoverano le luci soffuse o tremolanti, il cattivo funzionamento delle unità HVAC, motori che si surriscaldano e sistemi di controllo e computer che si bloccano o si spengono.

Sovratensione transitoria: una sovratensione transitoria o una condizione di sovratensione è un aumento temporaneo del livello di tensione per una durata che va da un mezzo ciclo di frequenza a qualche secondo. Questi disturbi possono essere causati dallo spegnimento di motori elettrici ad alta potenza e dal normale ciclo dei sistemi HVAC. L'esposizione ripetuta alle sovratensioni transitorie può stressare e indebolire i sistemi e causare falsi interventi degli interruttori automatici e di altri dispositivi di protezione.

Un ulteriore problema associato alle sovratensioni è il deterioramento dell'isolamento. Il deterioramento dell'isolamento mette a rischio il funzionamento sicuro del sistema elettrico della miniera, fungendo da catalizzatore per gli incendi o innescando esplosioni di metano o di polvere di carbone.

Transitori di tensione: i transitori di tensione, o picchi, derivano da improvvisi e significativi aumenti di tensione causati da fattori esterni come fulmini e commutazioni della rete elettrica. Possono anche avere origine all'interno della miniera a causa di cortocircuiti, interruzioni e avviamento di attrezzature pesanti.

Le apparecchiature elettroniche sensibili sono maggiormente a rischio a causa dei transitori di tensione che possono causare il blocco o il guasto del sistema, danneggiando o cancellando dati preziosi.

Distorsioni armoniche: i problemi di tensione si verificano quando nell'onda sinusoidale di alimentazione si verificano multipli della frequenza fondamentale (ad esempio 180 Hz in un sistema a 60 Hz). La distorsione armonica è dovuta alle caratteristiche non lineari di dispositivi quali i comandi a velocità variabile (VSD) e i carichi del sistema di alimentazione. Le armoniche provocano un aumento del riscaldamento delle apparecchiature e dei conduttori, un'accensione errata dei VSD e pulsazioni di coppia nei motori. Altri sintomi di distorsione armonica in un sistema di alimentazione mineraria sono le interferenze con il sistema di comunicazione della miniera, luci tremolanti, interruttori automatici che scattano e connessioni elettriche allentate.

Nelle miniere sono presenti molti motori elettrici, la maggior parte dei quali è dotata di VSD non lineari, il che li rende la principale fonte di armoniche. Inoltre, l'uso di un raddrizzatore a onda intera nei motori migliora l'efficienza, ma genera elevate armoniche.

Rumore elettrico: si tratta di un disturbo di bassa ampiezza, bassa corrente e alta frequenza generato all'interno e all'esterno della miniera. Le fonti sono i fulmini lontani, gli alimentatori a commutazione, i circuiti elettronici, i contatti non corretti tra motore e spazzola e i cablaggi di scarsa qualità.

I segnali di rumore si sovrappongono alle forme d'onda di tensione e possono causare glitch informatici ed effetti indesiderati nei circuiti dei sistemi di controllo.

Affrontare i problemi di qualità della tensione

Il modo migliore per affrontare le sfide critiche della continua richiesta di energia di alta qualità nel settore minerario, garantendo al contempo robustezza ed elevati livelli di sicurezza elettrica, consiste in un approccio multilivello che utilizzi apparecchiature certificate comprendenti UPS, condizionatori di potenza, dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD), trasformatori e alimentatori.

La Tabella 1 riassume le apparecchiature migliori per controllare un particolare problema di qualità della tensione.

Tabella 1: È necessaria una serie di dispositivi di protezione per far fronte a tutti i problemi di qualità della tensione che possono verificarsi nel settore dell'estrazione mineraria. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

È utile lavorare con un unico fornitore, come SolaHD, per un approccio multilivello alla qualità della tensione, per semplificare il processo di progettazione, acquisizione e implementazione e per garantire la compatibilità. Ad esempio, l'UPS offline SDU500B fornisce una potenza di riserva per 4 minuti e 20 secondi a pieno carico e 14 minuti e 30 secondi a metà carico in caso di interruzione dell'alimentazione (Figura 2). Come indicato nella Tabella 1, questo UPS supporta anche l'alimentazione principale in caso di interruzione temporanea dell'energia elettrica, cali di tensione, sovratensioni, transitori di tensione e armoniche.

Figura 2: L'UPS offline SDU500B fornisce potenza di riserva per 4 minuti e 20 secondi a pieno carico. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

L'UPS è montato su guida DIN e utilizza batterie al piombo-acido sigillate (SLA), che non richiedono manutenzione e che si ricaricano completamente in otto ore. Fornisce un'uscita di 300 W, 120 V, con un'onda sinusoidale simulata da 50 a 60 Hz e un tempo di trasferimento inferiore a 8 ms. L'UPS può funzionare in un intervallo di temperatura compreso tra 0 e 50 °C ed è un "componente riconosciuto" per l'uso in aree pericolose classificate E491259, che lo rende adatto alle attività minerarie.

I condizionatori di potenza di SolaHD sono inoltre in grado di regolare la tensione con un'approssimazione di ±1% per variazioni di ingresso fino a +10/-20%, offrono un'attenuazione del rumore superiore e sono progettati per resistere agli ambienti elettrici più difficili.

I condizionatori di potenza utilizzano una tecnica di progettazione dei trasformatori chiamata ferrorisonanza che crea due percorsi magnetici separati nel dispositivo con un accoppiamento limitato. Un vantaggio di questo design è che la corrente di ingresso contiene una corrente armonica trascurabile rispetto a quella fondamentale. Il lato di uscita del trasformatore presenta un circuito a serbatoio risonante parallelo e preleva energia dal primario per sostituire l'energia fornita al carico.

Il modello 63-23-112-4 di SolaHD è un regolatore cablato MCR a 120 VA, ossia un condizionatore di potenza che fornisce un'uscita a 120 V (±3%) da un ingresso a 120, 208, 240 o 480 V. Garantisce un eccellente filtraggio del rumore e una protezione dai picchi transitori, oltre alla regolazione della tensione. L'attenuazione del rumore è di 120 dB in modalità comune e di 60 dB in modalità trasversale. La protezione dai picchi transitori è testata secondo ANSI/IEEE C62.41 forma d'onda classe A e B. Il regolatore MCR è una buona scelta quando si prevedono interruzioni temporanee dell'energia elettrica, cali di tensione, sovratensioni, transitori, armoniche e rumore elettrico.

Gli SPD proteggono dai transitori di tensione dannosi per le apparecchiature. L'SPD STV25K-24S di SolaHD è un soppressore di tensioni transitorie (TVSS), un dispositivo per il montaggio su guida DIN che funziona con un ingresso di 240 V (fino a 20 A) e fornisce una protezione puntuale utilizzando un varistore metallo-ossido (MOV) (Figura 3).

Figura 3: L'SPD TVSS STV25K-24S è un dispositivo per il montaggio su guida DIN che funziona con un ingresso da 240 V (fino a 20 A) e fornisce una protezione dai picchi transitori nel punto di utilizzo. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

L'SPD di SolaHD è adatto all'installazione negli armadi di controllo di ambienti industriali difficili, come un impianto minerario. Il dispositivo fornisce 25.000 A di protezione dai picchi transitori per fase. Il tempo di risposta a un transitorio è inferiore a 5 ns. L'SPD incorpora un fusibile termico per evitare il surriscaldamento del MOV causato da livelli di corrente eccessivi.

Specificare i trasformatori di isolamento e gli alimentatori

Oltre ad aumentare o diminuire la tensione c.a. in ingresso fino a un valore di uscita adeguato, i trasformatori di isolamento possono proteggere i dispositivi collegati al lato secondario dalle armoniche e dal rumore elettrico.

Un esempio è E2H112S di SolaHD. Questo trasformatore di isolamento è del tipo a secco ad alta efficienza energetica ed è dotato di una protezione contro le intemperie. Ha un ingresso primario a 480 V (fino a 135 A), offre 208 o 120 V dal secondario (fino a 315 A) e ha una potenza nominale di 112,5 kVA (Figura 4). Il trasformatore attenua anche le armoniche e il rumore elettrico.

Figura 4: Il trasformatore di isolamento E2H112S accetta un ingresso di 480 V sul primario e offre 208 o 120 V sul secondario. Il trasformatore attenua anche le armoniche e il rumore elettrico. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

Il trasformatore deve essere protetto contro le correnti di inserzione da un interruttore automatico. È buona norma scegliere un dispositivo di interruzione con un ritardo adeguato per eliminare gli interventi indesiderati. Questo fenomeno si verifica quando la corrente di inserzione è elevata ma di durata insufficiente a danneggiare il trasformatore.

Gli alimentatori sono fondamentali per qualsiasi sistema elettrico, in quanto forniscono alimentazione in c.a. o c.c. alle apparecchiature e contribuiscono a filtrare il rumore elettrico proveniente dall'alimentazione principale. Le versioni con montaggio su guida DIN consentono di risparmiare spazio. Sono disponibili modelli monofase e trifase in c.a.; è inoltre possibile specificare dispositivi in grado di gestire cali di tensione fino a metà della tensione di linea senza disturbare la potenza in uscita.

SolaHD offre una gamma di alimentatori per guida DIN, come l'alimentatore c.a./c.c. SDN5-24-100C (Figura 5). L'alimentazione è monofase ed è conforme alle specifiche per le aree pericolose E234790. Può accettare un ingresso da 85 a 264 V c.a. o un ingresso da 90 a 375 V c.c., fornendo un'uscita nominale di 24 V. La corrente di uscita è di 5 A. Il ripple di tensione in uscita è inferiore a 50 mV picco-picco. L'alimentatore è caratterizzato da un'elevata immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e da un intervallo della temperatura di funzionamento tra -25 e +60 °C. È compatto, misura 123 x 50 x 111 mm, ed è protetto contro i guasti da cortocircuito continuo, sovraccarico continuo e circuito aperto continuo.

Figura 5: SDN5-24-100C è un alimentatore compatto montato su guida DIN che misura 123 x 50 x 111 mm. (Immagine per gentile concessione di SolaHD)

Conclusione

Le miniere sono ambienti fisicamente ed elettricamente difficili in cui garantire la qualità della tensione e la sicurezza dei lavoratori è fondamentale. I progettisti dovrebbero adottare un approccio multilivello, in cui ogni componente del sistema di alimentazione elettrica possa funzionare in modo affidabile, mitigando al tempo stesso i problemi di qualità della tensione. L'apparecchiatura di potenza deve inoltre rispettare le norme di sicurezza pertinenti. Lavorando con un unico fornitore, i progettisti possono costruire rapidamente una rete elettrica che migliora l'affidabilità del sito, riduce i costi di manutenzione, garantisce la sicurezza e riduce i problemi di qualità della tensione prima che influiscano sulle operazioni.