Principi base dei contattori per motore e loro applicazioni

Applicazioni come il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell'aria (HVAC), i compressori, le pompe, la movimentazione dei materiali e l'imballaggio, richiedono l'impiego e il controllo in sicurezza di grandi motori che funzionano a tensioni e correnti elevate. Il controllo di questi grandi motori elettrici pone un problema ai progettisti, che devono garantire un isolamento adeguato tra il motore e il circuito di controllo. Inoltre, le alte tensioni e correnti possono generare significativi transitori elettromagnetici che possono danneggiare i controlli elettronici.

I relè elettromagnetici offrono il controllo remoto e l'isolamento, ma hanno i loro limiti. L'apertura e la chiusura delle connessioni di alimentazione di un motore ad alta potenza generano archi elettrici che usurano le superfici di contatto del relè, riducendone la durata.

La soluzione a questo problema è un contattore elettromagnetico, una classe speciale di relè destinata al controllo dei motori. Oltre a una struttura più robusta e a contatti più grandi e robusti rispetto ai relè, impiegano tecniche di soppressione degli archi elettrici che comprendono materiali speciali e una chiusura e un'apertura più rapide dei contatti.

Questo articolo esamina i principi base dei contattori elettromagnetici per motori e i loro vantaggi rispetto ad altri approcci al controllo motori. Illustra poi le modalità di selezione e di applicazione di questi elementi, utilizzando esempi di configurazione reali della famiglia Easy TeSys di Schneider Electric.

Come funzionano i contattori

I contattori elettromagnetici sono costituiti da un elettromagnete costruito su un nucleo "E". In particolare, una bobina a isolamento elettrico è avvolta concentricamente sulla fase centrale del nucleo. La bobina è eccitata dalla sorgente di tensione di controllo, che può essere c.a. o c.c. Quando la bobina viene eccitata, la forza elettromagnetica trascina un'armatura situata all'estremità aperta del nucleo (Figura 1).

Figura 1: Schema funzionale semplificato di un contattore che lo mostra sia in stato diseccitato che eccitato. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

I contatti elettrici sono accoppiati meccanicamente all'armatura. La disposizione dei contatti dipende dal modello di contatto: normalmente aperto (NA) o una combinazione di normalmente aperto e normalmente chiuso (NC). Possono essere presenti più contatti isolati. Ad esempio, un contattore trifase avrà tre serie di contatti di potenza, una per fase. Quando l'armatura entra in funzione, i contatti NC si aprono e i contatti NA si chiudono. Inoltre, molti contattori includono una serie ausiliaria inferiore di contatti di potenza utilizzati per monitorare lo stato del contattore, eccitato o diseccitato.

I materiali di contatto sono scelti per l'elevata resistenza, l'eccellente conducibilità elettrica e la resistenza agli effetti di formazione di arco e dell'ossidazione. La geometria dei contatti è progettata per gestire i livelli di potenza previsti e per sopprimere gli archi elettrici.

Tutti gli elementi del contattore sono contenuti in un involucro che isola elettricamente i contatti e fornisce un metodo semplice per collegare i cavi di alimentazione, carico e bobina. L'involucro fornisce anche il supporto per il montaggio, che può essere a pannello o su guida DIN (Figura 2).

Figura 2: Esempi di tipici involucri per contattori; montaggio a pannello (sinistra) e su guida DIN (destra). (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

I contattori Easy TeSys (serie DPE) di Schneider Electric sono racchiusi in un involucro compatto di solo 45 mm di larghezza e possono essere montati a pannello o su una guida DIN. L'involucro ha un grado di protezione IP20, che indica la protezione per le dita. Tutti i contattori della serie includono un contatto ausiliario normalmente aperto. Questa serie di contattori trifase è approvata UL/CSA con valori nominali fino a 32 A, 20 CV a 480 V c.a. (CV/480 V c.a.) e 25 CV/600 V c.a., con varie tensioni di eccitazione della bobina di controllo (Tabella 1).

Tabella 1: Esempi selezionati della serie di contattori Easy TeSys DPE di Schneider Electric con l'intervallo di selezione di corrente e tensione della bobina di controllo offerto dalla linea. (Tabella per gentile concessione di Art Pini)

Questi dispositivi hanno una vita operativa di circa 1 milione di azionamenti elettrici. I contattori Easy TeSys sono adatti alle applicazioni descritte nelle categorie di utilizzo specificate nello standard IEC 60947. Le correnti nominali dei singoli contattori dipendono dalla categoria di utilizzo. Ad esempio, la categoria AC-1 descrive le applicazioni in cui il carico non è induttivo o è solo leggermente induttivo, come un forno a resistenza. Queste applicazioni hanno principalmente carichi resistivi, che hanno meno problemi con le tensioni e le correnti transitorie.

La categoria AC-3 riguarda le applicazioni per i motori a induzione in gabbia di scoiattolo in cui il motore viene avviato e l'alimentazione può essere rimossa per arrestare il motore. I motori sono dispositivi induttivi e le operazioni di avviamento e arresto generano transitori induttivi che sollecitano maggiormente il contattore.

Le applicazioni della categoria AC-4 sottopongono il contattore a maggiori sollecitazioni. Questa categoria comprende i motori a induzione in gabbia di scoiattolo e i motori ad anello collettore soggetti a frenatura a corrente inversa e a comando a impulsi o viraggio elettrico. Il comando a impulsi o viraggio elettrico è l'applicazione rapida e ripetuta di potenza per avviare un motore da fermo allo scopo di realizzare piccoli movimenti. Per comando a impulsi si intende generalmente l'avvio di un motore con brevi impulsi di potenza a piena tensione. Analogamente, per viraggio elettrico si intende l'avviamento di un motore con brevi impulsi di tensione ridotta. Le molteplici applicazioni di potenza generano il massimo livello di sollecitazione sul contattore.

L'abbinamento di uno specifico contattore Easy TeSys DPE a un motore o a un'applicazione simile ad alta potenza si basa principalmente sulla corrente gestita. Il catalogo Easy TeSys di Schneider Electric contiene suggerimenti per la selezione in base alla potenza del motore, alla categoria di utilizzo e alla durata operativa richiesta (Figura 3).

Figura 3: Guida alla selezione del contattore Easy TeSys DPE per i motori della categoria di utilizzo AC-3 in base alla potenza del motore e alla durata operativa desiderata del contattore. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

La Figura 3 è una delle tre guide di selezione relative alla categoria di utilizzo del dispositivo controllato. Si riferisce alla categoria di utilizzo AC-3, in pratica un motore che viene fermato solo raramente. Quando il motore è fermo, la corrente è pari alla corrente di funzionamento. A titolo di esempio, si consideri la ricerca di un contattore Easy TeSys DPE per un motore trifase da 5,5 kW funzionante a 400 V con una corrente di funzionamento di 11 A, la cui vita operativa desiderata è di due milioni di cicli. Partendo dalla linea di tensione a 400 V, il progettista deve individuare 5,5 kW e da lì proiettare una linea verso l'alto fino a intersecare la linea dei due milioni di operazioni. Il luogo del modello DPE più vicino (in blu) è DPE 18.

Un esempio di categoria di utilizzo AC-4, in cui il motore viene fermato e riavviato frequentemente, ha a che fare con correnti maggiori nel caso peggiore. Si consideri un motore trifase da 5,5 kW funzionante a 400 V con una corrente di funzionamento di 11 A in un'applicazione AC-4 in cui viene tolta la tensione mentre il motore è in stallo. La vita operativa desiderata è di 300.000 operazioni.

La corrente di stallo di questo motore è sei volte superiore alla corrente di funzionamento e richiede un contattore con un livello di corrente superiore (Figura 4).

Figura 4: Guida alla selezione del contattore Easy TeSys DPE per la categoria di utilizzo AC-4. Si noti che le correnti del caso peggiore possono essere molto più elevate perché è possibile che venga tolta l'energia al motore mentre è in stallo. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Per individuare il contattore consigliato, partire dalla corrente di stallo di 66 A, pari a sei volte la corrente di funzionamento di 11 A. Proiettare verso l'alto dall'asse corrente fino a intersecare la linea che rappresenta 0,3 milioni di operazioni. Il luogo prodotto più vicino è DPE32.

I contattori Easy TeSys serie DPE coprono le configurazioni e le applicazioni più comuni dei motori, come trasportatori, macchine per l'imballaggio, pompe, compressori, riscaldamento e ventilazione, condizionamento dell'aria, refrigerazione e altro.

La famiglia Easy TeSys comprende anche una serie di relè termici complementari progettati per proteggere i circuiti e i motori in c.a. da sovraccarichi, interruzioni di fase, tempi di avviamento prolungati e condizioni di rotore in stallo. Questi relè monitorano la corrente del motore e, quando la corrente supera l'impostazione limite, i contatti si aprono e arrestano il motore. Esistono quindici modelli, ognuno dei con vari livelli di intervento della corrente impostabili. I modelli con protezione da sovraccarico sono compatibili con i contattori Easy TeSys selezionati da DPE09 a DPE38. Si collegano direttamente ai terminali inferiori dei contattori trifase utilizzando i morsetti a vite del contattore. La combinazione ha una larghezza comune di 45 mm e può essere montata su guida DIN o avvitata a un pannello utilizzando il supporto per contattori DPE (Figura 5).

Figura 5: Il relè di protezione da sovraccarico si monta direttamente sotto il contattore DPE e viene fissato utilizzando i morsetti a vite del contattore. (Immagine per gentile concessione di Schneider Electric)

Il relè termico Easy TeSys DPER32, con una potenza nominale di 32 A/690 V, ha un intervallo di intervento con impostazione termica regolabile da 23 a 32 A, classe di intervento 10 (con un sovraccarico pari a sei volte il livello preimpostato, il dispositivo di protezione da sovraccarico interviene entro 10 secondi), per la protezione di motori trifase con potenza nominale di 15 kW a 400 V. Si tratta di un dispositivo differenziale con rilevamento della mancanza di fase e di squilibrio del carico. Presenta un selettore di regolazione termica, un selettore di reset manuale/automatico, un selettore di prova per la simulazione di un intervento, pulsanti di reset e arresto, un indicatore a bandiera e due contatti ausiliari (1 NA + 1 NC) per la segnalazione dei guasti. Le impostazioni dell'utente sono protette da un coperchio trasparente con serratura. L'intera famiglia di protettori termici è certificata secondo diversi standard, tra cui IEC, UL e CUL.

Conclusione

I progettisti di applicazioni a motore con elevate tensioni e correnti di funzionamento hanno bisogno di un modo affidabile per isolare i circuiti di controllo associati e proteggerli dalle radiazioni elettromagnetiche. I contattori tripolari DPE Easy TeSys, insieme ai relè termici DPER Easy TeSys, sono progettati per commutare e proteggere le applicazioni più comuni dei motori. L'ampia gamma di modelli copre diversi livelli di corrente e tensione e semplifica la configurazione in base ai requisiti di un'applicazione specifica.