Come proteggere macchinari costosi con economici relè di monitoraggio trifase

La maggior parte delle macchine commerciali e industriali presenti nei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC), nel trattamento delle acque, nella movimentazione dei materiali, nelle macchine utensili, nelle applicazioni marine e nell'aviazione è alimentata da motori trifase. Questi dispositivi affidabili possono essere danneggiati da una serie di condizioni di guasto che, se non vengono affrontate rapidamente, possono portare a un malfunzionamento o almeno a una riduzione della durata operativa, con conseguenti tempi di fermo e costi di riparazione significativi.

I relè di monitoraggio di fase possono essere utilizzati per rilevare questi guasti, avvisare gli operatori e arrestare la macchina prima che si verifichino danni permanenti. Questi relè sono in grado di rilevare la presenza di tutte e tre le fasi, la corretta sequenza e le tensioni di fase entro un intervallo corretto. Se si verifica un errore, il relè può aprire una serie di contatti che possono avviare una condizione di allarme o spegnere la macchina.

È disponibile un'ampia gamma di relè a rilevamento di fase per gestire ampi intervalli di tensioni, configurazioni trifase e condizioni di errore. Questo articolo illustra brevemente le potenziali modalità di guasto del motore e il funzionamento dei relè a rilevamento di fase. Descrive quindi la selezione e l'applicazione dei relè di monitoraggio trifase utilizzando esempi reali di Carlo Gavazzi.

Modalità di guasto di un motore trifase

Tra i guasti più comuni in una serie di settori industriali vi sono quelli relativi alla fonte di alimentazione trifase e al suo effetto sui motori. La perdita di una delle tre fasi o uno squilibrio delle tensioni di fase può provocare correnti superiori alla norma nelle fasi rimanenti del motore, con conseguente perdita di potenza meccanica e vibrazioni meccaniche eccessive. Allo stesso modo, la sottotensione e la sovratensione costringono il motore ad aumentare la corrente per gestire lo stesso carico, il che può ridurne la durata.

Un'altra possibilità è quella di avere una sequenza di fasi errata che potrebbe causare l'inversione di direzione del motore, con risultati disastrosi sul lato del carico del motore.

Funzioni del relè di monitoraggio delle fasi

I relè di monitoraggio di fase hanno una serie di funzioni relative allo stato della sorgente di alimentazione trifase. Sono alimentati dalle linee trifase che monitorano. Tutti monitorano la sequenza delle fasi e la perdita di tensione di una fase. I relè si attivano quando sono presenti tutte le fasi e la sequenza di alimentazione è corretta. In caso di perdita di una delle fasi o di una sequenza di fasi errata, il relè si diseccita. Alcuni relè di monitoraggio delle fasi controllano anche i livelli di tensione di tutte e tre le fasi. La determinazione della tensione utilizza una misurazione del reale valore quadratico medio (TRMS) e disattiva il relè quando l'ampiezza scende al di sotto di una soglia preimpostata. Alcuni dispositivi offrono lo stesso rilevamento dell'ampiezza, ma hanno impostazioni di limite regolabili dall'utente. Una serie di modelli di relè controlla l'asimmetria di fase e la tolleranza. Tutti i relè offrono un ritardo prima dell'attivazione a causa di problemi di livello di tensione o di asimmetria per evitare attivazioni spurie. In alcuni modelli il ritardo è programmabile.

Opzioni dei relè di monitoraggio delle fasi

DPA01CM44 di Carlo Gavazzi Inc. è un esempio di relè sensibile alla fase per configurazioni trifilari (Figura 1). La serie è alimentata da una sorgente trifase, con modelli disponibili che funzionano con tensioni di 230, 400, 600 e 690 V c.a. Questi relè sono destinati al montaggio su guida DIN, ma sono disponibili anche versioni a innesto. Le configurazioni di uscita del relè sono un contatto unipolare a due vie (SPDT) o doppio SPDT.

Figura 1: DPA01CM44 è un relè di monitoraggio di fase montato su guida DIN per linee trifase da 208 a 480 V c.a. con uscita a contatto SPDT. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

In condizioni di tensione normale, il relè è attivato, il che significa che il contatto (o i contatti) normalmente aperto (NA) dell'uscita del relè è chiuso e il contatto (o i contatti) normalmente chiuso (NC) dell'uscita è aperto. Il funzionamento del relè avviene entro 100 millisecondi. I LED di stato sul pannello frontale indicano l'accensione e l'attivazione dei relè.

Il relè di monitoraggio delle fasi DPA01 può essere installato per monitorare qualsiasi linea trifase (esempio 1, nella Figura 2), oppure può essere associato a un motore trifase (esempio 2).

Figura 2: Esempi di applicazione del relè di monitoraggio trifase serie DPA01. L'esempio 1 (a sinistra) lo mostra collegato per monitorare una linea trifase. L'esempio 2 (a destra) ne illustra l'uso per il monitoraggio di un motore trifase. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

Quando si verifica una condizione di errore in una delle due applicazioni, un contattore collegato al relè in modo appropriato apre il circuito trifase continuo, mentre il relè di monitoraggio rimane collegato alla fonte di alimentazione. Quando viene collegato per monitorare una linea trifase senza motore, non c'è alcun problema nel rilevare una fase "morta" perché il livello dell'ingresso mancante si abbassa notevolmente. Quando un monitor è collegato a un motore, il funzionamento del motore tenderà a rigenerare la fase mancante a causa dell'accoppiamento induttivo interno. Il relè è impostato per rilevare una fase mancante finché l'ampiezza è inferiore all'85% della tensione trifase nominale. Di conseguenza, è importante verificare che la rigenerazione del motore sia inferiore all'85% della tensione nominale di linea.

Nelle applicazioni che richiedono una soglia di sovratensione o sottotensione personalizzata, è possibile utilizzare il relè di monitoraggio di fase multifunzione DPB01CM48 di Carlo Gavazzi. Questo relè rileva le condizioni di sovratensione e sottotensione, nonché la perdita di fase e la sequenza di fase non corrette. I livelli di soglia di sovratensione e sottotensione sono regolabili dall'utente tramite un interruttore sul pannello frontale (Figura 3).

Figura 3: Il relè di monitoraggio di fase multifunzione DPB01CM48 monitora la perdita di fase, la sequenza di fase e le soglie di sovratensione e sottotensione selezionabili tramite i comandi del pannello frontale. Il ritardo operativo per l'attivazione della sovratensione e della sottotensione è regolabile dall'utente per ridurre al minimo l'attivazione transitoria. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

Questo relè è anche montato su guida DIN e supporta topologie trifase sia a triangolo che a stella. Dispone di intervalli di tensione programmabili dall'utente, selezionabili come tensioni da linea a linea 380, 400, 415 e 480 V c.a. e tensioni da linea a neutro di 220, 230, 240 e 277 V c.a. La topologia circuitale e gli intervalli di tensione sono impostati mediante un interruttore DIP interno. Un modello distinto della famiglia DPB01 gestisce intervalli di tensione inferiori.

Sul pannello frontale del relè sono presenti tre manopole di controllo. Quella superiore imposta la soglia di tensione inferiore da -2 a -22% della tensione nominale, quella centrale imposta la soglia di tensione superiore da 2 a 22% della tensione nominale e quella inferiore imposta il ritardo operativo tra 10 ms e 30 s. Il ritardo viene utilizzato per evitare che transitori di tensione di breve durata facciano scattare accidentalmente il relè.

Sul pannello frontale del relè sono presenti tre LED che ne indicano lo stato. Il LED verde indica che l'alimentazione è attiva. Il LED giallo indica che il relè è eccitato. Se si verifica un evento di allarme, il LED giallo si spegne e il relè viene diseccitato dopo un timeout, mentre il LED rosso lampeggia. Se l'errore era una condizione di sovratensione o sottotensione, il LED rosso lampeggia a una frequenza di 2 Hz e il relè viene diseccitato dopo il timeout. Se si verifica una perdita di fase o una sequenza di fasi errata, il relè viene diseccitato entro 200 ms e il LED rosso lampeggia a una frequenza di 5 Hz per la durata della condizione di errore.

Il relè di monitoraggio di fase DPC01DM69 presenta il set di funzioni più completo proposto da Carlo Gavazzi (Figura 4). Questo relè per montaggio su guida DIN monitora la sequenza di fase e la perdita di fase, nonché la sottotensione e la sovratensione, la simmetria di fase e la tolleranza.

Figura 4: DPC01DM69 è un relè di monitoraggio di fase per montaggio su guida DIN con LED sul bordo sinistro che indicano gli stati del relè (giallo), lo stato di allarme (rosso) e lo stato di alimentazione (verde). I controlli impostano le soglie di tolleranza/asimmetria o di sovratensione/sottotensione e i ritardi del relè. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

DPC01DM69 funziona in modo simile a DPB01CM48 in termini di selezione dell'intervallo della tensione di funzionamento e della topologia trifase. Dispone di ulteriori selezioni tramite interruttore DIP per il ritardo di accensione (1 s o 6 s), la configurazione dell'uscita (doppio set di contatti SPDT o un singolo set di contatti bipolari a due vie (DPDT)) e le funzioni di monitoraggio per sovratensione/sottotensione o asimmetria/tolleranza.

DPC01CM69 funziona in tre modalità, a seconda del tipo di allarme. Una perdita di fase o una sequenza di fasi errata comporta la diseccitazione dei relè di uscita 1 e 2. Un evento di sovratensione o di asimmetria provoca la diseccitazione del relè di uscita 1 alla fine del ritardo preimpostato 1, mentre un evento di sottotensione o fuori tolleranza provoca la diseccitazione del relè di uscita 2 alla fine del ritardo preimpostato 2. Questa disposizione a doppia uscita dà una maggiore flessibilità in risposta a diversi eventi di allarme.

L'asimmetria è un indicatore della qualità della fonte di alimentazione ed è definita come il valore assoluto della deviazione massima delle tensioni di linea, diviso per la tensione nominale del sistema trifase. La tolleranza è un altro indicatore della qualità della fonte di alimentazione ed è definita come il valore assoluto della deviazione massima delle tensioni di linea dalla tensione nominale, divisa per la tensione nominale del sistema trifase (Figura 5).

Figura 5: Equazioni per l'asimmetria e la tolleranza di una sorgente trifase. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi Inc.)

In generale, lo squilibrio delle linee trifase deve essere inferiore al 2% per evitare il surriscaldamento di un motore trifase. Si noti che le scale di asimmetria e tolleranza sul coperchio di DPC01CM69 vanno dal 2 al 22%.

Conclusione

In molti settori, il monitoraggio della corrente alternata trifase è fondamentale per evitare costosi fermi macchina dovuti a motori danneggiati. Per assicurare che ciò avvenga in modo semplice ed efficace, Carlo Gavazzi offre un'ampia gamma di relè di monitoraggio trifase progettati utilizzando le più sofisticate tecniche di misurazione, pur offrendo una facile configurazione. I relè vanno da semplici dispositivi che monitorano la perdita di fase e la sequenza di fase a monitor più complessi che rilevano anche le condizioni di sovratensione e sottotensione, nonché l'asimmetria di fase e la tolleranza. Questi relè di monitoraggio di fase garantiscono che i problemi di alimentazione trifase non causino danni a macchinari costosi.