Problemi nel comando delle bobine
inserito il: 02.08.2007
Secondo la normativa internazionale di prodotto Iec 947-4, il contattore è un dispositivo destinato alla manovra di utenze varie e quindi a stabilire, mantenere e interrompere correnti ordinarie di funzionamento e di sovraccarico funzionale (per esempio lo spunto del motore). Il suo impiego principe è quello di comando dei motori elettrici trifasi.
I principali elementi costruttivi di un contattore sono:
- contatti mobili;
- contatti fissi;
- molle di apertura;
- nucleo mobile dell'elettromagnete;
- nucleo fisso dell'elettromagnete;
- bobina dell'elettromagnete;
- base;
- calotta portacontatti fissi;
- castelletto portacontatti mobili;
- spira silenziatrice (o antironzio);
- camera spegniarco.
Funzionamento
Il funzionamento di un contattore è solo apparentemente semplice. Tutto dipende dal circuito elettromagnetico di comando e cioè dal sistema nucleo magnetico-bobina.
Alimentando la bobina con una tensione esterna si genera una forza (definita magnetomotrice) ottenuta moltiplicando il numero di spire della bobina N per l'intensità della corrente assorbita I. Questa forza attrae la parte mobile del nucleo verso quella fissa, permettendo quindi la chiusura del contattore. Infatti insieme alla parte mobile del nucleo viene trascinato anche il castelletto porta contatti, meccanicamente solidale al nucleo, consentendo quindi la chiusura dei relativi contatti. Più esattamente il principio di funzionamento di un contattore è esposto nel seguito in modo più completo.
Col contattore a riposo la riluttanza magnetica totale  (parametro che esprime la resistenza del circuito magnetico), assume valori estremamente alti poiché alla riluttanza del materiale magnetico si somma anche quella dell'aria esistente tra le due espansioni polari (parte fissa e parte mobile del nucleo magnetico della bobina, il cosiddetto traferro). Per questa ragione viene assorbita dalla rete una corrente molto alta (corrente di spunto) in modo da controbilanciare, con un valore di amperspire NI, il maggior valore di forza magnetomotrice Âj (dove j rappresenta il flusso magnetico). Infatti, dalla teoria dei circuiti magnetici si sa che deve essere rispettata la relazione: NI = Âj.
Una volta chiuso, essendo diminuito il valore complessivo di riluttanza, non è più necessaria una corrente assorbita di elevata intensità. Nei sistemi in ca il riadattamento dei valori delle correnti assorbite avviene automaticamente in quanto la riduzione della riluttanza aumenta automaticamente la reattanza induttiva del circuito elettrico della bobina (vi è, infatti, un rapporto inverso di proporzionalità tra questi due parametri). In corrente continua il discorso è diverso poiché essendo la corrente assorbita dipendente solo dalla resistenza elettrica e non variando questa al variare della riluttanza, si avrebbe il problema di continuare ad assorbire una corrente alta anche in ritenuta (cioè a contattore chiuso). Per ovviare a questo problema ci sono diverse soluzioni. La prima consiste nel sistema magnetico cosiddetto a nucleo massiccio, dove si è cercato di ridurre al minimo il traferro del circuito magnetico in modo da limitare l'assorbimento allo spunto che rimane inalterato in ritenuta.
In questo modo si ha però un assorbimento in ritenuta piuttosto elevato, (decisamente più elevato di quello di un equivalente contattore con comando in ca) ed è per questa ragione che i contattori previsti con questo sistema magnetico di comando presentano delle dimensioni superiori rispetto all'equivalente in alternata: dimensioni del nucleo più grandi, necessarie per la dissipazione del maggior calore prodotto. Questa esecuzione costruttiva viene normalmente adottata soprattutto nei contattori di piccola potenza (fino a 18,5-22 kW), dove gli assorbimenti e le dimensioni restano comunque accettabili.
Nei contattori più grandi sono molto più ricorrenti altre soluzioni costruttive. In passato un sistema frequentemente utilizzato era quello che prevedeva l'inserzione di una resistenza di risparmio dopo lo spunto, atta a ridurre la corrente in ritenuta. Questa soluzione presenta però l'indubbio svantaggio di introdurre un elemento (la resistenza) che genera alte perdite di calore per effetto Joule. Per questa ragione, questa tecnica è ormai stata del tutto sostituita con quella ad "avvolgimento di risparmio". In questo tipo di versione costruttiva la limitazione della corrente in ritenuta avviene tramite un contatto ausiliario normalmente chiuso ritardato che esclude, subito dopo lo spunto del contattore e quindi a chiusura avvenuta, uno dei due avvolgimenti della bobina del contattore e precisamente quello a bassa resistenza, lasciando inserito solo quello ad alta resistenza.
Con questo sistema si modifica la resistenza elettrica complessiva della bobina, che passa da valori iniziali molto bassi (che è quanto necessario per assorbire un'elevata corrente allo scopo di vincere la riluttanza del circuito in aria) a valori molto alti in grado, quindi, di limitare drasticamente la corrente in ritenuta. Nei sistemi con resistenza o avvolgimento di risparmio può essere utilizzato lo stesso nucleo magnetico utilizzato nel contattore con comando in corrente alternata e di conseguenza anche le dimensioni dei contattori, nelle due differenti esecuzioni, restano invariate.
Ricapitolando, i relè e i contattori elettromeccanici sono dotati di un sistema elettromagnetico di comando la cui presenza determina una potenza di spunto decisamente elevata (di durata però limitata a pochi millisecondi) e una potenza di ritenuta molto più contenuta. Solo l'esecuzione in corrente continua a nucleo massiccio costituisce, come visto, un'eccezione.
Un corretto dimensionamento del circuito di comando di un contattore o di un relè elettromeccanico, deve partire da queste premesse, in pratica tenere in considerazione il suo comportamento elettrico.
Trasformatore di comando
Per garantire un corretto funzionamento dei contattori la scelta del trasformatore di comando è di fondamentale importanza. Il trasformatore deve fornire la necessaria potenza ai circuiti di comando delle bobine dei contattori sia durante lo spunto sia in ritenuta (mantenendo costante la tensione secondaria).
In assenza di dati certi sul funzionamento dei contattori, il metodo usualmente più usato per dimensionare il trasformatore è quello di considerare le potenze di spunto delle bobine dei due contattori più grossi sommate alle potenze di ritenuta di tutti gli altri contattori presenti nel circuito. In pratica si considera la situazione con tutti i motori già inseriti e due in fase d'inserzione. Il valore così trovato rappresenta la potenza minima del trasformatore da impiegare.
Il dimensionamento del trasformatore è solo una condizione necessaria ma assolutamente non sufficiente per garantire un comando efficiente dei contattori. È altresì indispensabile prevenire tutta una serie di problematiche tecniche che potrebbero verificarsi.
Tensioni instabili
Quando la tensione di comando è derivata dal circuito principale questa può venire a mancare per breve tempo o può abbassarsi al di sotto della tolleranza ammessa per esempio in caso di guasto oppure se si inseriscono motori di grossa potenza in particolare in avviamento diretto. Un improvviso calo o "buco" di tensione" se si protrae per tempi superiori ai 20-50 msec, può provocare disturbi nel comando dei contattori, ronzii, fino allo sgancio indesiderato. Per ovviare a questi inconvenienti e assicurare la continuità di servizio possono essere utilizzati tutta una serie di dispositivi e accorgimenti costruttivi.
I ritardatori di apertura sono speciali accessori che si collegano in parallelo alla bobina e ne allungano i tempi di scarica, ritardando con ciò i tempi di apertura del contattore. Sono in genere dei componenti capacitivi combinati.
La ritenuta meccanica blocca il contattore nella posizione di eccitato impedendo cioè l'apertura dei contatti anche in presenza di un calo prolungato di tensione. Per sbloccare la ritenuta è necessario comandare la relativa bobina a lancio.
I contattori con bobina ad ampio campo di lavoro sono speciali contattori in grado di operare perfettamente anche in presenza di un consistente calo di tensione. Infatti, i normali contattori restano perfettamente chiusi fino all' 80 % della tensione nominale applicata alla bobina. Oltrepassata questa soglia il contattore comincia a "ronzare", quindi permane in una posizione "instabile": non ancora aperto ma neanche più perfettamente chiuso. Nei contattori ad ampio campo di lavoro questa soglia è spostata al 70 % ed oltre. Quindi queste speciali esecuzioni di contattori sono intrinsecamente più adatti a sopportare variazioni nella tensione di comando.
Alimentatori elettronici dove questo effetto è ancor più accentuato, raggiungendo valori fino anche al 50 % della tensione nominale di comando.
Tensioni instabili possono provenire anche da contatti instabili, come quelli dei termostati e altri dispositivi di controllo. Se la fonte del disturbo non può essere eliminata, si consiglia l'utilizzo di un relè d'interfaccia ad ampio campo di lavoro quale ausiliario di comando del contattore o del relè principale.
Conduttori di comando lunghi
Se è necessario utilizzare nei circuiti di comando di contattori e relè dei conduttori molto lunghi (oltre i 100 metri), il perfetto funzionamento è possibile solo se vengono tenute in considerazione le seguenti problematiche:
• massima caduta di tensione ammissibile;
• influsso della capacità dei conduttori sul comando dei contattori in corrente alternata.
Caduta di tensione
Come detto solitamente fino all'80 % del valore nominale della tensione di alimentazione, i contattori funzionano regolarmente (i contattori ad ampio campo di lavoro possono avere valori più ampi, anche fino al 65 - 70 %), inoltre, per un corretto dimensionamento si deve considerare sempre un'oscillazione della tensione di rete del +/- 10 % del valore nominale. Per cui la dv % ammissibile non deve superare il 10 %.
La formula per il calcolo della lunghezza ammissibile è:
Lamm = (5 Vn2 dv %)/(R Ssp cosj)
dove:
Lamm è la lunghezza ammissibile;
Vn la tensione nominale di comando;
dv % la caduta di tensione percentuale ammessa (cioè 10 se trattasi di contattori nominali);
R la resistenza dei cavi di collegamento;
Ssp la potenza apparente di spunto della bobina del contattore;
cosj il fattore di potenza di spunto della bobina del contattore.
Da ciò si evince, che data una certa dv % e una certa Ssp, i provvedimenti che si possono adottare per aumentare la lunghezza ammissibile sono:
- aumentare la tensione di alimentazione;
- aumentare la sezione dei conduttori (poiché si riduce R).
Influsso della capacità dei conduttori
Il problema nasce quando il dispositivo di comando è lontano dal contattore, ad esempio quando i dispositivi di comando sono posti in un quadro di comando separato da quello di potenza. In simili casi può accadere che all'apertura del circuito la bobina non si disecciti a causa delle correnti capacitive che si stabiliscono per effetto delle differenze di potenziale presenti tra i conduttori di comando. Infatti, conduttori a diverso potenziale producono un effetto simile a quello di un condensatore la cui capacità è tanto maggiore quanto maggiore è la lunghezza e il numero di conduttori a diverso potenziale.
Si può, con ciò, definire una lunghezza critica (Lcr) e una capacità critica (Ccr) superate le quali iniziano i problemi. Nel seguito si riportano le formule per determinare la Lcr sia nel caso con comando a pulsante (comando a tre conduttori) che a contatto permanente ( a due conduttori):
contatto a pulsante Lcr = (500xS) / (2x0,3xVn2) x 1000 (in metri)
contatto permanente Lcr = (500xS) / (0,3xVn2) x 1000 ( in metri)
con
S= potenza di ritenuta della bobina.
Se durante la progettazione o la messa in servizio di un impianto, con lunghi conduttori di comando, si rileva che le effettive lunghezze dei conduttori sono maggiori delle loro lunghezze critiche e ad un comando di disinserzione, i contattori non si diseccitano, è necessario che gli effetti della capacità dei conduttori vengano eliminati:
1. impiego di alimentazione in continua come tensione di comando. In continua l'effetto capacitivo che si ha non produce alcuna corrente permanente (vi è solo un transitorio iniziale per la carica dell'ipotetico condensatore);
2. impiego di una tensione di comando inferiore. Attenzione che se si abbassa la tensione di alimentazione si devono verificare le cadute di tensione;
3. impiego di un contattore più grande poiché la Lcr aumenta all'aumentare della potenza della bobina;
4. induttanza del circuito di comando: la condizione della corrente che percorre un conduttore intrecciato (quindi con presenza di effetti induttivi), è più favorevole perché si ha un effetto induttivo aggiuntivo che contrasta quello capacitivo limitando la corrente.
Fenomeni di compatibilità elettromagnetica
Sotto questa dizione rientrano tutti quei fenomeni di mutua interferenza tra apparecchiature e dispositivi elettrici ed elettronici.
In particolare, il problema si pone per i disturbi che le apparecchiature elettriche o elettroniche di potenza (soprattutto se di grossa potenza) possono trasmettere a quelle elettroniche sotto forma di tensioni indotte o picchi di tensione provocati da manovre, armoniche di corrente, campi magnetici.
In particolare i disturbi possono essere provocati da: commutazioni di tiristori, commutazione di carichi induttivi o capacitivi, utenze che lavorano con alte frequenze di rete (per esempio forni ad induzione, saldatrici).
Le parti elettroniche devono essere protette contro questi disturbi con ogni mezzo tecnico adeguato: scaricatori, antidisturbo delle bobine, posa cavi, schermatura cavi, trasformatori di comando separatori, filtri di rete...
In particolare i conduttori di comando dei circuiti elettronici devono essere montati distanti dai conduttori che alimentano i circuiti di potenza altrimenti potrebbero generarsi forti disturbi a causa di fenomeni di accoppiamento induttivo. Buona regola è anche il ricorrere alla loro schermatura.
Anche l'apertura delle bobine di contattori e relè può generare dei disturbi. Infatti, l'energia impegnata nella creazione del campo magnetico della bobina si scarica nei circuiti adiacenti secondo la relazione Li2 (con L induttanza del circuito della bobina e i corrente istantanea assorbita dalla bobina). Durante questa scarica, in assenza della frequenza impressa dalla rete, l'energia assume una frequenza molto alta (sui MHz), con picchi di tensione che possono raggiungere i 10 kV. La scarica iniziale dura pochi ms. Poi si stabiliscono delle onde con frequenza via via decrescente. A causa dei fenomeni di accoppiamento induttivo e capacitivo tra i cavi, i disturbi possono esaltarsi e propagarsi facilmente ad altri circuiti attigui.
Per questa ragione è molto importante utilizzare dei dispositivi antidisturbo delle bobine che fungano da scaricatori.
Antidisturbo delle bobine
Per lo smorzamento di tali sovratensioni si utilizzano dei componenti antidisturbo montati in parallelo alla bobina dei contattori: gruppi RC, diodi e varistori.
I gruppi RC smorzano il fronte ripido di salita della sovratensione di scarica (du/dt) e i picchi di tensione. L'utilizzo dei gruppi RC permette di influire solo minimamente sui tempi di apertura del contattore che aumentano di pochi millisecondi. Esiste il problema che non si adattano molto bene all'impiego in corrente continua. Inoltre, va tenuto in considerazione che assorbono una piccola corrente nel funzionamento ordinario e all'inserzione assorbono un picco di corrente molto intenso a causa della carica del condensatore.
I diodi limitano fortemente i picchi di tensione, ma aumentano purtroppo considerevolmente i tempi di apertura (da 6 a 9 volte). Solo la combinazione del diodo normale con quello Zener (speciale tipo di diodo) le aumenta solo da 2 a 6 volte, ma presenta però un costo elevato. Il grosso limite è però costituito dal fatto che possono funzionare solo in corrente continua.
I varistori (particolari semiconduttori che presentano delle resistenze variabili con la tensione) non influenzano i tempi di apertura (che aumentano solo da 2 a 5 ms), pur limitando notevolmente i picchi di tensione. Però a differenza dei gruppi RC non smorzano il fronte ripido di salita e questo potrebbe determinare in talune situazioni, accoppiamenti capacitivi in grado di generare dei disturbi nei sistemi elettronici adiacenti. Si adattano indifferentemente bene sia in corrente continua sia in corrente alternata, e questo è sicuramente il loro vantaggio principale.
Esistono contattori che hanno già integrati gli antidisturbo.
La scelta di questi componenti si effettua sulla base della tensione di alimentazione, selezionando un componente con una tensione uguale o poco superiore a quella del circuito.
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