Protezione e comando. le altre soluzioni presenti nella letteratura : la conclusione sarà che la stessa risulta non idonea ad assicurare

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1 Sicurezza di Emilio Giovannini, Vittorio Dal Degan, Davide De Carli, Roberto Gabbrielli Protezione e comando dei motori degli apparecchi di sollevamento (prestazioni e conformità ai requisiti essenziali di sicurezza) Illustriamo lo stato dell arte degli apparecchi di sollevamento, basato sull esperienza maturata dai tecnici della ASL1 di Massa Carrara che svolgono, per mandato istituzionale, verifiche periodiche su tali apparecchi allo scopo di accertarne il corretto stato d esercizio Nel corso delle verifiche periodiche degli apparecchi di sollevamento sono stati acquisiti numerosi schemi elettrici e, da questi, risulta che la maggior parte dei costruttori utilizza come dispositivo di protezione dei motori elettrici una semplice terna di fusibili, priva di meccanismo automatico che interrompa tutte le fasi in caso d intervento anche di uno solo di essi. Questa soluzione tecnica sarà messa in quest articolo a confronto con le altre soluzioni presenti nella letteratura : la conclusione sarà che la stessa risulta non idonea ad assicurare un efficace protezione del motore elettrico, contravvenendo quindi ai principi della buona tecnica e, in particolare, alle prescrizioni dell art. 7.3 della norma armonizzata CEI EN :1999 ( Equipaggiamento elettrico delle macchine - Parte 32: Prescrizioni per le macchine di sollevamento ), in vigore al momento della messa in esercizio della maggior parte delle macchine analizzate. La non efficace protezione del motore espone lo stesso al rischio di guasti più frequenti e di maggiore importanza, con conseguente aumento degli oneri per gli utilizzatori, legati sia ai costi di riparazione che all eventuale fermo dell attività. Infatti, considerando che in un apparecchio di sollevamento i motori sono spesso collocati in posizione difficilmente accessibile (a diversi metri d altezza da terra), si allungano i tempi d intervento RIS maggio/giugno

2 per la ricerca e la riparazione del guasto. È inoltre da evidenziare che il personale che effettua le riparazioni è spesso esposto a condizioni di rischio elevato. Sarà poi analizzata, come case history, una macchina in cui la protezione del motore elettrico per il sollevamento del carico è realizzata con terna di fusibili priva di meccanismo di sgancio simultaneo, dimostrando che l intervento di uno dei fusibili provoca la discesa libera del carico, nonostante l operatore ne comandi la salita. Tale comportamento è stato ritenuto non conforme ai Requisiti Essenziali di Sicurezza di cui all art (Controllo dei movimenti) dell allegato I del D.P.R. 24/07/1996 n. 459 (in vigore al momento della segnalazione) e, come tale, è stato segnalato al Ministero del Lavoro e al Ministero dello Sviluppo Economico per i provvedimenti di competenza. La non conformità permane anche ai sensi del D. Lgs. 27/01/2010 n. 17, poiché l articolo di cui sopra è sostanzialmente invariato rispetto a quanto indicato nella direttiva precedente. Introduzione Il motore più utilizzato negli apparecchi di sollevamento è quello a induzione trifase a campo rotante: esso, che è il motore asincrono trifase, è largamente adottato poiché si caratterizza per elevata robustezza e affidabilità, bassi costi di manutenzione, semplicità costruttiva, costi relativamente contenuti, velocità di funzionamento e sostanziale assenza di limitazioni ambientali. È comunque opportuno notare che tali motori sono dotati di un basso fattore di potenza e le eventuali variazioni di carico influenzano fortemente l efficienza del sistema di regolazione della velocità in catena aperta. Un ulteriore aspetto critico dei motori asincroni riguarda l avviamento, durante il quale è necessaria un elevata corrente, comunemente denominata corrente di spunto, e pari a circa otto volte quella nominale. Tale corrente causa una sollecitazione considerevole per la macchina elettrica e per l impianto che la alimenta. L avviamento diretto del motore provoca, inoltre, un elevata coppia iniziale la quale, data la tipologia inerziale del carico, induce vibrazioni e sollecitazioni impulsive che si vanno ad aggiungere a quelle legate al normale funzionamento e che provocano fenomeni di fatica riguardanti meccanismi e struttura meccanica. Allo scopo di ridurre questi effetti è generalmente utilizzato l avviamento stella-triangolo, che consente la riduzione della corrente nella prima fase dell avviamento. Tuttavia si osserva che nel passaggio dal collegamento a stella a quello a triangolo si verifica un picco di corrente paragonabile a quello che si ottiene nel caso di avviamento diretto, il che rende questo genere d avviamento inefficace dal punto di vista elettrico. Il motore più utilizzato negli apparecchi di sollevamento è quello a induzione trifase a campo rotante Un efficace riduzione della corrente di spunto può ottenersi mediante l utilizzo di apparecchiature elettroniche, quali soft-starter e inverter: entrambe sono elettroniche e consentono di realizzare un avviamento progressivo con rampa di tensione con pendenza regolabile. Rispetto al soft starter, l inverter consente di ottenere un avvio ancora più graduale e di raggiungere la corrente nominale senza sovraelongazioni (Fig. 1). Inoltre, in quest immagine sono confrontati tra loro i sistemi più utilizzati per l avviamento dei motori degli apparecchi di sollevamento relativamente alla corrente di spunto. Protezione dei motori I più comuni sistemi di protezione dei motori si basano sulla rilevazione delle correnti di alimentazione della macchina, provvedendo a interrompere l alimentazione nel caso in cui venga riconosciuta una situazione anomala. Si riducono così gli effetti delle sovracorrenti (cortocircuito o sovraccarico) che potrebbero portare a temperature anormali di funzionamento. Rilevando le correnti di fase, i sistemi sono in grado quindi di proteggere il motore contro la marcia monofase, richiesta da tutti i costruttori di motori elettrici. La protezione dei motori contro il surriscaldamento deve essere prevista per ciascun motore avente potenza nominale maggiore di 2 kw. Per le applicazioni in cui è inaccettabile un interruzione automatica del funzionamento del motore (ad esempio, dispositivi che trattengono il carico), i sistemi di rivelazione devono generare un segnale di avvertimento al quale l operatore possa rispondere (norma tecnica CEI EN ). Come indicato nella norma sopracitata all art. 7.3, la protezione contro il surriscaldamento dei motori può essere ottenuta mediante protezione contro i sovraccarichi, protezione dalle sovratemperature e protezione mediante limitatore di corrente. Inoltre, si precisa che quando la protezione contro i sovraccarichi si ottiene mediante interruzione, il dispositivo deve interrompere tutti i conduttori attivi. Fig. 1: Confronto, in termini di correnti di spunto, tra i sistemi più utilizzati per l avviamento dei motori degli apparecchi di sollevamento. maggio/giugno 2012 RIS 69

3 Sicurezza Esempio di quadro gru classico (foto 1) e di quadro inverter (foto 2, 3 e 4) Per quanto riguarda la protezione dei motori asincroni, le soluzioni sono molteplici e si basano sulla rilevazione delle correnti di fase, le quali sono paragonate con i valori di riferimento (caratteristica tempo-corrente del motore). Nel caso in cui le correnti misurate superino i valori standard di funzionamento, il dispositivo provvede a interrompere l alimentazione. I soli fusibili non offrono una protezione efficace, poiché la soglia d intervento si discosta eccessivamente dalla caratteristica tempo-corrente del motore; inoltre, l interruzione dell alimentazione si ha solo in presenza di sovracorrenti molto elevate ed è quindi possibile che il motore lavori per lunghi periodi in condizioni di sovraccarico elettrico. Si evidenzia inoltre che i fusibili sono installati su basi prive di meccanismo per l apertura simultanea di tutti i poli; sussiste quindi il pericolo che intervenga uno solo dei fusibili, consentendo il funzionamento del motore con due sole fasi di alimentazione (marcia monofase del motore). Non risulta quindi impedita la marcia monofase, nonostante tutti i costruttori di motori elettrici ne facciano esplicita prescrizione all interno del manuale d uso e manutenzione. In questo caso la potenza erogata dal motore si riduce del 42% e, parallelamente, uno degli avvolgimenti assorbe circa il 15% 4 in più rispetto a quanto non avviene nel funzionamento normale, con il pericolo di surriscaldamento del motore e conseguente interruzione dell avvolgimento stesso. È quindi opportuno abbinare alla terna di fusibili un relè termico, sensibile alla mancanza di fase e compensato in temperatura. Un ulteriore miglioramento si può ottenere utilizzando apparecchiature elettroniche quali soft-starter e inverter, in quanto esse rilevano con continuità le correnti di fase e interrompono più prontamente l erogazione in caso di funzionamento anomalo del motore (sovraccarico, cortocircuito o assenza di una delle fasi). Case history e non conformità ai requisiti essenziali di sicurezza Si considera ora una case history riguardante una gru a ponte bitrave e, sulla base dell esperienza derivante dalla conduzione dell attività di verifica periodica di apparecchi di sollevamento svolta dalla U.O. Verifiche Periodiche dell ASL 1 di Massa Carrara (vedi foto a corredo dell articolo), si analizzano alcune caratteristiche costruttive dell apparecchiatura, formulando delle osservazioni concernenti prestazioni, efficienza e Requisiti Essenziali di Sicurezza del sistema di cui al DPR 459/96 ( Regolamento di attuazione della Direttiva Macchine ). Per quanto già esposto, tale comportamento risulterebbe non conforme anche ai sensi del D. Lgs. 27/01/2010 n. 17. Si precisa che il costruttore della macchina, nella dichiarazione di conformità CE, indica la CEI EN :1998 e la CEI EN :1999 tra le norme armonizzate e le regole tecniche adottate per progettazione e realizzazione dell impianto elettrico della stessa. La gru considerata è elettrica a ponte bitrave, ha una portata nominale di 10 t, scartamento pari a 19 m e corsa del gancio di 8 m: essa opera all interno di un capannone industriale in cui si svolgono attività riguardanti la realizzazione di carpenteria metallica. Le vie di corse sono poste a un altezza di circa 8 m e il quadro elettrico di comando è installato sulla struttura della gru. Il sistema di comando è realizzato impiegando la consueta logica a relè senza adoperare alcun dispositivo elettronico. La gru è comandata utilizzando una pulsantiera pensile o un radiocomando. L argano utilizza due motori elettrici, entrambi protetti da una semplice terna di fusibili: quello principale è da 9 kw; quello ausiliario da 1,1 kw. Il primo è utilizzato per eseguire operazioni di sollevamento veloce (v = 4 m/min) ed è dotato di servofreno a ceppi oleodinamico con apertura freno comandata da motore elettrico trifase alimentato in parallelo; il secondo è utilizzato per il sollevamento lento (v = 0,5 m/min) e adotta un sistema di frenatura elettromagnetico a corrente continua, il cui comando di apertura è eseguito con elettromagnete alimentato da due fasi del motore ausiliario stesso. Quando la macchina funziona in modalità sollevamento o abbassamento veloce, il motore principale entra in funzione e il motore ausiliario è disac- RIS maggio/giugno

4 Fig. 2: Schema elettrico dell impianto di alimentazione del motore ausiliario di sollevamento M3 entrambi i motori elettrici (del sollevamento e del servofreno) la protezione è realizzata utilizzando una semplice terna di sezionatori-fusibili priva di meccanismo per la simultanea interruzione di tutte le fasi. L intervento di uno dei fusibili pone in marcia monofase entrambi i motori o anche soltanto il motore del servofreno. Da qui l evidente non conformità a quanto prescritto nella norma. Il circuito è simile a quello adottato in numerosi apparecchi di sollevamento, tale da poterlo considerare di fatto uno standard. Si sottolinea, inoltre, che nel manuale d uso e manutenzione della macchina non sono contemplate, evidenziate e analizzate condizioni anomale di funzionamento di questo tipo e che quindi, probabilmente, i rischi da esse derivanti non sono stati adeguatamente valutati dal costruttore in fase di progettazione. Al fine di risolvere tale non conformità ai Requisiti Essenziali di Sicurezza del DPR 459/96 è sufficiente installare un sezionatore con fusibili con apertura simultanea dei poli. Tuttavia resterebbe insoluto il problema della protezione del motore eletcoppiato; nel caso si presentino delle anomalie, il freno del motore principale si deve chiudere e impedire la rotazione libera del tamburo. Viceversa, in modalità sollevamento o abbassamento lento è il motore principale a essere disaccoppiato e, in caso di anomalie, il freno del motore ausiliario interviene impedendo la rotazione del tamburo. Quando non vengono attivati i comandi di salita e discesa, l apparecchio di sollevamento si trova in condizioni statiche, il motore principale è accoppiato e il freno di tale motore impedisce la rotazione del tamburo. Come descritto precedentemente e come si può notare analizzando lo schema elettrico riportato in Fig. 2, il circuito che comanda lo sblocco del motore ausiliario di sollevamento (M3) è di tipo bifase. Inoltre, il sezionatore con portafusibili (F30) non è dotato di un meccanismo automatico che provochi l interruzione contemporanea di tutte le fasi qualora intervenga uno solo dei fusibili. Quindi, nel caso in cui il motore ausiliario M3 sia accoppiato al tamburo e sia quindi attiva la modalità sollevamento o abbassamento lento, l intervento del fusibile posto tra i morsetti 5 e 6 di F30 non provoca l intervento del freno. In tal caso il carico può dunque muoversi liberamente. Quanto evidenziato finora è stato confermato eseguendo una prova di sollevamento del carico, in modalità salita lenta, dopo aver rimosso da F30 il fusibile che agisce sulla terza fase (L3). Infatti, premendo il pulsante relativo il freno si sblocca, il carico scende anziché salire e la velocità di discesa del carico è limitata dal riduttore, che trasmette il moto dal motore al tamburo. In queste condizioni i comandi rimangono alimentati e non è abilitata alcuna segnalazione di pericolo. Si ritiene che la macchina non sia quindi conforme ai Requisiti Essenziali di Sicurezza individuati nel DPR 459/96 e, in particolare, a quanto indicato al punto comma c) dell allegato I di tale DPR ( La macchina dev essere progettata e costruita in modo che i carichi non possano derivare pericolosamente o cadere improvvisamente in caduta libera, anche in caso di interruzione parziale o totale di energia o quando cessa l azione dell operatore ). La soluzione adottata risulta inoltre essere non conforme a quanto espressamente prescritto dalla norme CEI EN e CEI EN , in quanto se la protezione contro il sovraccarico è assicurata da un interruzione, il dispositivo di protezione deve interrompere tutti i conduttori attivi (art. 7.3 norma CEI EN ). Ciò a dire che quando una qualsiasi causa provocasse l intervento della protezione (ad esempio, una sovracorrente in una delle fasi), tutti i conduttori attivi dovranno essere posti fuori tensione e non soltanto il conduttore interessato dalla sovracorrente. Si osserva invece che il dispositivo interrompe solo la fase sovraccaricata, lasciando attive le altre; il motore risulterà alimentato solo con due fasi con tutte le conseguenze già descritte riguardo al rischio di danneggiamento delle parti elettriche e meccaniche. La non conformità è stata riscontrata anche per il circuito di alimentazione del motore del sollevamento veloce della gru oggetto del case study (Fig. 3). Si osserva che per Fig. 3: Schema elettrico tipico di apparecchio di sollevamento: motore di sollevamento e del servofreno protetti solo da fusibili maggio/giugno 2012 RIS 71

5 Sicurezza Miglioramento delle prestazioni Allo scopo di risolvere i problemi riguardanti i requisiti di sicurezza analizzati al precedente paragrafo è possibile utilizzare un inverter, che è peraltro più efficace del sistema con interruttore salvamotore e contattore. L utilizzo dell inverter, infatti, garantisce un adeguata protezione del motore ed è, allo stesso tempo, un metodo di avviamento efficiente e un sistema di controllo performante. Il sistema di controllo, agendo su frequenza e tensione di alimentazione, permette di ottenere ampi intervalli di variazione della velocità, elevati rendimenti anche per bassi valori del numero di giri e alte coppie di spunto. Per eseguire un avviamento diretto del motore a piena tensione sono necessarie elevate correnti di spunto mentre, adoperando l inverter, si evitano tali picchi di corrente che possono anche condurre a un danneggiamento del motore (Fig. 1). Inoltre, poiché a correnti eletrico contro le sovracorrenti, ottenibile soltanto sostituendo il fusibile con un sistema di protezione più adeguato (ad esempio, installando un interruttore salvamotore, ovvero abbinando al fusibile una protezione termica opportunamente coordinata). Considerando che il sistema di protezione di cui alle Fig. 2 e Fig. 3 è largamente il più adoperato dai costruttori di apparecchi di sollevamento, risulta evidente la necessità di un attenta analisi del parco macchine attualmente in esercizio per valutare i necessari interventi di adeguamento. Infine, si fa presente che dopo l esecuzione della verifica il costruttore ha sostituito il componente del quadro elettrico responsabile del funzionamento anomalo sopracitato (base portafusibili F30) con un interruttore salvamotore. Si ritiene che tale provvedimento possa essere letto come un riconoscimento, da parte del costruttore della macchina, della presenza della presunta non conformità descritta in questo paragrafo. Bibliografia [1] E. Giovannini, Quesito tecnico CEI CT44. Apparecchio di sollevamento e accertamento di non conformita ai Requisiti Essenziali di Sicurezza. U.O. Verifiche Periodiche, Azienda ASL 1 di Massa Carrara, [2] L. Taponecco, Appunti di Meccatronica. Dipartimento di Sistemi Elettrici ed Automazione, Facolta di Ingegneria, Universita di Pisa, [3] Impianti a norme CEI. Guida blu n.5. Piccola Industria. TuttoNormel Edizioni TNE, [4] A. Oddo and R. P. Nicolosi, La nuova legislazione per la sicurezza delle macchine. TuttoNormel Edizioni TNE, [5] R. Paolelli, Ascensori e montacarichi ad azionamento elettrico. Collana di studi e documenti sulla prevenzione, Ente Nazionale Prevenzione Infortuni, [6] DPR 459/96. Regolamento di attuazione della Direttiva Macchine. [7] CEI EN Sicurezza del macchinario. Equipaggiamento elettrico delle macchine. Parte 1: Regole generali, [8] CEI EN Sicurezza del macchinario. Equipaggiamento elettrico delle macchine. Parte 32: Prescrizioni per le macchine di sollevamento, [9] R. C. Juvinall and K. M. Marshek, Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine. Edizioni ETS, [10] Il motore asincrono trifase. Quaderni di Applicazione Tecnica ABB, n.7, giugno L utilizzo dell inverter garantisce un adeguata protezione del motore: è un metodo di avviamento efficiente e un sistema di controllo performante vate corrispondono coppie altrettanto alte, l avviamento diretto può provocare brusche partenze. La ripetizione di bruschi avviamenti nel corso del tempo può produrre sollecitazioni e danneggiamenti per fatica della struttura in carpenteria metallica, degli organi di trasmissione e degli altri componenti meccanici dell apparecchio di sollevamento. Focalizzando l attenzione, ad esempio, sui sistemi di trasmissione del moto, i denti delle ruote dentate sono sottoposti a vari tipi di danneggiamento superficiale, quali usura adesiva e/o abrasiva e fretting (erosione). Questi denti sono sollecitati da tensioni di contatto hertziane; carichi eccessivi, come quelli che si hanno adoperando un sistema di avviamento diretto, e la mancanza di una lubrificazione adeguata possono essere causa di varie combinazioni di abrasione, vaiolatura (pitting) e rigatura superficiale. Le tensioni di contatto elevate, che si hanno in particolar modo all avviamento, sono applicate ciclicamente e conducono a fenomeni di fatica superficiale e talvolta a rotture per fatica. Queste sono provocate da minuscole fessure che si propagano fino a permettere il distacco dalla superficie di piccoli frammenti di materiale. Infine l utilizzo dell inverter, consentendo un avviamento graduale della macchina, limita l usura dei componenti meccanici e garantisce una migliore efficienza e precisio- RIS maggio/giugno

6 ne del sistema di posizionamento del carico nello spazio di lavoro. Conclusioni Nel presente articolo, sulla base delle attività di verifica condotte, è stato rilevato che nella maggior parte degli apparecchi di sollevamento di recente costruzione la protezione dei motori elettrici contro le sovracorrenti è realizzata con una semplice terna di fusibili senza meccanismo per l apertura simultanea di tutti i poli. L analisi effettuata ha messo in evidenza come tale soluzione non consenta un effica- ce protezione del motore, con conseguente aumento del rischio di danneggiamento dello stesso e maggiori oneri per l utilizzatore. La case history considerata ha evidenziato che tale soluzione può portare, a seguito dell intervento di uno dei fusibili, a una discesa incontrollata del carico, nonostante l operatore abbia attivato il comando di salita. A causa di tale funzionamento anomalo l apparecchio di sollevamento è stato ritenuto non conforme ai Requisiti Essenziali di Sicurezza e segnalato all autorità competente in materia di vigilanza sull applicazione della Direttiva Macchine. L adozione delle soluzioni classiche analizzate nella letteratura tecnica per garantire la protezione del motore elettrico (ad esempio, un interruttore salvamotore) oltre a garantire un efficace protezione del motore stesso impedisce la discesa incontrollata del carico. L inverter è stato indicato come soluzione innovativa che, oltre a garantire un efficace protezione contro le sovracorrenti, consente un notevole miglioramento delle prestazioni meccaniche del sistema e un migliore utilizzo dell alimentazione elettrica. Via E. Torricelli Castelfranco Emilia (Modena) - ITALY - Phone Fax info@negrini.org