Prima di tutto è necessario conoscere le caratteristiche delle utenze che andremo ad alimentare col nostro quadro elettrico. A tal fine è opportuno evidenziare se si tratti di un quadro elettrico di distribuzione oppure di automazione.
Nota: Quando si parla di quadro elettrico di automazione ci si riferisce ad un quadro di protezione, comando e controllo di un impianto a bordo macchina o di un impianto specifico (centrale termica, centrale trattamento acque, ecc.). Un quadro di automazione prevede quindi la presenza di salvamotori, relé, selettori, spie, ecc. Generalmente i componenti di un quadro elettrico di automazione (ad eccezione di pulsanteria e spie) non sono accessibili. Quando invece si parla di quadro elettrico di distribuzione ci si riferisce ad un quadro elettrico da cui si diramano solo linee di alimentazione (di altri quadri, delle luci, delle prese, ecc.). Generalmente la carpenteria di un quadro elettrico di distribuzione è di tipo modulare ed i componenti sono accessibili.
Questa differenza è importante per il quadrista in quanto generalmente per un quadro elettrico di distribuzione è già stato redatto un progetto esecutivo da parte di uno studio professionale ed i componenti sono definiti univocamente. Per un quadro di automazione, invece, solitamente esiste solo un progetto di massima e quindi diventa importante dimensionare correttamente tutti i dispositivi.
Da qui in poi ci occuperemo solo di quadri elettrici di automazione in quanto generalmente più complessi di quadri elettrici di distribuzione; tuttavia i passaggi che verranno indicati sono comuni per entrambe le tipologie.
Dimensionamento dei componenti
Da un quadro elettrico di automazione vengono generalmente alimentati motori la cui potenza può variare da pochi Watt a centinaia di kilowatt.
Senza voler entrare troppo nel dettaglio (in quanto esulerebbe dallo scopo del presente articolo), è importante svolgere alcune brevi considerazioni in merito ai motori:
In base a quanto sopra esposto si evidenziano 2 aspetti fondamentali: il primo è che per evitare un danneggiamento del motore (sia meccanico che elettrico) è necessario proteggerlo con un dispositivo che limiti la corrente da lui assorbita; il secondo è che detto dispositivo non intervenga entro tempi troppo rapidi in quanto sarebbe impedito l’avviamento stesso del motore.
Esistono idonei componenti adatti all’uopo denominati salvamotori; un’altra metodologia consiste nel separare la protezione termica da quella magnetica. Ma come già detto non voglio addentrarmi troppo nel merito perché esula da quanto in oggetto. Tuttavia ritengo importante fornire una piccola guida per il dimensionamento delle protezioni in base alla potenza elettrica del motore. A tal fine è possibile fare riferimento alle 2 tabelle seguenti: una riguarda motori trifase alimentati a 400 V, l’altra motori monofase alimentati a 230 V. Dalle tabelle è inoltre possibile desumere la taglia del teleruttore necessario.
Analoghe considerazioni valgono in merito al potere di interruzione che devono presentare i dispositivi di protezione installati all’interno del quadro elettrico. Va da sé che innanzitutto è necessario conoscere la corrente di corto circuito nel punto in cui verrà posizionato il quadro. Nota questa si dovranno utilizzare dispositivi che presentino un potere di interruzione maggiore o uguale alla corrente di corto circuito in quel punto.
Ovvero se il quadro sarà installato in un punto dell’impianto in cui è prevista una corrente di corto circuito pari a, ad esempio, 8 kA, si dovranno utilizzare dispositivi che presentino un potere di interruzione maggiore di 8 kA (generalmente 10 kA)
Nota 1: la corrente di corto circuito in un punto determina anche il numero di supporti delle barre principali; tale aspetto sarà affrontato in seguito
Nota 2 : qualora non fosse nota la corrente di corto circuito del punto di installazione è bene indicare in maniera chiara e univoca che il quadro è stato dimensionato per una determinata tenuta al corto circuito e che pertanto dovrà essere installato in un punto dell’impianto dove la corrente di corto circuito sia inferiore o uguale a quella per cui è stato dimensionato.
Anche per lo studio delle correnti di corto circuito e della relativa scelta degli interruttori la letteratura tecnica offre pagine e pagine di approfondimenti a cui rimando i lettori particolarmente solerti.
Dimensionamento del trasformatore ausiliario
Nel seguito tratteremo il dimensionamento del trasformatore servizi ausiliari del quadro in quanto generalmente questo aspetto è trascurato dai professionisti e lasciato all’abilità del costruttore del quadro elettrico. Le considerazioni saranno sviluppate per un trasformatore con tensione secondaria 24 V, ma possono essere estrapolate per analogia a qualsiasi altra tensione.
Per prima cosa è fondamentale dimensionare correttamente la potenza del trasformatore. Per fare questo è necessario conoscere cosa esso andrà ad alimentare. Come succede nella maggior parte dei casi si tratta principalmente di bobine di teleruttori di potenza o ausiliari e di spie di segnalazione.
Evidenziamo quindi il comportamento di questi componenti. Le bobine presentano un’elevata corrente di spunto ed una corrente di mantenimento (il comportamento è simile a quello di un trasformatore), le spie semplicemente assorbono una corrente proporzionale alla loro potenza.
Ovviamente, data la variabilità dei carichi, quella che andremo a proporre non è una regola rigida ed è subordinata alle seguenti ipotesi:
La potenza del trasformatore può essere così determinata:
P = 0,8 * ( Pm + Pv + Pa)
Dove
Pm = somma di tutte le potenze di mantenimento dei contattori
Pv = somma delle potenze di tutte le spie
Pa = potenza di spunto del contattore di maggior corrente nominale
Detta formula restituisce una potenza che generalmente è sufficiente anche ad evitare cadute di tensione troppo elevate a secondario che potrebbero causare un cattivo funzionamento dei componenti. Vediamo un esempio chiarificatore. Supponiamo di dover alimentare:
Abbiamo pertanto:
P = 0,8 * (280 VA + 45 VA + 250 VA) = 460 VA
A questo punto si potrebbe aprire una disquisizione teorica se utilizzate un trasformatore da 400 VA alla luce di fattori di contemporaneità minori oppure passare direttamente ad uno da 630 VA. L’esperienza sul campo insegna che considerata l’esigua diversità di costi e di ingombri si può tranquillamente passare al trasformatore da 630 VA senza porsi troppe questioni di filosofia tecnica.
Allo stesso modo qualcuno potrebbe obiettare che in realtà i 250 VA per lo spunto del teleruttore più grande sono solo transitori. Si potrebbe quindi considerare solo la potenza assorbita per il mantenimento del 70% dei relé e delle spie (vedi ipotesi iniziali) e poi verificare che la caduta di tensione caratteristica del trasformatore a secondario per i 460 VA a cosfi 0,5 sia inferiore al 5%.
Ma, qualora non si tratti di quadri costruiti in serie per cui dette considerazioni abbiano oggettivamente un riscontro tecnico-economico, resta valido quanto indicato al paragrafo precedente.
Dimensionato il trasformatore è necessario scegliere le protezioni più idonee sia a primario che a secondario.
Analoghe considerazioni valgono in merito al potere di interruzione che devono presentare i dispositivi di protezione installati all’interno del quadro elettrico. Va da sé che innanzitutto è necessario conoscere la corrente di corto circuito nel punto in cui verrà posizionato il quadro. Nota questa si dovranno utilizzare dispositivi che presentino un potere di interruzione maggiore o uguale alla corrente di corto circuito in quel punto.
Ovvero se il quadro sarà installato in un punto dell’impianto in cui è prevista una corrente di corto circuito pari a, ad esempio, 8 kA, si dovranno utilizzare dispositivi che presentino un potere di interruzione maggiore di 8 kA (generalmente 10 kA)
Nota 1: la corrente di corto circuito in un punto determina anche il numero di supporti delle barre principali; tale aspetto sarà affrontato in seguito
Nota 2 : qualora non fosse nota la corrente di corto circuito del punto di installazione è bene indicare in maniera chiara e univoca che il quadro è stato dimensionato per una determinata tenuta al corto circuito e che pertanto dovrà essere installato in un punto dell’impianto dove la corrente di corto circuito sia inferiore o uguale a quella per cui è stato dimensionato.
Anche per lo studio delle correnti di corto circuito e della relativa scelta degli interruttori la letteratura tecnica offre pagine e pagine di approfondimenti a cui rimando i lettori particolarmente solerti.
Il capitolo continua nella guida competa con:
Siglatura cavi e morsetti
Tipologia di cavi
Colore dei dispositivi di comando e segnalazione
Sviluppo grafico
Scelta della carpenteria
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