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Una guida completa agli interruttori automatici industriali

Un interruttore automatico industriale è un interruttore elettrico automatico progettato per proteggere i circuiti elettrici dai danni causati dai sovraccarichi e dai cortocircuiti.

Figure 1: Parts of circuit breaker (Source)

A differenza dei fusibili, gli interruttori automatici industriali possono essere resettati dopo l'attivazione. Questa esclusiva caratteristica li rende idonei per la verifica della sicurezza delle operazioni e la riduzione dei tempi di fermo in luoghi come fabbriche, data center e centrali elettriche.

L'obiettivo di questa guida tecnica è illustrare chiaramente le caratteristiche degli interruttori automatici industriali del settore, approfondendo tutte le fasi del funzionamento, le varie tipologie e i principali criteri di selezione.

Perché abbiamo bisogno di interruttori automatici?

Gli interruttori automatici industriali svolgono un ruolo cruciale nella protezione dei sistemi elettrici contro le sovracorrenti che, a loro volta, possono causare surriscaldamento, danni alle apparecchiature, incendi elettrici e lesioni. Questi dispositivi interrompono automaticamente l'alimentazione se la corrente supera i livelli di sicurezza, proteggendo i circuiti e garantendo la sicurezza operativa. Scegliere l'interruttore automatico giusto nella progettazione di un sistema previene lavori costosi e migliora la durata e le prestazioni dell'intero impianto.

Funzionamento degli interruttori automatici industriali

Gli interruttori automatici interrompono automaticamente la corrente in un circuito sovraccarico, saltando quando i relè di protezione presentano un guasto. Tutti i meccanismi di funzionamento degli interruttori automatici includono i cinque componenti comuni illustrati di seguito.

  • Telaio: questi telai stampati fungono da custodia esterna che protegge i componenti interni degli interruttori automatici dai materiali esterni.
  • Meccanismo operativo: assicura la protezione, aprendo o chiudendo l'interruttore in base alle esigenze.
  • Contatti: consentono alla corrente di scorrere attraverso gli interruttori automatici in condizioni normali. Possono essere suddivisi principalmente in tre tipi: contatti ad arco, ausiliari e principali.
  • Estintore ad arco: questo sistema è stato progettato per estinguere l'arco elettrico che si forma quando i contatti dell'interruttore si aprono per interrompere un guasto. Utilizza camere spegniarco per dissipare il calore in modo sicuro ed estinguere rapidamente l'arco, garantendo un'interruzione del circuito sicura e affidabile.
  • Unità di attivazione: attiva il meccanismo operativo in presenza di un guasto elettrico.
Figure 2: Molded Case Circuit Breaker from EATON (EATON CUTLER HAMMER EGH3060FFG) (Source)

Figura 1: parti dell'interruttore automatico (fonte)

Tipologie di interruttori automatici industriali

Gli interruttori automatici sono ampiamente utilizzati nei settori residenziale, commerciale, industriale, avionico, militare e in altre impostazioni elettriche. In questo articolo ci concentreremo sulle tipologie industriali. Possono essere di diversi tipi, a seconda dei meccanismi operativi, dei livelli di tensione e dello strumento di estinzione dell'arco.

  • Interruttori automatici scatolati (MCCB)
  • Interruttori automatici miniaturizzati (MCB)
  • Interruttori automatici idromagnetici
  • Interruttori automatici termici
  • Interruttori automatici elettronici
  • Interruttori automatici ad aria (ACB)

Interruttori automatici scatolati: gli MCCB sono dispositivi di sicurezza che proteggono i circuiti elettrici interrompendo automaticamente l'alimentazione in caso di sovraccarichi o cortocircuiti, prevenendo i danni al sistema. Sono in grado di rilevare la differenza tra sovraccarico e cortocircuito. Per proteggere i dispositivi elettrici da gravi danni, gli MCCB consentono il passaggio di una piccola quantità di sovracorrente per un breve periodo di tempo e, non appena il livello di corrente aumenta, un tiristore apre il circuito per evitare danni. Sono versatili per le applicazioni a bassa e alta tensione e offrono impostazioni di attivazione regolabili.

TipiApplicazioniCaratteristiche
Tipo B: scatta a 3-5 volte la corrente nominale (0,04-13 sec.)Ideale per carichi a bassa sovratensione e resistivi.Disponibili in versioni a uno, due, tre o quattro poli, con meccanismi di scatto regolabili per una maggiore sicurezza. Valore nominale per correnti comprese tra 10 e 200 A. Sono progettati per gestire esigenze di potenza elevate, il che li rende ideali per i circuiti a corrente elevata negli ambienti industriali.
Tipo C: scatta a 5-10 volte la corrente nominale (0,04-5 sec.)Utilizzato comunemente per i motori di piccole dimensioni e i trasformatori negli ambienti industriali.
Tipo D: gestisce 10-20 volte la corrente nominale (0,04-3 sec).Ideale per i motori di grandi dimensioni e i carichi induttivi pesanti.
Tipo K: scatta a 10-12 volte la corrente nominale (0,04-5 sec.)Adatto per i motori con carichi induttivi.
Tipo Z: il più sensibile, scatta a 2-3 volte la corrente nominale.Progettato per i dispositivi elettronici delicati come le apparecchiature mediche.
Figure 3: Miniature Circuit Breaker from ABB (Source), product- ABB S202-C20(Source)

Figura 2: interruttore automatico scatolato EATON (EATON CUTLER HAMMER EGH3060FFG) (fonte)

Interruttori automatici miniaturizzati (MCB): interruttori automatici che disattivano l'alimentazione quando rilevano una sovratensione. Gli MCB sono muniti di due meccanismi di attivazione: quello di intervento termico ritardato per la protezione dai sovraccarichi e quello di intervento magnetico per la protezione dai cortocircuiti. In base alle capacità di attivazione, sono disponibili vari tipi di MCB per svariate applicazioni industriali.

TipiApplicazioni
Tipo C e tipo D1. Quadri elettrici: gli MCB assicurano una distribuzione coerente dell'alimentazione e sono in grado di controllare le fluttuazioni. 2. Sistemi di illuminazione: questi dispositivi consentono di regolare la potenza per l'illuminazione e contribuiscono a migliorare la durata delle lampadine. Garantiscono la sicurezza residenziale se nelle varie aree della casa sono installate luci diverse. 3. Apparecchiature industriali: gli MCB gestiscono carichi pesanti (fino a 30 kA). Sono comunemente utilizzati nei supermercati, negli alberghi e nei centri commerciali, per proteggere le apparecchiature industriali di valore. 4. Protezione dai guasti di messa a terra: prevengono i sovraccarichi dovuti a guasti di messa a terra, riducendo automaticamente la potenza e riducendo il rischio di incidenti pericolosi.
Figure 4: SENSATA / AIRPAX IELK111-1REC5-62-100.-A-01-V (Source)

Figura 3: interruttore automatico miniaturizzato ABB (fonte), prodotto - ABB S202-C20(fonte)

Interruttori automatici idromagnetici: questi interruttori offrono una protezione efficace contro i sovraccarichi e i guasti, ricorrendo a un meccanismo a solenoide. Il meccanismo di un interruttore automatico idromagnetico include una bobina di rilevamento della corrente associata a una serie di contatti. Tutti questi contatti rimangono chiusi durante il normale funzionamento. In caso di sovraccarico (quando la corrente supera la capacità nominale), la bobina di serie genera un flusso magnetico, che sposta un nucleo all'interno di un tubo riempito di liquido, facendo scattare l'interruttore. Il nucleo, attratto dalla maggiore forza magnetica, rilascia il blocco e scollega il circuito. Questi interruttori offrono una protezione rapida e affidabile contro i picchi di corrente, senza fare affidamento su componenti sensibili alla temperatura.

CaratteristicheAree di applicazione
  • Progettato per gestire l'intera corrente nominale senza essere influenzati dalla temperatura ambiente.
  • Non è necessario regolarli in base alle variazioni di temperatura e si attivano quando la corrente raggiunge il 125% della quantità nominale, indipendentemente dalla temperatura.
  • Ampia gamma di protezione elettrica. da 0,02 a 1.200 ampere, con valore di attivazione della corrente da -40 °C a +80 °C.
  • Dopo l'attivazione, possono essere resettati immediatamente.
  • Disponibili con qualsiasi corrente nominale, anche quelle molto basse.
  • Sono disponibili con varie opzioni di ritardo e possono essere installati insieme senza problemi.
  • Ideali per ambienti marini, in cui l'umidità e le temperature estreme mettono a dura prova la protezione termica.
  • Perfetti per le alte variazioni di calore e temperatura esterna nei veicoli, senza compromettere le prestazioni.
  • Garantiscono un'alimentazione di riserva continua, evitando disconnessioni accidentali dovute alla generazione di calore.
Figure 5: Thermal Circuit Breaker ETA 3120-N521-H7T1-W01D-20A, On-Off, 3120-N Series, 20 A, 2 Pole, 50 V, 240 V, Snap In (Source)

Figura 4: SENSATA / AIRPAX IELK111-1REC5-62-100.-A-01-V (fonte)

Interruttori automatici termici: proteggono i circuiti utilizzando una striscia bimetallica che si piega quando si surriscalda, interrompendo il flusso di elettricità. Quando la corrente aumenta, la striscia si riscalda e attiva l'interruttore quando viene superato il limite impostato. Una volta raffreddata la striscia è possibile procedere con il reset manuale. Sebbene siano affidabili e vengano spesso utilizzati come interruttori di accensione/spegnimento principali, gli interruttori termici sono sensibili alla temperatura ambiente, causando fastidiose attivazioni in condizioni di caldo o ritardi dell'attivazione in condizioni di freddo. Vengono spesso montati nei cablaggi per uso automobilistico e in altri circuiti a bassa tensione. Un attuatore termico e un blocco meccanico lavorano insieme per distinguere tra brevi picchi di corrente elevata e lunghi periodi di sovraccarico. Ciò significa che il sistema è in grado di gestire un sovraccarico temporaneo senza alcun intervento. Tuttavia, se la corrente raggiunge valori eccessivi per troppo tempo, il relè si attiva per proteggere le apparecchiature da eventuali danni.

TipiCaratteristicheMeccanismo di resetApplicazioni
Reset automaticoProcede ciclicamente o si resetta costantemente fino a quando non viene risolto il guasto. Utilizzato nei circuiti con sovraccarichi momentanei, come il motorino del tergicristallo o i circuiti dei fari.AutomaticoMotorini dei tergicristalli, fari
Reset modificatoNon ciclico. Il circuito resta aperto dopo l'attivazione. Si resetta quando viene disattivata l'alimentazione. Utilizzato comunemente nelle applicazioni come i circuiti degli alzacristalli elettrici e del tettuccio apribile.Reset modificato (spegnimento)Alzacristalli elettrici, sedili, tettucci apribili
Reset manualeNon ciclico. Rimane aperto fino al reset manuale con un pulsante o una leva. Normalmente utilizzato nei casi in cui è necessaria una diagnosi sicura.ManualeCircuiti che richiedono la diagnosi manuale dei guasti
Reset manuale e pressione di un pulsante per l'attivazioneL'utente può premere manualmente un pulsante per aprire il circuito dopo il reset. Offre la funzionalità di attivazione manuale.Manuale con pulsante di attivazioneSistemi che richiedono l'opzione di attivazione manuale
Reset manuale con leva di attivazioneConsente all'utente di attivare o disattivare il circuito utilizzando una leva esterna. Funziona come un interruttore.Manuale con interruttore a levaFunzionalità simile a quella di un interruttore nei circuiti
Figure 6: Electronic Circuit Breaker (Source)

Figura 5: interruttore automatico termico ETA 3120-N521-H7T1-W01D-20A, ON-OFF, serie 3120-N, 20 A, 2 poli, 50 V, 240 V, Snap In (fonte)

Interruttori automatici elettronici: gli interruttori automatici elettronici utilizzano componenti specializzati per monitorare la corrente e la tensione in un circuito. Durante una condizione di sovracorrente, gli interruttori inviano istantaneamente un segnale a un gate su un dispositivo a stato solido (ad es. un tiristore), che apre rapidamente il circuito. Questi interruttori possono essere personalizzati in base alle diverse impostazioni. Interruttori automatici elettronici. Gli ECBS vengono spesso utilizzati nei sistemi complessi, offrendo un'elevata capacità di accensione e collaborando con un relè elettronico per una maggiore efficacia.

Caratteristiche principaliVantaggi principali
  • Valori di corrente regolabili e fissi fino a 20 A.
  •  
  • Protezione selettiva coordinata nei circuiti in serie.
  • Design compatto per un massimo di quattro carichi su un intervallo di 12,4 mm.
  • Gestiscono avvii ad alto carico con limitazioni della corrente attiva.
  • Con interblocco elettronico e collegamento a innesto (fino a 4 mm²).
  • Modulare e personalizzabile per una flessibilità futura.
  • Configurazione semplice senza utensili con stato operativo chiaro.
  • Proteggono e forniscono carichi di grandi dimensioni in modo efficiente, supportando fino a 20 A.
Figure 7: Air Circuit Breaker (Source)

Figura 6: interruttore automatico elettronico (fonte)

Interruttori automatici ad aria (ACB): componenti essenziali nei sistemi elettrici a bassa tensione. Sono stati progettati per proteggere i circuiti dalla sovracorrente e dai cortocircuiti. Utilizzando l'aria come mezzo di estinzione degli archi, gli ACB possono gestire correnti da 800 a 10.000 A nei sistemi al di sotto di 450 V. Funzionano con l'energia immagazzinata, utilizzando delle molle per aprire e chiudere rapidamente i contatti all'occorrenza. Gli ACB vengono ampiamente utilizzati per l'interruzione sicura dei circuiti nei pannelli di distribuzione, con le camere spegniarco metalliche che contribuiscono a raffreddare e dividere l'arco per una protezione efficace.

TipiVantaggiApplicazioni
ACB tipo Plain Break (ACB Cross-Blast)Design semplice, adatto per applicazioni a bassa tensione, raffreddamento con camera spegniarco.Adatto per le applicazioni a bassa tensione.
ACB tipo Magnetic BlowoutControllo magnetico per l'estinzione dell'arco, utilizzato fino a 11 KVUtilizzato fino a 11 kV, idoneo per i sistemi a media tensione
Interruttore automatico Air Chute Air BreakBassa resistenza dei contatti, contatti ad arco termoresistenti, lunga durata.Utilizzati per proteggere i contatti principali nei sistemi, idonei per le applicazioni a media tensione.
Interruttore automatico Air BlastFunzionamento ad alta velocità, rapida estinzione dell'arco, minori esigenze di manutenzione, nessun rischio di incendio.Per sistemi superiori a 245 KV, ideale per operazioni di disattivazione rapide in impianti di grandi dimensioni.

Figura 7: interruttore automatico ad aria (fonte)

Principali aspetti da considerare durante la scelta degli interruttori automatici industriali.

Gli obiettivi della sicurezza elettrica e dell'efficienza del sistema si raggiungono tenendo conto delle esigenze specifiche di ogni applicazione e solo una selezione accurata consente di proteggere i circuiti in modo ottimale. Ecco i principali aspetti da considerare.

  • Tensione nominale: durante la selezione di un interruttore automatico, è importante assicurarsi che la tensione nominale corrisponda ai requisiti del sistema. La tensione nominale si riferisce al livello massimo di tensione che l'interruttore è in grado di gestire in modo sicuro su tutte le estremità e le porte. Questo valore nominale è influenzato dal tipo di distribuzione del sistema e da come viene integrato l'interruttore. Se la capacità di tensione dell'interruttore automatico e i livelli di tensione del sistema non corrispondono, potrebbero sorgere dei rischi per la sicurezza. Ecco perché è essenziale scegliere un interruttore con una capacità di tensione adeguata per l'applicazione specifica.

    Gamma di tensioneTipo di interruttore automaticoAree di utilizzo
    Massimo 1 KVMCB e MCCBSettori industriali e commerciali in generale
    1 KV - 72 KVAria, vuoto ed esafluoruro di zolfo (SF6)Generazione e distribuzione di energia, fabbriche, edifici di uffici e data center.
    Oltre 72 KVInterruttori idromagnetici, Air Blast, idrauliciReti e circuiti di trasmissione di potenza
  • Corrente nominale continua: corrente massima che l'interruttore può gestire costantemente in modo sicuro alla temperatura ambiente calibrata (la temperatura ambiente di produzione standard è 104 °F). È essenziale scegliere un interruttore con una corrente nominale corrispondente al carico del sistema. L'amperaggio nominale dell'interruttore deve corrispondere al carico massimo del circuito. Se il valore nominale è troppo alto, l'interruttore potrebbe non scattare in caso di sovraccarico, con rischi di surriscaldamenti e danni alle attrezzature. Allo stesso modo, l'interruttore potrebbe attivarsi a causa di un valore nominale troppo basso, con conseguenti interruzioni indesiderate. Una protezione ottimale contribuisce alla creazione di un sistema affidabile.

  • Massima capacità di rottura: la capacità di rottura è un aspetto essenziale durante la scelta di un interruttore automatico, specialmente nei sistemi in cui le correnti di guasto elevate sono altamente possibili. Rappresenta la corrente di guasto massima che l'interruttore può interrompere in modo sicuro senza subire danni. Per motivi di sicurezza e affidabilità, la capacità di rottura dell'interruttore deve essere pari o superiore alla corrente di guasto potenziale nel punto di applicazione. Poiché le apparecchiature e i sistemi industriali di grandi dimensioni richiedono una maggiore protezione contro la corrente di guasto, la scelta di un interruttore con una capacità di rottura sufficiente garantisce che il sistema possa gestire le condizioni di guasto senza il rischio di incorrere in attivazioni ripetute o guasti alle apparecchiature. La seguente tabella mostra i valori nominali tipici per MCCB, ICCB e LVPCB con telaio da 800 e 1.600 A.

    Tipo di dispositivoMCCBICCBLVPCB
    IC bassoIC elevatoIC bassoIC elevatoCLIC basso (attivazione istantanea interna)IC alto (attivazione istantanea interna)CL (attivazione istantanea interna)IC basso (senza attivazione interna)IC alto (senza attivazione interna)
    Capacità di rottura (kA a 480 V)5010050150150301002003085
    Override istantaneo o corrente nominale massima a breve termine (kA)6-96-92525303085303085
    Ritardo breve18183030303030303030
  • Frequenza: nella scelta di un interruttore automatico, importante abbinare la frequenza nominale a quella dell'impianto elettrico, per evitare inefficienze o danni potenziali. Anche se gli interruttori automatici con valore nominale di 50-120 Hz sono in grado di gestire la maggior parte delle applicazioni, le frequenze più elevate (superiori a 120 Hz) richiedono un derating per tenere conto dell'aumento del riscaldamento provocato dalle correnti parassite e dalle perdite di ferro. Per valori nominali di amperaggio più elevati, in particolare superiori a 600 A, è essenziale eseguire una calibrazione corretta per garantire un funzionamento sicuro, in particolare nei progetti che utilizzano sistemi a 50 Hz o 60 Hz come i generatori diesel. È necessario verificare la compatibilità di frequenza dell'interruttore per garantire prestazioni e durata ottimali.

  • Numero di poli: il numero di poli all'interno di un interruttore automatico determina il numero di circuiti separati che è in grado di proteggere. Gli interruttori a polo singolo sono comuni negli ambienti residenziali, mentre le applicazioni industriali utilizzano in genere interruttori multipolari per sistemi trifase. Un interruttore a tre poli viene utilizzato per proteggere tutte e tre le fasi in tali sistemi, mentre un interruttore a quattro poli aggiunge un ulteriore livello di protezione, scollegando anche il filo neutro, aspetto essenziali nei sistemi con carichi sbilanciati o correnti armoniche. La scelta del numero corretto di poli garantisce una protezione adeguata in base alla complessità e alle esigenze dell'impianto elettrico. Ad esempio, se disponi di un interruttore a tre poli da 600 A e un polo ha 800 A, mentre gli altri due non hanno carico, l'interruttore scatta perché un polo ha superato il proprio limite.

    Se, invece, tutti e tre i poli hanno 500 A ciascuno, l'interruttore resta acceso anche se il totale è 1500 A. Ciò è dovuto al fatto che nessuno dei singoli poli ha superato la propria potenza nominale di 600 A.

  • Condizioni operative specifiche: per garantire prestazioni affidabili, è necessario considerare determinate condizioni operative e la resistenza ambientale. Le funzionalità dell'interruttore possono essere influenzate da temperature elevate, corrosione, urti, altitudine e polvere. Ad esempio, un interruttore comune può funzionare fino a 122 °F, mentre potrebbero essere necessarie una riduzione di potenza o una ricalibrazione in caso di temperature più alte. Negli ambienti umidi o corrosivi, è necessario disporre di interruttori sottoposti a trattamento anti-umidità o resistenti agli agenti chimici per evitare danni. Gli interruttori utilizzati nelle aree ad alto impatto come le applicazioni marine devono disporre di dispositivi antiurto, mentre quelli utilizzati al di sopra di 1.800 metri richiedono un derating a causa della minore dissipazione di calore dell'aria. Considerando tutti questi aspetti, potrai scegliere un interruttore in grado di resistere a condizioni estreme e garantire la sicurezza e l'efficienza.

  • Conformità e standard: per scegliere gli interruttori automatici giusti, è fondamentale assicurarsi che siano conformi agli standard e alle normative del settore come IEC, ANSI o UL. Il rispetto di questi standard garantisce la qualità e l'efficacia degli interruttori automatici selezionati. Nella tabella 2 vengono illustrati alcuni dei principali standard in tale ambito.

    StandardCopertura
    UL 489Interruttori automatici scatolati, interruttori scatolati e contenitori per interruttori automatici
    UL 1077Protezioni supplementari per l'uso nelle apparecchiature elettriche
    UL 60950-1Dispositivi informatici: requisiti generali
    NFPA 70Codice elettrico nazionale (USA)
    CSA22.2Codice elettrico nazionale (Canada)
    BS7671Codice elettrico nazionale (Regno Unito)
    IEC 60364Installazioni elettriche per edifici (UE)
    IEC 60947-2Interruttori automatici per applicazioni industriali
    IEC 60898-1Interruttori automatici a bassa tensione AC
    IEC 60934Interruttori automatici per applicazioni domestiche, inclusi gli elettrodomestici
    SAE J553Condizioni di test, procedure e requisiti in termini di prestazioni per gli interruttori automatici nelle applicazioni di trasporto

    Tabella 2: alcuni standard normativi relativi agli interruttori automatici (fonte)

Conclusione

Gli interruttori automatici offrono soluzioni precise, affidabili ed economiche per la maggior parte delle sfide di progettazione. Si tratta di dispositivi in alla temperatura e dotati di un meccanismo di rilevamento della sovracorrente che reagisce solo alle variazioni di corrente nel circuito protetto. Sono disponibili con diverse opzioni di configurazione, in molti casi con funzionalità avanzate e design all'avanguardia per adattarsi ai requisiti delle applicazioni più richieste. Nelle vesti di distributore globale, Farnell offre un'ampia gamma di interruttori automatici, in grado di soddisfare svariati requisiti e garantire prestazioni elevate in numerosi settori.

Applicazioni

Internet of Things

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Artificial Intelligence

Intelligenza artificiale

Industrial Automation & Control

Automazione e controllo industriale

Healthcare

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Maintenance & Safety

Manutenzione e sicurezza

Alternative Energy

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