Avviamento motori diretto, stella-triangolo o soft starter - Parte 1
La progettazione elettrica in ambito industriale presenta sicuramente elementi di maggior complessità rispetto alla distribuzione civile; tra questi si possono sicuramente annoverare gli avviamenti di motori, soprattutto se di taglia rilevante.
L’evoluzione della tecnica e soprattutto dell’elettronica di potenza, ha portato a modificare nel tempo le consuetudini di progettazione, passando, per avviamenti pesanti, dal tipico stella – triangolo agli avviatori con soft starter o con inverter.
Per supportare questa evoluzione, la versione 2020 di Ampère, estende le funzionalità afferenti all'avviamento dei motori e supporta ora quattro tipologie diverse di avviamento: diretto, stella – triangolo, soft starter in linea e soft starter delta.
L’avviamento stella-triangolo, un classico dell’automazione, è un avviamento graduale applicato a motori con due livelli di tensione. Nella fase iniziale il motore è alimentato alla tensione di fase, e dopo aver raggiunto una velocità prossima alla nominale, la tensione viene commutata alla concatenata.
Per ridurre al minimo i problemi meccanici ed elettrici causati dagli avviamenti diretti o stella-triangolo, in applicazioni che prevedono il controllo del movimento di pompe, ventilatori, compressori, nastri trasportatori, ecc., è conveniente utilizzare gli avviatori graduali.
Questi dispositivi permettono un avviamento graduale e controllato dei motori, evitando sia problemi di esercizio e di durata dell’impianto, sia elevati costi di manutenzione.
L’avviamento con soft starter può essere realizzato in linea o a delta, ossia come un avviamento diretto o come un avviamento stella-triangolo.
Ampère consente il calcolo e la verifica dei vari dispositivi e grandezze coinvolte, restituendo il diagramma tempo / corrente dell’avviamento motore e la regolazione delle protezioni.
Avviamento motori
La versione 2020 di Ampère, estende le funzionalità afferenti all'avviamento dei motori e supporta ora quattro tipologie diverse di avviamento. Esse sono definite come:
• Avviamento diretto;
• Avviamento stella - triangolo;
• Avviamento soft starter in linea;
• Avviamento soft start delta.
Avviamento diretto
E’ la configurazione base, eredita tutte le proprietà e funzionalità delle partenze motori fino alla versione 2019 di Ampère, e comprende gli avviamenti motori presenti nell'archivio Dispositivi, confluiti sotto la nuova voce Coordinamento motori>Avviamento diretto.
Avviamento stella - triangolo
L’avviamento stella-triangolo, un classico dell’automazione, è un avviamento graduale applicato a motori con due livelli di tensione. Nella fase iniziale il motore è alimentato alla tensione di fase, e dopo aver raggiunto una velocità prossima alla nominale, la tensione viene commutata alla concatenata.
Un insieme di tre contattori temporizzati hanno l’onere di eseguire tale commutazione.
Esistono diversi schemi di esecuzione e, per il software, si è scelto il più classico.
Si sottolinea che questa tipologia di avviamento è sempre più spesso sostituita con quella che utilizza soft starter, più moderna e che impiega elettronica di potenza, i cui prezzi giustificano l’abbandono dello stella-triangolo.
La figura precedente mostra lo schema utilizzato da Ampère, ove l’avviamento stella-triangolo è definito con tre contattori, denominati KL, KD, KY, rispettivamente di linea, triangolo, stella.
Il sistema di protezione e i contattori risiedono tutti nel quadro, e il motore è alimentato da due cavi uguali.
I contattori KL e KD sono uguali e vengono gestiti con un unico tipo di componente; il contattore KY sarà di taglia inferiore e dedicato al circuito stella che è soggetto a correnti più basse.
Per mezzo dei comandi Inserisci e Avviamenti si può assegnare a ciascun elemento un componente tratto dall'archivio Dispositivi.
Il pulsante Avviamenti richiama la scheda Coordinamento motori in archivio Dispositivi, ove sono memorizzate combinazioni di protezioni tra loro coerenti, normalmente proposte dalle stesse case costruttrici.
Linee di alimentazione
Le apparecchiature di commutazione Y/D sono realizzate nel quadro e da esso escono due cavi uguali. Nella scheda Cavo va assegnata la tipologia di posa ed il tipo di cavo, proprietà che saranno associate ad entrambi i cavi, mentre nella scheda Dati linea, va inserita la Lunghezza singolo cavo.
Proprietà dei calcoli in Y/D
Il motore va definito con i dati di targa. La corrente Ib e la corrente di sovraccarico Ins sono intese come valori di linea associati al nodo a monte dell’utenza, quindi non all'interno del triangolo.
Quando necessario, il software adatta tramite il valore di 1.73 (radice di tre) le variabili elettriche per ottenere coerenza tra grandezze definite in linea e grandezze definite all'interno del triangolo.
Considerando le tipologie di dispositivi per l’avviamento stella - triangolo, e chiamando con 1, 2, 3, 4 i singoli dispositivi che lo costituiscono, diamo i riferimenti di massima del loro dimensionamento:
• Il dispositivo 1 va dimensionato per una corrente nominale In > Ib;
• Il dispositivo 2, se sono presenti i contattori (KL e KD), vanno dimensionati per In > Ib / 1.73; se è occupato da un differenziale, va dimensionato con In > Ib perché viene inserito fuori dal triangolo.
• Il dispositivo 3 (quando presente) va dimensionato per In > Ib / 1.73;
• Il dispositivo 4, assegnato sempre al contattore stella (KY), va dimensionato per In > Ib / 3;
I cavi vanno dimensionati e verificati per Iz > Ins / 1.73.
Il calcolo della temperatura del cavo a Ib e a Ins va eseguito con Ib / 1.73, la corrente effettiva che circola nel cavo.
Per il calcolo della caduta di tensione, la corrente che arriva al motore vale Ib / 1.73. Tenendo conto della lunghezza totale dei cavi, le correnti di andata e ritorno sono sfasate di 120°, e la risultante delle cadute (occorre moltiplicare per 1.73) è pari alla caduta Z x Ib classica!
Calcolo guasti
Le correnti di guasto nel tratto a triangolo vengono calcolate come se ci fosse una linea singola.
Infatti, un guasto ai morsetti del motore è alimentato per la maggiore dal singolo cavo collegato direttamente al quadro, mentre l’altro ha anche l’impedenza del motore in serie. Il cavo che alimenta il motore è dimensionato per una corrente Ib / 1.73, quindi avrà una impedenza sicuramente maggiore a parità di potenza, e di conseguenza un guasto a fondo linea inferiore.
Con l’introduzione dell’avviamento stella-triangolo, si è provveduto dettagliare la curva di inserzione del motore: in particolare è stata aggiunta la corrente iniziale di picco, calcolata come corrente di spunto del motore moltiplicata per il coefficiente 12 / 7.2 (la norma IEC 60947-4-1 richiede protezioni che non intervengano per correnti di picco Ip=12 x In e correnti di avviamento Iavv=7.2 x In).
La norma CEI EN 60947-1 indica inoltre la velocità di commutazione stella–triangolo, quella per cui il motore raggiunge l’80% della velocità nominale. Considerando una accelerazione costante, si può assumere che il tempo di commutazione sia a 0.8 volte il tempo di avviamento.
In tale punto, viene disegnato il picco di corrente che può essere assorbito durante la fase di commutazione, con un valore pari a 2. Successivamente, la corrente si porta al valore di regime terminando l’avviamento.
Nota. Si ricorda che il software verifica che la corrente magnetica della protezione sia maggiore della corrente di inserzione.
Riportiamo alcuni esempi della rappresentazione degli avviamenti motore in Magliatura.
Tutti gli elementi vengono rappresentati in una singola utenza, e i dati elettrici del secondo riquadro sono spostati a destra per fare spazio ai contattori.
I motori, e in generale tutte le utenze terminali (generatori esclusi), possono essere collegate direttamente a terra tramite un collettore dedicato, per rispondere alla prassi di collegare a terra i motori tramite un conduttore di terra esterno, collegato ad un collettore comune di terra.
Analizzeremo in un successivo articolo le modalità di avviamento con soft starter.