Dopo l’avvento degli inverter, il rifasamento dei motori bt è meno frequente, tuttavia rimane uno dei casi classici nell’ambito del rifasamento industriale: ne vediamo gli aspetti fondamentali, poi estesi all’ambito dei motori MT.
La soluzione standard per rifasare un motore è il rifasatore fisso: semplice ed economico. Ma non dobbiamo trascurare alcune problematiche che vedremo nel seguito, e che possono far preferire soluzioni differenti.
Motori bt
Un motore asincrono trifase bt “classico” ha un fabbisogno di potenza reattiva nell’ordine di 0,5-1kvar per ogni kW di potenza attiva, a seconda delle sue caratteristiche costruttive, dunque della velocità e della taglia. Il metodo più semplice per rifasare un motore asincrono è quello di installare un rifasamento fisso in parallelo, che può essere collegato indifferentemente ai suoi morsetti o a quelli del suo sistema di avviamento.
figura 1: rifasamento fisso di un motore.
La potenza reattiva necessaria per il rifasamento del motore può essere calcolata con la formula
Dove
Qc= potenza rifasante
P= potenza nominale del motore
e= efficienza del motore
phi1= sfasamento nominale del motore
phi2= sfasamento target
Riprendendo lo schema di figura 1 dobbiamo notare che:
- Le protezioni per il sovraccarico ed il cto cto sono in comune al motore ed al rifasamento, quindi quest’ultimo deve essere collegato con un cavo con la stessa sezione di quello che alimenta il motore.
- Nel determinare la soglia di intervento per sovraccarico della protezione, bisogna tener conto della corrente nominale del motore ridotta grazie al rifasamento.
- Se il motore è equipaggiato con un avviatore stella-triangolo bisogna valutare eventuali soluzioni di rifasamento coerenti con il funzionamento dell’avviatore.
Autoeccitazione
Nel rifasamento dei motori asincroni bisogna porre attenzione alla problematica dell’autoeccitazione: in fase di arresto, al distacco del motore dalla rete si ha un fenomeno causato dall’inerzia che porta il motore a funzionare come generatore autoeccitato, con conseguente innalzamento del livello di tensione ai capi dell’apparecchiatura stessa.
Per evitare questa problematica, particolarmente fastidiosa per quelle applicazioni del motore che richiedono precisione in fermata (ascensori, montacarichi, gru, carriponte) si consiglia di limitare la potenza del rifasamento al valore individuato con la formula
dove Io è la corrente a vuoto del motore (informazione che dovrebbe essere presente sul data sheet).
In alternativa, si può alimentare il rifasamento con un contattore dedicato: con opportuni automatismi questo evita il rischio dell’autoeccitazione: all’arresto del motore il contattore del rifasamento viene azionato “anticipato” all’apertura.
Riconnessione rapida/manovre ravvicinate
Ulteriore fenomeno da tenere in considerazione è se il comando di arresto del motore può essere seguito da immediata sua riconnessione alla rete. Oppure, ancora peggio, se il motore è chiamato a fare molteplici manovre di arresto/ripartenza ravvicinate. Un condensatore, quando viene disalimentato, ha una tensione residua che decade nel tempo con un transitorio funzione delle sue grandezze intrinseche. Questo transitorio viene velocizzato grazie alla resistenza di scarica esterna (obbligatoria) che lo scarica, in meno di 3 minuti, partendo dal picco iniziale di tensione pari a 1,41Vn fino a 75V. Nessun interruttore, fusibile o altro dispositivo di sezionamento deve essere interposto tra il condensatore e il dispositivo di scarica.
Il condensatore (e quindi il rifasatore) può essere riconnesso all'alimentazione se la sua tensione residua, dovuta all’energizzazione precedente, non supera il 10% della tensione nominale. Questa condizione viene generalmente soddisfatta nelle apparecchiature automatiche di rifasamento tarando opportunamente, sul regolatore di potenza reattiva, il tempo di riconnessione delle batterie in funzione della resistenza di scarica a bordo dei condensatori. Per un rifasatore fisso, non dotato di regolatore, bisogna porsi il problema, ed impedire le manovre ravvicinate; oppure montare sui condensatori una resistenza di scarica di valore opportuno, che permetta di rispettare il vincolo della tensione residua nel tempo di riconnessione desiderato.
Rifasamento di un gruppo di motori
In presenza di più motori, è possibile effettuare un rifasamento fisso “cumulativo”, purché i motori funzionino simultaneamente.
In questa situazione, il calcolo della potenza necessaria è da farsi con la seguente formula:
Dove
Pi è la potenza del motore i-esimo
ei è l’efficienza del motore i-esimo
phii è lo sfasamento nominale del motore i-esimo
phif è lo sfasamento target desiderato
Se vogliamo rifasare a cos phi 1 il gruppo dei motori, la formula si semplifica così:
figura 2: rifasamento centralizzato di un gruppo di motori.
In figura 2 vediamo un esempio di compensazione di un gruppo di motori. Il comando del rifasamento è stato associato al motore M4, quello più potente e che viene fatto partire per primo e arrestato per ultimo.
Nella seguente tabella vediamo una raccolta di valori tipici di rifasamento necessari per il rifasamento di motori asincroni bt, con indicato il valore a vuoto ed il valore a carico.
Il rifasamento dovrà essere scelto sul valore inferiore, per i motivi detti sopra, in caso si opterà per il rifasamento fisso del singolo motore, e comunque valutando il rischio di autoeccitazione; si potrà scegliere sul valore superiore in caso di rifasamento di un gruppo di motori con inserzione tramite apposito organo di manovra dedicato, o in caso di rifasamento automatico.
Rifasamento automatico
A proposito di rifasamento automatico: vediamo in quali situazioni può essere necessario, quando si ha a che fare con i motori.
Una situazione classica è quando un singolo motore, di grande potenza, può funzionare con differenti frazioni di carico, e magari è situato al termine di una linea lunga che “soffre” la caduta di tensione.
Un’altra situazione è il rifasamento di un gruppo di motori che fanno tante manovre di accensione spegnimento, indipendentemente l’uno dall’altro. Addirittura in queste situazioni, se le operazioni sono molto ravvicinate, può essere necessario ricorrere a rifasatori rapidi, con inseritori elettronici al posto dei classici contattori elettromeccanici.
Un’ulteriore situazione che può capitare in determinati impianti (cave, mulini) è la presenza di un grosso motore di macinazione. Spesso sovradimensionato per poter partire a carico, può avere un transitorio di avviamento molto gravoso e svattato, nelle situazioni peggiori. Può addirittura capitare che la corrente di spunto provochi una caduta di tensione tale da mettere a repentaglio il corretto avviamento del motore. Anche in questo caso la soluzione ideale potrebbe essere un rifasamento rapido ad inserzione statica, dimensionato per la situazione del transitorio più gravoso (corrente e relativo sfasamento). Potrebbe sembrare una soluzione eccessiva, ma in alcune situazioni è risultata molto efficace e ha tolto le castagne dal fuoco.
Prima di passare alla tematica del rifasamento dei motori MT, un’ultima raccomandazione: in presenza di motori “speciali” (passo passo, ad impulsi, etc), prima di rifasarli è meglio un consulto con il costruttore.
Motori MT
Per motori MT valgono le stesse considerazioni fatte sopra, solitamente amplificate dalla maggior potenza. In funzione della tensione nominale del sistema e della corrente del rifasamento, si dovrà operare il rifasamento con opportuno organo di manovra: contattore, sezionatore di manovra o con interruttore. Bisogna porre particolare attenzione alle sue prestazioni in termini di chiusura/apertura di correnti capacitive, perché sono particolarmente onerose.
Nell’operare il rifasamento di motori MT, se si decide di rifasare singolarmente due o più motori connessi alle stesse sbarre, dobbiamo anche valutare la necessità di utilizzare reattanze di inserzione (in genere nell’ordine di 50-100uH) per evitare fastidiosi picchi di corrente che danneggerebbero i condensatori. Questo accorgimento è importante, ogni qualvolta due o più sistemi di rifasamento MT sono connessi alle stesse sbarre: il problema può essere trascurato solo se i rifasatori sono di tipo detuned, poiché in questo caso le reattanze di blocco effettuano già abbondantemente la funzione di spianamento del picco di inserzione.
Per i motori MT è più delicato anche il tema delle riconnessioni ravvicinate: il condensatore ha resistenze di scarica (obbligatorie) che lo scaricano, partendo dal picco iniziale di tensione pari a 1,41Vn fino a 75V, in 10 minuti.
Anche in MT condensatori possono essere rienergizzati quando la loro tensione residua è scesa al di sotto del 10% della tensione nominale. In funzione dei tempi di scarica, soprattutto se il rifasamento del motore è connesso con sbarra rigida, le manovre ravvicinate del motore devono essere valutate con attenzione.
Nei casi in cui questo è un problema, si può ricorrere a dispositivi si scarica rapida (TV appositi) oppure, in casi estremi che necessitano di manovre molto frequenti e ravvicinate, si deve pensare ad un rifasamento bt (anche con inseritori statici) connesso tramite un trafo elevatore.
Riportiamo un estratto della norma IEC 60871-1 relativa all’autoeccitazione dei motori: inquadra molto bene la problematica.
When a capacitor is permanently connected to a motor, difficulties may arise after disconnecting the motor from the supply. The motor, while still rotating, may act as a generator by self-excitation and may give cause to voltages considerably in excess of the system voltage. This, however, can usually be prevented by ensuring that the capacitor current is less than the no-load magnetizing current of the motor; a value of about 90 % is suggested. As a precaution, live parts of a motor to which a capacitor is permanently connected should not be handled before the motor stops.
NOTE 1 The maintained voltage due to self-excitation after the machine is switched off is particularly dangerous in the case of induction generators and for motors with a braking system intended to be operated by loss of voltage (for example lift motors).
NOTE 2 In the case where the motor stops immediately after disconnection from the supply, the compensation may exceed 90 %.
Concludiamo ricordando che il fattore di potenza dei motori MT, in funzione delle caratteristiche costruttive (tensione nominale, numero di poli, etc), può anche essere sensibilmente basso.