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 L’avviatore Stella-Triangolo per motori asincroni trifasi con rotore a gabbia di scoiattolo

Cerchiamo di dare alcune risposte alle domande che spesso vengono fatte sull’impiego del più noto tra gli avviatori elettromeccanici, nella speranza di contribuire a fare chiarezza. Che tipo di avviatore è?È un avviatore a tensione ridotta.   Quale funzione svolge? Serve ad avviare il motore dolcemente senza strappi meccanici limitando le correnti durante l’avviamento.

È adatto per tutti i motori?NO! Solamente per i motori dotati di:a - Morsettiera con 6 morsetti e 6 conduttori di alimentazione al motoreb - Coppia di avviamento elevatac - Doppia tensione nominale esempio 1: 230V - / 400V - Y esempio 2: 400V - / 690V - Yd - Tensione nominale con collegamento a triangolo corrispondente alla tensione di rete.e - Partenza a vuoto oppure con coppia resistente bassa e costante o leggermente crescente. Con riferimento ai punti c-d si può realizzare lo stella-triangolo per motore 230V - D / 400V - Y solamente con rete a 230V e per motore 400V - D / 690V - Y solamente con rete a 400V D = collegamento dei tre avvolgimenti del motore a triangolo Y = collegamento dei tre avvolgimenti del motore a stella

Esaminiamo le caratteristiche di un motore a 6 morsetti previsto per doppia tensione nominale verificando il comportamento dei parametri di tensione e corrente negli avvolgimenti del motore in funzione del collegamento.La possibilità che un unico motore di una data potenza possa essere adattato alla tensione di rete disponibile con il semplice cambio dei collegamenti, risponde alle esigenze dell’utente al quale vengono offerte le seguenti opportunità di avviamento:- Avviamento a piena tensione (o a tensione ridotta) con collegamento a triangolo alla tensione inferiore con tre conduttori al motore.- Avviamento a piena tensione (o a tensione ridotta) con collegamento a stella alla tensione superiore con tre conduttori al motore.- Avviamento stella triangolo con collegamento a stella in avviamento e a triangolo in marcia normale con sei conduttori al motore.N.B. Questo è possibile quando il valore inferiore della tensione nominale del motore coincide con la tensione della rete di alimentazione. Dagli esempi di schema sotto riportati risulterà evidente che ogni avvolgimento del motore viene sottoposto agli stessi valori di tensione e corrente sia con collegamento a stella che a triangolo rispettando in tal modo i parametri elettrici

costruttivi (Amper - Volt) dell’avvolgimento stesso.Solamente per l’avviatore stella triangolo e limitatamente allo stadio iniziale si vedrà che questi parametri non vengono rispettati ma per una ragione ben precisa che verrà evidenziata in seguito. Esempi di avviatori diretti con motore bitensione: Ue.m 400V- / 690V-Y

Legenda:

Ue.m = Tensione nominale motoreUe.r = Tensione nominale di reteUe.f = Tensione di fase

Ie = Corrente nominale motoreIe.f = Corrente di fase motoreIa = Corrente di avviamento (4 - 8 Ie).

Motore Ue.m = 400V Motore Ue.m = 690V

Collegamento: triangolo () Collegamento: stella (Y)

Ue.m = Ue.r Ue.m = Ue.r

Ue.f = Ue.r

Ie.f = Ie

Esempio pratico: Tensioni nominaliUe.m

400V con collegamento a triangolo690V con collegamento a stella

Motore trifaseda 55 KW

Correnti nominaliIe

100A con collegamento a triangolo58A con collegamento a stella

Correnti di avviamentoIa = 6· Ie

600A con collegamento a triangolo348A con collegamento a stella

- Con rete Ue.r = 400V: Collegamento motore a triangolo Corrente di linea Ie = 100A Corrente nel motore Ie× f = 58A (nel triangolo) Tensione di fase Ue× f = 400V Corrente di avviamento Ia = 600A.

- Con rete Ue.r = 690V: Collegamento motore a stella Corrente di linea Ie = 58A Corrente nel motore Ie.f = 58A Tensione di fase Ue× f = 400V Corrente di avviamento Ia = 348A.

Dagli esempi si può notare che, sia con collegamento a triangolo che a stella, ogni fase dell’avvolgimento è interessata ai medesimi valori di corrente "Ie× f" e di tensione "Ue× f".Le tensioni nominali dei motori "Ue.m" coincidono con quelle di rete "Ue.r" e le correnti nominali "Ie" assorbite in rete

sono indirettamente proporzionali alle tensioni di alimentazione.

Esempio di avviamento con stella-triangolo per motore da 55kwMotore bitensione: Ue.m : 400V - / 690 - Y Ie : 100A - / 58A - Y Ia = 600A - / 348A - Y (n=6) (n=6): fattore di spuntoTensione alimentazione: Ue.r = 400V

1° STADIO (AVVIAMENTO)

2° STADIO (MARCIA)

Tensione Motore: Ue.m = 690V Tensione Motore: Ue.m = 400V

Collegamento a stella (Y) Collegamento a triangolo ()

Tensione Rete: Ue.r = 400V Tensione rete: Ue.r = 400V

Tensione avviamento: Ua = 400V (= Ue.r) Tensione di fase: Ue.f = Ue.r = 400VTensione di fase: 

Correnti di avviamento a stella: Corrente di fase:

Coppia di avviamento a stella:

1° STADION.B.: Il fattore di spunto all’avviamento "n" è variabile da 4 a 8 a seconda della potenza motore e del numero dei poli.Per questo esempio si è considerato un valore n= 6

IaY = 200A Ia =600A

IaY = 0,33 · Ia

CaY = Ca · 0,33Dall’esempio esposto risulta che l’avviatore stella triangolo riduce la corrente di avviamento e la coppia di avviamento a valori pari al 33% (1/3) di quelli riscontrabili in un avviamento diretto; i principi fondamentali dell’elettrotecnica precisano che la corrente di avviamento è proporzionale al rapporto esistente tra la tensione di alimentazione e la tensione del motore mentre la coppia di avviamento è proporzionale al quadrato di questo rapporto.Dagli stessi esempi risulta inoltre che durante la marcia la corrente negli avvolgimenti e nei contattori ha un valore pari al 58% di quella assorbita in linea e che in avviamento il motore viene sottoalimentato con un valore di tensione (Uer = Ua) pari al 58% della tensione nominale Uem (400/690 = 0,58).

È un diverso modo di ridurre la tensione in avviamento rispetto a quello adottato sui motori alimentati con 3 conduttori per i quali la riduzione avviene interponendo tra linea e motore una resistenza o una reattanza che provoca una caduta di tensione.Nel caso degli avviatori ad autotrasformatore si fornisce sempre una tensione ridotta mentre per gli avviatori statici la riduzione avviene parzializzando l’onda di tensione a mezzo tiristori.

Come si realizza l’avviamento e la commutazione in una stella-triangolo?In due stadi:1° Stadio - Il motore collegato a stella e sottoalimentato dalla tensione di rete viene accelerato dolcemente con corrente e coppia ridotta come già descritto precedentemente.2° Stadio - In prossimità del raggiungimento della velocità nominale, viene eliminato il collegamento a stella e dopo una brevissima pausa si realizza il collegamento a triangolo.Il motore è alimentato con la propria tensione nominale e riprende le sue caratteristiche di coppia.La commutazione da stella a triangolo avviene a transizione aperta con una punta di corrente e di coppia.

Con quali componenti si realizza?Per la stella-triangolo sono necessari:n° 1 Contattore di stella (KM1)n° 1 Contattore di linea (KM2)n° 1 Contattore di triangolo (KM3)n° 1 Relè termico di protezione motore dai sovraccarichi (FR1)n° 1 Temporizzatore speciale (KT1)n° 1 Serie di contatti ausiliari e accessori di cablaggio

Come avviene la sequenza di avviamento?Premendo per un’instante il pulsante di marcia si chiude KM1 (a vuoto) e KM2.Il temporizzatore KT1 inizia il conteggio del tempo di avviamento con il motore collegato a stella.Scaduto il tempo impostato il primo contatto di KT1apre KM1 e il secondo contatto ritardato di 50ms circa chiude il contattore KM3.Con KM2 e KM3 chiusi il motore è in marcia collegato a triangolo con il relè FR1in serie agli avvolgimenti.

Perché il relè termico viene inserito nel triangolo? Nel triangolo si possono manifestare delle correnti armoniche (3° armonica) nel caso che i motori non siano stati adeguatamente dimensionati dal punto di vista magnetico per ragioni di ingombro.In questi casi la terza armonica dovuta alla saturazione del pacco magnetico si aggiunge alla corrente fondamentale e provoca un sovraccarico al motore senza interessare la linea.

Come vengono dimensionati i componenti?Come si può vedere dallo schema elettrico di potenza, i poli dei contattori di linea, di triangolo e ciascuna fase del relè termico, con motore in marcia, sono in serie a ciascuna fase dell’avvolgimento e cioè interessati ad una corrente Ie.f = Ie × 0,58.La corrente all’interno del circuito a triangolo "Ie.f" rappresenta il 58% della corrente di linea "Ie".Il contattore di stella è caratterizzato da un servizio temporaneo.Per questi motivi i componenti vengono scelti in base ai seguenti criteri:Contattore di stella (KM1) 0,33 · Ie (AC3)Contattore di linea (KM2) 0,58 · Ie (AC3)Contattore di triangolo (KM3) 0,58 · Ie (AC3)Relè termico (FR1) 0,58 · Ie (-)

Ie = Corrente nominale di impiego del motore che corrisponde alla corrente di linea.NB: I fusibili di potenza o gli interruttori automatici di protezione contro i cortocircuiti dovranno essere dimensionati per la corrente "Ie".

Come si sceglie il temporizzatore? Una adeguata scelta del temporizzatore è fondamentale per l’avviatore stella triangolo.La funzione del temporizzatore è quella di determinare sia il tempo di accelerazione del motore che il tempo di transizione (pausa) nella commutazione da stella a triangolo.Il tempo di accelerazione o di avviamento di un motore dipende dalla differenza tra la coppia motrice media del motore e la coppia resistente media del complesso motore macchina.Questo tempo sarà tanto più breve quanto maggiore sarà la differenza tra le due coppie.Il tempo di accelerazione regolabile per es. da 1,2 ÷ 12s va regolato a un valore corrispondente al tempo necessario al quasi raggiungimento della velocità nominale del motore. Una regolazione troppo bassa provoca al motore un avviamento irregolare e durante la commutazione si avrà una corrente equivalente all’avviamento diretto (vedere diagramma n°3).Il tempo di transizione, regolato mediamente a 50ms, consente l’estinzione dell’arco elettrico sul contattore di stella e impedisce che, con la chiusura del contattore di triangolo, si verifichi un corto circuito sia pure limitato dalla resistenza d’arco.Un tempo superiore provoca la decelerazione del motore con conseguenti picchi di corrente in commutazione (vedere diagramma n°3).Il tempo di transizione può risultare inutile quando si impiegano contattori di grossa taglia con tempo di chiusura elevati e può essere addirittura dannoso per quei motori (es. per pompe sommerse) caratterizzati da una rapidissima accelerazione (1s circa) dove un tempo di commutazione lungo provoca un riavviamento diretto che annulla i benefici dell’avviatore e tensione ridotta.

Diagramma n° 1 e 2

CD = Coppia a triangolo I = Corrente di avviamento a triangoloCY = Coppia a stella IY = Corrente di avviamentoa stellaCr = Coppia resistente Ia = Corrente di avviamentoCa = Coppia di avviamento Ie = Corrente nominaleCe = Coppia nominale

Esempio ideale di commutazione stella-triangolo con il motore che raggiunge a stella quasi la velocità nominale

Diagramma n° 3

Esempio negativo di commutazioneDurante la transizione si ha una forte perdita di velocitàIl picco di corrente triangolo è elevato (pari a quello di un avviamento diretto).Gli stessi alti valori di corrente in commutazione si verificano anche nel caso di errata impostazione del tempo di avviamento oppure quando un forte incremento di coppia resistente "Cr" incontra la curva della coppia motrice "CY" a bassi giri impedendone l’accelerazione.

È possibile attenuare i picchi di corrente? Si, è possibile con gli avviatori che prevedono una commutazione a circuito chiuso e cioè che mantengono alimentato il motore per tutta la fase di avviamento e di commutazione.Nel caso specifico dell’avviatore stella triangolo, detta peculiarità si ottiene con la transizione chiusa (closed transition

star- delta).Questa configurazione prevede un’ulteriore contattore e una resistenza detta di transizione che viene inserita nel circuito a fine accelerazione e prima dell’apertura del contattore di stella.Con l’apertura del contattore a stella il motore risulta collegato a triangolo con la resistenza di transizione in serie agli avvolgimenti del motore e un’instante dopo, il contattore di triangolo oltre a fornire la piena tensione al motore, esclude il circuito che realizza la transizione chiusa.Questo sistema impedisce la decelerazione del motore durante la commutazione e riduce drasticamente i picchi di corrente.

AVVIATORE STELLA-TRIANGOLO A TRANSIZIONE CHIUSASchema di potenza e ausiliario

Schema semplificato

Motore a stella Motore e resistenze a stella Motore a triangolo con resistenze in serie

Motore a triangolo

KM1 – KM2 chiusi KM1 – KM2 – KM3 chiusi KM2 – KM3 chiusi KM2 – KM4 chiusi

(avviamento) (1° fase di transizione) (2° fase di transizione) (marcia)

Come si dimensionano i componenti?Nell’avviatore stella-triangolo o transizione chiusa il contattore di stella deve interrompere oltre al carico del motore anche quello della resistenza "R1" che per un’instante si trovano collegati in parallelo.La resistenza "R1" viene sottoposta a una corrente pari a 1,5 Ie sia pure per brevissimo tempo (0,1 – 0,15 ms).Le formule per calcolare il valore ohmico della resistenza e il dimensionamento in Watt sono le seguenti:

() Ue = Tensione di rete (concatenata)Ie = Corrente nominale di impiego del motore

(W) per 12 cicli di manovre/ora

(W) per 30 cicli di manovre/ora

Per questi motivi il contattore di stella dovrà essere di taglia superiore rispetto allo stella-triangolo normale e i componenti dovranno essere così dimensionati:Contattore di stella (KM1) 0,58 × Ie (AC3)Contattore di linea (KM 2) 0,58 × Ie (AC3)Contattore di triangolo (KM 4) 0,58 × Ie (AC3)Contattore di transizione (KM 3) 0,26 × Ie (AC3)Relè termico a protezione motore (FR1) 0,58 × Ie -

Quand’è consigliato l’avviamento stella triangolo a transizione chiusa?Per motori di potenza elevata 200kw a 400 – 440VPer motori di potenza inferiore a 200kw ma con tensioni di rete superiori a 440VPer motori soggetti ad un elevato numero di cicli di manovre/oraPer motori alimentati da sorgenti di energia che non accettano significative punte di corrente (generatori diesel) o in tutti quei casi dove la corrente di picco nel transitorio di commutazione, provoca l’intervento intempestivo degli interruttori automatici sia sulla B.T. che sulla M.T.N.B. Questo tipo di avviatore migliora le caratteristiche di durata dei motori e dell’impianto.

È possibile il coordinamento contro il cortocircuito tra i dispositivi di protezione e l’avviatore stella-triangolo?Tra l’interruttore automatico (o i fusibili) dimensionati per "Ie" e i contattori e relè termico dimensionati per "0,58 × Ie" è possibile il coordinamento tipo "1".Per il coordinamento tipo "2" è necessario sovradimensionare i contattori oppure in alternativa prevedere due terne di fusibili inserite nel triangolo a monte dei contattori di linea e di triangolo di calibro 0,58 Ie (soluzione da adottare per avviatori di media e grossa potenza).

Considerazioni finaliLa scelta dell’avviatore stella-triangolo viene fatta principalmente per ragioni tecniche ed economiche.Dal lato tecnico abbiamo visto le caratteristiche positive dell’avviatore:- Avviamento dolce- Basse correnti di spunto e conseguentemente basse cadute di tensione in linea.

Esistono purtroppo anche dei riscontri negativi:- Non idoneo per tutti i motori- Inadatto per motori con partenza sotto forte carico- Picco di corrente nel transitorio di commutazione (solo per stella-triangolo a transizione aperta).

Dal lato economico i vantaggi sono evidenziati dal sottodimensionamento dei contattori e del relè termico rispetto alla corrente di linea "Ie".

Quando vengono impiegati per motore con avviamento pesante con accelerazioni fino a 60s, i contattori di linea-triangolo e stella devono essere di taglia uguale e sovradimensionati rispetto a quelli utilizzati per l’avviamento normale.Bisogna inoltre rispettare la sequenza dei collegamenti durante la commutazione a triangolo e cioè: U1 con V2, V1 con W2, W1 con U2 (vedere lo schema elettrico di potenza) onde evitare ulteriori incrementi della corrente di picco transitoria.Inoltre il relè termico a protezione motore dai sovraccarichi dovrà essere di tipo sensibile alla mancanza fase particolarmente adatto per i motori collegati a triangolo.Con riferimento al motore da 55kw alimentato a 400V (Ue.r) i componenti necessari per un avviatore stella triangolo

normale sono:- Interruttore automatico 125A con relè solo magnetico (o in alternativa una terna di fusibili da 100A aM)- Contattori di linea e triangolo da 63 – 65A (AC3)- Contattore di stella da 30 – 32A (AC3)- Relè termico tripolare con dispositivo di intervento per mancanza fase con taratura regolabile da 46 – 65A tarato a 58A- Temporizzatore con doppia temporizzazione.

LOVATO Electric S.P.A.