Come selezionare e applicare i contattori elettromeccanici ai motori trifase per uso intensivo

Gli ingegneri incaricati di isolare la commutazione di tensioni e correnti relativamente elevate usando un piccolo segnale di tensione, di solito optano per i relè. Un tradizionale interruttore a bassa tensione attiva il relè che a sua volta attiva l'alimentazione ad alta potenza. I relè elettromeccanici (EMR) sono a basso costo e possono gestire tensioni relativamente elevate, mentre i relè a stato solido (SSR) eliminano l'usura dei contatti e gli archi elettrici.

Tuttavia, quando si ha a che fare con frequenti commutazioni di diverse centinaia di volt e decine di ampere (e più), questi tipi hanno difficoltà. L'arco elettrico a questi carichi elevati consuma rapidamente i contatti dell'EMR, mentre le correnti di dispersione negli SSR causano il surriscaldamento. I progettisti hanno bisogno di un'alternativa per queste applicazioni esigenti.

Il meno comune contattore elettromeccanico (EMC) è un'alternativa robusta ai relè. Questi dispositivi sono una tecnologia collaudata e facilmente disponibile presso molti fornitori rispettabili. Poiché esistono decine di opzioni, la selezione si fa presto confusionaria senza una visione dettagliata del funzionamento dell'EMC.

Questo articolo spiega brevemente la differenza tra EMR e contattori, come funzionano i contattori e poi si concentra su come una data applicazione influenza la scelta del prodotto, come primo passo per il successo del progetto. Le scelte progettuali saranno illustrate con riferimento ai contattori di potenza SIRIUS 3RT di Siemens utilizzati in un'implementazione di motore elettrico IE3.

La differenza tra relè elettromeccanici e contattori

Poiché è esposto alla corrente del circuito quando è chiuso, un interruttore che accende e spegne un dispositivo ad alta potenza come un grande motore trifase non è una soluzione pratica. L'interruttore crea archi pericolosi quando si accende e si surriscalda durante il funzionamento. La soluzione è quella di utilizzare un circuito a bassa potenza, attivato e disattivato da un interruttore convenzionale, per attivare il circuito ad alta potenza. Questo è lo scopo dell'EMR.

Gli EMR utilizzano una bobina che viene eccitata dal circuito a bassa potenza per creare un campo magnetico che poi fornisce un impulso a un nucleo mobile che a sua volta apre o chiude i contatti (normalmente chiusi, NC, o normalmente aperti, NA). Gli EMR possono commutare un carico c.a. o c.c. fino al loro massimo valore nominale. I vantaggi principali degli EMR sono il basso costo e l'isolamento garantito a qualsiasi tensione applicata al di sotto del valore dielettrico del dispositivo. (Vedere "Come utilizzare i relè a stato solido specializzati a basso rumore per limitare le interferenze elettromagnetiche e soddisfare gli standard critici".)

Tuttavia, esiste un limite alla potenza che un EMR può gestire. Ad esempio, quando il carico è un motore trifase che sviluppa più di qualche chilowatt, la commutazione con un EMR genera un arco elettrico eccessivo e usura rapidamente il relè. L'alternativa è l'EMC, un equivalente industriale per uso intensivo e robusto di un relè, progettato per commutare in modo affidabile carichi elevati su decine di milioni di cicli (Figura 1).

Figura 1: I contattori elettromeccanici sostituiscono i relè nelle applicazioni di commutazione d'uso intensivo. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Gli EMC possono essere collegati in modo sicuro a dispositivi ad alta richiesta di corrente e sono in genere progettati con caratteristiche per controllare e sopprimere l'arco prodotto quando commutano sotto un carico pesante. I dispositivi utilizzano la stessa bobina eccitata/attivazione del nucleo mobile dei relè e sono quasi esclusivamente dotati di contatti NA, anche se sono disponibili contatti NC. I contatti NA assicurano che quando viene rimossa l'alimentazione all'EMC, i contatti si aprono, interrompendo l'alimentazione al dispositivo ad alto assorbimento di corrente. I dispositivi presentano una o più coppie di contatti, detti anche poli.

Selezione dei EMC

È relativamente semplice decidere quale EMC scegliere rispetto a un EMR. Mentre gli EMC sono più costosi, sono l'unica opzione per le applicazioni ad alto carico. Una volta stabilito che è necessario un EMC, selezionare il miglior EMC per l'applicazione invece è più difficile. Il miglior punto di partenza è determinare la corrente di carico di picco (detta anche amperaggio a pieno carico (FLA)) richiesta alla tensione operativa dell'applicazione. Questo determinerà poi la capacità di carico di corrente del contattore richiesto.

Nel caso di un motore trifase, ad esempio, il produttore tipicamente specifica la tensione operativa e il FLA nella scheda tecnica. Ma se queste informazioni non sono disponibili, un ingegnere negli Stati Uniti può fare riferimento a risorse come le tabelle del National Electrical Code (NEC) che dettagliano il FLA per una gamma di motori trifase di potenza e tensione di ingresso nominali. I motori sono ordinati secondo le classificazioni stabilite dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC). Ad esempio, un motore trifase da 375 W con una tensione operativa di 110 V ha una FLA di 4,4 A e un motore da 1,1 kW con una tensione operativa di 220 V ha un FLA di 6 A.

Successivamente, l'ingegnere deve determinare la tensione di comando necessaria per l'EMC. Questa può essere la stessa usata per alimentare il motore associato, ma spesso per ragioni di sicurezza viene usata una tensione inferiore. Le tensioni di comando EMC sono in genere sempre inferiori a 250 V c.a.

Si dovrebbe poi considerare funzionerà come il motore nell'applicazione. Ad esempio, due applicazioni diverse potrebbero usare un motore trifase con le stesse specifiche. Ma se un'applicazione richiede che il motore sia acceso o spento per lunghi periodi, avrà bisogno di un EMC diverso da una in cui il motore viene acceso e spento frequentemente. Quest'ultimo sarà soggetto a carichi di corrente ripetitivi e dovrà quindi essere un prodotto più robusto.

Le categorie di utilizzo IEC o i "codici" sono una buona guida per scegliere l'EMC corretto per una data applicazione. Ad esempio, se l'EMC è codificato "AC-3", è adatto ai motori elettrici a 'gabbia di scoiattolo' (un tipo comune di motore elettrico a induzione) in applicazioni in cui il motore viene acceso e spento regolarmente, mentre il codice "AC-20" è adatto a collegare e scollegare carichi in condizioni di corrente zero. Mentre un EMC codificato erroneamente da IEC può funzionare in una data applicazione, è probabile che abbia una durata molto più breve di uno codificato correttamente.

I codici IEC sono anche utili per prendere in considerazione il tipo di carico resistivo o induttivo, poiché anche questo esercita un'influenza significativa sulla scelta dell'EMC. Ad esempio, i motori elettrici sono carichi induttivi, mentre un riscaldatore ha un carico resistivo.

È anche importante considerare quanti poli potrebbero essere necessari in un singolo EMC e se dovrebbero essere NA o NC. Ad esempio, un'applicazione potrebbe richiedere tre poli e utilizzare contattori NA per ogni fase di un motore elettrico e un'ulteriore coppia NC per accendere un LED a indicare che un motore sta ricevendo energia ma non sta girando.

Inoltre, poiché gli EMC spesso trasportano tensioni e correnti relativamente elevate, è anche importante assicurare che il grado di isolamento del dispositivo soddisfi tutti i criteri di sicurezza dell'applicazione.

Poiché i motori consumano una parte significativa dell'energia elettrica generata, gli Stati Uniti e l'Unione Europea hanno approvato una legislazione per garantire che funzionino nel modo più efficiente possibile. I livelli di efficienza energetica UE sono espressi in classi di efficienza energetica internazionale (IE) (Figura 2). Secondo il regolamento attuale, i motori devono raggiungere il livello IE2 (alta efficienza), IE3 (efficienza premium) o IE4 (efficienza super premium), a seconda della loro potenza nominale e di altre caratteristiche. L'EMC ha anche un impatto sull'efficienza del motore elettrico, quindi se il sistema di controllo è destinato all'uso nell'UE, è importante che sia progettato per la classe di efficienza IE appropriata. Negli Stati Uniti, i motori devono essere conformi al programma di efficienza premium della National Electrical Manufacturers Association (NEMA), che richiede il rispetto di standard come quelli specificati per IE3. I requisiti in Australia sono simili a quelli degli Stati Uniti.

Figura 2: I requisiti di efficienza IE per i motori elettrici mostrano come i miglioramenti di efficienza siano maggiori per i motori di potenza inferiore: i motori IE1 e IE2 non sono più ammessi dalle normative USA e UE. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Prodotti commerciali

È disponibile una vasta gamma di EMC di alta qualità per quasi tutte le applicazioni ad alto carico. Ad esempio, la gamma di EMC SIRIUS 3RT2 di Siemens dimostra la capacità dei prodotti contemporanei per la commutazione dei motori elettrici e altre applicazioni. I dispositivi sono stati progettati per un'alta affidabilità operativa, un'alta affidabilità dei contatti, un funzionamento a temperature elevate e una lunga durata. Questi contattori di potenza possono essere utilizzati fino a 60 °C senza declassamento, anche quando sono montati fianco a fianco. La gamma include EMC classificati per il funzionamento AC-1 (carichi non induttivi o leggermente induttivi come i riscaldatori), AC-3 (motori elettrici a gabbia di scoiattolo che commutano frequentemente) e AC-4 (motori elettrici a gabbia di scoiattolo: avvio, inserimento, viraggio). Tutti i prodotti SIRIUS 3RT2 sono progettati per il funzionamento di motori IE3 e IE4.

Il modello 3RT20152AP611AA0 della gamma SIRIUS 3RT2 è un EMC tripolare NA con contattori di misura S00 ed è codificato per applicazioni AC-3. La tensione di alimentazione di comando va da 220 a 240 V c.a. Ha una tensione di uscita di 400 o 690 V e una corrente massima di 7 A a 400 V o 4,9 A a 690 V per una potenza massima nominale di 3 kW a 400 V o 4 kW a 690 V. I contatti si chiudono in meno di 35 ms e si aprono in meno di 14 ms. Ha una frequenza di commutazione massima sotto carico di 750 cicli all'ora. La durata in servizio è di 30 milioni di cicli con un tasso di guasto di 1 su 100 milioni. Quando si usa questo EMC, il FLA per un motore trifase collegato è di 4,8 A per un motore da 480 V e di 6,1 A per un motore da 600 V; questo è sufficiente per alimentare un motore da 2,2 kW (480 V) o un motore da 3,7 kW (600 V) (Figura 3).

Figura 3: L'EMR 3RT20152AP611AA0 ha tre poli NA, il che lo rende una configurazione adatta a commutare un motore trifase. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

All'altra estremità della gamma SIRIUS troviamo il modello 3RT20261AP60. Anche questo è un EMC tripolare NA e codificato per applicazioni AC-3, ma con contattori di misura S0. La tensione di alimentazione di comando va da 220 a 240 V c.a. Il dispositivo ha una tensione di uscita di 400 o 690 V e una corrente massima di 25 A a 400 V di o 13 A a 690 V per una potenza massima nominale di 11 kW a entrambe le tensioni di uscita. Il FLA per un motore trifase collegato è di 21 A per un motore da 480 V e di 22 A per un motore da 600 V; questo è sufficiente per alimentare un motore da 11,2 kW (480 V) o un motore da 14,9 kW (600 V).

Gli EMC SIRIUS 3RT2 di Siemens sono ideali per una serie di applicazioni, ma sono ottimizzati per la commutazione di motori IE3 o NEMA con efficienza di livello premium. Questo livello di conformità richiede anche che l'EMC sia una parte efficiente del sistema di controllo del motore. Per soddisfare tale requisito, gli EMC sono progettati con caratteristiche come i magneti permanenti per ridurre il consumo di energia e il controllo elettronico della bobina. Questo permette di ridurre al minimo la potenza di tenuta (utilizzata per mantenere chiuso il contattore). La perdita di potenza intrinseca degli EMC è stata ridotta del 92% rispetto ai dispositivi precedenti.

Ad esempio, il contattore di potenza 3RT20171BB41 - che può commutare motori trifase da 2,2 kW a 7,5 kW a seconda della tensione di uscita dell'EMC - presenta una perdita di 1,2 W per polo per una perdita complessiva di 3,6 W quando fornisce piena potenza a un motore elettrico.

Utilizzare un EMC per avviare un motore IE3

Un comando motore comprende diversi componenti per garantire un funzionamento sicuro e affidabile. Ad esempio, un allestimento completo potrebbe comprendere i seguenti componenti:

• Dispositivo di protezione (es., un dispositivo di avviamento di protezione del motore e/o un relè di sovraccarico)
• Unità di avviamento (es., un EMC)
• Controller (es., un sistema di gestione del motore)
• Unità di controllo (es., un convertitore di frequenza)
• Motore elettrico
• Riduttore
• Cablaggio
• Macchina azionata

Gli EMC SIRIUS 3RT2 sono dispositivi modulari che si montano su una guida DIN (o si avvitano) insieme agli altri componenti. Questi EMC sono progettati per adattarsi a moduli gemelli per costruire la sezione di controllo desiderata della trasmissione (Figura 4). Il design modulare aiuta a limitare la quantità di cablaggio richiesto nell'armadio e le connessioni sono effettuate tramite contatti a molla, quindi non sono necessari attrezzi speciali.

Figura 4: La serie SIRIUS 3RT2 è un dispositivo modulare che semplifica l'implementazione di un sistema di controllo motori. Qui, un EMR 3RT20171BB41 - che viene commutato con un segnale di 24 V c.c. - viene utilizzato con un dispositivo di protezione e un relè di sovraccarico per controllare il motore di un nastro trasportatore. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Se l'EMC è stato selezionato con cura, diventa un elemento plug-and-play del sistema di controllo. I contattori di potenza 3RT2 sono stati ottimizzati per la commutazione di motori elettrici IE3 nell'intervallo da 1 a 15 kW e possono essere utilizzati senza ulteriori vincoli per applicazioni di avviamento diretto e inverso. Ci sono, tuttavia, alcune importanti considerazioni progettuali nell'uso degli EMC 3RT2 per gli ingegneri che hanno più familiarità con i motori elettrici IE2 che con i tipi IE3. Le caratteristiche che influenzano la progettazione del sistema di controllo per i motori IE3 includono correnti di valore inferiore, un maggior rapporto della corrente di spunto e una maggiore corrente di inserzione (Figura 5).

Figura 5: La corrente di inserzione, di spunto e nominale del motore sono parametri chiave da considerare quando si sceglie un EMC per un motore trifase. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

La chiave per l'aumento dell'efficienza dei motori elettrici IE3 sono le correnti del motore di valore inferiore. Tuttavia, IE3 non specifica un aumento lineare dell'efficienza nell'intero l'intervallo di potenza del motore elettrico. Invece, richiede che l'efficienza dei motori elettrici di potenza inferiore aumenti molto di più rispetto ai tipi IE2 che alle unità di potenza superiori (v. la Figura 2 sopra). Ciò significa che per i motori elettrici di bassa potenza, la corrente nominale del motore è stata abbassata significativamente rispetto al tipo IE2. Si noti che la potenza equivalente viene mantenuta aumentando la tensione di servizio.

Il rovescio della medaglia di una corrente nominale ridotta è un aumento del rapporto della corrente di spunto (corrente di spunto/corrente nominale) per i motori più efficienti. Si verifica perché anche se la corrente di spunto per un motore IE3 è inferiore, la differenza tra i motori di pari potenza IE2 e IE3 non è così pronunciata per la corrente di spunto come per la corrente nominale. Per i motori a bassa potenza, il rapporto della corrente di spunto è più alto di quello delle alternative a potenza superiore.

L'impatto dell'aumento del rapporto della corrente di spunto è un aumento della corrente di inserzione. La corrente di inserzione è essenzialmente un evento dinamico di compensazione prodotto da fattori come il collegamento di un carico induttivo (es., un motore) e transitori di corrente dinamici ed effetti di saturazione nei pacchi laminati del motore. La corrente di inserzione, che può essere fino a cinque volte superiore al FLA, può danneggiare il motore e altri sistemi (Figura 6).

Figura 6: La corrente di inserzione è più alta per i motori più efficienti ed è maggiore per le unità di potenza inferiore. Una progettazione appropriata del sistema di controllo può mitigare questi effetti. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Insieme ad altri componenti di controllo modulari, gli EMC 3RT2 possono essere utilizzati in un sistema di avviamento a stella-triangolo ("YΔ") per limitare la corrente di inserzione. Avviando il motore con l'intera tensione di linea attraverso gli avvolgimenti a stella dell'unità, circa il 58% della tensione di linea raggiunge ogni fase del motore, abbassando la corrente e mantenendo basso il picco di inserzione. Una volta che il motore raggiunge la velocità nominale, il funzionamento passa alla modalità a triangolo, in cui viene applicata la piena tensione (senza pericolo di corrente di inserzione) ad ogni fase e il motore può produrre potenza a pieno regime.

Questa disposizione richiede un relè di sovraccarico posto direttamente nel cavo "arteria" del motore U1, V1, W1 (Figura 7). Questo assicura che la protezione dal sovraccarico sia efficace per tutti e tre gli EMC. L'implementazione completa richiede il relè e tre EMC 3RT2.

Figura 7: Circuito a stella-triangolo comprendente un relè di sovraccarico nel cavo "arteria" del motore e tre EMC per commutare l'alimentazione durante l'avviamento del motore. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Durante il funzionamento, la parte a stella della sequenza viene attivata chiudendo gli EMC K1 e K3. Dopo un tempo prestabilito (a circa l'80% della piena velocità del motore), un timer fa aprire K3 e chiudere K2 per avviare la parte a triangolo e applicare la potenza a pieno regime al motore.

Conclusione

Quando si commutano carichi ad alta potenza come i motori c.a. trifase, gli EMC sono l'alternativa consigliata agli EMR. Gli EMC sono progettati per una commutazione ad alta affidabilità su decine di milioni di operazioni. Questi dispositivi sono disponibili per una vasta gamma di uscite motore, da pochi a centinaia di kilowatt.

Come mostrato, gli EMC SIRIUS 3RT2 di Siemens sono adatti a commutare motori c.a. trifase da 2 a 25 kW e il loro design modulare ne assicura la facilità di installazione nei sistemi di controllo. Anche se gli EMC SIRIUS sono relativamente semplici da installare, occorre prestare attenzione all'implementazione del sistema di controllo per evitare danni al motore dovuti a un'eccessiva corrente di inserzione.