Disturbi causati dalla commutazione di carichi

Disturbi causati dalla commutazione di carichi induttivi
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).
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Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e omissioni sono
possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
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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/Cp
cioè, dati i valori di i e di L, il valore
della
tensione
d’induzione
nell’utilizzatore
è
determinata
soltanto
dal
valore
di
Cp.
Dall’equazione riportata si vede che
quando Cp = 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
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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.
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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.
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2. Vantaggi 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
Vantaggi
•
•
•
•
•
Svantaggi
la sovratensione residua ha una componente di
armoniche molto bassa;
ottimizzando il dimensionamento su un particolare
impiego e carico, è possibile limitare la sovratensione
residua a valori molto bassi;
il tempo di ritardo alla disinserzione è molto basso;
l’efficacia dell’antidisturbo è indipendente dal valore
della tensione limite Umax; non porta nessun ritardo
all’inserzione;
è adatto sia in AC che in DC; non crea nessun
problema di inversione di polarità;
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
anche i contatti di comando, allungandone
notevolmente la durata di vita)
•
•
•
•
•
•
per ottenere i migliori risultati si dovrebbe ottimizzare
il dimensionamento del circuito sulla particolare
applicazione; sono poco indicati come elementi di
soppressione disturbo universali;
la voluminosità è direttamente proporzionale al valore
dell’induttanza e della potenza del carico;
la soppressione ottimale del disturbo ha come diretta
conseguenza un notevole tempo di ritardo alla
disinserzione;
la presenza del condensatore nel circuito comporta
un elevato picco di corrente di carica all’inserzione;
in caso di impiego con corrente alternata si deve
tenere presente che nel circuito circola una corrente e
quindi costituisce un carico
supplementare;
il circuito di soppressione RC non è indicato se nel
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)
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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
Tabella 2 - Diodo in parallelo alla bobina
Vantaggi
•
•
•
Svantaggi
•
•
•
•
dimensioni molto ridotte;
praticamente nessuna tensione residua (totale
smorzamento dell’impulso di disturbo);
facile dimensionamento
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).
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Tabella 3 - Diodi soppressori Transil e Trisil
Vantaggi
•
•
•
•
•
•
•
Svantaggi
•
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
•
•
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
Tabella 4 - Varistori (VDR)
Vantaggi
•
•
•
•
•
Svantaggi
•
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
•
•
•
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
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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
Tabella 5 - Valori indicativi per circuiti di protezione
U/V
P/W [VA]
Diodo
Comb. Diodo/Zener
10
24 V DC
24 V AC
1A
27V / 1,3W
VDR
RC
Diodo
Comb. Diodo/Zener
20
VDR
RC
Diodo
Comb. Diodo/Zener
VDR
RC
50
C≥
S 14 K 30
1 µ F / 100 Ω
S 14 K 250
0,15 µ F / 220 Ω
S 14 K 30
2,2µ F / 100 Ω
S 14 K 250
0,22µ F / 220 Ω
S 14 K 30
S 14 K 250
0,22µ F / 220 Ω
1A
27V / 1,3 W
3A
S 14 K 30
C = Condensatore
R = Resistenza
U = Tensione
alim.
S = Potenza
ritenuta
cos φ = Cattore
pot.
f = Frequenza
0,25 · S · sin φ
2
R≤
230 V AC
U · 1,5
S
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.
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Fig.8: Componenti antidisturbo per la soppressione dei disturbi elettrici causati dalla commutazione di carichi induttivi
Tabella 6 - Gruppi RC
Vantaggi
•
•
•
•
Svantaggi
•
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.
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Fig.9: Componenti antidisturbo
per impiego universale
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Tabella 7 - Possibili valori di gruppi RC antidisturbo per motori asincroni trifasi
Gruppo µF / Ohm
Tensione motore
Potenza motore
Collag RC
0,22 / 22
0,22 / 22
380 V
500 V
Fino a 4 Kw
Fino a 4 Kw
Y
∆
0,47 / 220
0,47 / 220
1,0 / 22
1,0 / 110
550 V
380 V
380 V
550 V
Fino a 7,5 Kw
Fino a 10 Kw
Fino a 20 Kw
Fino a 30 Kw
Y
∆
∆
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
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Tabella 8 - Circuiti soppressori con VDR
Vantaggi
•
•
•
•
Svantaggi
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
•
•
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
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