Protezione del motore: tipi guasti e dispositivi
Un sistema di protezione per motori è un insieme di dispositivi e metodi che proteggono un motore elettrico da vari guasti e danni. Un motore elettrico è un componente cruciale in molte applicazioni industriali e domestiche, che vanno dagli elettrodomestici più piccoli alle macchine più grandi. Pertanto, è importante assicurare il corretto funzionamento e la sicurezza del motore e del suo circuito.
In questo articolo, discuteremo i tipi di guasti dei motori, i tipi di dispositivi di protezione per motori e come selezionarli in base al National Electrical Code (NEC) e alle caratteristiche del motore.
Cos'è un guasto del motore?
Un guasto del motore è una condizione che causa il funzionamento anomalo o il fallimento del motore. I guasti dei motori possono essere classificati in due categorie principali:
Guasti esterni: questi sono guasti che originano dalla rete di alimentazione o dal carico collegato al motore. Alcuni esempi di guasti esterni sono:
Tensioni di alimentazione sbilanciate: ciò si verifica quando le tensioni trifase non sono uguali in magnitudine o angolo di fase. Questo può causare correnti di sequenza negativa nel motore, che producono perdite aggiuntive, surriscaldamento e pulsazioni di coppia.
Sottotensione: ciò si verifica quando la tensione di alimentazione scende al di sotto del valore nominale del motore. Questo può causare una riduzione della coppia, un aumento della corrente e il surriscaldamento del motore.
Sequenza di fase invertita: ciò si verifica quando l'ordine delle fasi di alimentazione viene invertito. Questo può causare una rotazione inversa del motore, che può danneggiare il carico o il motore stesso.
Perdita di sincronismo: ciò si verifica quando un motore sincrono perde il suo blocco magnetico con la frequenza di alimentazione. Questo può causare uno slittamento eccessivo, caccia e instabilità del motore.
Guasti interni: questi sono guasti che originano dal motore o dall'impianto azionato. Alcuni esempi di guasti interni sono:
Guasto dei cuscinetti: ciò si verifica quando i cuscinetti che supportano l'albero del motore si consumano o si bloccano a causa di attrito, problemi di lubrificazione o stress meccanico. Questo può causare rumore, vibrazione, allineamento dell'albero e stallo del motore.
Surriscaldamento: ciò si verifica quando la temperatura del motore supera il limite termico a causa di sovraccarichi, raffreddamento insufficiente, condizioni ambientali o rottura dell'isolamento. Questo può causare il deterioramento dell'isolamento, danni agli avvolgimenti e riduzione dell'efficienza del motore.
Guasto degli avvolgimenti: ciò si verifica quando gli avvolgimenti del motore sono cortocircuitati o aperti a causa di rottura dell'isolamento, stress meccanico o guasti esterni. Questo può causare scintille, fumo, incendio e perdita di coppia nel motore.
Guasto a terra: ciò si verifica quando un conduttore di fase del motore entra in contatto con una parte a massa del circuito o dell'equipaggiamento. Questo può causare correnti di guasto elevate, danni all'isolamento e all'equipaggiamento, e potenziali rischi di shock.
I guasti dei motori possono avere conseguenze serie sulle prestazioni, sulla sicurezza e sulla durata del motore e del suo circuito. Pertanto, è essenziale rilevarli e proteggersene utilizzando dispositivi e metodi appropriati.
Cos'è un dispositivo di protezione per motori?
Un dispositivo di protezione per motori è un dispositivo che monitora e controlla uno o più parametri del motore o del suo circuito, come corrente, tensione, temperatura, velocità o coppia. Lo scopo di un dispositivo di protezione per motori è prevenire o minimizzare i danni al motore e al suo circuito in caso di guasto o condizione anomala.
Esistono diversi tipi di dispositivi di protezione per motori a seconda della loro funzione, principio e applicazione. Alcuni tipi comuni sono:
Fusibili: questi sono dispositivi che interrompono il circuito quando una corrente elevata scorre attraverso di essi a causa di un cortocircuito o sovraccarico. Sono costituiti da una striscia o filo metallico che si fonde quando riscaldato dalla corrente di guasto. I fusibili sono dispositivi semplici, economici e affidabili che forniscono una protezione rapida contro i cortocircuiti. Tuttavia, presentano alcuni svantaggi, come:
Non sono riutilizzabili e devono essere sostituiti dopo ogni operazione.
Non forniscono protezione contro sovraccarichi o sottotensioni.
Non forniscono indicazione o isolamento del punto di guasto.
Disjutori: questi sono dispositivi che interrompono il circuito quando una corrente elevata scorre attraverso di essi a causa di un cortocircuito o sovraccarico. Sono costituiti da un paio di contatti che si aprono o chiudono tramite un meccanismo elettromeccanico attivato da un elemento di rilevamento. I disjutori sono più avanzati dei fusibili in quanto forniscono quanto segue:
Riutilizzabilità e reimpostabilità dopo ogni operazione.
Protezione contro sovraccarichi e sottotensioni regolando le loro impostazioni di trip.
Indicazione e isolamento del punto di guasto tramite operazione manuale o automatica.
Relè di sovraccarico: questi sono dispositivi che interrompono il circuito quando una corrente elevata scorre attraverso di essi a causa di un sovraccarico. Sono costituiti da un elemento di rilevamento che misura la corrente e un contatto che si apre o chiude tramite un meccanismo elettromeccanico o elettronico. I relè di sovraccarico sono progettati per proteggere i motori dal surriscaldamento e dal danno all'isolamento a causa di sovraccarichi prolungati o tensioni sbilanciate. Esistono due tipi principali di relè di sovraccarico:
Risposta più rapida e migliore protezione contro le correnti di cortocircuito o i guasti a terra.
Immunità alla temperatura ambiente e nessuna necessità di regolazione.
Maggior precisione e ripetibilità grazie al processamento digitale.
Funzioni aggiuntive come rilevamento della perdita di fase, rilevamento della rotazione inversa, comunicazione e diagnostica.
Sono lenti a rispondere e potrebbero non proteggere contro le correnti di cortocircuito o i guasti a terra.
Sono influenzati dalla temperatura ambiente e potrebbero dover essere regolati di conseguenza.
Hanno una precisione e ripetibilità limitate a causa dell'usura meccanica.
Relè di sovraccarico termico: questi sono dispositivi che utilizzano una lamina bimetallica o un elemento riscaldante per rilevare l'aumento di temperatura della corrente del motore. Quando la corrente supera il valore preimpostato, l'elemento termico si piega o si fonde, causando l'apertura o la chiusura del contatto. I relè di sovraccarico termico sono dispositivi semplici, economici e affidabili che forniscono protezione a tempo inverso, ovvero scattano più rapidamente per sovraccarichi più elevati. Tuttavia, presentano alcuni svantaggi, come:
Relè di sovraccarico elettronici o digitali: questi sono dispositivi che utilizzano un trasformatore di corrente o un resistore shunt per misurare la corrente del motore e un microprocessore o un circuito a stato solido per controllare il contatto. Quando la corrente supera il valore preimpostato, l'elemento elettronico invia un segnale per aprire o chiudere il contatto. I relè di sovraccarico elettronici o digitali sono più avanzati dei relè termici in quanto forniscono:
Relè di protezione differenziale: questi sono dispositivi che confrontano le correnti ai terminali di ingresso e uscita del motore o del suo avvolgimento. Quando la differenza tra le correnti supera un certo valore, indicando un guasto dell'avvolgimento, il relè interrompe il circuito. I relè di protezione differenziale sono dispositivi molto sensibili e affidabili che forniscono una protezione rapida contro i guasti fase-fase e fase-terra nei motori a bassa e alta tensione.
Relè di protezione contro la rotazione inversa: questi sono dispositivi che rilevano la direzione di rotazione del motore e impediscono che giri in senso inverso. La rotazione inversa può danneggiare il motore o il carico, specialmente in applicazioni come nastri trasportatori, pompe o ventilatori. I relè di protezione contro la rotazione inversa possono utilizzare diversi metodi per rilevare la direzione di rotazione, come:
Rilevamento della sequenza di fase: questo metodo utilizza un relè di tensione o un relè wattmetrico per misurare la sequenza di fase della tensione di alimentazione. Se la sequenza di fase è invertita, indicando una rotazione inversa, il relè interrompe il circuito.
Rilevamento della sequenza negativa: questo metodo utilizza un relè di corrente o un relè di potenza per misurare il componente di sequenza negativa della corrente del motore. Se il componente di sequenza negativa è elevato, indicando una rotazione inversa, il relè interrompe il circuito.
Rilevamento della velocità: questo metodo utilizza un sensore di velocità o un tachimetro per misurare la velocità dell'albero del motore. Se la velocità è negativa, indicando una rotazione inversa, il relè interrompe il circuito.
Come selezionare i dispositivi di protezione per motori?
La selezione dei dispositivi di protezione per motori dipende da diversi fattori, come:
Il tipo e la dimensione del motore
Le caratteristiche e le valutazioni del motore
Il tipo e la gravità dei possibili guasti
I requisiti del NEC e di altri standard
Il costo e la disponibilità dei dispositivi
L'articolo 430 del NEC fornisce regole e linee guida generali per la selezione dei dispositivi di protezione per motori basate su questi fattori. Tuttavia, è anche importante consultare le raccomandazioni e le specifiche del produttore per ogni motore e dispositivo.
Alcuni passaggi generali per la selezione dei dispositivi di protezione per motori sono:
Determinare la corrente a pieno carico (FLC) del motore dalla sua targhetta o dalle tabelle 430.250 del NEC per i motori CA o dalla tabella 430.251(B) per i motori CC.
Selezionare un dispositivo di protezione contro il sovraccarico che può gestire almeno il 115% della FLC per i motori con un fattore di servizio di 1,15 o superiore o con un aumento di temperatura di 40°C o meno; o il 125% della FLC per gli altri motori. Il dispositivo di protezione contro il sovraccarico può essere un relè di sovraccarico termico, un relè di sovraccarico elettronico o digitale, o un relè di protezione differenziale, a seconda del tipo e della dimensione del motore.
Selezionare un dispositivo di protezione contro cortocircuiti e guasti a terra che può gestire almeno il 150% della FLC per i motori con un fattore di servizio di 1,15 o superiore o con un aumento di temperatura di 40°C o meno; o il 175% della FLC per gli altri motori. Il dispositivo di protezione contro cortocircuiti e guasti a terra può essere un fusibile o un disjuttore, a seconda del tipo e della dimensione del motore.
Selezionare un dispositivo di protezione contro la rotazione inversa se il motore o il carico non possono tollerare la rotazione inversa. Il dispositivo di protezione contro la rotazione inversa può essere un relè di rilevamento della sequenza di fase, un relè di rilevamento della sequenza negativa o un relè di rilevamento della velocità, a seconda del tipo e della dimensione del motore.
Selezionare le dimensioni dei conduttori per il circuito del motore in base alle tabelle 310.15(B)(16) del NEC per l'installazione generale e alla tabella 430.250 del NEC per i circuiti di ramo del motore. I conduttori devono avere un amperaggio non inferiore al 125% della FLC per i motori con un fattore di servizio di 1,15 o superiore o con un aumento di temperatura di 40°C o meno; o al 115% della FLC per gli altri motori.
Selezionare i dispositivi e i metodi appropriati per il controllo, l'avviamento, l'arresto, la regolazione della velocità e la comunicazione in base al tipo e all'applicazione del motore.
Conclusione
La protezione dei motori è un aspetto vitale dell'ingegneria elettrica che garantisce la sicurezza ed efficienza dei motori elettrici e dei loro circuiti. I dispositivi di protezione per motori vengono selezionati in base al tipo e alla dimensione del motore, al tipo e alla gravità dei possibili guasti, ai requisiti del NEC e di altri standard, e al costo e alla disponibilità dei dispositivi. I dispositivi di protezione per motori includono fusibili, disjutori, relè di sovraccarico, relè di protezione differenziale e relè di protezione contro la rotazione inversa. I dispositivi di protezione per motori monitorano e controllano parametri come corrente, tensione, temperatura, velocità e coppia per prevenire o minimizzare i danni al motore e al suo circuito in caso di guasto o condizione anomala.
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