Angelo Baggini, Università degli Studi di Bergamo
Franco Bua, Segretario Tecnico CEI

Questo articolo affronta il tema della protezione contro i contatti indiretti mediante interruzione automatica dell’alimentazione in presenza di un convertitore di potenza.

Nella prima parte dell’articolo vengono richiamati alcuni principi di base, definito il perimetro del problema e analizzate le principali casistiche di guasto verso terra.

Nella seconda parte vengono analizzate le prescrizioni sia della Norma CEI 64-8 che di altre norme tecniche applicabili evidenziando aspetti critici nella protezione contro i contatti indiretti per interruzione automatica introdotti dalla presenza di convertitori di potenza.

L’articolo prende spunto dal rapporto tecnico CEI TR 301-17 “Protezione contro i contatti indiretti in presenza di convertitori di potenza: analisi delle prescrizioni nelle norme di impianto e di prodotto” pubblicato nel 2017.

Richiami sui convertitori di potenza

Un convertitore di potenza è un’unità operativa per la conversione elettronica di potenza, in grado di modificare una o più caratteristiche dell’energia elettrica in ingresso. Esso comprende uno o più componenti elettronici di commutazione (valvole) con i componenti ad essi associati (Nota 1). Esempi di convertitori di potenza sono variatori di velocità, UPS, e così via.

Per gli scopi che si prefigge questo articolo un convertitore di potenza può essere efficacemente considerato composto da un punto di vista funzionale di 3 parti (Nota 2) principali (Figura 1):

• raddrizzatore in ingresso;
• bus DC;
• inverter d’uscita.

Il raddrizzatore opera la conversione AC/DC, dalla tensione di rete alternata alla frequenza di rete al bus interno al convertitore, in tensione continua. I componenti maggiormente utilizzati in ambito industriale sono diodi, tiristori e IGBT. Tra le varie tipologie di raddrizzatori (diodi, tiristori, IGBT), consideriamo il caso più generico di ponte raddrizzatore non controllato, i cui semiconduttori sono diodi.

Il bus DC è il circuito interno al convertitore, completato tipicamente con condensatori elettrolitici e filtri; la tensione in ingresso al bus DC è raddrizzata, quella in uscita è una tensione continua livellata.

L’inverter opera la conversione DC/AC alla frequenza richiesta dal carico. La tecnica di ricostruzione della tensione di uscita più utilizzata è chiamata Pulse Width Modulation (PWM). I componenti maggiormente utilizzati in ambito industriale sono IGBT, associati a diodi di ricircolo (diodi di free-wheeling).

La forma d’onda della tensione di uscita dal raddrizzatore dipende dalla tipo di raddrizzatore. I due casi fondamentali sono riportati in (Figura 2).

(a)

(b)

La tensione livellata entra nell’ultimo stadio del convertitore in cui avviene una nuova conversione da tensione continua ad alternata con il numero delle fasi e la frequenza richieste dal carico.

La legge di comando più comunemente utilizzata è il PWM (Pulse Width Modulation), che senza entrare in dettagli, prevede continue commutazioni di durata variabile a una frequenza molto più elevata della fondamentale che producono una tensione e una corrente come quelle rappresentate in Figura 3.

La legge di comando, unita al comportamento induttivo del carico (per esempio un motore), fa sì che la corrente:

• assuma un andamento quasi sinusoidale;
• presenti uno sfasamento rispetto alla componente fondamentale della tensione di alimentazione.

L’andamento frastagliato della corrente è un tipico effetto della frequenza di commutazione: con l’aumentare della frequenza di commutazione
la corrente tende sempre più ad una sinusoide ideale, ma le perdite del convertitore aumentano in virtù del maggior numero di commutazioni.

Il valore tipico di frequenza di commutazione è:

• 1.5 – 8 kHz per convertitori industriali;
• 8 – 16 kHz per convertitori per impieghi residenziali o commerciali (Nota 3).

Richiami sugli scenari di guasto

Per la disamina della protezione contro i contatti indiretti in presenza di convertitori di potenza, devono essere considerati fondamentalmente tre scenari di guasto a terra principali, caratterizzati da cause, ampiezze e forme d’onda della corrente di guasto verso terra diverse:

1. guasto a monte del convertitore di potenza, a partire dai morsetti di ingresso fino all’origine del circuito
2. guasto interno al convertitore di potenza
3. guasto a valle del convertitore di potenza a partire dai morsetti di uscita fino al carico compreso.

L’aspetto di maggior interesse in questa sede è rappresentato dalla forma d’onda della corrente di guasto.

Il primo caso è stato citato per completezza ma non presenta alcuna particolarità, pertanto non verrà ulteriormente affrontato (Nota 4).

Il secondo caso, nell’ipotesi di ponte monofase e guasto franco, è caratterizzato da una corrente di guasto verso terra rappresentata in Figura 4:

• la tensione ai capi di metà del ponte è nulla (valvole corrispondenti in blocco);
• la tensione sul bus DC del convertitore presenta una sola oscillazione per ogni periodo elettrico;
• nei semiperiodi di conduzione la corrente ha un andamento quasi sinusoidale;
• nei semiperiodi corrispondenti alla coppia di valvole in blocco la corrente è idealmente nulla (Nota 5).

Ancora con riferimento al secondo caso, la forma della corrente di guasto a terra nel medesimo scenario ma con raddrizzatore trifase è rappresentata in Figura 5 a proposito della quale possono essere svolte considerazioni analoghe a quelle già riportate per il raddrizzatore monofase.

Nel terzo caso la corrente di guasto è generata da una tensione modulata con legge PWM a partire dalla tensione raddrizzata dal ponte raddrizzatore: la legge di controllo PWM tende a produrre una corrente sinusoidale verso il carico.

In assenza di guasto valgono le considerazioni già esposte nei richiami sui convertitori (forma d’onda sinusoidale sfasata rispetto alla tensione), mentre su guasto a terra con raddrizzatore monofase la corrente (di guasto) rappresentata in Figura 6 risulta:

• essere in fase con la tensione
• avere un inviluppo sinusoidale ma con discontinuità all’interno dovute alle commutazioni (Nota 6)
• avere componenti alle frequenze di:
  • rete dovuta alla tensione di rete raddrizzata
  • commutazione del convertitore di potenza (Nota 7)
  • alimentazione della tensione di uscita impostata dal controllo del convertitore (Nota 8).

Nel medesimo scenario di guasto anche con raddrizzatore trifase valgono tutte le altre considerazioni svolte per il monofase, ma la corrente di guasto tende a seguire senza sfasamento la tensione raddrizzata che ovviamente ha una forma d’onda differente (Figura 7)

Prescrizioni normative per la protezione contro i contatti indiretti

Per l’individuazione della norma tecnica di riferimento nel caso in esame, deve essere per prima cosa considerato il contesto di installazione del convertitore. In caso di installazione all’interno di un impianto elettrico utilizzatore la principale norma applicabile in tema di protezione contro i contatti indiretti è la Norma CEI 64-8 attualmente nell’edizione 2012-06.

Se il convertitore, viceversa, è installato a bordo di una macchina, la principale norma applicabile nello stesso tema è la Norma EN 60204-1 del 2006 (Nota 9).

In Tabella 1 sono stati riportati i principali riferimenti normativi e relativi aggiornamenti intervenuti dopo la pubblicazione CEI TR 301-17 nei due casi sopra citati.

Norma CEI 64-8

La Norma di impianto CEI 64-8 tratta la protezione contro i contatti indiretti nella parte 4 e ammette le seguenti alternative:

• interruzione automatica dell’alimentazione (art. 413.1);
• componenti elettrici di Classe II o con isolamento equivalente (art. 413.2);
• luoghi non conduttori (art. 413.3);
• collegamento equipotenziale locale non connesso a terra (art. 413.4);
• separazione elettrica (artt. 413.5 e 413.6).

La presenza di un convertitore elettronico di potenza non richiede accortezze particolari in nessuno di tali modi di protezione, ad eccezione dell’interruzione automatica dell’alimentazione.

Un dispositivo di protezione deve interrompere automaticamente l’alimentazione al circuito od al componente elettrico, che lo stesso dispositivo protegge contro i contatti indiretti, in modo che, in caso di guasto, nel circuito o nel componente elettrico, tra una parte attiva ed una massa o un conduttore di protezione, non possa persistere, per una durata sufficiente a causare un rischio di effetti fisiologici dannosi in una persona in contatto con parti simultaneamente accessibili, una tensione di contatto presunta superiore alla tensione di contatto limite convenzionale.

Tutti i sistemi di collegamento a terra del neutro e delle masse ammettono, oltre alle modalità descritte in quanto segue (Nota 10), qualora non fosse possibile rispettare dette modalità anche la realizzazione di un collegamento equipotenziale locale connesso a terra.

Sistemi TT

Ai sensi della Norma CEI 64-8 , nei sistemi TT la protezione contro i contatti indiretti per interruzione automatica dell’alimentazione richiede, nel caso generale, oltre al collegamento allo stesso impianto di terra di tutte le masse da proteggere, il soddisfacimento della nota disequazione che lega la resistenza di terra e del PE (Nota 11), la corrente differenziale nominale (Nota 12) e la tensione di contatto limite UL, oltre alla scelta di un differenziale di un tipo sensibile alla forma d’onda che caratterizza la corrente di guasto.

L’analisi di tale prescrizione, congiuntamente alle forme d’onda delle correnti di guasto nei vari scenari esaminati al paragrafo precedente, permette quindi di concludere che convenzionalmente nel caso in esame deve essere posta particolare attenzione alla scelta del tipo di differenziale (Tabella 2).

Sistemi TN

Ai sensi della Norma CEI 64-8, nei sistemi TN la protezione contro i contatti indiretti per interruzione automatica dell’alimentazione richiede, nel caso generale, oltre al collegamento allo stesso impianto di terra di tutte le masse da proteggere il soddisfacimento della nota disequazione che lega l’impedenza dell’anello di guasto, la corrente che provoca interruzione automatica entro il tempo T specificato dalla Norma (Nota 13) in funzione della tensione nominale verso terra.

La Norma precisa che, quando l’interruzione automatica è affidata a dispositivi di protezione a corrente differenziale, i tempi di interruzione T si riferiscono a correnti di guasto differenziali presunte significativamente più elevate della corrente differenziale nominale dell’interruttore differenziale (Nota 14).

L’analisi di tale prescrizione, congiuntamente alle forme d’onda delle correnti di guasto nei vari scenari esaminati al paragrafo precedente e ai circuiti di guasto, permette quindi di concludere che convenzionalmente nel caso in esame, se viene adottata una protezione:

• differenziale, considerati anche i tempi di intervento massimi prescritti dalle corrispondenti norme di prodotto, non è necessario verificare detta disequazione (Nota 15) poiché l’apertura del circuito è sempre garantita entro i limiti ammessi dalla norma;
• per sovracorrente, è necessario verificare detta disequazione e quindi si pone il problema di conoscere il valore dell’impedenza dell’anello di guasto.

Con riferimento a quest’ultimo caso, detto che l’impedenza è un concetto valido solo in regime periodico sinusoidale mono-frequenziale (Nota 16); da un punto di vista formale vale la pena di osservare che:

• la Norma CEI 64-8, se non specifica diversamente, riferisce sempre le prescrizioni al regime CC o AC sinusoidale nei limiti di frequenza specificati, pertanto la valutazione dell’impedenza dell’anello di guasto deve essere convenzionalmente riferita a tale condizione anche in un circuito nella realtà percorso da correnti deformate;
• il problema rimane nella stima preliminare e nella misura (Nota 17) dell’impedenza, in condizioni PAS, di un circuito che comprende un convertitore che non può essere certo condotta con un metodo tradizionale.

Sistemi IT

Ai sensi della Norma CEI 64-8, nei sistemi IT la protezione contro i contatti indiretti per interruzione automatica dell’alimentazione richiede, nel caso generale, oltre al collegamento a terra di tutte le masse da proteggere, richiede in occasione:

• del primo guasto a terra:
  • un dispositivo di controllo dell’isolamento per segnalare l’avvenuto guasto;
  • la possibilità di non interrompere automaticamente l’alimentazione se RE Id ≤ UL;
• del secondo guasto a terra l’interruzione automatica dell’alimentazione con dispositivi di sovracorrente o differenziali prescrizioni analoghe a quelle del sistema:
  • TN, se le masse sono collegate a terra collettivamente;
  • TT, se le masse sono collegate a terra individualmente o per gruppi.

L’analisi di tale prescrizione permette quindi di ricondurre la protezione contro i contatti indiretti per interruzione automatica nei sistemi IT ai sensi della Norma CEI 64-8 in presenza di convertitori a quanto già discusso ai punti precedenti.

Norme IEC 60364-4-41 e HD 60364-4-41

Oltre alle possibilità previste dalla Norma CEI 64-8, le norme di impianto IEC 60364-4-41 (Nota 18) dal 2005  e HD 60364-4-4118 dal 2007 introducono un’ulteriore opzione: affidare allo stesso convertitore (Nota 19) la funzione di ridurre la tensione in uscita ai valori fissati dalla norma, entro tempi stabiliti in occasione di un guasto.

Nel 2007 a livello IEC la previsione completata precisando che le citate eventuali prestazioni del convertitore devono essere definite e provate in accordo ad una opportuna norma di prodotto.

Norma EN 60204-1

La Norma EN 60204-1:2006-09 (Nota 20) di riferimento in tema di equipaggiamento elettrico delle macchine in argomento rimanda alla Norma IEC 60364-4-41:2005, ma non prevede la possibilità in occasione di un guasto di ridurre la tensione in uscita ai valori fissati dalla norma entro i tempi stabiliti (Nota 21).

Norme di prodotto

Al momento solo la Norma di prodotto IEC 61800-5-1 (Nota 22) AMD1:2016 codifica funzionalità e metodi di verifica della capacità di un azionamento (PDS) di ridurre la tensione in uscita ai valori fissati entro i tempi stabiliti in occasione di un guasto (Nota 23).

Conclusioni

Tutti i problemi tecnici e, tra questi, quello in esame ammettono almeno una prospettiva fisica (elettrotecnica) ed una prospettiva formale (Nota 24).

L’attuale impianto normativo in tema di protezione contro in contatti indiretti è coerente.

La Norma CEI 64-8 vale in DC e AC in combinazione con le norme di prodotto e le leggi dell’elettrotecnica. Se non diversamente specificato formalmente le prescrizioni della Norma CEI 64-8, definite con riferimento a AC sinusoidale 50 Hz, devono però essere ritenute estese al campo di applicazione della norma stessa.

In questo contesto dal punto di vista operativo nell’ambito delle norme tecniche:

• se la protezione è affidata ad un interruttore differenziale non ci sono problemi particolari ma deve essere posta attenzione alla scelta del tipo;

• se la protezione è affidata ad un dispositivo di sovra-corrente, è necessario conoscere esattamente le caratteristiche del convertitore in termini di parametri equivalenti.

In prospettiva, a livello normativo (Nota 25) potrebbe essere utile sviluppare norme di prodotto sempre più coordinate con le norme di impianto con requisiti e prove oltre che specifiche di dichiarazione dei dati da utilizzarsi nella definizione delle caratteristiche della protezione contro i contatti indiretti per interruzione (Nota 26) automatica dell’alimentazione.

Nota 1: Tratto da CEI 301-1, 2.1.7

Nota 2: Non necessariamente tutte presenti in tutti i tipi di convertitore, talvolta completate da altre parti.si nell’ambito del TC 120

Nota 3: Per esempio per ridurre la rumorosità del motore che dipende anche dalla frequenza di commutazione.

Nota 4: Un guasto verso terra a monte del convertitore è analogo ad un qualsiasi altro guasto nella rete.

Nota 5: Nell’ipotesi di guasto a terra non franco l’andamento della corrente sarebbe leggermente diverso in quanto anche le valvole del ramo cortocircuitato dal guasto si troverebbero nello stato di conduzione (seppur per un tempo inferiore rispetto all’altra coppia.

Nota 6: Queste discontinuità non sono presenti durante il funzionamento in assenza di guasto in quanto il carico induttivo del motore di oppone a variazioni repentine della corrente.

Nota 7: Predominanti nel funzionamento a basse frequenze, ovvero per esempio nel caso dei motori a basse velocità.

Nota 8: Predominanti con l’aumentare della velocità – per un motore con frequenza nominale 50 Hz – le due componenti si equivalgono intorno a 30 Hz.

Nota 9: Valida fino al 2021 quando verrà sostituita definitivamente dall’edizione 2016.

Nota 10: Ragioni di spazio impongono di trattare in questa sede solo il caso generale, tuttavia vale la pena di ricordare che casi particolari, come ad esempio gli impianti di carica dei veicoli elettrici, trattati tipicamente nella parte 7 della Norma CEI 64-8 introducono delle varianti a quanto di seguito esposto.

Nota 11: La resistenza di terra e del PE, anche se non esplicitamente, sono riferite a livello normati vo alla forma d’onda sinusoidale alla frequenza nominale.

Nota 12: Vale la pena precisare che la corrente differenziale nominale convenzionalmente è definita per tutti i tipi di differenziale con riferimento alla forma d’onda sinusoidale alla frequenza nominale.

Nota 13: Il tempo T è pari a 5 s per tutti i circuiti tranne quelli terminali protetti con dispositivi di sovracorrente con In < 32 A per i quali è indicato nella Tab. 41 A della Norma.

Nota 14: Tipicamente 5 Idn.

Nota 15: Ovvero preoccuparsi del significato e del valore dell’impedenza dell’anello di guasto Idn.

Nota 16: Ovvero in un circuito a regime nel quale tutti i generatori sono PAS e tutti i componenti lineari.

Nota 17: Una buona norma dovrebbe sempre stabilire una prescrizione e una misura o prova per verificarla.

Nota 18: Le due norme differiscono nella previsione dei tempi entro i quali deve avvenire la riduzione della tensione di alimentazione.

Nota 19: I convertitori sono in generale in grado sia di rilevare un guasto a terra e variare la tensione in uscita.

Nota 20: In vigore fino al 2021.

Nota 21: Previsione invece introdotta dalle successive edizioni sia a livello IEC 60204-1:2016 che EN 60204- 1:2018.

Nota 22: La Norma IEC 61800-5-1 Ed.2:2007 prevedeva solo un collegamento equipotenziale.

Nota 23: La Norma IEC 61800-5-1 prevede che il costruttore dell’azionamento specifichi caratteristiche della protezione esterna e vincoli (ad esempio lunghezze e sezioni dei cavi del circuito) che devono essere soddisfatti per garantire quanto richiesto in tema di protezione contro in contatti indiretti per interruzione automatica in un sistema TN dalla Norma IEC 60364-4-41:2005.

Nota 24: Come è importante che le norme tecniche siano fondate su leggi fisiche è altrettanto importante che da queste leggi esse trascendano per individuare delle prescrizioni convenzionali (meglio se semplici). Le norme non sono scienza sono regole stabilite convenzionalmente. Se le norme fossero scienza allora non ce ne sarebbe bisogno poiché la scienza già esiste.

Nota 25: Anche considerando che i convertitori elettronici saranno sempre più diffusi in ogni applicazione.

Nota 26: Forse in prospettiva dovremmo dire “riduzione”.