Disturbi causati dalla commutazione di carichi induttivi Pubblicato il: 13/06/2005 Aggiornato al: 13/06/2005 di Massimo Barezzi Analisi, problemi e soluzioni per proteggersi dalle correnti provocate dalla componente induttiva dei carichi. L'arco richiama dalla tensione di alimentazione altra energia, anche se non desiderata. 1. Generalità I picchi di corrente che si verificano all inserzione di carichi capacitivi possono danneggiare o distruggere gli elementi di comando. Inoltre, la componente ad alta frequenza del picco di corrente può portare dei seri disturbi alle apparecchiature elettroniche, causati dall accoppiamento induttivo dei cavi di collegamento. Alla disinserzione di un carico induttivo, invece, l energia immagazzinata tende ad opporsi scaricando in linea un picco di tensione, che può danneggiare o distruggere l elemento di comando. Fig.1:Schema equivalente della bobina di un relè, contattore, ecc. A questo si aggiunge che la componente ad alta frequenza del picco di tensione può causare disturbi provocati dall accoppiamento capacitivo fra i cavi di collegamento. Causa principale del sovraccarico per l interruttore, per l utilizzatore come pure per l intero circuito, è l accumularsi d energia, soprattutto dovuto alle parti di carico induttivo del dispositivo. Le considerazioni seguenti valgono in linea di massima sia per interruttori elettromeccanici che a semiconduttori (per esempio relè allo stato solido SSR). Per motivi di chiarezza si usa genericamente il concetto di contatto. All apertura del contatto di comando, la corrente cerca di scorrere senza modifiche nella bobina. L utilizzatore induttivo rappresenta cioè in questo istante una sorgente di corrente costante. Secondo la legge dell induzione, la tensione all induttanza L si commuta, in quanto la stessa da utilizzatore si trasforma in sorgente d energia. Fig.2:Tensione ai capi del contatto di comando della bobina di un contattore:a)senza circuito antidisturbo a 220V,50Hz - b)con circuito antidisturbo RC a 220V,50Hz (Square D). 1
Se il contatto K è di tipo elettromeccanico, la diminuzione della corrente avviene solo lentamente a causa del più o meno marcato arco di apertura. Crescendo l apertura di K, l arco si interrompe. Unica possibile via per la corrente rimane la capacità parassita CP, che si carica. Trascurando le perdite che intervengono in RL e ritenendo per semplicità che l apertura stessa avvenga senza formazione di arco e senza rimbalzi, si ha, considerando l energia, un ampiezza della tensione UCP pari a UCP = -i L/C p cioè, dati i valori di i e di L, il valore della tensione d induzione nell utilizzatore è determinata soltanto dal valore di C p. Dall equazione riportata si vede che quando C p = 0 la tensione tende teoricamente all infinito. Occorre eliminare questa energia. In pratica i rapporti sono più favorevoli, in quanto già durante l apertura si ha un eliminazione d energia attraverso RL e l eventuale formazione dell arco. D altra parte l arco richiama dalla tensione di alimentazione altra energia, anche se non desiderata. Ciò causa non solo un ritardo, per lo più svantaggioso, nell apertura dell apparecchio, ma aumenta le conseguenze dell arco provocando: Fig.3:Tensione ai capi del contatto di comando della bobina di un cotattore:a)con circuito antidisturbo con varistore a 220V,50Hz - b)con circuito antidisturbo con varistore a 24V DC (Square D) migrazione di materiale (formazione di crateri e di punte con eventuale incollamento dei contatti); evaporazione del materiale (bruciatura e danneggiamenti delle caratteristiche d isolamento delle superfici vicine a causa del metallo precipitato); sviluppo di calore; ossidazione del contatto (aumento della resistenza di contatto, contatto difettoso). Nell applicazione e nell analisi si deve distinguere fra carichi alimentati in corrente continua e in corrente alternata, come meglio si vedrà in seguito. La struttura fisica e le caratteristiche di un carico induttivo rendono impossibile la commutazione senza disturbi elettrici, se non si ricorre ad adeguati provvedimenti. Da ciò deriva la necessità di ridurre l entità dei disturbi al minimo possibile. La soppressione, almeno parziale, dei disturbi si ottiene applicando un adeguato modulo antidisturbo in parallelo al carico induttivo. Nel caso ideale il modulo antidisturbo dovrebbe permettere di sopprimere totalmente l aumento della tensione e di scaricare nel più breve tempo possibile l energia magnetica. Inoltre il modulo antidisturbo non deve costituire un carico supplementare durante la fase di lavoro statico a regime. È da notare che i disturbi si propagano sia attraverso i cavi di collegamento che per via elettromagnetica. Non si deve quindi considerare solo la fonte di disturbo come elemento propagatore, ma anche tutti i cavi ad essa collegati. L induttanza dei cavi di collegamento causa un effetto limitatore del disturbo con l aumento 2
della lunghezza. La trasmissione del segnale di disturbo può coinvolgere altri cavi nelle vicinanze per via capacitiva. Questo fenomeno è direttamente proporzionale e aumenta con la lunghezza dei cavi che corrono paralleli. Quindi in definitiva i disturbi devono essere soppressi possibilmente alla loro origine. Se il disturbo si propaga tramite il cavo o per trasmissione elettromagnetica, la sua soppressione all ingresso degli apparecchi è molto più onerosa rispetto all antidisturbo necessario per sopprimerlo alla sua fonte. L antidisturbo più economico e più facile da montare è quello da applicare in parallelo direttamente sulla fonte del disturbo. Vari tipi di custodia progettati per le diverse fonti di disturbo permettono un facile e veloce montaggio. Questa soluzione consente anche di minimizzare la propagazione del disturbo attraverso i cavi di collegamento. Come regola fissa si può dire che le sovratensioni provocate dalla commutazione di carichi induttivi sono tanto più grandi quanto più elevato è il valore dell induttanza e quanto più piccolo è il tempo di disinserzione. Ciò significa che il massimo valore di sovratensione si avrà con alti valori di induttanza e corti tempi di disinserzione. I valori di sovratensione possono effettivamente raggiungere in alcuni casi anche i 10 kv. La soppressione, o almeno la limitazione a valori accettabili dall elettronica delle sovratensioni, è assolutamente necessaria. Fondamentalmente non c è differenza se il dispositivo viene applicato all utilizzatore oppure all interruttore, ma il metodo più efficace, come si è detto in precedenza, è quello di applicare un modulo di soppressione disturbi direttamente in parallelo al carico induttivo da commutare. La disposizione al contatto è opportuna quando la sua protezione è di primaria importanza, cosa che avviene con elementi a semiconduttore (relè allo stato solido) o nel caso di contatti elettromeccanici che commutano in DC un carico ohmico induttivo. La circolazione di corrente durante la fase di apertura di un contatto alimentato in DC è provocata dalla ionizzazione dei gas nella camera di commutazione. La ionizzazione è a sua volta provocata dall accensione dell arco, che si verifica quando i contatti incominciano ad aprirsi. Le alte temperature, sempre abbinate alla presenza di un arco elettrico, provocano ovviamente una migrazione di materiale dei contatti. Nei casi dove l energia dell arco sia tale da compromettere la durata di vita o addirittura il buon funzionamento dei contatti, diventa necessario applicare dei circuiti di soppressione dell arco al contatto. L energia sviluppata dall arco è proporzionale sia al valore della tensione di esercizio che alla corrente assorbita dal carico. L applicazione al contatto è vantaggiosa nei casi in cui quella all utilizzatore provoca aumenti non desiderati della potenza d esercizio. In generale però nel circuito per il contatto prevalgono gli svantaggi: viene caricato, considerando il rapporto di fase, dalla somma della tensione induttiva d alimentazione e dell utilizzatore, mentre il circuito sul carico è soggetto ad una tensione soltanto; non si ha alcuna separazione galvanica dell utilizzatore, cosa che avviene nel caso di contatti meccanici; nel caso di guasto di un componente nel circuito disposto sul contatto, può accadere che il carico rimanga alimentato a causa o della corrente nel circuito di protezione o di una breve eccitazione dovuta alle correnti di carica, allorchè viene collegato alla tensione d alimentazione; oscillazioni causate dall apertura del circuito vagano tra l alimentatore, il cavo e i contatti; per i contatti disposti in serie, ognuno ha bisogno del proprio circuito oppure in certe condizioni serve un cavo di collegamento più lungo; non si può completare il circuito di protezione con la segnalazione di funzionamento corretto. Partendo dalla considerazione che, per quanto possibile, in primo luogo sono da combattere le cause dei disturbi e non gli effetti, va data quindi la preferenza di regola alla protezione all utilizzatore. Un altro problema si ha nel caso di commutazione di carichi induttivi con contatti elettromeccanici: durante la fase di commutazione il contatto meccanico è sottoposto ad un tempo durante il quale i contatti si toccano varie volte tra di loro. Questo tempo viene normalmente definito tempo di rimbalzo. 3
Il fenomeno è dovuto all energia cinetica della parte mobile che porta a colpire violentemente i contatti, la cui elasticità provoca i sopra citati rimbalzi. Se la tensione di esercizio è superiore alla tensione di formazione dell arco, si avrà una formazione dell arco che si accenderà e spegnerà varie volte in funzione del numero di rimbalzi. Durante questa fase si verifica una notevole migrazione del materiale dei contatti ed un surriscaldamento degli stessi. Risulta evidente che questo fenomeno condiziona notevolmente la durata di vita del contatto stesso. Per la soppressione dell arco sui contatti è vantaggioso l impiego di circuiti antidisturbo RC. In molti casi la formazione dell arco viene evitata o mantenuta a livelli minimi. Nelle applicazioni in cui sia richiesto un minimo tempo di ritardo alla disinserzione e bassi livelli di tensione residua di disturbo, il circuito con un varistore e resistenza/ condensatore in parallelo offre migliori risultati. Sovente, per migliorare la durata di vita dei contatti ed evitare la formazione di archi elettrici ad alta energia, si applica un circuito antidisturbo RC direttamente sul contatto. Si deve però tenere presente che, nel caso di alimentazione in AC, il circuito RC lascerà circolare una piccola corrente attraverso il carico. Ciò significa che, in caso di corrente alternata, il circuito RC in parallelo al contatto non garantisce più la separazione galvanica e la disinserzione totale del carico. 4
2. e svantaggi dei circuiti antidisturbo Il tipo più noto di circuito antidisturbo è una combinazione RC (una resistenza e un condensatore collegati in serie) che può essere messa in parallelo sia al contatto che all utilizzatore. Se nei circuiti circola corrente continua, la polarità è univocamente stabilita: si può allora usare un semplice diodo, messo in parallelo alla bobina. Fig.4A:Sovratensioni generate dall'apertura di un contattore con la bobina funzionante a 220V, 50Hz, 10 VA senza protezione contro le sovratensioni Fig.4B:Sovratensioni generate dall'apertura di un contattore con la bobina funzionante a 220V, 50Hz, 10 VA, protezione con un gruppo RC con resistenza 110 Ω e capacità da 0,22 µf Fig.4C:Sovratensioni generate dall'apertura di un contattore con la bobina funzionante a 220V, 50Hz, 10 VA, protezione con varistore Tabella 1 - Combinazione RC la sovratensione residua ha una componente di armoniche molto bassa; per ottenere i migliori risultati si dovrebbe ottimizzare il dimensionamento del circuito sulla particolare ottimizzando il dimensionamento su un particolare applicazione; sono poco indicati come elementi di impiego e carico, è possibile limitare la sovratensione soppressione disturbo universali; residua a valori molto bassi; la voluminosità è direttamente proporzionale al valore il tempo di ritardo alla disinserzione è molto basso; dell induttanza e della potenza del carico; l efficacia dell antidisturbo è indipendente dal valore la soppressione ottimale del disturbo ha come diretta della tensione limite U max ; non porta nessun ritardo all inserzione; conseguenza un notevole tempo di ritardo alla disinserzione; è adatto sia in AC che in DC; non crea nessun problema di inversione di polarità; la presenza del condensatore nel circuito comporta un elevato picco di corrente di carica all inserzione; garantisce l assenza di arco o un arco elettrico a bassa energia sul contatto di commutazione (da ciò deriva un vantaggio secondario molto importante e cioè che la soppressione delle sovratensioni protegge in caso di impiego con corrente alternata si deve tenere presente che nel circuito circola una corrente e quindi costituisce un carico supplementare; anche i contatti di comando, allungandone il circuito di soppressione RC non è indicato se nel notevolmente la durata di vita) circuito di alimentazione sono presenti componenti armoniche (la presenza di armoniche di frequenza multipla di 50 Hz può provocare una circolazione eccessiva di corrente nel circuito RC e quindi la sua distruzione per sovraccarico termico) 5
Sono più adatti i diodi soppressori Transil e Trisil collegati in parallelo alla bobina: si hanno con essi minori ritardi alla disinserzione, anche se al di sotto di certi valori di tensione non si ha nessuna soppressione. Elementi ideali per limitare le sovratensioni di apertura sono i varistori (VDR), la cui corrente di perdita (che determina la soppressione dell energia) sale soltanto dopo aver superato la tensione nominale. Si possono usare sia in DC che in AC. Per la scelta di un VDR è importante la tensione di esercizio sia in AC che in DC. Il VDR deve essere scelto con un valore di tensione uguale o superiore a quello massimo di esercizio dell applicazione. Fig.5: Circuiti di protezione: a) con gruppi RC - b) con diodi Fig.6: Caratteristica tensione-corrente di un varistore, confrontata con quella di una normale resistenza dimensioni molto ridotte; praticamente nessuna tensione residua (totale smorzamento dell impulso di disturbo); facile dimensionamento Tabella 2 - Diodo in parallelo alla bobina elevato tempo di ritardo alla disinserzione; polarità da rispettare; solo per applicazioni con corrente continua; il grande ritardo alla disinserzione può provocare la formazione di un forte arco elettrico sul contatto di comando che ne può compromettere seriamente la durata Ciò significa che il varistore deve essere scelto non solo in funzione della tensione nominale, bensì in funzione della previsione delle sovratensioni di linea, per esempio 220 V AC +10%. Ciò vale anche nel caso di alimentazione in DC, dove è bene considerare anche il valore massimo raggiungibile della tensione di esercizio. Particolare attenzione si deve dedicare ai casi in cui l alimentazione in DC sia effettuata da batteria, poichè, durante la fase di carica, la tensione può essere notevolmente superiore a quella nominale. Se non c è presenza di sovratensioni il varistore assorbe pochissima energia. Nel caso, invece, di elevate frequenze di commutazione si deve calcolare la potenza dissipata nel varistore e confrontarla con quella delle specifiche (energia per ogni impulso, numero impulsi/secondo). 6
dimensione molto compatta; basso valore di tensione residua (buona soppressione dell impulso di disturbo); bassi valori dei tempi di ritardo all inserzione; bassi valori dei tempi di disinserzione; facile dimensionamento; adatto all impiego sia in AC che in DC e indipendentemente dalla polarità; elevato assorbimento di energia Tabella 3 - Diodi soppressori Transil e Trisil tensione di disturbo residua con un elevata componente di armoniche; pericolo di formazione di un arco elettrico sul contatto di comando (deterioramento del contatto); limitata frequenza di comando dimensioni compatte; brevi tempi di commutazione; corti tempi di ritardo alla disinserzione; facile dimensionamento; adatto all impiego sia in AC che DC e indipendente dalle polarità Tabella 4 - Varistori (VDR) elevato valore della tensione residua (smorzamento del disturbo mediocre); tensione residua con elevata componente di armoniche; pericolo di formazione di un forte arco sul contatto di comando (deterioramento del contatto); limitata frequenza di commutazione 7
3. Soppressione dei disturbi su contattori, elettrovalvole, motori elettrici Per la scelta più appropriata dei dispositivi antidisturbo si possono suggerire le seguenti raccomandazioni: impiegare dispositivi antidisturbo con circuito RC solo per carichi alimentati con AC; se sono richiesti tempi di ritardo alla disinserzione particolarmente corti, i dispositivi antidisturbo con VDR o circuito RC offrono i migliori risultati; se l applicazione richiede bassi valori di tensione residua di disturbo si dovrebbe scegliere un dispositivo con diodo soppressore; nel caso il tempo di ritardo alla disinserzione non costituisca un problema, si può scegliere anche un dispositivo antidisturbo con semplice diodo; in applicazioni con basse tensioni di esercizio si dovrebbero impiegare dispositivi antidisturbo con varistore oppure con diodo soppressore oppure con circuito varistore e gruppo RC in parallelo. Fig.7: Circuiti di protezione: a) con diodo Transil - b) con VDR 10 20 50 C Tabella 5 - Valori indicativi per circuiti di protezione U/V P/W [VA] 24 V DC 24 V AC 230 V AC Diodo 1 A Comb. Diodo/Zener 27V / 1,3W VDR S 14 K 30 S 14 K 250 RC 1 µ F / 100 Ω 0,15 µ F / 220 Ω Diodo Comb. Diodo/Zener 1 A 27V / 1,3 W VDR S 14 K 30 S 14 K 250 RC 2,2µ F / 100 Ω 0,22µ F / 220 Ω Diodo Comb. Diodo/Zener 3A VDR S 14 K 30 S 14 K 30 S 14 K 250 RC U 2 1,5 R S 0,25 S sin φ C = Condensatore R = Resistenza U = Tensione alim. S = Potenza ritenuta cos φ = Cattore pot. f = Frequenza 0,22µ F / 220 Ω I dati dipendono dall'utilizzatore e dall'impiego A differenza dei carichi induttivi quali relè, elettrovalvole, ecc., i motori elettrici costituiscono un carico induttivo più limitato; ciò nonostante, alla disinserzione di un motore si possono generare elevati picchi di corrente che per un certo periodo devono essere assorbiti dai dispositivi antidisturbo. Di conseguenza sono previsti per i motori elettrici particolari dispositivi antidisturbo che devono essere impiegati solo per questo scopo. 8
Fig.8: Componenti antidisturbo per la soppressione dei disturbi elettrici causati dalla commutazione di carichi induttivi Tabella 6 - Gruppi RC soppressione dei disturbi indipendente dalla tensione di linea; moduli poco ingombranti e di costo contenuto; semplicità di montaggio; adatti sia per alimentazione in AC che in DC i circuiti antidisturbo con RC non devono essere impiegati in nessun caso per motori pilotati da convertitori di frequenza (inverter), in quanto l impedenza del condensatore è una funzione della frequenza e tende a diminuire con l aumento della stessa (aumento della corrente che attraversa il circuito RC) Per la soppressione dei disturbi su motori asincroni trifase i circuiti antidisturbo possono essere in particolare RC collegati a stella o a triangolo e con VDR collegati a triangolo. Si noti che la potenza sviluppata sul dispositivo di soppressione dei disturbi è relativamente piccola rispetto a quella del motore. La corrente di disinserzione è determinata quasi esclusivamente dalla potenza del motore. La propagazione dei disturbi provocati dalla commutazione di motori elettrici trifasi si può verificare mediante accoppiamento elettromagnetico o capacitivo. Fig.9: Componenti antidisturbo per impiego universale 9
Tabella 7 - Possibili valori di gruppi RC antidisturbo per motori asincroni trifasi Gruppo µf / Ohm Tensione motore Potenza motore Collag RC 0,22 / 22 380 V Fino a 4 Kw Y 0,22 / 22 500 V Fino a 4 Kw 0,47 / 220 550 V Fino a 7,5 Kw Y 0,47 / 220 380 V Fino a 10 Kw 1,0 / 22 380 V Fino a 20 Kw 1,0 / 110 550 V Fino a 30 Kw Y / 2,0 / 82 550 V Fino a 45 Kw Y / Per ottenere il massimo effetto di soppressione dei disturbi ed evitare le varie possibilità di propagazione, il dispositivo deve essere montato direttamente sui morsetti del motore (per es. all interno della scatola di connessione del motore). Tra i moduli antidisturbo disponibili sul mercato troviamo, come si è detto, gruppi RC in collegamento a stella o a triangolo: entrambe le versioni di collegamento possono essere impiegate indifferentemente. Fig.10:Gruppi antidisturbo adatti per i singoli contattori dei costruttori indicati 10
soppressione dei disturbi indipendente dalla tensione di linea; moduli poco ingombranti e di costo contenuto; semplicità di montaggio; adatti per l alimentazione in AC e in DC Tabella 8 - Circuiti soppressori con VDR la soppressione del disturbo è una funzione della tensione di esercizio; durata del circuito limitata dal numero di commutazioni Per il corretto dimensionamento del modulo antidisturbo è necessario conoscere in particolare la tensione di esercizio del motore, la potenza del motore, il numero di commutazioni al secondo, la frequenza di esercizio. Per la scelta invece dei circuiti soppressori con VDR è necessario conoscere in particolare la tensione nominale e la potenza nominale del motore, nonché il numero di commutazioni al minuto. Fig.11: Circuiti antidisturbo per motori asincroni trifasi 11