84 Quadri elettrici di automazione

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1 84 Quadri elettrici di automazione 1. Costituzione dei quadri elettrici La norma EN (CEI 17-13/1) definisce il quadro elettrico come la combinazione, in un unico complesso, di apparecchiature elettriche destinate a svolgere, in un impianto elettrico, funzioni di protezione e di manovra, con gli eventuali relativi dispositivi di comando, misura, segnalazione. ❿ Pur non esistendo una trattazione normativa, comunemente si distinguono come quadri elettrici quelli di dimensioni ridotte e di solito appesi a supporti o parti della macchina da controllare e come armadi elettrici quelli di dimensioni maggiori che poggiano sul pavimento; di conseguenza i due termini hanno puramente carattere dimensionale; nel presente testo il termine sarà sempre quadro elettrico. Il quadro elettrico ❿ comprende tutte le interconnessioni elettriche e meccaniche interne, compresi gli elementi strutturali di supporto. Nel contesto del presente capitolo il riferimento sarà solamente relativo ai quadri di automazione cioè quelli comunemente denominati quadri a bordo macchina, intendendo con questo termine sia quelli contenenti dispositivi di potenza, misura comando e segnalazione, sia quelli di solo controllo e supervisione. In ogni quadro si possono distinguere due parti fondamentali: le parti attive; le parti meccaniche. Le parti attive comprendono: i circuiti principali di potenza, destinati al trasporto dell energia elettrica dalla linea agli attuatori attraverso dispositivi di sezionamento protezione e manovra; detti circuiti comprendono anche gli arrivi (alimentazioni) del quadro, le terminazioni per i cavi di potenza, raccordi per le sbarre (per potenze elevate) e le partenze per i circuiti esterni al quadro, nonché i morsetti o connettori di allacciamento; i circuiti ausiliari per il comando, misura, segnalazione e controllo, comprendente anche dispositivi sofisticati quali apparecchi di supervisione, pannelli operatore, PLC, IPC. Per i circuiti ausiliari la potenza in gioco è modesta, per cui si adottano spesso tensioni ridotte (24, 48, 110 V) sia in DC che in AC. I conduttori dei circuiti ausiliari, di norma, sono costituiti da cavi che si attestano ai morsetti degli apparecchi o alle morsettiere. L insieme dei collegamenti dei due circuiti è detto cablaggio ( par. 5). Le parti meccaniche comprendono la struttura di supporto delle apparecchiature elettriche e possono essere in metallo oppure, nel caso di piccoli quadri (fig. 1), in materiale plastico (poliestere, vetroresina od altri). Nel caso di quadri metallici si ha un telaio portante (che svolge la funzione di sostegno) realizzato con profilati in acciaio ed un involucro (che svolge la funzione di protezione) comprendente: copertura, portelle e pannelli. Il materiale utilizzato è solitamente l acciaio, trattato e verniciato per renderlo resistente alla corrosione; i trattamenti di protezione sono indispensabili per quadri impiegati in ambienti con atmosfere aggressive (umidi, salini, con presenza AUTOMAZIONE INDUSTRIALE 377

2 a) Fig. 1. a) Quadro stagno SAREL in poliestere di piccole dimensioni (da catalogo SIFE): 1) corpo e porta del quadro in materiale isolante; 2) cerniere invisibili; 3) chiusura stagna a chiave triangolare; 4) guarnizione a tenuta stagna; 5) guide scorrevoli per fissaggio pannello. b) Pannelli di fondo per quadri sui quali verranno fissate le apparecchiature elettriche (da catalogo VEMER). b) 2. Quadri AS e ANS di inquinanti chimici, ecc.). Nell industria alimentare si impiegano acciai inox. La struttura meccanica deve avere le seguenti caratteristiche: resistere al peso delle apparecchiature e alle sollecitazioni per sforzi elettrodinamici (in caso di c.to c.to), alle sovrapressioni (archi interni) e agli urti esterni; consentire l accessibilità (mediante portelle e pannelli amovibili) all interno del quadro per consentire la manutenzione; assicurare il grado di protezione IP previsto; assicurare la protezione delle persone contro i contatti diretti (con ripari e involucri che impediscano il contatto delle persone con parti attive); assicurare la protezione contro i contatti indiretti, ottenuta con il doppio isolamento o connessione a circuiti di protezione (impianto di terra). ❿ Scopo delle prove di tipo è la verifica della conformità di un dato tipo di quadro alle prescrizioni della norma relativa (CEI 17-13/1) e vanno effettuate su un esemplare di quadro o su parti del quadro che siano costruite secondo lo stesso progetto o progetti simili. ❿ Le prove individuali hanno lo scopo di rilevare difetti inerenti ai materiali ed alla fabbricazione. Tali prove sono effettuate su ogni nuovo quadro dopo il suo montaggio. La norma EN , già citata, classifica i quadri in due diverse tipologie: AS e ANS. I quadri AS sono realizzati da ditte specializzate, completi di carpenteria e apparecchi già montati oppure da assiemare, a cura dell installatore, rispondenti alla normativa seguendo le istruzioni del costruttore. Per questi quadri il costruttore stesso ha eseguito una serie di prove di tipo ❿ su prototipi (supponendo che possano essere estese a tutta la produzione). I quadri ANS sono invece quelli ai quali sono state apportate una o più modifiche significative alla struttura di base (AS). In questo caso occorre eseguire una serie di calcoli per verificare, in via teorica, che le condizioni di esercizio (temperatura, tenuta al c.to c.to) rimangano entro limiti accettabili. Su tutti i quadri, sia AS che ANS, occorre eseguire, a montaggio ultimato, una serie di prove individuali ❿ (su ogni esemplare di quadro). 378 APPLICAZIONI INDUSTRIALI DI AUTOMAZIONE

3 3. Apparecchi per il condizionamento climatico dei quadri Fig. 2. Sistema di ventilazione per quadro. Per facilitare la circolazione dell aria, il ventilatore è disposto nella parte bassa del quadro e l apertura di uscita sulla parte opposta in alto (da catalogo VEMER). a) Entrata e uscita dell aria poste nei pannelli laterali; b) entrata dell aria nella porta e uscita nei pannelli laterali; c) entrata e uscita dell aria nella porta. È opportuno prevedere, per i quadri, forme di condizionamento climatico a secondo dei casi: ventilazione: l energia termica dissipata all interno del quadro dai componenti, causa elevati livelli di temperatura interna per il cui smaltimento è necessaria l installazione di un ventilatore. L apparecchio immetterà aria filtrata a bassa temperatura all interno del quadro, facendola circolare, per poi espellerla, asportando il calore interno (fig. 2). resistenze anticondensa: garantiscono una certa temperatura minima nel quadro, nel caso di basse temperature esterne che formerebbero condense nel quadro stesso. a) b) c) 4. Problemi di compatibilità elettromagnetica nei quadri ❿ L EMC è disciplinata da una Direttiva CEE (Direttiva 89/336/CEE modificata dalle Direttive 92/31/CEE, 93/68/CE e 93/67 CEE) che stabilisce una serie di requisiti essenziali che le apparecchiature e gli impianti elettrici ed elettronici, commercializzati nell ambito del territorio della Comunità Europea, devono possedere; gli apparecchi rispondenti a tale normativa devono essere contraddistinti dalla marcatura CE. In pratica la Direttiva Europea si limita a stabilire una serie di obiettivi generali rinviando alla normativa tecnica armonizzata (norme EN) la definizione dei valori limite e dei metodi di valutazione dei valori di emissione e di immunità. La crescente presenza nei quadri di automazione di dispositivi elettronici, confinati spesso in spazi limitati, rende assai problematica la situazione nei riguardi della compatibilità elettromagnetica (EMC) ❿. La compatibilità elettromagnetica descrive la capacità di un singolo apparecchio o impianto sia di funzionare correttamente in presenza di campi elettromagnetici esterni, sia di non produrre, a sua volta, disturbi elettromagnetici che possano influenzare altri dispositivi. La EMC presenta quindi due aspetti: l immunità, che riguarda la capacità di funzionare correttamente in presenza di campi elettromagnetici generati da altri apparati/impianti; l emissione che riguarda il contenimento dei disturbi generati. I due problemi citati sono riconducibili a disturbi condotti e disturbi irradiati: per disturbi condotti si intendono i segnali, non voluti, presenti sotto forma di tensioni e correnti sui conduttori che sono connessi all apparato (singolo impianto od apparecchiatura), mentre i disturbi irradiati sono costituiti da quelle onde elettromagnetiche, non volute, presenti nell ambiente in cui l apparecchiatura o impianto è collocato. AUTOMAZIONE INDUSTRIALE 379

4 I rimedi fondamentali consistono, sinteticamente, in alcuni provvedimenti. Immunità: connessione dei circuiti ad un potenziale di riferimento; interconnessione della struttura conduttrice (es. parti metalliche); pratiche di cablaggio (schermi elettrostatici, elettromagnetici, conduttori intrecciati ed incroci a 90, ecc.); separazione dei circuiti (es. segnale e potenza). Emissione: soppressione alla sorgente utilizzando condensatori, diodi, varistori, filtri o una combinazione degli stessi; schermatura dell equipaggiamento in involucro conduttivo equipotenziale separato dal restante equipaggiamento. Poiché le problematiche di EMC dipendono fortemente dalle condizioni di installazione, è importante che l utilizzatore/installatore degli apparati montati nel quadro si attenga scrupolosamente, in fase di montaggio, alle istruzioni del costruttore (fig. 3). Fig. 3. Istruzioni di montaggio fornite dal costruttore per l installazione elettrica di apparati conforme ai requisiti EMC all interno di un quadro di automazione. La sigla VLT 5000 rappresenta un inverter (da manuale DANFOSS). 380 APPLICAZIONI INDUSTRIALI DI AUTOMAZIONE

5 5. Cablaggio del quadro Le disposizioni elencate nel seguito sono tratte da vari articoli della norma EN (CEI 44-5). Il cablaggio rappresenta l insieme dei conduttori di potenza e segnale assiemati all interno del quadro e collegati ai vari dispositivi di potenza, misura, segnalazione, controllo, nonché ai morsetti di alimentazione del quadro e degli attuatori presenti sulla macchina da controllare. La c.d.t. nei conduttori, dal punto di arrivo dell alimentazione al carico, non deve superare il 5% della U n in condizioni di funzionamento normali. L identificazione dei conduttori tramite colore è stabilita dalla citata norma CEI L inizio e la fine dei conduttori vanno identificati con un apposita individuazione numerica o alfanumerica, tramite segnafili anulari infilati sul conduttore stesso; è preferire l uso dei capicorda con tubetto isolante per le connessioni dei conduttori ai componenti del quadro. I conduttori devono essere stesi da un morsetto all altro senza giunzioni intermedie o saldature. Se durante il cablaggio è necessario collegare conduttori con caratteristiche costruttive diverse, collegati a circuiti operanti a tensioni differenti, essi vanno separati da barriere (canaline a più scomparti) oppure isolati per la tensione più elevata a cui può essere sottoposto ogni conduttore della stessa canalina. Morsettiere I morsetti delle morsettiere (fig. 4) devono essere chiaramente identificati per trovare corrispondenza nello schema elettrico a corredo del quadro, prevedendo un certo numero di morsetti di riserva per eventuali ampliamenti. Fig. 4. Esempio di morsettiera con morsetti di varia grandezza composti per profilato EN A sinistra la piastra di bloccaggio, al centro una piastrina di separazione (per morsetti a tensioni diverse), alla fine la piastra terminale fissata all ultimo morsetto (da catalogo WEID- MÜLLER). Canaline I conduttori che collegano i componenti del quadro scorrono all interno delle canaline (fig. 5) scelte in base al numero e sezione dei conduttori stessi lasciando una percentuale vuota per il raffreddamento, modifiche, ampliamenti. Fig. 5. Tipologie di canaline portacavi aperte in PVC per cablaggio (da catalogo LEGRAND). AUTOMAZIONE INDUSTRIALE 381

6 Componentistica I componenti dei quadri sono di norma fissati a scatto su guide normalizzate EN (denominate usualmente a omega ), oppure EN (denominate usualmente a G ); queste designazioni derivano dal particolare profilo delle guide (fig. 6) che, a loro volta, sono fissate sul pannello di fondo del quadro. Fig. 6. Tipologie di guide normalizzate per il montaggio rapido degli apparecchi nei quadri: in alto EN , (guida a G ) in basso EN (guida Omega ) (da catalogo SCAME). Portello e pannello di fondo Sul portello, oltre agli elementi di comando, segnalazione e controllo, trova posto il dispositivo di sezionamento dell alimentazione che deve essere uno dei seguenti tipi: un interruttore sezionatore; un sezionatore; un interruttore automatico; una combinazione presa-spina; una spina o una presa di corrente e un connettore. Se le parti attive fissate sul pannello di fondo sono protette contro i contatti diretti con un grado di protezione almeno uguale a IP2X, non è necessario che il dispositivo di sezionamento abbia incorporato il blocco porta. Sul pannello (fig. 7), la collocazione dei componenti è delimitata da zone o settori per una logica suddivisione e un più razionale cablaggio interno. Questo tipo di disposizione (layout) è solo indicativo e dipende da vari fattori quali: la complessità del quadro, la sua dislocazione, la connessione o meno ad altri quadri, ecc. Fig. 7. Portello e pannello di fondo di un quadro con denominazione dei componenti; questa schematizzazione (layout) è solitamente usato negli schemi di automazioni. 382 APPLICAZIONI INDUSTRIALI DI AUTOMAZIONE

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