LIMITATORI DI COPPIA ELETTRONICI
LIMITATORI DI COPPIA o di CARICO WATTMETRICI

Molti dei dispositivi EMIREL vengono impiegati nell’industria con la funzione di LIMITATORI DI COPPIA e/o LIMITATORI DEL CARICO applicato a macchine ed impianti.

Il LIMITATORE DI COPPIA viene definito meccanico, elettronico, idraulico ecc. a seconda della modalità fisica usata per rilevare la coppia.

Per definizione la coppia è il prodotto di una FORZA per un BRACCIO e si misura in Nm ed è responsabile del movimento di rotazione.

Il movimento di rotazione è fornito da un motore che dovrà vincere la “coppia resistente” fornita dal “carico”.

Il limitatore di coppia o limitatore di carico è quella soluzione tecnica che permette di mantenere il funzionamento dell’impianto al di sotto del valore di coppia massimo ammesso.

Si tratta quindi di un sistema che consente di prevenire quei sovraccarichi che potrebbero danneggiare in modo irreversibile le parti meccaniche di un impianti.

I limitatori di coppia EMIREL sono denominati “elettronici” perché di tipo elettronico sono i componenti impiegati per rilevare ed elaborare i valori ed i dati necessari a svolgere la funzione richiesta.

L’applicazione pratica, è di tipo elettromeccanico in quanto:

1) si installa nel quadro elettrico, seguendo le comuni norme note agli operatori del settore;

2) il motore è la sorgente dei valori da rilevare (direttamente o mediante TA) per ottenere il controllo richiesto.

Infatti, in tutti i casi in cui il moto è impresso da un motore elettrico asincrono, esiste una relazione diretta fra la variazione del carico, (la coppia) e le grandezze elettriche (CORRENTE, POTENZA, COSφ) che caratterizzano quel motore che ha impresso il movimento.

Il diagramma di fig. 1 rappresenta graficamente il diverso comportamento di CORRENTE (I), POTENZA (P) e COSφ  in presenza del medesimo aumento del carico (coppia resistente M riportato in ascissa).

I relè elettronici EMIREL rilevano una o più grandezze elettriche di un motore asincrono e la confrontano con un valore prefissato (soglia) per ottenere un segnale di allarme (sonoro, luminoso, fermo macchina ecc.). Di conseguenza i dispositivi si classificano in base al parametro utilizzato.

C’è una “FAMIGLIA” di dispositivi che ha come grandezza di riferimento la CORRENTE del motore, sono gli AMPEROMETRICI.

C’è una “FAMIGLIA” di dispositivi che ha come grandezza di riferimento la POTENZA ATTIVA che il motore assorbe dalla rete e questi sono i WATTMETRICI o limitatori di coppia.

Ogni famiglia ha le sue peculiarità, gli amperometrici sono meno costosi ma hanno una sensibilità diversa a seconda che il motore sia scarico o molto caricato.

I wattmetrici o limitatori di coppia sono più costosi ma hanno la stessa sensibilità sia con motore scarico che con motore molto caricato.

Per un motore elettrico trifase, collegato alla rete elettrica trifase, alimentata dalla tensione V, si può scrivere l’equazione: PE = 1,73 V x I x cosφ  (WATT)

Dove : V = tensione trifase della rete 

I = corrente assorbita da ogni fase del motore

Cosφ = fattore di potenza (“Fi” è l’angolo di sfasamento fra la tensione e la corrente)

PE = potenza che il motore assorbe dalla rete elettrica

La potenza PE assorbita dalla rete fa girare l’albero del motore, quindi si ha la conversione della PE in potenza meccanica cioè: PE=Pm=Cx n

Dove : Pm = potenza meccanica

C = coppia matrice

n = numero di giri dell’albero del motore

(Nell’uguaglianza PE = Pm si trascurano le perdite interne del motore).

La velocità “n” dipende dal numero di poli del motore ed è praticamente quasi costante.

Scriviamo la PE=Pm con le grandezze veramente in gioco: 1,73 V I cosφ = C x n  (Equazione A).

Supponiamo di avere un motore di potenza P=5kW che con V=400Vac avrà una In=9A e cosφ=0,80.

Il motore a pieno carico assorbirà dalla rete a 400V  5kW assorbendo la corrente I=9A per ogni fase con fattore di potenza cosfi e imprimerà all’albero una velocità n=500/750/1000/1500/3000 RPM (dipendente dal numero di poli del motore).

Come detto la velocità n rimane abbastanza costante, quindi ci sarà una coppia massima Cmax tale che Cmax x n = 5kW. La (A) dice che non possiamo applicare all’albero una coppia > Cm perché obbligherebbe il motore ad assorbire una potenza >5kW. Nella (A) abbiamo che n è costante per cui se si vuole che C non superi Cmax si può controllare il valore della I, oppure quello del cosφ oppure tutto il prodotto P=1,73V I cosφ. Da queste considerazioni nascono le famiglie degli AMPEROMETRICI, FASMETRICI, WATTMETRICI. Sempre dalla (A), se C>Cmax il motore non riesce a fornire la velocità n, quindi anche il controllo della velocità genera una famiglia di controllori: i TACHIMETRICI.

Rimandiamo alla sezione “FAMIGLIE” per la scelta del limitatore più opportuno.

NOTA: La coppia che si vuole misurare, per limitarla, è una caratteristica dell’albero del motore, per misurarla con limitatori di coppia meccanici si dovrebbe tagliare l’albero ed inserire un elemento che misuri la coppia e che separi anche il carico dal motore, in caso di intervento.

Spesso la velocità dell’albero del motore deve essere ridotta per portarla al valore opportuno per l’applicazione, se si applica un riduttore meccanico che riduce la velocità entrante n1 alla velocità di uscita n2, si avrà che n1C1=n2C2 quindi se n1/n2=30 avremo C2=30C1 quindi la coppia di uscita è 30 volte quella di entrata, l’albero di uscita avrà quindi dimensioni maggiori e l’applicazione di un misuratore di coppia risulterà più oneroso.

Il limitatore di coppia elettronico, amperometrico o wattmetrico, non è applicato all’albero lento ma è applicato entro il quadro elettrico dove c’è il teleruttore del motore, per gli Amperometrici basta rilevare la corrente di una fase (inserzione diretta o mediante TA) per i Wattmetrici serve anche la tensione trifase (ovviamente presente nel quadro elettrico).

Il motore elettrico quando viene alimentato offre una coppia di spunto maggiore di quella offerta a regime, quindi l’eventuale limitatore di coppia meccanico dovrà essere tarato al di sopra di questo valore altrimenti interverrebbe ad ogni partenza del motore. Il limitatore elettronico è invece dotato di un Timer “TC” che al presentarsi della corrente all’avvio  inibisce l’intervento del relè e quindi la taratura del dispositivo non è influenzata dalla presenza del picco di coppia.

Dalla Fig. 1 si possono ricavare le caratteristiche degli amperometrici e dei wattmetrici. All’aumentare di M (coppia resistente applicata al motore) si può notare come la potenza assorbita sia una retta quindi quando il carico aumenta di ΔM la potenza aumenta di ΔP e questo succede in tutto il campo di M (motore scarico o motore carico).

La corrente non ha questa caratteristica, innanzitutto ha una dinamica ridotta (ad esempio un motore con corrente nominale 10A, con carico zero ha una corrente di 3-4A per cui la dinamica della corrente non è 10A ma 10A – 3/4A cioè 7 o 6 A).

L’andamento della corrente non è lineare, cresce molto quando il motore è scarico e meno quando il motore è carico.