I controlli motore intelligenti possono massimizzare la resilienza e i tempi di attività

La futura generazione della produzione per l'Impresa 4.0 (lavorazione dei metalli e dei materiali di base, estrazione mineraria e infrastrutture critiche come gli impianti di acqua potabile e di acque reflue) richiederà controlli motore intelligenti in grado di massimizzare la resilienza e i tempi di attività dei macchinari.

In queste applicazioni, i controlli motore devono saper controllare e proteggere motori con potenza compresa tra 75 e 700 HP. Per il funzionamento resiliente è necessaria una protezione completa, che comprenda la protezione contro i sovraccarichi, dai guasti a massa e dallo squilibrio di fase.

Dovrebbe inoltre includere l'autodiagnosi per l'usura dei contatti e il rilevamento di sovratensione/sottotensione della bobina con indicatori visibili per supportare la manutenzione predittiva e avere un design modulare per una manutenzione più rapida che massimizzi i tempi di attività. La conformità al National Electrical Code (NEC), alle norme UL e della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) sulla corrente di cortocircuito (SCCR) è necessaria per garantire che le apparecchiature elettriche siano in grado di resistere a correnti elevate senza subire danni e che siano sicure.

Questi controlli motore devono anche essere conformi alla norma IEC 60947-4-1, che riguarda la sicurezza dei contattori e degli starter elettromeccanici, compresi i dispositivi di commutazione di protezione del motore (MPSD), i dispositivi di commutazione di protezione del motore solo istantanei (IMPSD) e gli attuatori dei relè dei contattori.

Questo articolo si apre con una panoramica dei requisiti SCCR. Si sofferma poi su una famiglia di controlli motore intelligenti recentemente sviluppata da Schneider Electric, comprendente contattori modulari e relè di sovraccarico per illustrare in dettaglio le funzioni di protezione e l'implementazione dell'autodiagnosi.

L'articolo illustra come questi relè di sovraccarico soddisfano i requisiti della norma IEC 60947-4-1 e spiega come il design modulare acceleri la manutenzione preventiva. Infine, illustra come si possano utilizzare due contattori per assemblare un gruppo di inversione per il controllo bidirezionale dei motori c.a.

L'SCCR è una caratteristica essenziale quando si specifica un pannello di controllo, che contribuisce all'affidabilità complessiva. Si utilizza per il dimensionamento dei componenti di potenza come contattori e conduttori. La norma IEC 60947-4-1 descrive tre fasi per il calcolo dell'SCCR (Figura 1):

1. Identificare l'SCCR di ogni componente di protezione e/o controllo e di ogni blocco ed elemento del sistema di distribuzione.
2. Determinare l'SCCR di ciascun circuito derivato. Basato sui valori dei componenti del circuito.
3. Determinare l'SCCR del pannello di controllo completo. Basato sui valori dei circuiti.

Figura 1: I calcoli dell'SCCR iniziano con i valori nominali dei singoli componenti (riquadri gialli), passano a determinare l'SCCR dei circuiti secondari (riquadro rosso tratteggiato) e quindi considerano i requisiti SCCR del pannello di controllo completo (rettangolo grigio). (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Contattori TeSys Giga

I contattori TeSys Giga sono disponibili con valori nominali da 115 a 900 A in configurazioni a 3 poli (3P) e a 4 poli (4P). Hanno SCCR nominali fino a 100 kA e 480 V, con le specifiche dei vari dispositivi di protezione e i valori nominali elencati in una tabella sul lato del contattore. Inoltre, i contattori 4P riportano i valori nominali del motore AC-3 e HP. Questi contattori sono disponibili per due categorie di carico:

• AC-1 - Si applica ai carichi in c.a. in cui il fattore di potenza è superiore a 0,95. Si tratta principalmente di carichi non induttivi o leggermente induttivi, come i carichi resistivi. La rottura dell'arco determina un arco minimo e l'usura dei contatti.
• AC-3 - Si applica ai motori a gabbia di scoiattolo con interruzione durante il normale funzionamento del motore. Alla chiusura, si verifica una corrente di inserzione fino a sette volte la corrente nominale a pieno carico del motore. All'apertura, il contattore interrompe la corrente nominale a pieno carico del motore.

I contattori TeSys Giga possono essere alimentati da una tensione di controllo in corrente alternata (c.a.) o in corrente continua (c.c.) e sono dotati di soppressori di sovratensioni integrati. Esistono due versioni di contattori: standard e avanzati. I contattori standard sono progettati per l'uso generale. Gli esempi includono:

• LC1G1154LSEN, 4P per carichi AC-1. Classificato per 250 A con bobina a banda larga da 200-500 V c.a./c.c.
• LC1G225KUEN, 3P per carichi AC-3. Classificato per 225 A con bobina da 100-250 V c.a./c.c.

I contattori TeSys Giga avanzati sono dotati di caratteristiche aggiuntive come una maggiore selezione di tensioni della bobina, un minore consumo energetico della bobina, un ingresso per controller a logica programmabile (PLC) e un design che consente di eseguire la manutenzione senza rimuovere i cavi o le connessioni per condotto sbarra.

I modelli avanzati sono anche compatibili con il modulo opzionale di diagnosi remota dell'usura (RWD), descritto nella sezione successiva. Esempi di contattori avanzati sono:

• LC1G115BEEA, 3P per carichi AC-3. Classificato per 115 A con bobina da 24-48 V c.a./c.c.
• LC1G800EHEA, 3P per carichi AC-3. Classificato per 800 A con bobina da 48-130 V c.a./c.c.

Tutti i contattori TeSys Giga includono un LED diagnostico sul pannello frontale per valutare rapidamente le condizioni di guasto (Figura 4).

Figura 2: Tipico contattore TeSys Giga che mostra il LED diagnostico in alto al centro dell'unità. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I contattori TeSys Giga offrono diverse funzioni diagnostiche integrate per migliorare l'affidabilità e supportare la manutenzione preventiva, tra cui:

Diagnosi dell'usura dei contatti e RWD

I contatti si usurano ogni volta che interrompono la corrente nel circuito di alimentazione. Un guasto al contatto provoca la perdita di controllo del motore. L'algoritmo di usura dei contatti nei controller TeSys Giga calcola continuamente la durata residua dei contatti. Quando la vita residua è inferiore al 15%, un avviso consente di programmare la manutenzione preventiva:

• Un allarme locale è visibile sul LED diagnostico sul lato anteriore del contattore.
• Con i contattori avanzati è possibile utilizzare un modulo RWD opzionale.

Diagnosi della tensione di controllo

La tensione di controllo monitora le condizioni di sottotensione e sovratensione. L'indicazione diagnostica è disponibile da remoto sulle unità con codice articolo che termina con LSEMC utilizzando un modulo opzionale di gestione remota del dispositivo (RDM). Per sottotensione si intende una tensione di alimentazione inferiore all'80% della specifica minima, mentre per sovratensione si intende una tensione superiore al 110% della specifica massima.

Diagnosi di funzionamento interno

Il lampeggiamento continuo del LED diagnostico indica un malfunzionamento interno del circuito di controllo.

Dispositivi di commutazione per la protezione del motore

I controlli intelligenti per motori, come i contattori TeSys Giga, sono una parte importante delle installazioni dell'Impresa 4.0. Anche l'uso di MPSD è una considerazione importante per garantire la massima produttività e disponibilità.

Nella norma IEC 60947-4-1, MPSD si riferisce a un dispositivo progettato con un ritardo per proteggere un motore da condizioni di sovraccarico. Un secondo tipo di dispositivo, un IMPSD, è un tipo specifico di MPSD che interviene immediatamente quando rileva un sovraccarico. Gli IMPSD non sono solitamente associati alla protezione dei motori c.a.

A seconda dell'applicazione, l'avviamento del motore può richiedere pochi secondi o alcune decine di secondi. L'MPSD deve essere specificato in modo da soddisfare i requisiti di sicurezza dell'applicazione, evitando al tempo stesso interventi fastidiosi.

Per soddisfare esigenze applicative specifiche, la norma IEC 60947-4-1 definisce diverse classi di relè di protezione motore. La classe di intervento indica il tempo massimo di apertura del relè in caso di sovraccarico.

Esistono inoltre differenze tra le classi di intervento nordamericane e quelle IEC. Ad esempio, la classe 10 è una classe di intervento nordamericana che fa scattare il sovraccarico entro 4-10 secondi dal rilevamento del 600% della corrente di sovraccarico impostata. La classe 10A è una classe di intervento IEC che fa scattare il sovraccarico entro 2-10 secondi dal rilevamento del 720% della corrente di sovraccarico impostata (Tabella 1).

Tabella 1: Esempi di classi di relè termici in base alla corrente nominale (Ir). (Tabella per gentile concessione di Schneider Electric)

Le classi di intervento 10A e 10 sono adatte ai motori per uso normale. La classe 20 è consigliata per i motori per impiego gravoso, al fine di evitare interventi fastidiosi. La classe 30 viene utilizzata con un motore di avviamento molto lungo.

Relè di sovraccarico TeSys Giga

I relè di sovraccarico termico TeSys Giga sono altamente flessibili e progettati per l'uso con motori c.a. Le impostazioni per la protezione da guasto a massa, la protezione da squilibrio di fase e la classe di intervento (5, 10, 20 e 30) sono configurabili sul pannello frontale. Il pannello frontale comprende anche i LED di allarme e di stato. Hanno ampi intervalli di protezione da sovraccarico termico regolabili che consentono a quattro modelli sovrapposti di gestire applicazioni da 28 A a 630 A (Figura 3):

LR9G115, regolabile da 28 a 115 A

LR9G225, regolabile da 57 a 225 A

LR9G500, regolabile da 125 a 500 A

LR9G630, regolabile da 160 a 630 A

Figura 3: Il pannello frontale dei relè di sovraccarico TeSys Giga comprende i LED di stato e le regolazioni di protezione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Sovraccarichi termici

La protezione da sovraccarico termico viene utilizzata con i motori asincroni monofase e trifase. Il livello di corrente per la protezione da sovraccarico termico può essere regolato in base al modello di relè di protezione da sovraccarico utilizzato. Anche la classe di intervento e il ritardo associato sono regolabili. La protezione contro i sovraccarichi termici può essere impostata per il ripristino automatico o manuale.

Perdita di fase

La protezione da perdita di fase serve per proteggere i motori asincroni trifase dal surriscaldamento. Il relè di sovraccarico monitora continuamente la corrente in ogni fase. Quando il valore della corrente in una delle fasi è inferiore allo 0,1 della corrente nominale (Ir) e il valore della corrente in un'altra fase è superiore a 0,8 Ir, il relè di sovraccarico interviene entro 4 ±1 secondi. La protezione da perdita di fase non può essere disattivata e deve essere ripristinata manualmente.

Squilibri di fase

Gli squilibri di fase causano il surriscaldamento di un motore asincrono. Le cause più comuni includono:

• Linea di alimentazione lunga
• Contatto difettoso sull'interruttore
• Squilibrio di rete

Quando il rapporto di squilibrio supera il 40%, il relè di sovraccarico interviene in 5 ±1 secondi. La protezione da squilibrio di fase deve essere ripristinata manualmente.

Guasti a massa

La protezione da guasti a massa viene utilizzata per proteggere i motori asincroni trifase. Un guasto a massa si verifica quando l'isolamento del circuito di carico diventa inefficace a causa di vibrazioni, umidità o altri fattori. Il relè di sovraccarico controlla la corrente di terra (Ig). Quando l'Ig supera il 10% di Ir, il relè interviene in 1 ±0,2 secondi. La protezione dai guasti a massa deve essere ripristinata manualmente.

Modularità

Il design modulare dei contattori TeSys Giga può essere particolarmente utile in caso di usura eccessiva dei contatti o se un sovraccarico o altre condizioni operative anomale danneggiano il controller. I moduli di controllo possono essere sostituiti per adattarsi a diverse tensioni della bobina e il modulo di commutazione può essere sostituito se presenta poli usurati.

Per facilitare la manutenzione rapida è possibile implementare una funzione di memoria dei cavi con un kit opzionale. Una volta installato, il modulo di controllo o di commutazione può essere sostituito rapidamente senza rimuovere i cavi.

Inversione di marcia

I contattori invertenti sono utilizzati per cambiare il senso di rotazione dei motori c.a. in applicazioni quali trasportatori, ascensori e linee di imballaggio. Funzionano invertendo la polarità dei collegamenti, facendo ruotare il motore nella direzione opposta.

Si può realizzare un contattore invertente utilizzando due contattori standard dotati di interblocco meccanico. L'interblocco impedisce ai contattori di attivarsi contemporaneamente (Figura 6).

Figura 4: Due contattori TeSys Giga interbloccati per formare un contattore invertente per motori c.a. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Ad esempio, si possono utilizzare i seguenti componenti per costruire un contattore invertente da 200 HP a 460 V con una bobina da 100-250 V c.a./c.c. (Figura 6):

• LC1G265KUEN, controller per motori TeSys Giga, due richiesti
• DZ2FJ6, kit capocorda contattore
• LA9G3612, diffusori
• LA9G3761, barre di inversione
• LA9G970, interblocco meccanico

Conclusione

I contattori e i relè di sovraccarico TeSys Giga sono dispositivi molto versatili in grado di massimizzare la resilienza e i tempi di attività in un'ampia gamma di applicazioni. I contattori hanno valori nominali da 115 a 900 A nelle configurazioni 3P e 4P. Hanno un SCCR fino a 100 kA 480 V e il loro design modulare velocizza la manutenzione.

I relè di protezione motore programmabili sono caratterizzati da ampi intervalli di corrente di funzionamento, che consentono a un numero ridotto di dispositivi di soddisfare le esigenze di molte applicazioni. Infine, il controllo bidirezionale del movimento può essere realizzato collegando due contattori TeSys Giga con un sistema di interblocco meccanico.