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Proprietà del Controllo in Controreazione

Esempi di schemi di controllo e proprietà del controllo in controreazione

 
Per chiarire il significato degli schemi di controllo presentati nel paragrafo precedente , ed evidenziarne pregi e difetti, si può considerare come esempio il controllo del livello del liquido in un serbatoio. Il serbatoio eroga un flusso nominale Qu verso una rete utilizzatrice : la variabile controllata è il livello L , mentre la variabile controllante è il flusso in entrata Qi ( Qu è un parametro del modello , sul quale non è consentito agire ). Le tre strategie si traducono nelle seguenti azioni di controllo:

- il controllo in catena aperta consiste nel fornire al serbatoio un flusso in entrata pari al flusso nominale in uscita. Se però la rete utilizzatrice presentasse per un certo intervallo di tempo un fabbisogno inferiore a quello nominale , i due flussi non si compenserebbero ed il livello del serbatoio tenderebbe a salire oltre il valore desiderato ( col rischio di un overflow ). Questa situazione è mostrata in figura 1.
Figura 1 : Il controllo del serbatoio secondo lo schema in catena aperta
- il controllo con compensazione diretta consiste nel misurare con un rivelatore di portata il flusso in uscita Qu e fornire in ingresso lo stesso valore per Qi . Questa soluzione ovvia al problema delle variazioni dovute al fabbisogno della rete utilzzatrice, ma non è in grado di rilevare, ad esempio, possibili variazioni dovute all'evaporazione del liquido o ad eventuali perdite nel serbatoio. Questa situazione è mostrata in figura 2. 
Figura 2 : Il controllo del serbatoio secondo lo schema a compensazione diretta
- l'unica soluzione che permette di rilevare tutti questi disturbi agenti sul sistema è l'introduzione di un galleggiante , o di un qualsiasi altro trasduttore di livello, in modo da calcolare il flusso in entrata come funzione della differenza L-Ldes ( segnale errore ). Questa scelta corrisponde allo schema di controllo in controreazione ( figura 3 )
Figura 3 : Il controllo del serbatoio in catena chiusa secondo lo schema a reazione negativa
L'esempio evidenzia due delle proprietà fondamentali del controllo a controreazione:

- riduzione degli effetti dovuti a variazioni parametriche nel modello del processo ( ad esempio le variazioni del flusso in uscita ) ; 

- riduzione dell'effetto dei disturbi in uscita al processo ( ad esempio le variazioni dovute all'evaporazione e alle perdite del serbatoio ) . 

Il caso del serbatoio permette inoltre di esemplificare uno dei limiti entrinseci della controreazione stessa : la necessità di una informazione attendibile sull'uscita. Si dimostrerà in seguito che l'errore di trasduzione si può schematizzare come un rumore additivo sul ramo di retroazione : a differenza dei disturbi in uscita e nel ramo diretto, che possono essere ridotti dalla retroazione progettando opportunamente il controllore, questo genere di disturbi si ripercuote interamente sull'uscita . Tornando all'esempio del serbatoio, perché il sistema di controllo mantenga con buona approssimazione il livello del liquido attorno al valore desiderato è necessario scegliere un buon galleggiante o un buon trasduttore di livello.
 
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Appunti di Controlli Automatici

Introduzione all'automatica

 
In automatica controllare un sistema significa calcolare un’azione o una sequenza di azioni che facciano assumere ad una grandezza di interesse un opportuno valore o una opportuna sequenza di valori. Tale grandezza viene detta grandezza controllata e riguarda solitamente un processo fisico , il processo da controllare. Nel corso di Controlli Automatici si guarda al processo secondo l’approccio della teoria dei sistemi; lo si considera cioè un oggetto astratto orientato dotato di ingressi ed uscite : le uscite sono le grandezze da controllare e gli ingressi sono le grandezze controllanti . In questo modo è possibile stimare un modello del processo a partire dal quale si calcola l’azione di controllo .
Figura 1 : la rappresentazione del processo secondo la teoria dei sistemi
Si parla di controlli automatici perché il calcolo e l’attuazione dell’azione di controllo vengono svolti da dispositivi che sostituiscono del tutto o in parte l’azione dell’uomo. L’insieme di questi dispositivi viene solitamente indicato col nome di controllore, che nei controllori più semplici ha la struttura indicata in figura 2.
Figura 2 : Lo schema di controllo in catena aperta
Tale schema , che viene detto controllo in catena aperta , da luogo a prestazioni scadenti e trova impiego solo in situazioni particolari ( ad esempio quando l’attuatore è un motore passo-passo) , perché non tiene conto dello scostamento fra uscita reale e uscita del modello. Questo scostamento è dovuto sostanzialmente a due cause : 

- il modello del processo non può essere conosciuto con esattezza ( dinamica non modellata e variazioni parametriche nel modello del processo ) ;

- sul sistema agiscono rumori e disturbi che non sono completamente noti . 

 
Per questo motivo nei controlli automatici si preferisce adottare lo schema a controreazione , mostrato in figura 3, che calcola l’azione di controllo a partire dalla differenza fra uscita desiderata e uscita effettiva . Questa differenza viene detta segnale errore : il compito del controllore è proprio quello di far tendere a zero il segnale errore , soddisfando alcune specifiche sulle prestazioni globali del sistema , che saranno descritte più avanti. Se anziché la differenza si effettuasse la somma fra ingresso e uscita del sistema si parlerebbe di reazione positiva e non di reazione negativa o controreazioneLa reazione positiva trova scarsa applicazione in controlli automatici , perché causa di instabilità : in elettronica questa instabilità viene invece sfruttata per realizzare gli oscillatori.
Figura 3 : Lo schema di controllo in catena chiusa
E' possibile anche una terza strategia di controllo, che si applica quando è verificata una condizione particolare : si hanno informazioni a priori sui disturbi che agiscono sul processo. Il disturbo deve quindi essere parzialmente noto o almeno misurabile e allora si parla di schema di controllo a compensazione diretta , che è mostrato in figura 4.
Figura 4 : Lo schema di controllo a compensazione diretta
I sistemi basati esclusivamente sulla compensazione diretta sono comunque relativamente rari , perché presentano svantaggi simili al controllo in catena aperta : se l'informazione sul disturbo si degradasse o se l'azione di controllo fosse diversa da quella progettata, non si avrebbe alcun riscontro sul reale andamento dell'uscita. Per questo motivo , quando si conosce almeno in parte il disturbo agente sul processo, si preferisce combinare i vantaggi del controllo a compensazione diretta con quelli del controllo in catena chiusa ricorrendo ad uno schema di controllo ibrido come quello mostrato in figura 5.
Figura 5 : Lo schema di controllo ibrido che combina i vantaggi della compensazione diretta e della controreazione
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L'obbligo di progetto degli impianti secondo il DM 37/08 ( Ex Legge 46/90 ) e la guida CEI-02

L'OBBLIGO DI PROGETTO DEGLI IMPIANTI ELETTRICI SECONDO IL D.M. 37/08

Il D.M. 37/08 , che ha sostituito la legge 46/90 , definisce i limiti entro cui è necessario il progetto di un impianto elettrico , definito  "i circuiti di alimentazione degli apparecchi utilizzatori e delle prese a spina con esclusione degli equipaggiamenti elettrici delle macchine , degli utensili e degli apparecchi elettrici in genere" .

Il progetto non è necessario per gli impianti che non ricadono nel D.M. 37/08 ovvero impianti totalmente all'aperto e impianti nei cantieri edili. Il progetto può essere realizzato in alcuni casi anche dal responsabile tecnico della ditta installatrice , in altri è necessario che lo stesso sia redatto da un professionista iscritto all'albo.

I casi in cui il progetto deve essere redatto da un professionista iscritto all'albo , sono :

1) impianti elettrici di unità immobiliari ad uso abitativo ( impropriamente noti come "impianti elettrici civili" ) o a studio professionale o a sede di persone giuridiche private , circoli o conventi o associazioni se :
1a) sono caratterizzati da superficie superiore a 400 mq oppure :
1b) comprendono una centrale termica a gas di potenza superiore a 35KW oppure :
1c) hanno classe di compartimento antincendio superiore o uguale a 30 oppure :
1d) comprendono locali adibiti ad uso medico

2) impianti elettrici di servizi condominiali se :
2a) la potenza impegnata è superiore a 6KW oppure:
2b) comprendono una centrale termica a gas con potenza superiore a 35KW oppure :
2c) se la classe di compartimento antincendio è superiore a 30 oppure :
2d) se comprendono un'autorimessa condominiale con capienza di veicoli superiore a 9 che NON si affacci su uno spazio a cielo libero oppure :
2e) sono caratterizzati da un'altezza di gronda superiore a 24m

3) impianti elettrici di locali adibiti ad attività produttive ( impropriamente noti come "impianti elettrici industriali " ) , commerciali e del terziario se :
3a) comprendono cabina di trasformazione propria oppure :
3b) hanno superficie superiore a 200mq oppure :
3c) sono situati il luogo con pericolo di esplosione o a maggior rischio di incendio
3d) comprendono locali adibiti ad uso medico

E' inoltre previsto l'obbligo di progetto per modifiche a impianti esistenti non rientranti nella manutenzione ordinaria o straordinaria , quando il vecchio o il nuovo impianto siano soggetti a obbligo di progetto secondo quanto detto in precedenza.

IL PROGETTO PRELIMINARE E IL PROGETTO ESECUTIVO SECONDO LA GUIDA CEI 0-2

Per gli impianti che secondo iil DM 37/08 sono soggetti ad obbligo di progetto , si rimanda alla guida del Comitato Elettrico Italiano CEI 0-2 ( Guida per la definizione della documentazione di progetto degli impianti elettrici ) , la quale distingue fra due fasi successive della progettazione :

1) il progetto di massima o preliminare , che necessita di un minor grado di dettaglio in quanto viene redatto prima che sia prima che sia posto in opera l'impianto e viene utilizzato per studi di fattibilità , valutazione dei costi , richieste di concessioni edilizie ed eventuali autorizzazioni alla costruzione da autorità competenti ( ad esempio i Vigili del Fuoco ) .
2) il progetto definitivo o esecutivo , che viene invece redatto quando si conoscono le caratteristiche dell'impianto in ogni suo aspetto , compresi i modelli , i costi e le caratteristiche dei componenti elettrici installati . Deve quindi descrivere l'impianto in maniera esaustiva mediante relazioni tecniche , schemi per la disposizione funzionale dei componenti ( ad esempio gli schemi unifilari o multifilari dei quadri di distribuzione ) , planimetrie per la disposizione topografica dei componenti elettrici.

E' il caso di notare che tale suddivisione in livelli ha valore indicativo e non vincolante , in quanto espresso da una guida CEI e non da una norma . Mentre infatti le norme CEI determinano una condizione sufficiente per la progettazione di un impianto elettrico a regola d'arte , secondo la legge n.186 del 1° Marzo 1968 , le guide CEI hanno un mero valore di indirizzamento. E' comunque caldamente consigliato , per evitare malintesi con il committente o con l'eventuale direttore dei lavori , che si faccia riferimento alla CEI 0-2 nella stesura della documentazione di progetto ( non un obbligo , ma uno standard di riferimento , in sostanza ) .
La Legge Merloni Bis
I livelli del progetto definiti dalla guida CEI 0-2 non vanno confusi con quelli indicati dalla Legge n. 216/95 , detta anche legge Merloni Bis , che regola invece la documentazione di progetto delle opere pubbliche nel loro insieme : non riguarda cioè il solo impianto elettrico , ma anche quello idro-sanitario , l'impianto di riscaldamento , ecc. Le possibili confusioni sono indotte dalla nomenclatura utilizzata da tale legge , che individua tre livelli di progetto indicati con "progetto preliminare" , "progetto definitivo" e "progetto esecutivo". Il progetto di massima secondo la legge 46/90 coincide infatti con il progetto definitivo della 216/95 , mentre il progetto definitivo della 46/90 coincide con il progetto esecutivo della 216/95 [1] . In pratica la Legge Merloni Bis introduce un ulteriore livello iniziale rispetto alla 46/90 , che viene indicato con preliminare.

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Sezionatore , Sezionatore Sotto Carico e Interruttore di Manovra Sezionatore. Glossario Norme CEI Lettera S

SEZIONATORE

Il sezionatore è un dispositivo in grado di assicurare , nelle condizioni di "aperto" il sezionamento del circuito a valle. L'apertura e la chiusura del sezionatore deve avvenire "a vuoto" , ovvero con correnti di intensità trascurabile : perciò il sezionatore viene solitamente impiegato per garantire la sicurezza in operazioni di manutenzione sul circuito.

Il sezionatore non è adatto all'apertura del circuito quando su di esso circola la corrente nominale e tantomeno correnti di sovraccarico e di cortorcicuito , ma deve essere in grado di portare ( nella condizione "chiuso" ) la corrente nominale dichiarata da costruttore. Il costruttore deve inoltre indicare la corrente che il sezionatore è in grado di sopportare in condizioni anormali di circuito ( Icw : corrente ammissibile di breve durata ) : tale corrente ha la durata convenzionale di 1s ed entro tale tempo il circuito deve essere aperto mediante un interruttore automatico ( che protegge il sezionatore dal cortocircuito e dal sovraccarico come qualsiasi altro componente elettrico ).

SEZIONATORE SOTTO CARICO E INTERRUTTORE DI MANOVRA SEZIONATORE

Il termine Sezionatore sotto carico è utilizzato soprattutto nell'ambito della media tensione ( MT ) per indicare un dispositivo che , oltre alla funzione di sezionatore , svolge anche la funzione di aprire il circuito quando su di esso circola la corrente nominale. In bassa tensione (BT) la dizione utilizzata è Interruttore di manovra - sezionatore (IMS)

( Riferimenti : CEI 23-11 , CEI 64-8 )

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Zone di pericolosità della corrente elettrica. Glossario Norme CEI Lettera Z

ZONE DI PERICOLOSITA' DELLA CORRENTE ELETTRICA

Quando si parla di pericolosità della corrente elettrica si fa riferimento , convenzionalmente , ad una suddivisione su base statistica del piano (t,I) , dove I è il valore della corrente ( in mA ) che attraversa un corpo di un individuo medio per un tempo t ( espresso in ms ) . Il piano viene suddiviso in 4 zone , come in figura 1 , a seconda della pericolosità degli effetti procurati dalla corrente stessa:
1) in zona 1 , ovvero per correnti inferiori a 0.5mA , non si hanno abitualmente reazioni percettibili
2) in zona 2 si hanno reazioni del corpo umano , ma senza effetti fisiologicamente pericolosi
3) in zona 3 si hanno effetti pericolosi , ma reversibili , che abitualmente si concludono senza danni organici : contrazione dei muscoli, difficoltà respiratorie , difficoltà nella formazione e nella conduzione degli impulsi del cuore , fino alla possibilità di arresto cardiaco. Non è tuttavia contemplata la possibilità di fibrillazione ventricolare , che costituisce la più probabile causa di morte in questi casi. Al crescere del tempo di esposizione , va comunque contemplata la possibilità di ustioni per effetto termico.
4) in zona 4 , invece , è prevista una certa possibilità di incorrere nella fibrillazione ventricolare , via via più probabile superando le curve c2 ( 5% ) e c3 ( 50% ) in figura 1.

( Riferimenti : CEI 64 - fascicolo 4985 art. 4.5 )


La figura 1 si riferisce ad una corrente alternata con frequenza fra i 15Hz e i 100Hz ed un percorso ipotetico che va dalla mano sinistra ai piedi. Per dedurre gli effetti equivalenti ( soprattutto in termini di probabilità della fibrillazione ventricolare) che una stessa corrente I , a parita di tempo di esposizione , avrebbe in caso di percorsi diversi attraverso il corpo del soggetto interessato , viene definito un fattore di percorso F tale che : Ieq=I/F .

Alcuni valori del fattore di percorso , per diversi possibili percorsi , sono riportati di seguito :
- mano sinistra - mano destra : F=0.4
- mano destra - piedi : F=0.8
- schiena - mano destra : F=0.3
- schiena - mano sinistra : F=0.7
- torace - mano destra : F=1.3
- torace -mano sinistra : F=1.5
- glutei - mani : F=0.7

Se ne deduce che i casi più pericolosi si hanno in caso di corrente fluente fra mano destra e mano sinistra o fra mano destra e schiena. Viceversa , se uno dei "poli" di ingresso/uscita della corrente è il torace , la pericolosità si riduce anche sensibilmente.

( Riferimenti : CEI 64 - fascicolo 4985 art. 4.5 ) 

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Rischio in Caso di Incendio , Classificazione dei Luoghi. Glossario Norme CEI Lettera R

RISCHIO IN CASO DI INCENDIO , CLASSIFICAZIONE DEI LUOGHI 

La classificazione del rischio in caso d'incendio segue due diversi criteri normativi a seconda dello scopo della classificazione stessa. Se lo scopo è il progetto dell'impianto elettrico , le norme CEI distinguono fra
- Luoghi Ordinari
- Luoghi a Maggior Rischio in caso d'incendio ( detti in gergo anche luoghi "marci" , secondo l'acronimo [MA]ggior [R]ischio [C]aso [I]ncendio )

Se lo scopo è invece la valutazione del rischio per i lavoratori dipendenti ai sensi dell'art.4 del D.Lgs 626/94 ( secondo le procedure indicate nel D.M. 10/3/98 ) , gli ambienti si possono classificare in :
1) Luoghi con livello di rischio elevato
2) Luoghi con livello di rischio medio
3) Luoghi con livello di rischio basso.

Che relazione debba esserci fra le due classificazioni è questione dibattuta , poichè la sezione 715 della norma CEI 64-8 ( quella dove vengono riportate le prescrizioni sull'impianto elettrico nel caso di maggior rischio in caso d'incendio ) non fornisce una procedura quantitativa per la classificazione del luogo ( afferma anzi esplicitamente che la classificazione esula dallo scopo della norma stessa ) e si limita a segnalare :
-aspetti qualitativi da tenere in considerazione nella valutazione del rischio in caso d'incendio ( densità di affollamento , entità del danno , presenza di materiali combustibili e/o infiammabili )
-esempi di luoghi a maggior rischio in cado d'incendio.

Tuttavia la constatazione che tutti i luoghi esemplificati dal CEI sono classificabili come ad elevato rischio o a medio rischio ai sensi del D.M. 10/3/98 , porta quasi tutti i progettisti a concludere che , qualora il datore di lavoro abbia valutato il luogo come a rischio medio o elevato in caso d'incendio , questa classificazione possa essere adottata ( salvo valutazione di errori da parte del datore di lavoro stesso ) come "dato di progetto" per la realizzazione dell'impianto elettrico secondo le prescrizioni della sez.715 della norma CEI 64-8

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Parti attive , Potere di Interruzione , Protezione di Backup. Glossario di elettrotecnica e norme CEI lettera P

PARTI ATTIVE

Le parti attive vengono definite come conduttori o parti conduttrici in tensione nel servizio ordinario. Fra queste è compreso il conduttore di neutro , ma non quello di protezione. ( Riferimenti : norma CEI 64-8 , art. 23.1 )

POTERE DI INTERRUZIONE

Il Potere di interruzione è una grandezza caratteristica dei dispositivi deputati ad aprire un circuito elettrico , quali interruttori , sezionatori , fusibili. Viene definita come la massima corrente che il dispositivo è in grado di "aprire" ( o interrompere ) : al di sopra di tale valore limite possono insorgere fenomeni che non assicurano l'assenza di corrente nei conduttori del circuito stesso ( come ad esempio l'instaurarsi di un arco elettrico persistente ).

La grandezza che più frequentemente viene confrontata con il potere di interruzione è la corrente di cortocircuito presunta ( Icp ) nel punto in cui il dispositivo di interruzione è installato : le norme prescrivono infatti che il potere di interruzione sia maggiore o uguale della corrente di cortocircuito presunta ( a meno di non ricorrere ad una protezione di back up ).

Negli interruttori automatici ad uso industriale (CEI 17-5) il potere di interruzione è ulteriormente classificato in :
b) potere di interruzione estremo ( Icu ) : è la massima corrente che il dispositivo è in grado di interrompere , senza garantire però il corretto funzionamento dopo il fenomeno ( ovviamente un corto-circuito ) .
a) potere di interruzione di servizio ( Ics ) : è la massima corrente che il dispositivo è in grado di interrompere garantendo il corretto funzionamento anche dopo l'interruzione. A seconda dell'interruttore Ics può essere 1/4 Icu o 1/2 Icu o 3/4 Icu o pari a Icu stessa ( per cui la distinzione non esiste ).

La distinzione non esiste nemmeno negli interruttori automatici per uso domestico e similare ( CEI 23-3 ) , nei quali si parla genericamente di potere di interruzione o di potere di interruzione nominale ( Icn ) .

Il potere di interruzione degli interruttori dipende dalle caratteristiche costruttive ; ragionando sulle proprietà di rigidità dielettrica dei corpi isolanti si deduce facilmente che le caratteristiche costruttive più importanti nel determinare il potere di interruzione sono :
1) il materiale isolante interposto fra i contatti ; a parità di altre caratteristiche gli interruttori in aria hanno potere di interruzione inferiore agli interruttori in olio , che a loro volta hanno potere di interruzione inferiore agli interruttori in esafluoruro di zolfo.
2) le dimensioni ; ovviamente il potere di interruzione aumenta con la distanza fra i contatti e quindi con la dimensione dell'interruttore stesso.

( Riferimenti : norme CEI 64-8/4 , CEI 17-5 , CEI 23-3 ) 

PROTEZIONE DI BACKUP

Il ricorso alla protezione di sostegno o protezione di back-up è una tecnica che permette di utilizzare una protezione contro il corto-circuito con potere di interruzione insufficiente ( cioè inferiore alla corrente di corto-circuito presunta nel punto in cui è installato il dispositivo ) , purchè :
1) si utilizzi a monte un dispositivo con potere di interruzione opportuno
2) il calcolo ( e la prova ) del potere di interruzione posseduto dalla combinazione delle due protezioni sia fornito dal costruttore dei dispositivi mediante opportune tabelle ( da cui discende che solitamente la tecnica del backup può avvenire solo fra dispositivi dello stesso costruttore ).

L'utilità del riconoscimento di questa tecnica da parte delle norme CEI ( norma CEI 64/8 art. 434.3.1 ) è evidente : si supponga ad esempio che un utilizzatore trifase sia rifornito dall'ente distributore (ENEL) in bassa tensione ( sistema TT ) e che il suo punto di allaccio sia nelle vicinanze di una cabina di trasformazione MT/BT dell'ente stesso. Per cause non dipendenti dalla sua volontà , l'utente si troverebbe con una corrente di cortocircuito presunta nel punto di allaccio di valore elevato e , se la tecnica del back up non rientrasse nella regola dell'arte , sarebbe costretto a ricorrere a interruttori magnetotermici ingombranti e molto costosi. Ricorrendo invece ad un interruttore generale automatico con potere di interruzione sufficiente e opportunamente coordinato con i dispositivi che gli sono a valle , il costo e l'ingombro di questi ultimi si riduce notevolmente

( Riferimenti : CEI 64-8 , art. 434.3.1 ).

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Tensione di Contatto , Tensione di Terra. Glossario di Elettrotecnica e norme CEI Lettera T

Glossario di elettrotecnica e norme CEI lettera T :

Tensione totale di terra : E' la tensione che una massa o una massa estranea assumono in caso di guasto verso terra. Se il guasto è caratterizzato dalla corrente di dispersione verso terra I e la massa presenta una resistenza verso terra Rt , la tensione totale verso terra vale , per la legge di Ohm , Ut=Rt*I. Questo spiega perchè le norme prescrivono un valore massimo per la resistenza verso terra : a parità di corrente di guasto , quanto più è alta la resistenza verso terra tanto più la tensione totale di terra assume valori pericolosi

Tensione di contatto Uc : E' la tensione alla quale è soggetto il corpo umano durante un guasto d'isolamento

Tensione di contatto a vuoto Uc0 : E' la tensione presente nel caso di un guasto di isolamento , preesistente al contatto stesso. La distinzione fra tensione di contatto Uc e tensione di contatto a vuoto Uc0 tiene conto della perturbazione introdotta dal contatto dell'individuo con la parte in tensione. In alcuni casi tale perturbazione è anche di notevole entità : è il caso ad esempio del contatto di una massa in tensione per un guasto verso terra , quando la persona si trovi in prossimità di un dispersore di terra. I piedi della persona si comportano come un altro dispersore che si pone in parallelo a quello di partenza , con conseguente innalzamento del potenziale del terreno : l'individuo è così soggetto ad una tensione di contatto inferiore ( Uc e non Uc0 ) , con ovvi vantaggi per la sicurezza. Tuttavia , in assenza di calcoli quantitativi sull'entità della perturbazione , si preferisce confondere la tensione di contatto con la tensione di contatto a vuoto , a favore della sicurezza ( ci si pone nel caso peggiore ).

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Glossario di Elettrotecnica e norme CEI Lettera M : Massa e Massa Estranea

Glossario di Elettrotecnica e norme CEI Lettera I

Massa e Massa Estranea. Una massa è una parte conduttrice che soddisfa le seguenti proprietà :

1) può essere toccata
2) fa parte di un componente elettrico
3) non è in tensione in condizioni ordinarie ( altrimenti sarebbe una parte attiva )
4) può andare in tensione in condizioni di guasto.
La prima proprietà focalizza l'attenzione sull'accessibilità della massa : se una parte conduttrice fa parte di un componente elettrico e può andare in tensione in caso di guasto , ma non vi è rischio che venga toccata , non è una massa ma una parte intermedia
La seconda proprietà specifica che "la massa fa parte del componente elettrico" e di conseguenza dell'impianto elettrico. Se la parte conduttrice non fa parte dell'impianto elettrico , ma può ugualmente andare in tensione in condizioni di guasto a causa di una resistenza verso terra superiore a 1000 Ohm ( 250 Ohm per particolari applicazioni ) , viene detta Massa estranea.
Sia la massa che la massa estranea vanno protette contro i contatti indiretti.

CEI 64-8 art. 23.2 e art. 23.3

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Glossario di Elettrotecnica e norme CEI Lettera I : Gli interruttori differenziali e gli interruttori magnetotermici

Glossario di Elettrotecnica e norme CEI Lettera I

INTERRUTTORE DIFFERENZIALE

L'interruttore differenziale è un dispositivo di protezione che determina l'interruzione automatica dell'alimentazione qualora rilevi il passaggio di una corrente verso terra superiore ad una data soglia. La soglia prende il nome di corrente differenziale nominale di intervento e viene indicata con Idn ; valori tipici di Idn sono : 10mA , 30mA , 100mA , 300mA e 500mA o maggiori per i differenziali industriali di tipo regolabile . 

Esiste poi un parametro , detto corrente differenziale nominale di NON intervento e indicato con Idno , al di sotto del quale è garantita la continuità dell'alimentazione. Solitamente Idno è pari alla metà di Idn e il coordinamento della Idn e della Idno di diversi interruttori differenziali collegati in serie è utilizzato per la selettività fra gli stessi , che garantisce la continuità di servizio in rami del circuito non interessati dal guasto.

Illustriamo il funzionamento del differenziale per il caso di un interruttore bipolare ( carico monofase ) , che è costituito , in ultima analisi , da un toroide , tre bobine e uno sganciatore , a sua volta costituito da un relé di sgancio e da un meccanismo di apertura : a ciascun conduttore che va verso il carico è collegata in serie una bobina ed entrambe le bobine sono avvolte su uno stesso toroide ; vi è poi una terza bobina collegata al relé di sgancio : finché le correnti sui due conduttori del carico sono identiche i campi magnetici generati sono uguali e contrari e il flusso magnetico circolante nel toroide è nullo. Quando vi è una differenza fra le due correnti , sul toroide ( detto anche trasformatore toroidale ) circola un flusso magnetico , che a sua volta induce una forza elettromotrice sulla bobina del relé , che comanda lo sganciamento dell'interruttore.

Gli interruttori differenziali possono essere classificati in base a diversi criteri :

1) focalizzando l'attenzione sulla forma d'onda delle correnti differenziali rilevabili distinguiamo fra:
1a) interruttori differenziali di tipo AC , se sono in grado di rilevare solo correnti differenziali verso terra sinusoidali
1b) interruttori differenziali di tipo A , se sono in grado di rilevare anche correnti differenziali verso terra pulsanti unidirezionali
1c) interruttori differenziali di tipo B , se sono in grado di rilevare anche correnti differenziali verso terra continue.
La scelta fra interruttori di classe AC , A , B va effettuata dal progettista dell'impianto elettrico in base alle correnti di dispersione che si prevedono per l'utenza da proteggere. Se il carico prevede la presenza di circuiti elettronici che fanno uso di raddrizzatori , chopper , inverter, la corrente di guasto può essere non sinusoidale ( o sinusoidale ad una frequenza diversa dai 50-60Hz per cui sono predisposti molti degli interruttori AC commerciali ) ed è bene ricorrere ad interruttori di classe A o , meglio ancora , di classe B.

2) focalizzando l'attenzione sul valore della soglia di corrente , distinguiamo fra:
2a) interruttori differenziali ad alta sensibilità , se la corrente differenziale nominale di intervento è inferiore a 30mA
2c) interruttori differenziali a bassa sensibilità , se la Idn è superiore a 30mA
Gli interruttori a bassa sensibilità , per prevenire opportunamente i rischi da contatti indiretti , debbono essere opportunamente coordinati con l'impianto di terra ( deve essere soddisfatta la relazione Rt*Idn<=50 nei sistemi TT e Zs*Idn<=Uo nei sistemi T-N ) , mentre gli interruttori ad alta sensibilità funzionano correttamente anche con resistenze di terra relativamente alte. Se si prende ad esempio una Idn=10mA , anche con tempi di interruzione di 2 secondi ci si trova nella zona n.2 fra quelle specificate dalla norma CEI 64-8 per la pericolosità della corrente alternata a 50Hz. La zona 2 non presenta effetti fisiologici pericolosi per l'uomo , in quanto sotto la soglia di tetanizzazione.

3) focalizzando l'attenzione sulla selettività degli interruttori differenziali , distinguiamo fra:
3a) interruttori differenziali di tipo generale , che intervengono in tempi relativamente rapidi perché la corrente di guasto e il tempo di intervento determinino punti (t,I) che si trovano nelle zone meno pericolose di quelle stabilite dalla CEI 64-8
3b) interruttori differenziali selettivi , che intervengono entro un tempo di ritardo fisso , per essere collegati a monte di altri differenziali del tipo 3a) ed assicurare la continuità di servizio delle parti di impianto non interessate dal guasto ( selettività )
3c) interruttori differenziali ritardati , in cui invece il tempo di ritardo è regolabile , sempre per assicurare la selettività. Questo genere di interruttori può essere utilizato solo in ambito industriale , perché la regolazione deve essere eseguita da persone esperte (PES) .

Spieghiamo il concetto di selettività con un esempio : supponiamo di avere in un piccolo ufficio , a causa di un guasto verso terra nel circuito utilizzatore di una presa , una corrente di dispersione verso terra di 50 mA . Se l'interruttore generale dell'ufficio è dotato di un unico interruttore generale differenziale magnetotermico ad alta sensibilità con Idn=30 mA , questo guasto causerà l'interruzione di tutte le linee delle utenze dell'ufficio ( luce , prese , riscaldamento , ecc )  con gli inevitabili disagi del caso . Se invece ogni linea è dotata di un proprio interruttore differenziale ad alta sensibilità da 30 mA , mentre magari l'interruttore generale posto a valle del contatore è un interruttore selettivo , l'interruzione riguarderà la sola linea della presa interessata dal guasto.

Riferimenti : CEI 64-8 Art.432 CEI 23-18

Interruttore magnetotermico

L'interruttore magnetotermico è un dispositivo che , combinando l'azione di due diversi meccanismi ( sganciatore termico e sganciatore magnetico ) permette la protezione della porzione di impianto elettrico a valle dal corto-circuito e dal sovraccarico . Entrambi i fenomeni vanno sotto il nome di "sovracorrenti" , che possono compromettere l'integrità delle condutture e degli apparecchi utilizzatori , ma vanno trattati in maniera completamente diversa : il corto-circuito presuppone un guasto e va interrotto sempre e in tempi brevissimi , perché le correnti in gioco sono tali da produrre effetti termici e meccanici pericolosi quasi istantanei ; il sovraccarico può invece manifestarsi anche in un circuito elettricamente sano ( ad esempio a causa della corrente di spunto di un motore elettrico ) e l'entità degli effetti dannosi sulla conduttura dipende dal tempo per cui la corrente supera la portata Iz della stessa.
Pertanto lo sganciatore magnetico , che apre l'interruttore in caso di corto-circuito , agisce se la corrente supera una determinata soglia Im ( massima corrente ) a prescindere dal tempo per cui questa si presenta ; la sua curva caratteristica di intervento tempo-corrente è quindi una retta orizzontale ( fig. 1 ) e infatti viene anche detto sganciatore di massima corrente a tempo indipendente. Lo sganciatore termico , invece , allo scopo di lasciar passare le sovracorrenti "funzionali" ( dovute cioè al normale funzionamento dell'apparecchiatura elettrica a valle ) e interrompere le sovracorrenti "anomale" ha una curva caratteristica di intervento tempo-corrente di tipo iperbolico e viene infatti detto sganciatore di massima corrente a tempo inverso ( fig. 2 ) . In questo modo le correnti di poco superiori a quella nominale vengono permesse anche per tempi lunghi ( la retta verticale 1,05*In viene detta "corrente di non intervento" perché può essere tollerata per 1 ora nei magnetotermici con In>63A e per oltre 2 ore nei magnetotermici con In<63A ) , mentre le correnti via via crescenti saranno tollerate per tempi via via inferiori . La combinazione di queste due curve costituisce la curva di intervento del magnetotermico.

Fig.1 : Caratteristica di intervento tempo-corrente dello sganciatore magnetico Fig.2 : Caratteristica di intervento tempo-corrente dello sganciatore termico

Come per gli interruttori differenziali , anche per gli interruttori magnetotermici la classificazione può avvenire in base a diversi criteri. Un primo criterio considera le tecnologie costruttive ( che determinano l'entità della corrente nominale e del potere di interruzione (Icn) e , quindi , il tipo di impiego ) e distingue fra :
1a) Interruttori magnetotermici modulari , impiegati per lo più nel civile e nel terziario , con correnti In fino al centinaio di A e potere di interruzione fino ai 50kA . Devono il loro nome alla misura standard del loro ingombro ( moduli DIN ) su apposite barre profilate di fissaggio ( barre DIN ).
2a) Interruttori magnetotermici scatolati , impiegati quasi esclusivamente in ambito industriale , di dimensioni relativamente ridotte per le correnti nominali ( fino ai 2000 A ) ed il potere di interruzione ( fino a 150kA ) che li caratterizza. L'elevato potere di interruzione è legato al livello di isolamento e segregazione loro conferito dal supporto in materiale plastico , da cui traggono il nome.
3a) Interruttori magnetotermici aperti , impiegati nelle linee MT e a valle di trasformatori MT/BT , con correnti nominali fino a 10.000 A e potere d'interruzione fino a 100kA.
Un secondo criterio distingue gli interruttori in base al tempo di interruzione dello sganciatore magnetico :
1b) Interruttori magnetotermici limitatori , in cui l'interruzione viene anticipata rispetto al passaggio per lo zero della forma d'onda sinusoidale della corrente alternata ; in questo modo si impedisce alla corrente di corto-circuito di raggiungere il valore di cresta ( per cui non si parla di corrente di corto-circuito ma di corrente presunta ) , limitandone gli effetti dannosi.
2b) Interruttori magnetotermici rapidi , in cui l'interruzione avviene al primo o al secondo passaggio per lo zero della corrente di corto-circuito ;
3b) Interruttori selettivi o ritardati , in cui il tempo di intervento viene volutamente ritardato per permettere la selettività cronometrica con interruttori magnetotermici istantanei posti a valle.

Un terzo criterio distingue infine gli interruttori magnetotermici in base alla corrente di intervento del relé magnetico . La classificazione è definita da due norme : la norma CEI 23-3 ( nota anche come CEI EN 60898 ) per gli interruttori da utilizzare in impianti domestici e similari ( anche uffici , alberghi e terziario ) , con corrente nominale inferiore a 125 A , mentre la norma CEI 17-5 ( nota anche come CEI EN 60947-2 ) tratta gli interruttori magnetotermici ad uso industriale.

La classificazione delle curve di intervento dei magnetotermici secondo la CEI EN 60898 è la seguente :

1c) se la soglia di intervento per corto-circuito è compresa fra 3*In e 5*In si parla di interruttore magnetotermico di tipo B ;
2c) se la soglia di intervento per corto-circuito è compresa fra 5*In e 10*In si parla di interruttore megnetotermico di tipo C ;
3c) se la soglia di intervento per corto-circuito è compresa fra 10*In e 20*In si parla di interruttore magnetotermico di tipo D ;

La norma CEI EN 60947-2 , invece , oltre alle curve B , C , D ( i cui range di intervento vengono leggermente ristretti rispetto alla CEI EN 60898 ) anche le curve K , Z e AM :

1d) il range di intervento dei magnetotermici tipo B viene definita come 4*In +/- 20% cioè tra 3.2*In e 4.8*In 
2d) il range di intervento dei magnetotermici tipo C viene definita come 8*In +/- 20% cioè tra 6.4*In e 9.6*In 
3d) il range di intervento dei magnetotermici tipo D viene definita come 12*In +/- 20% cioè tra 9.6*In e 14.4*In 
4d) il range di intervento dei magnetotermici di tipo Z viene definita tra 2.4*In e 3.6*In 
4e) il range di intervento di tipo AM viene definita 12*In +/- 20% come per la curva D , ma senza l'intervento della termica 
4f) il range di intervento dei magnetotermici di tipo K viene definita come 12*In +/- 20% come nel tipo D , ma con una diversa forma della curva di intervento : il tipo K si differenzia dal tipo D per la corrente di funzionamento If = 1.2*In . Nel tipo D invece si ha If = 1.3*In .

Come si può notare , addentrandosi nei dettagli degli interruttori automatici industriali , le nozioni iniziano ad essere molto specifiche e specialistiche e per distinguere due diversi tipi di interruttori bisogna conoscere i grafici delle curve di intervento. Tanto che molti interruttori industriali sono regolabili attraverso opportuni parametri per ottenere una curva piuttosto che un'altra.

Quello che interessa l'utente medio sono i campi di applicazione di questi interruttori , che riportiamo di seguito :

- Gli interruttori automatici di tipo B sono utilizzati a protezione di generatori, persone e cavi di notevole lunghezza 
- Gli interruttori automatici di tipo C sono i più diffusi e vengono utilizzati a protezione di carichi di tipo classico
- Gli interruttori automatici di tipo D sono utilizzati a protezione di carichi con forti correnti di spunto , come i magnetotermici di tipo K
- Gli interruttori automatici di tipo Z sono quelli che tollerano il minor sovraccarico e quindi vengono utilizzati a protezione di circuiti elettronici
- Gli interruttori automatici con curva MA sono infine a protezione di motori , senza protezione termica .

Riferimenti CEI 64-8 , art. 433 e 434

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