Analisi delle cause principali del cattivo funzionamento del relè termico: influenza della temperatura ambiente, profilo di carico ed errori di selezione

1. Introduzione: Sindrome da falsa attivazione del relè termico

Il cattivo funzionamento dei relè termici è un problema comune negli ambienti industriali, che comporta arresti imprevisti delle apparecchiature, riduzione della produttività e significative perdite economiche. Nonostante i relè termici siano progettati per proteggere i motori elettrici da sovraccarichi e surriscaldamento, il loro funzionamento errato - che si attiva in assenza di una minaccia reale - richiede un'analisi ingegneristica approfondita. Questa analisi deve essere sistematica, basata sull’evidenza e focalizzata sulle cause profonde, non solo sui sintomi. Le conseguenze tipiche includono: perdita di orario di lavoro fino a 3 ore per incidente, costi diagnostici e di riavvio fino a 500 € per incidente e possibili danni ai prodotti nelle catene di processo.

2. Panoramica dei componenti: relè termico e sua funzione

Il relè termico è un elemento chiave del sistema di protezione dei motori elettrici a bassa tensione, che ne garantisce l'affidabilità a lungo termine interrompendo l'alimentazione quando vengono superate le correnti consentite. La protezione da sovraccarico è fondamentale perché una corrente eccessiva porta al surriscaldamento degli avvolgimenti del motore, al degrado dell'isolamento e, di conseguenza, al guasto completo. Il funzionamento del motore a una temperatura degli avvolgimenti di 10°C superiore a quella nominale ne riduce la durata di circa la metà. Il tempo medio al guasto (MTBF) per un motore trifase di qualità è compreso tra 50.000 e 70.000 ore, ma questa cifra diminuisce drasticamente con frequenti sovraccarichi.

Esistono due tipi principali di relè termici:

• Relè bimetallici: Funzionano secondo il principio della deformazione delle piastre bimetalliche sotto l'azione del calore rilasciato quando scorre la corrente. Relativamente semplice, economico, ma sensibile alla temperatura ambiente.
• Relè elettronici: utilizza termistori o trasformatori di corrente per la misurazione, microprocessori per l'analisi e la protezione di precisione. Forniscono maggiore precisione, minore sensibilità alle temperature esterne e funzionalità avanzate tra cui il monitoraggio della temperatura dell'avvolgimento (utilizzando sensori PT100) e capacità di comunicazione.

La scelta e la regolazione del relè termico è regolata da norme internazionali e nazionali, in particolare ДСТУ EN IEC 60947-4-1:2020 "Apparecchi completi di bassa tensione. Parte 4-1: Contattori e avviatori di motori elettrici. Contattori e avviatori elettromeccanici", che definisce i requisiti per la progettazione, le caratteristiche e le prove di questi dispositivi.

3. Prova del fallimento: cosa osserva il tecnico

In caso di falsa attivazione del relè termico, un tecnico esperto si trova di fronte ad una situazione paradossale: il motore si ferma, ma non si notano segnali visivi e strumentali di sovraccarico. Tipiche prove di rifiuto includono:

• Registrazioni nei registri: attivazione sistematica dei relè in determinate ore del giorno o durante determinati cicli di produzione, che non sono correlati ai carichi di punta. Ad esempio, l'attivazione alle 14:00. ogni giorno, quando il sole riscalda al massimo l'officina.
• Misurazione della corrente: la pinza amperometrica mostra una corrente compresa tra il 70 e il 90% del valore nominale del motore, mentre il relè è impostato al 110-120% di tale valore. L'assenza di asimmetria delle correnti nelle fasi (deviazione <5%) indica il bilanciamento del carico.
• Esame termografico: l'utilizzo di una termocamera (ad esempio, Fluke TiS60+) non rileva il riscaldamento anomalo degli avvolgimenti del motore (temperatura della superficie corporea <60°C, temperatura del terminale di uscita <70°C). Tuttavia è possibile che all'interno dell'armadio elettrico, dove si trova il relè, si verifichi un aumento della temperatura superiore a +35°C.
• Analisi delle vibrazioni: vibrometri portatili (ad esempio SKF Microlog Analyser) registrano i livelli di vibrazione corrispondenti alla classe A o B secondo DSTU ISO 10816-3 (tipicamente <4,5 mm/s RMS per motori fino a 300 kW), indicando l'assenza di problemi meccanici che potrebbero causare sovraccarico
• Ispezione visiva: Assenza di fumo, odore di bruciato, oscuramento di fili o contatti. Il motore gira regolarmente, senza rumori insoliti o vibrazioni intermittenti.

Esempio: Un relè termico con una portata di 23-32 A, impostato su 31 A, è installato su un trasportatore con un motore elettrico da 15 kW, corrente nominale 29 A (400 V). Funziona sistematicamente in estate ad una temperatura di officina di +38°C. La misurazione della corrente mostra 27 A, termografia del motore +55°C, quadro elettrico +45°C. Ciò indica chiaramente l'influenza di fattori esterni e non un sovraccarico del motore.

4. Ricerca sulle cause profonde: analisi sistematica

Per identificare le cause profonde dei malfunzionamenti del relè termico viene utilizzato un approccio sistematico, come l'analisi dei "5 perché" o il diagramma di Ishikawa (lisca di pesce). Ciò consente di indagare a fondo sul problema, tenendo conto di tutti i possibili fattori.

4.1. Il metodo dei “5 Perché”.

1. Problema: il relè termico scatta, il motore va in stallo senza sovraccarico apparente.
2. Perché? Il relè percepisce la normale corrente operativa come un sovraccarico.
3. Perché?
   • A. La temperatura ambiente in cui è installato il relè è elevata.
   • B. La corrente di carico del motore presenta picchi insoliti che superano la classe operativa del relè.
   • R. Il relè è stato selezionato o configurato in modo errato.
   • D. Gli elementi del relè si sono deteriorati o hanno aumentato la resistenza transitoria.
4. Perché (per ciascuno dei punti A, B, C, D)?
   • A. Perché la temperatura elevata? - Insufficiente ventilazione del mobile, esposizione diretta ai raggi solari, prossimità di fonti di calore (stufe, compressori).
   • B. Perché picchi di corrente insoliti? - Sovraccarichi tecnologici a breve termine (inceppamento del materiale), correnti di avviamento elevate, cambiamenti nelle caratteristiche dell'ambiente di lavoro (densità del liquido).
   • D. Perché è stato selezionato/configurato in modo errato? - Qualifiche ingegneristiche insufficienti, mancanza di dati accurati sul profilo di carico del motore, mancata considerazione della classe operativa del motore.
   • D. Perché gli elementi si sono degradati? - Invecchiamento naturale dei materiali, corrosione dei contatti, vibrazioni, inquinamento, esposizione ad ambienti aggressivi.
5. Perché (per ulteriori fattori)? Ad esempio, perché la qualifica è insufficiente? - Mancanza di formazione regolare, negligenza nelle istruzioni del produttore.

4.2. Fattori del diagramma di Ishikawa

• Uomo: Errori del personale durante la selezione, l'installazione, la regolazione e la manutenzione.
• Metodo: Mancanza di procedure standardizzate di controllo, diagnostica e manutenzione preventiva.
• Macchina: Usura o guasto del relè stesso, tipo di relè errato per l'applicazione.
• Materiale (Materiale): Degrado del cablaggio, delle superfici di contatto, dei componenti dei relè di bassa qualità.
• Ambiente: temperatura ambiente elevata, elevata umidità, inquinamento da polveri, fumi chimici aggressivi.
• Misurazione: Utilizzo di strumenti non calibrati, mancanza di dati accurati sui parametri del motore e sul profilo di carico.

5. Cause profonde identificate

Sulla base di un'analisi sistematica, è possibile identificare le principali cause profonde del falso funzionamento dei relè termici, classificate in base alla probabilità e confermate dall'evidenza:

1. Aumento della temperatura ambiente (probabilità 40%)

   In sostanza: i relè termici, soprattutto quelli bimetallici, sono tarati per funzionare ad una temperatura standard di +20°C. Quando la temperatura ambiente aumenta, il relè si riscalda rapidamente fino a un punto critico, anche se la corrente del motore è normale. Ogni aumento della temperatura nel quadro elettrico di 10°C rispetto alla temperatura nominale di esercizio del relè (solitamente +20°C) può portare ad una riduzione della corrente consentita del 5-10%. Ad esempio, un relè configurato per 30 A a +20°C può funzionare a 27 A se la temperatura dell'armadio raggiunge +40°C.

   Prova: L'esame termografico dei quadri elettrici rivela temperature di +40°C...+55°C. I dati storici mostrano un aumento del numero di viaggi durante il periodo caldo dell'anno o in alcuni negozi (ad esempio fonderia, terme).

2. Discordanza tra il profilo di carico e la classe di funzionamento del relè (probabilità 30%)

   Sintesi: alcuni processi tecnologici sono caratterizzati da picchi di carico a breve termine (ad esempio, l'avvio di un trasportatore pesante, il funzionamento ciclico di una pressa, il caricamento di un frantoio). Questi picchi possono essere significativi (150-200% della corrente nominale), ma la loro durata è troppo breve perché il motore si surriscaldi. Tuttavia, se il relè termico ha una classe di intervento bassa (ad esempio, classe 10A, che significa DSTU EN IEC 60947-4-1:2020 che scatta per 2-10 secondi a 7,2 volte la corrente), potrebbe far scattare il motore durante questi picchi.

   Prova: l'analisi delle forme d'onda di corrente con un registratore della qualità dell'alimentazione (come un Fluke 435 Serie II) mostra picchi di corrente regolari a breve termine che superano l'impostazione del relè ma non rappresentano un sovraccarico prolungato. Il motore non mostra segni di surriscaldamento.

3. Errori nella selezione e configurazione dei relè (probabilità 20%)

   Essenza: la selezione errata del relè termico in base alla gamma di corrente o l'impostazione errata della sua impostazione è una causa diretta di falsi allarmi. Il relè deve essere selezionato in modo che il suo intervallo di regolazione includa la corrente nominale del motore e l'impostazione sia impostata su 1,05-1,15 della corrente nominale del motore (dipende dal fattore di servizio del motore). Spesso si verifica una situazione in cui il relè è progettato per il 100% della corrente nominale, che non lascia margine per le normali fluttuazioni operative.

   Prova: il controllo della targhetta del motore e il confronto con le impostazioni del relè rivelano una discrepanza. Ad esempio, la corrente nominale del motore è 40 A e il relè è impostato su 38 A. Mancanza di documentazione chiara sulla selezione e configurazione dell'apparecchiatura.

4. Degrado dell'isolamento e delle resistenze transitorie (probabilità 10%)

   Sintesi: nel tempo, soprattutto in condizioni di vibrazioni, elevata umidità o ambienti chimicamente aggressivi, i contatti e i terminali dei relè possono ossidarsi, il che porta ad un aumento della resistenza transitoria. Un aumento della resistenza provoca un riscaldamento locale nel punto di contatto, che influisce ulteriormente sugli elementi bimetallici del relè, costringendolo a funzionare prima. Il degrado dell'isolamento nel cablaggio del motore può anche creare correnti di dispersione o riscaldamento localizzato.

   Prova: misurando la resistenza dei contatti del relè (microohmmetro) risulta >100 µΩ, mentre i nuovi contatti sono <50 µΩ. Un'ispezione visiva rivela tracce di ossidazione o surriscaldamento sui terminali. Le misurazioni dell'isolamento con un megaohmmetro (ad esempio, Fluke 1587 FC) possono rivelare guasti o una diminuzione della resistenza di isolamento a 1-5 MΩ (normale >100 MΩ).

6. Azioni correttive: soluzioni immediate e a lungo termine

Per eliminare efficacemente le false attivazioni del relè termico è necessario applicare una serie di azioni correttive:

6.1. Per l'aumento della temperatura ambiente:

• Immediato: apertura della porta dell'armadio elettrico (soluzione temporanea che viola la sicurezza), installazione temporanea di una ventola.
• A lungo termine: installazione di sistemi di climatizzazione industriale per quadri elettrici (ad es. Rittal Blue e+), utilizzo di ventilatori con filtri per la circolazione forzata dell'aria. Allontanare gli armadi dalle fonti di calore. Utilizzo di relè termici con compensazione della temperatura.

6.2. Per mancata corrispondenza del profilo di carico:

• Immediato: aumento temporaneo dell'impostazione della corrente del relè (con successiva regolazione obbligatoria), monitoraggio della corrente.
• A lungo termine: utilizzo di relè termici con una classe di intervento più elevata (ad esempio classe 20 o 30 per motori con avviamento pesante). Installazione di soft starter o convertitori di frequenza per ridurre le correnti di avviamento. Ottimizzazione del processo tecnologico per attenuare i picchi di carico.

6.3. Per errori di selezione e configurazione:

• Immediato: controllare e regolare l'impostazione della corrente del relè in base alla corrente nominale del motore e al relativo fattore di servizio (solitamente impostazione = corrente nominale del motore * 1,1).
• A lungo termine: sviluppo di istruzioni standardizzate per la selezione e la regolazione dei relè termici per diversi tipi di motori e carichi. Formazione regolare del personale tecnico e ingegneristico. Condurre un audit energetico per determinare con precisione il profilo di carico reale.

6.4. Per il degrado dell'isolamento e delle resistenze transitorie:

• Immediato: Pulizia accurata dei gruppi di contatti, serraggio dei collegamenti dei terminali con rispetto del momento di serraggio (ad esempio 2,5 Nm per terminali fino a 2,5 mm²).
• A lungo termine: Inserimento nel piano PPR di controlli periodici dello stato dei contatti, dell'isolamento e della sostituzione dei relè usurati. Utilizzo di terminali con morsetti a molla per una maggiore affidabilità.

7. Elenco di controllo diagnostico rapido per i tecnici sul campo

Questa lista di controllo è progettata per una diagnosi rapida ed efficace delle cause delle false attivazioni del relè termico direttamente sul luogo di utilizzo. Si consiglia l'utilizzo di un tablet portatile per l'inserimento dei dati.

1. Ispezione visiva: controllare che il quadro elettrico e il motore non presentino danni visibili, contaminazione, tracce di surriscaldamento, indicatori difettosi.
2. Temperatura ambiente: misurare la temperatura all'interno del quadro elettrico e l'aria ambiente vicino al motore (termometro a infrarossi).
3. Corrente di carico: misurare la corrente operativa effettiva del motore su tutte e tre le fasi (pinza amperometrica, ad es. Fluke 376 FC). Registrare i valori massimi e minimi per un ciclo di lavoro completo (almeno 30 minuti).
4. Impostazione relè: controlla l'impostazione corrente sul relè termico.
5. Dati nominali del motore: leggere la corrente nominale e la classe di isolamento dalla targhetta del motore. Calcolare l'impostazione del relè consigliata.
6. Tensione di alimentazione: misurare la tensione tra le fasi e tra le fasi e lo zero (multimetro). Verificare il disallineamento di fase (<2%).
7. Stato dei contatti: spegni l'alimentazione! Verificare l'affidabilità delle connessioni dei terminali, l'assenza di ossidazioni o indebolimenti. Se necessario, serrare tutti i terminali.
8. Schema termico: Eseguire la termografia del motore (alloggiamento, cuscinetti), della scatola morsettiera, dei cavi di alimentazione e del relè termico stesso sotto carico. Cerca "punti caldi".
9. Cronologia dei trigger: raccogli informazioni sui trigger precedenti (data, ora, condizioni operative, cambiamenti nel processo tecnologico).
10. Vibrazioni: misura il livello generale di vibrazione del motore (vibrometro) per escludere cause meccaniche di sovraccarico.
11. Controllo della ventilazione: valutare l'efficacia della ventilazione del quadro elettrico e del raffreddamento del motore.
12. Distorsione armonica: se sospettata, misurare l'attuale fattore di distorsione non lineare (THDi) utilizzando un analizzatore di qualità dell'alimentazione (dovrebbe essere <10%).

8. Strategia di prevenzione: aumentare l'affidabilità del sistema

Una strategia efficace per prevenire false attivazioni dei relè termici comprende una serie di misure volte a ottimizzare la progettazione, l'installazione, il funzionamento e la manutenzione:

• Progettazione e selezione:
  • Margine di corrente: selezionare sempre un relè termico con un piccolo margine sul limite superiore del campo di regolazione, in modo che la corrente nominale del motore sia l'85-95% del limite superiore.
  • Classe di funzionamento: prendere in considerazione la classe di funzionamento del motore e il carico specifico. Per motori con avviamento difficile o carichi di picco ciclici, utilizzare relè di Classe 20 o Classe 30.
  • Compensazione della temperatura: preferisci relè bimetallici con compensazione della temperatura incorporata oppure utilizza relè elettronici in condizioni di fluttuazioni significative della temperatura ambiente.
• Montaggio e installazione:
  • Ventilazione dell'armadio: garantire una corretta circolazione dell'aria all'interno degli armadi di controllo. Installare ventilatori industriali con filtri o sistemi di condizionamento per mantenere una temperatura non superiore a +30°C.
  • Separazione delle fonti di calore: posizionare i relè termici lontano da altri componenti che generano calore significativo (ad esempio trasformatori, resistori).
  • Qualità dei collegamenti: utilizzare estremità dei cavi di alta qualità, utilizzare cacciaviti dinamometrici per serrare i collegamenti dei terminali secondo le raccomandazioni del produttore.
• Monitoraggio delle condizioni:
  • Sistemi SCADA: Implementazione di sistemi SCADA o controllori industriali (PLC) per il monitoraggio costante della corrente del motore, della temperatura dell'avvolgimento (tramite sensori PT100), della temperatura dell'armadio elettrico.
  • Ispezioni termografiche: ispezioni termografiche pianificate regolarmente di tutti gli armadi elettrici e i motori elettrici (una volta ogni 6-12 mesi) per il rilevamento tempestivo del surriscaldamento.
  • Analisi della qualità dell'energia: verifica periodica della presenza di distorsioni armoniche nella rete, che possono causare un riscaldamento aggiuntivo.
• Manutenzione e formazione:
  • MRP: includere nel piano MRP l'ispezione regolare, la pulizia e, se necessario, la sostituzione dei relè termici (ogni 5-7 anni per i bimetallici, a seconda delle condizioni operative).
  • Calibrazione: controllo della calibrazione degli strumenti di misura utilizzati per impostare il relè.
  • Formazione del personale: Conduzione di corsi di formazione regolari per tecnici e ingegneri sui principi di funzionamento dei relè termici, metodi diagnostici e azioni correttive.

9. Conclusione

Il funzionamento efficiente dei relè termici è di fondamentale importanza per garantire il funzionamento ininterrotto e sicuro delle apparecchiature industriali. Un approccio sistematico all'analisi delle cause profonde dei falsi positivi, che comprende una diagnostica approfondita, azioni correttive e una strategia di prevenzione, consente di aumentare significativamente l'affidabilità dei processi produttivi. Investire nella giusta selezione delle attrezzature, nell'ottimizzazione delle condizioni operative e nella manutenzione qualificata ripaga riducendo i tempi di fermo e prolungando la vita utile di apparecchiature costose.

Per ulteriori informazioni su dispositivi di protezione, motori elettrici e componenti di automazione industriale, visitare il Catalogo elettronico UNITEC-D.

10. Collegamenti

• DSTU EN IEC 60947-4-1:2020. I dispositivi di distribuzione a bassa tensione sono completi. Parte 4-1: Contattori e avviatori di motori elettrici. Contattori e avviatori elettromeccanici.
• DSTUISO 10816-3:2006. La vibrazione è meccanica. Valutazione delle vibrazioni della macchina in base ai risultati delle misurazioni su parti fisse. Parte 3: Macchine industriali con potenza nominale superiore a 15 kW, funzionanti a velocità compresa tra 120 giri al minuto e 15.000 giri al minuto, poste su fondazioni flessibili o rigide.
• Manuali per il funzionamento e la manutenzione di motori elettrici e relè termici dei principali produttori (ad esempio Siemens, Schneider Electric, Eaton).
• Mankis, SE (2012). Guida al funzionamento e alla riparazione dei motori elettrici. Mosca: Energoatomizdat.