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Nei sistemi di distribuzione a media tensione (da 3,6 kV a 12 kV), i dispositivi di commutazione sono spesso fraintesi. Mentre gli interruttori sottovuoto (VCB) sono sotto i riflettori per la protezione dai guasti, i dispositivi di commutazione sono spesso fraintesi. contattore a vuoto è il vero cavallo di battaglia dell'automazione industriale. Progettato per commutazioni ad alta frequenza, spesso con migliaia di operazioni al mese, il contattore a vuoto colma il divario tra i semplici sezionamenti manuali e la protezione dei circuiti per impieghi gravosi.
Tuttavia, trattare un contattore come un interruttore automatico è una ricetta per il fallimento. Dall'errata applicazione delle categorie di utilizzo all'errato coordinamento dei fusibili, le sfumature ingegneristiche determinano se un avviatore motore dura vent'anni o si guasta durante la messa in servizio. Questa guida analizza l'anatomia, i valori nominali e gli schemi di controllo critici dei contattori sotto vuoto a media tensione per ingegneri e specialisti dell'approvvigionamento.
Il contattore sottovuoto di media tensione è un dispositivo di commutazione elettromagnetico progettato specificamente per durare nel tempo. A differenza di un interruttore automatico, che utilizza un meccanismo a molla a energia immagazzinata per interrompere occasionalmente correnti di cortocircuito massicce, un contattore utilizza un sistema magnetico a solenoide per commutare ripetutamente le correnti di carico. Questa differenza fondamentale privilegia la durata meccanica, tipicamente stimata per 300.000-1.000.000 cicli, rispetto alla potenza di eliminazione dei guasti di un interruttore automatico.
Il cuore del dispositivo è l'interruttore a vuoto (VI), una camera ceramica sigillata che ospita i contatti. Quando la bobina elettromagnetica viene eccitata, tira l'armatura, chiudendo i contatti contro una molla di pressione calibrata. Questa molla è fondamentale: assicura una bassa resistenza dei contatti durante il normale funzionamento e impedisce la separazione dei contatti durante le elevate forze elettromagnetiche di un evento di spunto. Quando la bobina viene diseccitata, le molle di ritorno forzano l'indotto e separano i contatti per interrompere il circuito.
All'interno dell'interruttore, l'ambiente è mantenuto ad un alto vuoto, tipicamente tra 10-2 Pa e 10-4 Pa. Quando i contatti si separano, l'arco di vapore metallico generato dalla corrente di carico si diffonde rapidamente nel vuoto. Poiché non c'è gas da ionizzare, la rigidità dielettrica nella fessura di contatto aperta si ripristina quasi istantaneamente, spesso entro microsecondi dal passaggio a zero della corrente. Ciò consente al contattore di estinguere l'arco con una distanza di contatto relativamente piccola, in genere da 4 mm a 8 mm a seconda della tensione nominale (7,2 kV contro 12 kV).
È fondamentale distinguere questo meccanismo da quello di un interruttore automatico sotto vuoto. Un VCB utilizza un sistema di chiusura e sgancio meccanico progettato per mantenere i contatti chiusi anche in caso di interruzione dell'alimentazione di controllo, aprendosi solo quando un relè di protezione segnala un guasto. Un contattore a vuoto standard è “a tenuta elettrica”, cioè si apre automaticamente se la tensione di controllo diminuisce, rendendolo intrinsecamente a prova di guasto per le applicazioni di controllo del motore in cui un riavvio inaspettato potrebbe essere pericoloso.
Comprendere questo architettura interna dell'interruttore a vuoto è il primo passo per adattare il dispositivo alla sua applicazione.
[Perché il materiale di contatto è importante
- Interruttori automatici (CuCr): I VCB utilizzano in genere contatti in rame-cromo. Questi sono ottimizzati per ottenere un'elevata rigidità dielettrica per interrompere guasti da 25kA+, ma possono saldarsi se commutati troppo frequentemente.
- Contattori (WCAg): I contattori sotto vuoto utilizzano spesso il tungsteno-carburo d'argento. Questo materiale è più duro e più resistente all'erosione durante i ripetuti “rimbalzi” dell'avviamento del motore, anche se ha una capacità di rottura finale inferiore.
- Il compromesso: Non è possibile scambiare le interruzioni tra un interruttore e un contattore. La metallurgia è sintonizzata sul ciclo di funzionamento (protezione vs. resistenza).
Un valore nominale di “400 A” è di fatto privo di significato senza il contesto della categoria di utilizzo. Definito sotto IEC 62271-106 (adattando i concetti della norma IEC 60947-4-1), queste categorie dettano la gravità della sollecitazione elettrica esercitata sui contatti. La specificazione della categoria sbagliata è la causa principale della saldatura prematura dei contatti negli impianti industriali.
AC-3 è la categoria standard per i motori a gabbia di scoiattolo: avvio del motore e spegnimento solo dopo che ha raggiunto la massima velocità. In questo caso, il contattore gestisce un'elevata corrente di spunto alla chiusura, ma interrompe una corrente di funzionamento relativamente bassa.
AC-4, Il sistema di controllo della velocità, invece, prevede l'arresto del motore in fase di accelerazione o la sua rapida inversione di marcia. Si tratta di un'operazione comune nelle gru, nei paranchi e nei nastri trasportatori delle miniere.
In un'applicazione AC-3, il contattore deve in genere resistere a correnti di esercizio pari a circa 6 × In (corrente nominale di esercizio) ma si rompe solo 1 × In. In un'applicazione AC-4, il contattore deve sia erogare che interrompere la corrente del rotore bloccato. Ciò significa che l'interruttore interrompe 6 × In con un fattore di potenza altamente induttivo (spesso cos φ ≤ 0,35). Questo genera un'energia d'arco significativamente maggiore, aumentando i tassi di erosione dei contatti di un fattore 10 o più rispetto al funzionamento in corrente alternata.
La commutazione dei banchi di condensatori presenta una sfida fisica diversa. A differenza dei motori (carichi induttivi) che resistono alla variazione di corrente, i condensatori resistono alla variazione di tensione, agendo quasi come un cortocircuito nell'istante dell'eccitazione.
Quando si eccita un singolo banco di condensatori, la corrente di spunto è limitata solo dall'impedenza della rete. Tuttavia, nella commutazione back-to-back (eccitazione di un banco in parallelo con uno già eccitato), le correnti di spunto ad alta frequenza possono fluire tra i banchi. Questi transitori possono raggiungere valori di picco pari a 100 × In con frequenze superiori a 2.500 Hz. I materiali di contatto standard come il rame-tungsteno (CuW) progettati per la commutazione dei motori possono surriscaldarsi o saldarsi in queste condizioni.
Ingegneri che specificano contattori a condensatore deve verificare che l'unità sia classificata per la classe C2 o AC-6b. Questi richiedono spesso materiali di contatto speciali e forze di chiusura meccaniche più elevate per evitare il rimbalzo dei contatti durante la massiccia repulsione elettromagnetica generata dall'inrush.
Un contattore sotto vuoto indipendente ha in genere un potere di interruzione massimo di soli 4 kA - 6 kA. Nelle moderne reti industriali, dove le correnti di guasto superano spesso i 31,5 kA, il contattore non può interrompere in modo sicuro un cortocircuito. Il tentativo di farlo provocherebbe l'esplosione dell'interruttore a vuoto o la saldatura dei contatti. Per risolvere questo problema, gli avviatori di media tensione utilizzano l'architettura “F-C”: i fusibili limitatori di corrente ad alta capacità di interruzione (fusibili HRC) gestiscono i cortocircuiti, mentre il contattore gestisce la commutazione e i sovraccarichi.
La sfida ingegneristica più importante è la definizione del punto di presa in carico. Si tratta del valore di corrente specifico sulla curva caratteristica tempo-corrente (TCC) in cui il tempo di disattivazione del fusibile diventa più veloce del tempo di apertura del contattore.
Per un coordinamento sicuro, la corrente di inserzione (Ia) deve verificarsi a un valore inferiore al potere di interruzione nominale del contattore. Si consideri un sistema in cui il contattore può interrompere 4 kA. Se si verifica una corrente di guasto di 10 kA, il fusibile deve fondere e liberare il circuito in un tempo inferiore a quello necessario al contattore per sganciarsi e separare i suoi contatti (in genere da 30 ms a 50 ms). Se il relè di protezione segnala al contattore di aprirsi a 10 kA prima che il fusibile agisca, il contattore tenterà di interrompere una corrente superiore alla sua portata, causando un guasto.
La norma IEC 62271-106 prescrive tipi di coordinamento specifici (tipo A e tipo C). Il coordinamento di tipo C, preferito per i sistemi critici schemi di protezione con contattori a vuoto, garantisce che, dopo un evento di cortocircuito eliminato dai fusibili, il contattore rimanga operativo senza richiedere la riparazione o la sostituzione dei contatti.
Per le definizioni standard dettagliate, fare riferimento a IEC 62271-106 Apparecchiature di comando e controllo ad alta tensione che regola le specifiche di questi contattori.
[La trappola del “perno d'attacco
- Meccanismo: La maggior parte dei fusibili MV ha un perno di riscontro che scatta quando il fusibile si brucia. Questo perno colpisce una barra di collegamento per far scattare meccanicamente il contattore.
- Il rischio: Se il contattore si apre contemporaneamente Se il fusibile elimina un guasto di bassa entità, l'arco potrebbe trasferirsi ai contatti del contattore se il fusibile non l'ha estinto completamente.
- La soluzione: Assicurarsi che il collegamento meccanico abbia un leggero ritardo o che la selezione del fusibile impedisca il funzionamento nella “banda proibita” (correnti che fondono l'elemento del fusibile ma non annullano rapidamente l'arco).
Il meccanismo di funzionamento definisce il modo in cui il dispositivo gestisce l'energia per chiudere i contatti e, soprattutto, come mantiene tale stato. Mentre gli interruttori sottovuoto utilizzano molle a energia accumulata, i contattori utilizzano l'azionamento elettromagnetico, dividendoli in due categorie strutturali.
Questo è lo standard per gli avviatori di motori. La bobina di chiusura deve rimanere eccitata per mantenere i contatti chiusi. Il solenoide supera la forza della molla di apertura e trattiene l'indotto contro il nucleo del magnete.
Per evitare l'esaurimento della bobina, questi meccanismi utilizzano un circuito “economizzatore”. La bobina assorbe un'elevata potenza di spunto (ad esempio, 800-1500 W) per circa 100 ms per chiudere il varco, quindi passa a una modalità di mantenimento a bassa potenza (ad esempio, 40-80 W) per mantenere la pressione di contatto senza surriscaldarsi. Il vantaggio principale è la funzione di sicurezza intrinseca: se l'alimentazione di controllo viene persa o scende al di sotto della soglia di caduta (tipicamente 40% - 60% di Un), il contattore si apre automaticamente. In questo modo si evita che i motori si riavviino inaspettatamente al ripristino dell'alimentazione.
I contattori con chiusura meccanica si comportano più come interruttori automatici. La bobina di chiusura viene eccitata solo momentaneamente per tirare l'indotto. Una volta chiuso, un blocco meccanico blocca il meccanismo e la bobina viene diseccitata.
Per aprire il contattore, è necessario eccitare una bobina di sgancio separata per rilasciare il blocco. Questo design consuma zero energia nello stato stazionario e garantisce che l'interruttore rimanga chiuso anche in caso di gravi cali di tensione o di perdita completa dell'alimentazione ausiliaria. Ciò rende i contattori con blocco ideali per gli alimentatori dei trasformatori o per i circuiti di distribuzione critici, dove la continuità del servizio ha la precedenza sulla logica di sicurezza del motore. Tuttavia, la complessità meccanica è maggiore e il meccanismo è in genere valutato per un numero inferiore di operazioni meccaniche (ad esempio, 100.000) rispetto alle unità a ritenuta elettrica.
Mentre i terminali primari gestiscono i kilovolt, l'affidabilità del dispositivo dipende interamente dal circuito di controllo secondario. Nei quadri elettrici industriali e nei centri di controllo motori (MCC), la logica di controllo colma il divario tra il pulsante dell'operatore e l'azione di commutazione ad alta tensione.
La maggior parte dei contattori a vuoto a media tensione utilizza bobine di funzionamento in corrente continua, anche se l'alimentazione della sottostazione è in corrente alternata. I solenoidi in c.a. sono soggetti a “ronzii” o vibrazioni meccaniche causate dal flusso magnetico che attraversa lo zero. Questa vibrazione causa l'usura dell'armatura e il micromovimento dei contatti.
Per eliminare questo problema, i produttori integrano un modulo raddrizzatore a ponte direttamente nel telaio del contattore. Questo modulo converte l'alimentazione di controllo CA in ingresso (ad esempio, 230 V CA) in una tensione CC pulsante per la bobina. Il campo magnetico CC fornisce una forza di tenuta costante e silenziosa. Tuttavia, questo introduce una variabile di manutenzione: il raddrizzatore è un componente a semiconduttore sensibile agli sbalzi di tensione. Quando si risolve il problema di un contattore che si rifiuta di chiudersi, il raddrizzatore è spesso il colpevole.
Il circuito secondario gestisce la sicurezza attraverso contatti ausiliari (NO/NC) collegati meccanicamente all'indotto. Sono utilizzati per:
Per gli ingegneri che progettano questi Schema del circuito di controllo, La logica di “anti-pumping” è obbligatoria per i contattori bloccati, per evitare che il dispositivo si muova in modo distruttivo se vengono emessi contemporaneamente i comandi di chiusura e di scatto.
Le specifiche standard sono calibrate per “condizioni di servizio normali”, in genere ipotizzando un'altitudine inferiore a 1.000 metri e temperature da -5°C a +40°C. Le applicazioni reali nelle miniere o nelle infrastrutture ad alta quota spesso violano questi parametri di base.
L'alta quota non influisce sul dispositivo di interruzione del vuoto interno, ma riduce drasticamente la rigidità dielettrica della distanza dall'aria esterna.
Secondo la legge di Paschen, la tensione di rottura di un gap di gas è funzione del prodotto della pressione e della distanza del gap. A 3.000 metri, la pressione atmosferica scende a circa 70 kPa (rispetto ai 101,3 kPa del livello del mare). Ciò riduce la capacità di resistenza dielettrica esterna del contattore. Per mantenere lo stesso margine di sicurezza (ad esempio, 75 kV BIL per un sistema a 12 kV), gli ingegneri devono applicare un fattore di correzione dell'altitudine (Ka) ai requisiti di isolamento. Per un sito a 2.000 metri, il valore di prova della tensione di tenuta richiesto aumenta in genere di un fattore di Ka = 1,13, il che significa che l'apparecchiatura deve essere testata a circa 85 kV invece che a 75 kV a livello del mare.
Negli impianti industriali pesanti, gli avviamenti di grandi motori possono causare momentanei cali di tensione (abbassamenti). Se la bobina di un contattore sotto vuoto è sensibile a queste fluttuazioni, la forza di tenuta magnetica può indebolirsi.
Un solenoide standard è progettato per funzionare in modo affidabile tra 85% e 110% della sua tensione nominale di controllo (Un). Se la tensione scende al di sotto di 85% (ad es, < 187 V su un circuito da 220 V), l'armatura potrebbe non sigillarsi completamente contro il nucleo. Ciò provoca il "contatto in bilico", in cui i contatti principali si toccano ma non hanno la piena pressione della molla necessaria per gestire la corrente. Questo porta a un surriscaldamento localizzato e alla saldatura. Per le griglie instabili sono disponibili bobine "wide-range" ad alte prestazioni, in grado di mantenere la chiusura fino a 70%. Un.
Lo standard di riferimento per queste correzioni ambientali è tipicamente IEC 62271-1, che definisce le specifiche comuni per tutti i quadri di media tensione.
La scelta del contattore sotto vuoto a media tensione corretto non si limita alla semplice corrispondenza con la tensione del sistema. Per garantire la longevità, le specifiche di acquisto devono definire esplicitamente la categoria di utilizzo e l'interfaccia di controllo.
XBRELE suddivide la propria produzione di contattori sotto vuoto in serie distinte per soddisfare queste esigenze. Il nostro standard JCZ5 I modelli della serie "A" sono progettati per l'avviamento generale dei motori, mentre i modelli specializzati per impieghi gravosi sono dotati di meccanismi di chiusura rinforzati e di materiali di contatto al carburo di tungsteno di qualità superiore. Ogni unità viene sottoposta a un rigoroso protocollo di test di routine prima della spedizione:
Per gli OEM e i costruttori di quadri elettrici, forniamo un supporto completo per l'integrazione, compresi i certificati di prova di tipo conformi alla norma IEC 62271-106. Sia che abbiate bisogno di una semplice unità elettrica per l'avviamento di una pompa o di un contattore a chiusura meccanica per un alimentatore critico, il nostro team di ingegneri è in grado di guidarvi verso la specifica esatta.
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Un contattore sotto vuoto è progettato per milioni di commutazioni a correnti di carico nominali, mentre un interruttore automatico è progettato per interrompere massicce correnti di cortocircuito ma ha una durata meccanica molto più breve.
Poiché i contattori hanno un basso potere di interruzione (in genere 4-6 kA), devono essere abbinati a fusibili HRC per eliminare in modo sicuro guasti di elevata entità che altrimenti distruggerebbero il contattore.
L'utilizzo di un contattore AC-3 per l'inching o il plugging (AC-4) causerà una rapida erosione dei contatti e probabilmente la loro saldatura a causa dell'intensa energia d'arco generata dall'interruzione delle correnti del rotore bloccato.
Sì, ma i contattori con blocco meccanico sono preferibili per gli alimentatori dei trasformatori per garantire che l'interruttore rimanga chiuso durante i cali di tensione o le interruzioni dell'alimentazione di controllo.
L'altitudine riduce le proprietà isolanti dell'aria intorno al contattore, richiedendo che il dispositivo sia classificato per livelli di isolamento più elevati o declassato per evitare flashover esterni.
Il raddrizzatore converte l'alimentazione di controllo in corrente alternata in corrente continua per la bobina di funzionamento, eliminando le vibrazioni meccaniche (“ronzio”) associate ai solenoidi in corrente alternata e prolungando la durata del meccanismo.
