Dimensionamento del trasformatore per l’avviamento del motore: spiegazione dell’abbassamento di tensione, della corrente a rotore bloccato e dell’impedenza

Dimensionamento del trasformatore per l’avviamento del motore: spiegazione dell’abbassamento di tensione, della corrente a rotore bloccato e dell’impedenza

 

Uno stabilimento per la lavorazione alimentare nel Golfo ci ha inviato lo scorso trimestre uno schema unifilare con tre motori da 200 hp collegati a un singolo trasformatore da 1.000 kVA, tutti avviati in inserzione diretta. Il trasformatore era adeguato al carico in esercizio, con margine di riserva. Il guasto si è verificato al primo avvio della giornata: la tensione sul bus a 480 V è scesa così tanto che i contattori di linea si sono aperti, il motore non ha mai raggiunto la velocità nominale e lo stabilimento ha dovuto attendere l’intervento di un elettricista. Nulla era danneggiato. Il dimensionamento del trasformatore per l’avviamento dei motori non era stato calcolato affatto.

Questo divario è normale, ma costoso. La targhetta di un motore indica la potenza in cavalli vapore e la corrente assorbita a pieno carico. Non indica invece la potenza in kVA che il trasformatore deve erogare nei secondi in cui il rotore accelera — ed è proprio questo valore, non il carico in esercizio, a determinare generalmente se la tensione sul bus rimane stabile.

 

 

 

Perché l’avviamento dei motori è un problema del trasformatore

 

Un motore in funzione e un motore in avviamento sono due carichi diversi che portano la stessa targhetta. A regime, un motore ad induzione assorbe una corrente prossima alla corrente nominale con un fattore di potenza compreso tra 0,85 e 0,9, e il carico è prevalentemente costituito da potenza attiva. A fermo, l’impedenza del rotore collassa, la corrente sale a circa sei volte la corrente nominale per un motore NEMA Design B e il fattore di potenza scende a un valore compreso tra 0,15 e 0,3.

Un motore in avviamento assorbe quasi esclusivamente corrente reattiva. Per il trasformatore e per il quadro elettrico esso appare come una grande induttanza inserita istantaneamente in un solo passaggio, e proprio la corrente reattiva causa la caduta di tensione sull’impedenza del trasformatore.

Ecco la parte che la maggior parte degli acquirenti trascura: questa non è una difettosità del motore né qualcosa che il fornitore del motore possa risolvere con una classe d’isolamento superiore. L’abbassamento di tensione è una caratteristica del sistema. Dipende dal rapporto tra la potenza apparente di avviamento del motore (kVA) e la capacità di cortocircuito del trasformatore, il che rende dimensionamento del trasformatore per l’avviamento dei motori una decisione di specifica tecnica da prendere sul lato trasformatore dello schema elettrico.

Lo stesso evento fisico definisce lo standard utilizzato da entrambe le parti. NEMA MG 1 assegna a ogni motore una lettera del codice kVA a rotore bloccato e definisce le prestazioni di avviamento su cui l’utente può fare affidamento — un riferimento utile quando una domanda rivolta al fornitore si trasforma in una questione contrattuale. Il NEMA Programma di norme per motori e generatori pubblica il documento.

 

Leggere il carico di avviamento dalla targhetta del motore

 

La lettera del codice è il metodo più rapido per ottenere il kVA a rotore bloccato senza disporre della scheda tecnica del motore.

Converte direttamente la potenza in cavalli vapore nel kVA a rotore bloccato e appare sulla targhetta di ogni motore NEMA.

 

Lettera del codice	KVA a rotore bloccato per CV
E	4,5 – 4,99
F	5,0 – 5,59
G	5,6 – 6,29
H	6,3 – 7,09
J	7,1 – 7,99
K	8,0 – 8,99

 

La scala va da A a V e sale con ogni lettera, quindi un motore con codice K richiede circa il 60% in più dal trasformatore rispetto a un motore con codice F della stessa potenza nominale. Un’unità da 200 hp con codice F ha una richiesta di avviamento compresa tra 1.000 e 1.118 kVA; la stessa unità da 200 hp con codice K raggiunge invece i 1.600–1.798 kVA. Leggere la lettera direttamente sulla targhetta del motore, non dal catalogo, poiché è l’unico dato che influenza autonomamente la conclusione relativa alla dimensione del trasformatore.

Altri tre dettagli vanno indicati accanto a esso:

• Avviamenti all’ora. Ogni avviamento costituisce un evento termico sia per il motore sia per l’avvolgimento del trasformatore. I produttori di motori forniscono una curva che indica il numero massimo di avviamenti consentiti all’ora, e anche il trasformatore deve essere in grado di sopportare lo stesso regime di funzionamento.
• Caratteristica della coppia di carico. Una pompa centrifuga parte quasi a carico nullo; un nastro trasportatore caricato, un compressore volumetrico o un ventilatore ad alta inerzia possono rimanere nella fascia di accelerazione per un tempo sufficiente a influenzare il sistema.
• Metodo di avviamento. L’avviamento diretto, l’autotrasformatore, la connessione stella-triangolo, l’avviatore morbido e l’inverter a frequenza variabile impongono al trasformatore profili di corrente diversi.

 

Dimensionamento del trasformatore per l’avviamento del motore: il calcolo che ogni richiesta di offerta dovrebbe includere

 

Il calcolo preliminare è sufficientemente semplice da eseguire manualmente. La potenza di cortocircuito del trasformatore equivale alla sua potenza nominale in kVA divisa per l’impedenza in per-unit; la potenza assorbita all’avviamento (in kVA) divisa per tale potenza di cortocircuito, espressa in percentuale, fornisce l’abbassamento approssimativo di tensione:

%Abbassamento di tensione ≈ (kVA all’avviamento del motore × %Z del trasformatore) ÷ kVA del trasformatore

Applicato al caso della stazione di pompaggio con impedenza del 5,75%, con un motore da 200 hp, classe F, in fase di avviamento mentre gli altri due sono in funzione:

 

Trasformatore	Capacità di cortocircuito	KVA all’avviamento	Abbassamento calcolato
500 KVA	8.696 kVA	1.060 kVA	12.2%
750 kVA	13.043 kVA	1.060 kVA	8.1%
1.000 kVA	17.391 kVA	1.060 kVA	6.1%

 

Emergono tre punti. Primo, la caduta di tensione varia quasi linearmente con la potenza nominale del trasformatore in kVA, quindi la scelta della taglia equivale alla scelta accettabile della caduta. Secondo, l’impedenza costituisce un parametro indipendente: a 500 kVA, ridurre l’impedenza dal 5,75% al 4,0% riporta la caduta a circa l’8,5% senza dover ricorrere a un trasformatore di taglia superiore. Terzo, questo è un controllo preliminare, non un sostituto di un’analisi approfondita. Esso ignora l’impedenza della rete di alimentazione e i motori già in funzione sulla stessa linea, entrambi fattori che incrementano la caduta reale; pertanto, conservare un margine di sicurezza sul risultato è essenziale, anziché considerarlo come valore definitivo.

Eseguire lo stesso calcolo per ogni motore che potrebbe avviarsi mentre l’impianto opera a pieno carico, quindi ripetere il calcolo per la combinazione più gravosa plausibile. Le utility e i consulenti eseguiranno l’analisi completa; un fornitore di trasformatori incapace di replicare questo controllo sta semplicemente quotando una potenza in kVA, non un sistema.

 

Quanta caduta è accettabile e cosa provoca effettivamente il distacco

 

L’obiettivo indicativo utilizzato nella maggior parte dei progetti industriali è una calo di tensione del 10% o inferiore ai morsetti del motore durante l’avviamento. Su un alimentatore dedicato, dove nulla di sensibile condivide il bus, a volte è accettato un calo del 15%, ma tale decisione deve essere presa per iscritto dall’ingegnere elettrico dell’impianto, non scoperta durante la messa in servizio.

Il motivo per cui il limite è più stringente rispetto alle esigenze del motore è che il motore raramente è la prima cosa a manifestare problemi:

• I contattori sono tipicamente tarati per mantenere la chiusura fino a circa l’85% della tensione di alimentazione della bobina, quindi un calo del 15% può aprire uno starter che il motore stesso avrebbe sopportato.
• Gli azionamenti a frequenza variabile e le alimentazioni elettriche superano un calo di tensione solo per la durata di tenuta del loro bus in corrente continua.
• I relè di protezione da sottotensione per altri apparecchi sono spesso impostati per intervenire al di sopra di un calo del 20%, trasformando così un semplice avviamento in un intervento su scala impiantistica.
• I limiti di flicker imposti dal gestore della rete possono vincolare avviamenti ripetuti su un servizio condiviso, anche quando tutti i carichi presenti sul sito tollerano il calo di tensione.

La protezione del motore durante l’avviamento è un argomento a sé stante, e il riferimento normativo del settore è IEEE 3004.8, il Pratica raccomandata per la protezione dei motori nei sistemi industriali e commerciali di alimentazione , che copre l’avviamento, il trasferimento tra bus e la protezione da sottotensione sia per gli avviatori comandati da contattore sia per quelli comandati da interruttore.

 

Decisioni progettuali che risolvono effettivamente il calo di tensione

 

Una volta che i dati numerici sono disponibili, le opzioni si ordinano automaticamente in base al costo e agli effetti collaterali.

• Acquistare più kVA. Proporzionale in modo diretto, semplice, ma comporta anche un aumento della corrente di cortocircuito disponibile, il che potrebbe richiedere una revisione delle portate degli apparecchi a valle.
• Specificare un’impedenza inferiore. Efficace, ma una percentuale di impedenza (%Z) più bassa comporta una corrente di cortocircuito maggiore e forze meccaniche superiori sui bobinaggi durante un cortocircuito. Specificarla come obiettivo con una tolleranza definita, non come desiderio.
• Assegnare al motore di grandi dimensioni un proprio trasformatore. L’isolamento è spesso meno costoso del sovradimensionamento di un’unità condivisa e impedisce che l’avviamento di una pompa disturbi una linea di processo.
• Scegliere il metodo di avviamento in modo intenzionale. Un avviatore con trasformatore autotrasformatore alla presa al 65% riduce la corrente di linea a circa il 42% del valore in collegamento diretto, poiché sia la coppia che la corrente di linea variano con il quadrato della tensione applicata. L’avviamento stella-triangolo fornisce circa un terzo della corrente in collegamento diretto. Un avviatore morbido o un azionamento offrono il profilo più regolare, ma introducono ulteriori considerazioni relative alle armoniche e alla protezione del trasformatore.
• Verificare il regime termico, non solo l’abbassamento di tensione. Avviamenti ripetuti riscaldano l’avvolgimento. Un trasformatore che supera il calcolo per un singolo avviamento può comunque non soddisfare una specifica che prevede sei avviamenti all’ora a temperatura ambiente massima.
• Non contare sull’efficienza del motore. Un motore NEMA Premium riduce le perdite in condizioni di funzionamento — motivo per cui il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ne promuove il programma Sistemi motore — ma non riduce le perdite durante l’avviamento. il kVA a rotore bloccato le prestazioni all’avviamento e l’efficienza in funzionamento sono specifiche distinte riportate sulla targhetta.

Nota la differenza rispetto all'impulso di inserzione. La corrente di sovraccarico del reattore che provoca il distacco dell'interruttore al momento dell'accensione di un trasformatore a vuoto è un fenomeno distinto, con proprie implicazioni specifiche, trattato nella nostra guida su corrente di inserzione del trasformatore . Entrambi compaiono nello stesso progetto; nessuno dei due è risolto dall'altro.

 

L'approccio di Ryan Electric ai progetti con carichi motori

 

Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) produce trasformatori dal 2007 ed è partner ufficiale di joint venture di Eaton dal 2023. I progetti industriali con elevato carico motori arrivano solitamente come richiesta di un trasformatore di tipo trasformatore di potenza o di distribuzione, con un valore obiettivo di impedenza e un profilo di avviamento associato: questa è la parte della quotazione su cui i nostri ingegneri concentrano il proprio tempo.

La maggior parte del lavoro viene svolta nella fase iniziale. Chiediamo il quadro dei motori — potenza in cavalli vapore, lettera di codice, tensione e metodo di avviamento — prima di quotare la potenza in kVA, poiché la scelta dell'impedenza e la progettazione degli avvolgimenti ne derivano direttamente. dimensionamento del trasformatore per l’avviamento dei motori calcolo, non da una pagina di catalogo. Quando un progetto richiede una specifica banda di impedenza, un intervallo di prese insolito o un secondario a doppia tensione, tale progetto viene elaborato attraverso lo stesso processo di ingegnerizzazione personalizzata utilizzato per trasformatori destinati ad applicazioni con raddrizzatori e forni. La copertura delle certificazioni include UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS e CE; ogni unità è fornita con i dati dei test di routine — rapporto di trasformazione, resistenza degli avvolgimenti, impedenza, perdite a vuoto, perdite a carico e prove dielettriche — in modo che il team di messa in servizio possa verificare l’impedenza consegnata confrontandola con il valore utilizzato nello studio.

 

 

 

Cosa inserire nella RFQ

 

Cinque elementi trasformano una richiesta generica in una specifica di trasformatore quotabile:

• Elenco dei motori con potenza in cavalli vapore, lettera codice NEMA, tensione e lettera di progettazione oppure classe di avviamento IEC.
• Metodo di avviamento e il profilo risultante della corrente di linea.
• Numero di avviamenti richiesti all’ora e temperatura ambiente di progetto.
• Caduta di tensione accettabile e se è già stato eseguito uno studio sull’avviamento dei motori.
• Corrente di guasto disponibile sul lato primario, in modo che le impedenze e le capacità di interruzione possano essere coordinate tra loro.

Inviate questi cinque elementi e il preventivo per il trasformatore cesserà di essere un semplice confronto di prezzi basato su ipotesi. Se avete un elenco dei motori e uno schema unifilare, inviateli a noi tramite la nostra pagina di contatto e il nostro team di ingegneria fornirà una raccomandazione relativa alla potenza nominale in kVA e all'impedenza, inclusa la verifica della caduta di tensione.

Sull'autore — Questa guida è stata redatta dal team di ingegneria per trasformatori in media tensione di Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., produttore con sede a Nantong di trasformatori in resina, immersi in olio, montati su piattaforma e di sottostazioni compatte, e partner ufficiale di joint venture di Eaton dal 2023. Il team supporta progetti industriali, per servizi pubblici e infrastrutturali, dalla revisione delle specifiche fino ai test di accettazione in fabbrica, e sviluppa progetti di trasformatori per classi da 10 kV a 110 kV.