Protezione e comando dei motori degli apparecchi di

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
N
el 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
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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
60204-32:1999 (“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
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. 4.1.2.6 (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 iner-
ziale 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 de-
gli 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 60204-32)”.
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.
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Sicurezza
2
1
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%
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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 Diret-
3
tiva 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 60204-1:1998 e
la CEI EN 60204-32:1999 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-
coppiato; 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 4.1.2.6 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 par-
Fig. 2: Schema elettrico dell’impianto
di alimentazione del motore ausiliario
di sollevamento M3
Fig. 3: Schema elettrico tipico
di apparecchio di sollevamento: motore
di sollevamento e del servofreno protetti
solo da fusibili
ziale 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 60204-1 e CEI EN 60204-32, 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 60204-32).
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
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 eletmaggio/giugno 2012 RIS
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Sicurezza
trico 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, 2009.
[2] L. Taponecco, Appunti di Meccatronica.
Dipartimento di Sistemi Elettrici ed Automazione, Facolta’ di Ingegneria, Universita’ di Pisa, 2008.
[3] Impianti a norme CEI. Guida blu n.5. Piccola
Industria. TuttoNormel Edizioni TNE, 1995.
[4] A. Oddo and R. P. Nicolosi, La nuova
legislazione per la sicurezza delle macchine.
TuttoNormel Edizioni TNE, 1996.
[5] R. Paolelli, Ascensori e montacarichi ad
azionamento elettrico. Collana di studi e
documenti sulla prevenzione, Ente Nazionale Prevenzione Infortuni, 1969.
[6] DPR 459/96. Regolamento di attuazione
della Direttiva Macchine.
[7] CEI EN 60204-1. Sicurezza del macchinario. Equipaggiamento elettrico delle macchine. Parte 1: Regole generali, 1998.
[8] CEI EN 60204-32. Sicurezza del macchinario. Equipaggiamento elettrico delle macchine. Parte 32: Prescrizioni per le macchine
di sollevamento, 1999.
[9] R. C. Juvinall and K. M. Marshek, Fondamenti della progettazione dei componenti
delle macchine. Edizioni ETS, 1993.
[10] Il motore asincrono trifase. Quaderni
di Applicazione Tecnica ABB, n.7, giugno 2008.
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L’utilizzo dell’inverter
garantisce un’adeguata
protezione del motore:
è un metodo di avviamento
efficiente e un sistema
di controllo performante
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 ele-
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-
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.
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