Tipi di servizio da S1 a S10, classi termiche, termistori PTC, interruttori termici e interruttori salvamotore: ecco come proteggere termicamente i motori in servizio continuo.
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Motori con protezione termica in servizio continuo: da S1 a S10
Se un motore arrivi al suo limite termico dipende innanzitutto dal suo tipo di servizio. La norma IEC 60034-1, a livello europeo EN 60034-1, distingue dieci tipi di servizio nominali. Se sulla targhetta non è indicato alcun tipo di servizio, la macchina è progettata per il servizio continuo a carico costante[1]. Nel servizio continuo S1 il motore funziona sotto carico finché la sua temperatura non varia più. Non ci sono pause in cui l’avvolgimento possa raffreddarsi. I motori con protezione termica in servizio continuo devono quindi smaltire costantemente il calore dovuto alle perdite, e ogni disturbo del raffreddamento si ripercuote direttamente sulla temperatura dell’avvolgimento.
| Tipo di servizio | Denominazione | Indicazioni aggiuntive |
|---|---|---|
| S1 | Servizio continuo a carico costante | nessuna |
| S2 | Servizio di durata limitata | durata del carico |
| S3 | Servizio intermittente periodico | rapporto di intermittenza in %, riferito a 10 min |
| S4 | Servizio intermittente periodico con influenza dell’avviamento | rapporto di intermittenza, cicli all’ora, momento d’inerzia |
| S5 | come S4, in più con frenatura elettrica | come S4 |
| S6 | Servizio ininterrotto periodico | rapporto di intermittenza in %, riferito a 10 min |
| S7 | Servizio ininterrotto periodico con frenatura elettrica | cicli all’ora, momento d’inerzia |
| S8 | Servizio ininterrotto periodico con variazioni di carico e di velocità | cicli all’ora, momento d’inerzia |
| S9 | Servizio con variazioni non periodiche di carico e di velocità | cicli all’ora, momento d’inerzia |
| S10 | Servizio con carichi costanti distinti | – |
Un esempio della differenza: un motore per argano con l’indicazione S3 25 % può funzionare 2,5 minuti in ogni ciclo di 10 minuti e deve raffreddarsi nei restanti 7,5 minuti[1]. Se impiegate un motore di questo tipo in servizio continuo, supera la sua temperatura ammissibile. Come leggere grandezza, potenza e dati di targa dei motori normalizzati è illustrato nel nostro articolo sui motori elettrici IEC.
Classi termiche: quanto può scaldarsi l’avvolgimento
Il limite di temperatura di un motore è fissato dall’isolamento del suo avvolgimento. Le classi di isolamento o classi termiche sono stabilite nella DIN EN 60085; nei motori industriali sono comuni le classi F e H[2]:
| Classe termica | Limite di temperatura | Classe termica | Limite di temperatura |
|---|---|---|---|
| Y | 90 °C | F | 155 °C |
| A | 105 °C | H | 180 °C |
| E | 120 °C | N | 200 °C |
| B | 130 °C | R | 220 °C |
La temperatura massima ammissibile nel punto più caldo è data dalla temperatura ambiente nominale, spesso 40 °C, dalla sovratemperatura ammissibile e da una maggiorazione di 10 °C per l’hot spot[3].
Le classi sono valori di confronto per il sistema di isolamento; quale sovratemperatura possa raggiungere un motore specifico è indicato nella sua scheda tecnica. Per la durata vale la regola empirica secondo cui la durata dell’isolamento si dimezza a ogni aumento di temperatura di 10 °C[3]. Un motore con isolamento in classe F che durante il funzionamento si riscalda solo fino al limite della classe B dispone quindi di 25 K di riserva, che si traducono in una durata dell’avvolgimento nettamente maggiore.
La riserva si riduce non appena l’ambiente è più caldo della temperatura nominale, le alette di raffreddamento si sporcano o un motore autoventilato alimentato da inverter funziona a lungo a bassa velocità, perché la sua ventola gira allora più lentamente. Per quest’ultimo caso è utile un servoventilatore. Per luoghi di impiego con temperature molto alte o molto basse, motore, riduttore e lubrificazione vanno dimensionati insieme, come descritto nell’articolo sui motoriduttori con compensazione termica.
Termistori PTC nell’avvolgimento
Una protezione termica molto diffusa è il termistore PTC, detto anche termistore a coefficiente di temperatura positivo. Nella cosiddetta protezione integrale del motore sono collegati in serie più termistori PTC, tipicamente tre, montati negli hot spot dell’avvolgimento poco o per nulla raffreddati. Alla temperatura nominale di intervento la loro resistenza aumenta bruscamente, ad esempio a 1,5 kΩ. La valutazione è affidata a un dispositivo esterno che, con valori di resistenza a partire da circa 3.600–4.000 Ω, disinserisce il contattore del motore tramite un contatto NC e lo riabilita solo al di sotto di circa 1.600–1.650 Ω. Inoltre si possono rilevare cortocircuiti del cavo della sonda e interruzioni dei conduttori. I termistori PTC per la protezione dei motori sono normati nelle DIN 44081 e DIN 44082[4].
Il grande vantaggio: il termistore PTC misura là dove l’isolamento invecchia. Reagisce anche a cause per cui la corrente non presenta anomalie, ad esempio alette di raffreddamento sporche, una ventola difettosa o una temperatura ambiente troppo elevata. I suoi limiti risiedono nella trasmissione del calore tra avvolgimento e sonda:
- Le sonde dovrebbero trovarsi nella sezione dell’avvolgimento con la temperatura più alta; un montaggio successivo sulla testata dell’avvolgimento va limitato a casi particolari, a causa della scarsa trasmissione del calore.
- A causa del tempo di accoppiamento termico, all’intervento la temperatura dell’avvolgimento è sempre superiore alla temperatura nominale di intervento.
- Con densità di corrente superiori a circa 40 A/mm², come possono verificarsi ad esempio con rotore bloccato, la temperatura dell’avvolgimento subisce un picco transitorio (overshoot) di oltre 50 K. In tal caso il termistore PTC non può fungere da protezione unica[5].
Si raccomanda quindi la combinazione con uno sganciatore amperometrico che, con la corrente a rotore bloccato, intervenga al più tardi dopo circa 15 s. Nella verifica, la temperatura di intervento effettiva non dovrebbe scostarsi di oltre ±5 K dalla temperatura nominale di intervento; per le misure di continuità sono ammessi al massimo 2,5 V in corrente alternata per sonda. Per la prova di continuità non è quindi adatto un misuratore di isolamento, e durante la prova di isolamento dell’avvolgimento del motore il circuito delle sonde deve essere messo a terra, per evitare danni dovuti alla carica capacitiva[5].
Interruttori termici e Pt100 come alternative
Molti motori hanno nell’avvolgimento, al posto dei termistori PTC, interruttori bimetallici con cui viene sorvegliata la temperatura dell’avvolgimento[4]. Un interruttore termico di questo tipo apre a una temperatura fissa un contatto nel circuito di comando e non necessita di un proprio dispositivo di valutazione. Una singola sonda, che sia un termistore PTC o un interruttore bimetallico, serve però solo per una sorveglianza generale e approssimativa e non è pensata come unica misura di protezione[4].
Un interruttore bimetallico di regola si richiude dopo il raffreddamento. Affinché il motore non si riavvii in modo incontrollato, il contatto va inserito in un comando con blocco contro il riavvio. Se il ripristino debba poi avvenire in automatico o solo a mano lo decidete in base al pericolo: dove un riavvio inatteso può mettere in pericolo le persone, ad esempio sui nastri trasportatori, il ripristino manuale con verifica della causa è la scelta giusta. Un ripristino automatico della protezione può portare alla distruzione dell’impianto[4].
Una termoresistenza Pt100 non commuta, ma fornisce un valore di temperatura continuo. È adatta se volete registrare in continuo le temperature dell’avvolgimento o dei cuscinetti, impostare soglie di allarme prima del disinserimento o analizzare tendenze per la manutenzione. Il disinserimento vero e proprio è allora affidato a un’unità di valutazione con valori limite impostati.
Interruttori salvamotore e relè di sovraccarico
La protezione amperometrica funziona in modo indiretto. Un interruttore salvamotore sorveglia le correnti nelle tre linee di alimentazione e disinserisce esso stesso il circuito principale. Un relè di sovraccarico o relè termico di protezione motore funziona secondo lo stesso principio, ma non disinserisce direttamente il motore: agisce sul contattore a monte[4]. Un malinteso frequente: il bimetallo nell’interruttore non misura la temperatura del motore, ma riproduce il riscaldamento attraverso la corrente. Gli sganciatori elettronici misurano la corrente di ogni conduttore di fase con trasformatori di corrente e imitano questo comportamento[4].
Che cosa offre la protezione amperometrica e dove incontra i suoi limiti:
- Rileva il sovraccarico meccanico e la mancanza di uno o due conduttori di fase. Nell’interruttore salvamotore reagisce inoltre senza ritardo alle correnti di cortocircuito uno sganciatore elettromagnetico; un relè termico di protezione motore non ha uno sganciatore di cortocircuito e necessita di fusibili a monte[4].
- Secondo EN 60947 vanno indicati i tempi massimi per il sovraccarico; il tempo di intervento deve essere, per tutte le correnti impostate, inferiore al tempo di danneggiamento dell’isolamento del motore. Una temperatura ambiente più elevata in corrispondenza dell’interruttore può anticipare l’intervento[4].
- Uno sganciatore termico di sovracorrente non costituisce un’immagine termica dell’avvolgimento. Con un’elevata frequenza di manovra interverrebbe troppo presto; per il servizio intermittente S4 si raccomanda un motore con protezione a termistori come protezione unica[6].
- Dove il raffreddamento può essere compromesso, ad esempio in ambienti polverosi, la norma per gli apparecchi di sollevamento, DIN EN 60204-32, raccomanda motori con protezione termica incorporata[6].
Per azionamenti con un’accelerazione lunga, ad esempio grandi ventilatori o masse volaniche, scegliete una classe di intervento lenta, in modo che la protezione tolleri l’avviamento e intervenga comunque in caso di sovraccarico reale. Il tasto di prova di interruttori e relè aziona solo il meccanismo di sgancio; si tratta di una prova puramente meccanica[4] e non sostituisce la verifica dei valori di taratura.
Definire il concetto di protezione per il servizio continuo
Nel servizio continuo i due tipi di protezione si completano a vicenda. La panoramica mostra quale protezione rileva in modo affidabile quale causa[5][6]:
| Causa | Sonda di temperatura nell’avvolgimento | Protezione amperometrica |
|---|---|---|
| sovraccarico meccanico lento | sì | sì |
| alette di raffreddamento sporche, guasto della ventola | sì | no, la corrente resta normale |
| temperatura ambiente troppo elevata presso il motore | sì | no |
| elevata frequenza di manovra | sì | inaffidabile, interviene troppo presto |
| rotore bloccato | troppo lenta con densità di corrente elevate | sì, rapida |
| mancanza di un conduttore di fase | solo indirettamente tramite il riscaldamento | sì |
| cortocircuito | no | sì, tramite sganciatore di cortocircuito o fusibile |
Per le aree a rischio di esplosione valgono regole più severe: secondo EN 60079-14 il motore deve essere disinserito entro il tempo tE indicato sulla targhetta. Lì i termistori sono ammessi in alternativa agli sganciatori amperometrici, ma come protezione unica devono agire anche con la macchina bloccata[7].
Un concetto di protezione coerente inizia dalla scelta del motore: tipo di servizio, classe termica, temperatura ambiente e tipo di sonda vanno inseriti nella specifica, non solo al momento della messa in servizio. In qualità di fornitore dell’intera catena cinematica, noi di ATEK Drive Solutions dimensioniamo motore, riduttore e freno su misura, tutto da un unico interlocutore, comprese le sonde di temperatura adatte nell’avvolgimento. Una panoramica è disponibile tra i nostri motori normalizzati IEC; per la vostra applicazione vi offriamo volentieri una consulenza tramite la pagina Contatto.
Domande frequenti
Qual è la differenza tra S1 e S3?
S1 è il servizio continuo a carico costante senza pause di raffreddamento. S3 è il servizio intermittente periodico: l’indicazione S3 25 % significa che il motore può funzionare sotto carico 2,5 minuti in ogni ciclo di 10 minuti e deve poi raffreddarsi.
Quanto può scaldarsi un motore in servizio continuo?
Conta l’avvolgimento, non la carcassa. La sua temperatura massima è stabilita dalla classe termica: 130 °C nella classe B, 155 °C nella classe F e 180 °C nella classe H. Una carcassa calda è normale nel servizio continuo; i valori ammissibili sono riportati nella scheda tecnica.
Che cosa significano le classi di isolamento F e H?
Indicano la resistenza alle sollecitazioni termiche del sistema di isolamento secondo DIN EN 60085: la classe F è progettata fino a 155 °C, la classe H fino a 180 °C nel punto più caldo. Entrambe le classi sono comuni nei motori industriali.
In servizio continuo basta un interruttore salvamotore?
Con un raffreddamento pulito, una temperatura ambiente entro il campo nominale e pochi avviamenti, spesso sì. Non rileva però alette di raffreddamento sporche, una ventola guasta o una temperatura ambiente troppo elevata, perché in questi casi la corrente rimane invariata. Per questo servono sonde di temperatura nell’avvolgimento.
Quando ha senso un reset manuale dopo un intervento della protezione?
Ogni volta che un riavvio automatico può mettere in pericolo persone o macchina, ad esempio sui nastri trasportatori o con azionamenti aperti. Il ripristino manuale obbliga a verificare la causa prima che il motore riparta.
Che cos’è la costante di tempo termica di un motore?
Descrive la rapidità con cui un motore si riscalda o si raffredda. Da fermo, nei motori autoventilati manca la ventilazione, per cui la costante di tempo di raffreddamento è più volte più lunga che durante il funzionamento. Dopo un intervento della protezione occorre quindi un tempo corrispondente prima che il motore possa ripartire.
Quali norme sono rilevanti per la protezione termica dei motori?
IEC/EN 60034-1 per i tipi di servizio, DIN EN 60085 per le classi termiche, DIN 44081 e DIN 44082 per i termistori PTC, IEC 60034-11 per la protezione termica incorporata ed EN 60947 per interruttori salvamotore e relè termici di protezione motore. Nelle aree a rischio di esplosione si aggiunge la EN 60079-14.
Che cosa vale con temperature ambiente estreme da –40 a +100 °C, e chi dimensiona questi azionamenti?
I dati nominali di un motore si riferiscono spesso a una temperatura ambiente di 40 °C. Se questa è superiore, la riserva di temperatura dell’avvolgimento diminuisce e potenza o classe termica vanno adeguate. Con temperature basse passano in primo piano lubrificante, guarnizioni e comportamento all’avviamento di motore e riduttore. Per questi campi di impiego dovreste quindi far dimensionare motore, riduttore e lubrificazione insieme da un unico fornitore. ATEK Drive Solutions, in qualità di fornitore dell’intera catena cinematica, dimensiona motore e riduttore da un unico interlocutore e chiarisce caso per caso il campo di temperatura ammissibile per la vostra applicazione.
Fonti
- Wikipedia (DE): Nennbetriebsart
- Wikipedia (DE): Isolierstoffklasse
- Wikipedia (EN): Insulation system
- Wikipedia (DE): Motorschutz (Elektrotechnik)
- elektropraktiker.de (DE): Möglichkeiten und Grenzen des Motorschutzes mit Thermistoren
- elektropraktiker.de (DE): Schutz von Drehstrom-Antrieben für Hebezeuge
- elektropraktiker.de (DE): ATEX-Anforderungen an Motorschutzeinrichtungen
