Protezione del motore elettrico: in quale guasto intervengono relè termico, fusibile e MPCB?

Quando apriamo il quadro di un motore di pompa bruciato, troviamo spesso la stessa situazione: il relè termico è al suo posto, i contatti sono integri, ma la manopola di regolazione indica 32 A. Sulla targhetta dati del motore, invece, è riportato 21 A. Il relè non è mai intervenuto, perché anche quando il motore assorbiva 28 A era rimasto sotto la taratura. L'avvolgimento si è surriscaldato per alcune settimane e alla fine l'isolamento ha ceduto. Il quadro sembrava "protetto", ma la protezione era stata tarata sulla taglia del contattore, non sul motore.

Nella protezione del motore il punto non è la presenza del dispositivo, ma sapere quale dispositivo risponde a quale guasto e tarare ciascuno sul valore corretto. Relè termico, fusibile, interruttore salvamotore (MPCB), relè di controllo fasi e sensori annegati nell'avvolgimento non si sostituiscono a vicenda: ognuno rileva un pericolo diverso.

Quattro situazioni diverse che bruciano un motore

Prima di costruire la catena di protezione occorre distinguere da che cosa ci si protegge. Dietro le perdite di motori sul campo c'è di solito una di queste quattro situazioni:

• Sovraccarico a sviluppo lento: la girante della pompa è usurata, il trasportatore è sovraccarico o la cinghia è troppo tesa. La corrente supera il valore nominale del 10–30 per cento e la situazione dura per ore. Il motore continua a girare, mentre l'avvolgimento invecchia lentamente.
• Cortocircuito e guasto verso terra: un collegamento allentato nella morsettiera, un cavo schiacciato, un avvolgimento perforato. La corrente sale in pochi millisecondi a decine di volte il valore nominale.
• Mancanza di fase e squilibrio: l'intervento di un fusibile o la bruciatura di un contatto. Il motore trifase continua a girare con due fasi, assorbe più corrente dalle fasi rimaste e si scalda.
• Perdita del raffreddamento: copriventola intasato dalla polvere, temperatura ambiente aumentata o motore che lavora a lungo a bassi giri con un azionamento. La corrente sembra normale, ma la temperatura dell'avvolgimento supera il limite.

L'ultimo punto è importante: nessun dispositivo che funziona misurando la corrente può rilevare direttamente la quarta situazione. Per questo pensare di ottenere una "protezione completa" con un unico dispositivo è fuorviante.

Relè termico: dove si legge il valore di taratura?

Il relè termico di sovraccarico valuta la corrente insieme al tempo. Tollera i superamenti di breve durata, ad esempio la corrente di avviamento; più il superamento dura, più il tempo di intervento si accorcia. L'unica cosa che rende utile questo comportamento è la corretta corrente di taratura, e questo valore si ricava dalla targhetta dati del motore, dalla riga di corrente corrispondente alla tensione a cui il motore è effettivamente collegato. Sulla rete a 400 V, per un motore con targa 230/400 V si considera la corrente più bassa corrispondente a 400 V, per un motore con targa 400/690 V la corrente della riga 400 V (triangolo). Per interpretare correttamente la targhetta si può consultare la spiegazione riga per riga dell'articolo sulla lettura della targa dei motori IE3.

La classe di intervento del relè è importante quanto la taratura. Nella pratica comune la Class 10 è sufficiente per pompe e ventilatori che completano l'avviamento in pochi secondi. Un ventilatore con grande inerzia, un miscelatore che parte pieno o un frantoio completano l'avviamento in un tempo più lungo. Se per questi carichi non si sceglie la Class 20 o 30, il relè interviene prima che il motore raggiunga i giri e l'operatore spesso "risolve" aumentando la taratura. Così il motore resta senza protezione.

Fusibile e MPCB: chi è responsabile del cortocircuito?

Il compito principale del fusibile non è proteggere il motore, ma proteggere cavo e quadro dal cortocircuito. Nei circuiti motore si scelgono fusibili che tollerano la corrente di avviamento: il fusibile di classe aM è progettato solo per la protezione dal cortocircuito e richiede sempre a fianco un elemento contro il sovraccarico; la classe gG è invece per uso generale e nel circuito motore può dover essere scelta di un valore superiore. Scegliere un fusibile più grande del necessario perché non intervenga all'avviamento allunga il tempo di interruzione in caso di cortocircuito e aumenta il rischio di danni a cavo e contattore.

L'MPCB riunisce invece sganciatore termico e magnetico in un unico corpo. Ha un campo di corrente regolabile e il campo del dispositivo scelto deve comprendere la corrente nominale del motore in un punto centrale o vicino al centro. Nelle potenze piccole e medie è una soluzione pratica in termini di spazio nel quadro e cablaggio. Va verificato a parte che il potere di interruzione corrisponda alla corrente di cortocircuito presunta dell'impianto in quel punto. La scelta del campo e la logica di taratura per gradi sono spiegate in dettaglio nell'articolo sulla scelta e taratura dell'MPCB.

Un esempio con i numeri: motore per pompa da 11 kW, 4 poli

Consideriamo un motore IE3 da 11 kW, 4 poli, che lavora su rete a 400 V. Per calcolare in modo approssimativo la corrente nominale si usa la formula I = P / (√3 × U × cosφ × η). Per la classe IE3 il limite di rendimento a 4 poli per questa potenza è del 91,4%. Assumendo un fattore di potenza tipico di 0,84:

I ≈ 11.000 / (1,732 × 400 × 0,84 × 0,914) ≈ 20,7 A

Si tratta solo di un calcolo di verifica; per la taratura si usa sempre il valore di targa. Supponiamo di trovare sulla targhetta un valore intorno a 21 A:

• Avviamento diretto (DOL): l'MPCB o il relè termico si sceglie tra i modelli il cui campo comprende comodamente 21 A e si tara a 21 A. Sul lato cortocircuito interviene invece il fusibile aM che sopporta la corrente di avviamento oppure la parte magnetica dell'MPCB.
• Avviamento stella-triangolo: se il relè termico è collegato dopo il contattore principale, sul ramo dell'avvolgimento, vede la corrente di avvolgimento. Questa corrente è pari a 1/√3 della corrente di linea: 21 × 0,58 ≈ 12,2 A. Se il relè viene tarato a 21 A, il motore resta senza protezione anche con un sovraccarico di circa il 70 per cento. Se il relè è collocato sulla linea di alimentazione, cioè a monte dei contattori, la taratura si fa di nuovo sulla corrente di linea.

Nel circuito stella-triangolo non si deve tarare senza aver verificato sullo schema la posizione del relè. Questo metodo è utilizzabile solo con motori che lavorano a triangolo a 400 V, cioè con avvolgimento 400/690 V.

Mancanza di fase: il motore è sotto sforzo anche se la corrente sembra corretta

Molti relè termici e MPCB rilevano la differenza di corrente tra due fasi e intervengono più rapidamente in caso di mancanza di fase. Questa protezione funziona però quando il motore è sotto carico e la corrente aumenta in modo evidente. Un motore che perde una fase a basso carico può restare sotto la corrente di taratura, ma la corrente squilibrata genera un riscaldamento aggiuntivo nel rotore. Nelle zone con frequenti fluttuazioni di tensione, nei cantieri alimentati da generatore o nelle stazioni di pompaggio non presidiate, un relè di controllo fasi separato è sensato. Questo relè controlla sequenza delle fasi, sotto/sovratensione e squilibrio. La logica della protezione multifunzione impiegata sui grandi motori è spiegata codice per codice nell'articolo sulle funzioni di protezione 46, 37, 49 e 48.

Guardare dentro l'avvolgimento: PTC e PT100

Un copriventola intasato o un funzionamento prolungato a bassi giri con un azionamento scaldano l'avvolgimento senza aumentare la corrente. Il termistore PTC annegato nell'avvolgimento aumenta bruscamente la propria resistenza a una determinata temperatura e, tramite un apposito relè per termistori, fa cadere il contattore. Il PT100 misura invece la temperatura in modo continuo; si possono definire due soglie, preallarme e intervento. Nelle serie trifase di HEM Motor i sensori di temperatura dell'avvolgimento PTC e PT100 sono offerti come opzione e vanno indicati in fase d'ordine. Sul campo si vedono con sorprendente frequenza motori con sensore installato ma non collegato al relè per termistori. Per la scelta del sensore e i dettagli di collegamento può essere utile l'articolo sul monitoraggio della temperatura dell'avvolgimento del motore.

Errori di protezione frequenti nei quadri

• Taratura del termico sulla corrente del contattore o del cavo.
• Taratura sulla corrente di linea nel circuito stella-triangolo senza verificare la posizione del relè.
• Uso di un relè Class 10 su un carico ad avviamento lungo e successivo aumento della taratura.
• Mantenimento della taratura di protezione del vecchio motore quando il motore viene sostituito. Alla stessa potenza in kW, un diverso numero di poli significa una corrente diversa.
• Cavo del PTC lasciato scollegato nella morsettiera.
• Fusibile aumentato di due taglie perché interveniva all'avviamento.

Pensare alla catena di protezione in fase d'ordine

Una protezione corretta non è un accessorio da aggiungere in seguito, ma un sistema da pianificare insieme al motore. Se si conoscono corrente nominale del motore, metodo di avviamento, tempo di avviamento del carico e condizioni ambientali, la scelta di relè, fusibile e sensore è chiara fin dall'inizio. La lista di controllo delle dotazioni da richiedere insieme al motore si trova nell'articolo dotazioni di protezione. Se Le serve un motore elettrico trifase con sensore PTC o PT100, può rivolgersi al nostro team tecnico comunicandoci i dati della Sua applicazione.

Domande frequenti

È corretto tarare il relè termico un po' sopra la corrente di targa del motore?

Nella pratica comune la taratura si fa uguale alla corrente nominale di targa. Il relè termico tollera già i superamenti di breve durata. Se il motore supera costantemente la corrente di targa, il problema non è la taratura ma il carico o la scelta del motore; aumentare la taratura nasconde il problema.

Se c'è il fusibile, serve anche il relè termico?

Sì. Il fusibile non viene scelto per reagire a un sovraccarico del 20–30 per cento che dura per ore; poiché non deve intervenire alla corrente di avviamento, ha un valore molto superiore alla corrente del motore. Il sovraccarico a sviluppo lento viene interrotto dal relè termico o dalla parte termica dell'MPCB.

A quanti ampere si tara il relè termico nel circuito stella-triangolo?

Se il relè è collegato sul ramo dell'avvolgimento, cioè all'uscita del contattore principale, la taratura deve essere circa 0,58 volte la corrente di linea di targa. Se il relè è collegato a monte dei contattori, sulla linea di alimentazione, si tara sulla corrente di linea. Prima di decidere occorre verificare sullo schema del quadro la posizione del relè.

Un motore con sensore PTC ha bisogno anche del relè termico?

Sì, i due controllano cose diverse. Il PTC misura la temperatura dell'avvolgimento e rileva la perdita di raffreddamento; il relè termico controlla la corrente e può reagire più rapidamente in situazioni a sviluppo veloce come il rotore bloccato. Usate insieme, le due protezioni coprono l'una i punti ciechi dell'altra.

Per tarare termico e interruttore serve la corrente nominale del motore. I valori di corrente a 380/400/415 V e di corrente di avviamento dei modelli HEM Motor sono nella Tabella delle correnti dei motori elettrici.