Sélectionner des alimentations appropriées pour les cobots et les AGV dans le secteur de la fabrication

La fabrication automatisée s'appuie de plus en plus sur les robots collaboratifs (cobots) et les véhicules à guidage automatique (AGV) pour améliorer le rendement de production et réduire la variabilité des produits. Les cobots sont utilisés à proximité des travailleurs humains et sont généralement plus légers et plus petits que les robots industriels traditionnels. Ils manipulent également des charges utiles plus légères, se déplacent à des vitesses inférieures et appliquent des forces plus faibles. Les AGV, quant à eux, se déplacent au sein d'une installation, transportant des matériaux et des colis. Ces deux types font face à des défis énergétiques distincts.

Les cobots sont typiquement alimentés par une source CA/CC qui doit répondre à leurs exigences énergétiques dynamiques. Ces exigences varient en fonction du poids de la charge, de la vitesse et de la complexité de mouvement. Les AGV sont alimentés par batterie et requièrent une recharge rapide pour minimiser les temps d'arrêt. Cela nécessite des bornes de recharge suffisamment puissantes pour une recharge rapide.

Les deux applications ont besoin d'alimentations fiables, efficaces et dotées des certifications appropriées.

Cet article examine les défis énergétiques uniques auxquels sont confrontés les concepteurs de cobots et d'AGV dans le contexte de l'automatisation de la fabrication industrielle. Il présente ensuite des solutions d'Advanced Energy, avec l'accent sur les fonctionnalités qui aident les concepteurs à répondre à ces exigences.

Exigences d'alimentation pour les cobots et les AGV

Les principales exigences pour les alimentations des cobots et des AGV incluent la compacité, la fiabilité, une puissance de sortie élevée et une protection robuste contre les courts-circuits, les surcharges, les surtensions et les surchauffes. Les alimentations doivent également satisfaire aux exigences de compatibilité électromagnétique (CEM) afin de minimiser les interférences avec d'autres dispositifs et respecter les réglementations de base en matière de sécurité électrique et physique pour les utilisateurs et les équipements environnants.

La source d'alimentation des cobots doit pouvoir gérer des demandes de puissance très variables, car ces exigences varient en fonction de la charge que le cobot doit déplacer, de la complexité de mouvement et de la vitesse de changement requise. En outre, le cobot peut être amené à actionner plusieurs moteurs en même temps, ce qui requiert des alimentations dotées d'une capacité de puissance maximum élevée. En raison de l'espace limité à l'intérieur du cobot, la source d'alimentation doit être aussi petite que possible, impliquant une haute densité de puissance. Les environnements d'automatisation industrielle et d'usine fonctionnent 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, ce qui exige une fiabilité élevée et un temps moyen entre pannes (MTBF) long. De plus, la forte variabilité de la charge électrique requiert que la dynamique de boucle de commande de l'alimentation reste stable, quelles que soient les variations de charge et les conditions environnementales souvent difficiles.

Les AGV transportent des matériaux et des marchandises de manière autonome, sans supervision humaine. Équipés de capteurs et de systèmes de vision, les AGV réduisent les erreurs humaines et améliorent le rendement et la sécurité, réduisant ainsi le risque d'accidents sur le lieu de travail. Fonctionnant généralement sur batterie, les AGV requièrent des bornes de recharge rapides discrètes afin de minimiser les perturbations et les temps d'arrêt.

À l'heure où l'innovation et la rapidité de mise sur le marché sont essentielles au succès, les concepteurs de cobots et d'AGV n'ont souvent pas les ressources nécessaires pour concevoir et développer de manière rentable une alimentation adaptée. Ils ont besoin d'accéder à un large éventail de solutions d'alimentation fiables, soutenues par une expertise technique, leur permettant de se concentrer sur la différenciation des applications plutôt que sur le développement de l'alimentation.

Alimentations série LCM1500 d'Advanced Energy

Les concepteurs de cobots et d'AGV peuvent se tourner vers les alimentations CA/CC série LCM1500 d'Advanced Energy (Figure 1) pour répondre aux exigences de performances, de fiabilité, de rendement et de sécurité de l'automatisation de la fabrication. La conception de circuits de pointe des dispositifs LCM1500, incluant un contrôle de rétroaction numérique, associée à des composants sélectionnés avec soin et à des processus de production automatisés, permet d'obtenir des alimentations hautes performances rentables. Cette vaste gamme de sources d'alimentation offre également une variété d'options et de capacités de personnalisation.

Figure 1 : Exemples de configurations pour l'alimentation LCM1500 montrant les connexions de sortie à bloc de jonction (à gauche) et à lame (à droite). (Source de l'image : Advanced Energy)

Le LCM1500 est disponible avec des tensions de sortie standard de 12 V, 15 V, 24 V, 28 V, 36 V et 48 V pour une variété d'applications d'automatisation de fabrication. Par exemple, les cobots utilisent souvent des alimentations de 48 V pour fournir un bus d'alimentation CC commun, qui est distribué aux moteurs individuels au niveau de chaque articulation mobile. Les tensions de sortie des alimentations LCM1500 sont ajustables sur une plage de ±10 % et présentent une tolérance de point de consigne de 0,5 %. L'alimentation LCM1500 est fournie en boîtier fermé de 63,5 mm × 132 mm × 254 mm destiné au montage sur châssis. La puissance nominale de sortie de 1500 W offre une densité de puissance de sortie de 12 W par pouce cube.

De telles densités de puissance requièrent un refroidissement à air forcé. Dans ces alimentations, le refroidissement est fourni par deux « ventilateurs intelligents » montés sur le panneau arrière de l'alimentation. La vitesse du ventilateur est contrôlée par un logiciel qui l'ajuste en fonction des besoins de refroidissement. Le panneau avant est perforé pour permettre la circulation de l'air de refroidissement, tandis que les autres parois du boîtier sont pleines. Grâce à leur hauteur de 63,5 mm, ces alimentations conviennent parfaitement à une installation dans des boîtiers de racks 2U.

Les unités avec des tensions de sortie plus élevées sont dotées d'un bloc de jonction à usage intensif pour le raccordement de la sortie. Les unités de 12 V et 15 V, qui ont des courants de sortie de 100 A ou plus, sont équipées de contacts à lame.

Les alimentations série LCM1500 sont répertoriées pour un fonctionnement sur une plage de températures de -40°C à +70°C, la puissance de sortie étant réduite linéairement au-dessus de 50°C et limitée à 50 % de la pleine puissance à +70°C (Figure 2).

Figure 2 : Courbe de détarage de température pour les alimentations série LCM1500. (Source de l'image : Advanced Energy)

Les alimentations de cette série ont un temps MTBF calculé supérieur à 300 000 heures, basé sur la spécification Bellcore 332, édition 6 (température ambiante de +25°C et +40°C, à pleine charge). En conditions normales d'utilisation, la gamme de produits présente un temps MTBF supérieur à 500 000 heures, d'après les données de performances.

Ces alimentations fonctionnent sur une plage de tensions d'entrée de 90 V_CA à 264 V_CA avec des fréquences de 47 Hz à 440 Hz. Leur facteur de puissance d'entrée est généralement de 0,99 et leur courant d'appel d'entrée est limité à 25 A.

La régulation de tension totale, y compris ligne, charge, variations de température et phase de préchauffage, est de 2 % en raison du contrôle de rétroaction numérique. Ces alimentations peuvent partager le courant de sortie, permettant ainsi de connecter jusqu'à 10 alimentations en parallèle pour augmenter la puissance de sortie.

Fonctions de protection à prendre en compte

Les alimentations série LCM1500 sont dotées de multiples fonctions de protection. Celles-ci sont nécessaires pour les applications telles que les cobots, où un moteur bloqué peut consommer un courant excessif. Les principales fonctions sont les suivantes :

• La protection contre les surtensions (OVP) coupe l'alimentation en cas de surtension de sortie. Elle protège les batteries des AGV contre la surcharge en cas de panne de courant et est désactivée par un cycle de l'entrée CA.
• La protection contre les surintensités (OCP) est un circuit interne destiné à limiter le courant en cas de surcharge ou de court-circuit. La protection OCP tente automatiquement un rétablissement environ 20 secondes après la suppression de la surcharge.
• La protection contre les courts-circuits (SCP) protège toutes les sorties en cas de court-circuit à la terre ou à une autre sortie. Comme pour la protection contre les surintensités, la sortie est rétablie 20 secondes après la suppression du court-circuit.
• La protection contre la surchauffe (OTP) coupe l'alimentation lorsque la température ambiante dépasse +55°C à pleine charge. La protection OTP se désactive automatiquement lorsque la température redescend à un niveau sûr.
• Les alimentations sont protégées par un fusible de 30 A sur les lignes d'entrée CA. Le fusible est interne et ne peut pas être remplacé par l'utilisateur.

Deux LED d'état sur le panneau avant indiquent la présence d'une alimentation CA (ACOK) et signalent l'état de la sortie CC comme étant soit opérationnelle (DCOK), soit en mode d'arrêt (FAIL) (Figure 3).

Figure 3 : Vue du panneau avant de l'alimentation LCM1500 montrant l'emplacement des LED d'état et des connexions principales. (Source de l'image : Advanced Energy, modifiée par Art Pini)

Lorsque l'alimentation fonctionne normalement, ces LED sont allumées et de couleur verte. En cas de défaillance, elles sont éteintes. Les principaux connecteurs d'entrée, de sortie et de commande du panneau avant sont également illustrés.

Gestion de l'alimentation simplifiée avec PMBus

PMBus est un protocole de communication standard basé sur I²C pour la gestion des alimentations. PMBus fonctionne avec tous les types de produits de gestion de l'alimentation, y compris les alimentations CA/CC. La série LCM1500 fournit un port d'interface I²C accessible via le connecteur de signal. Cela permet la surveillance et le contrôle de l'alimentation via des commandes PMBus, notamment la mise sous tension ou hors tension, la surveillance de l'état, le réglage du niveau de tension de sortie, et plus. La fonction de commande à distance est utile pour permettre le contrôle interactif des équipements robotiques, par exemple pour mettre l'alimentation en mode veille afin de réduire la consommation d'énergie lorsque le cobot est inactif.

Certifications aux normes

La série LCM1500 répond aux exigences de sécurité électrique et de compatibilité électromagnétique ainsi qu'aux réglementations internationales pour les applications d'automatisation industrielle, y compris les certifications selon CEI/EN/UL 62368-1 et les normes connexes (Figure 4).

Figure 4 : Résumé des certifications et homologations de sécurité, CEM, industrielles, médicales et réglementaires internationales de la série LCM1500. (Source de l'image : Advanced Energy Industries)

La conception de la série LCM1500 garantit également la conformité aux normes FCC Partie 15, CISPR 32, EN55022 et aux sections pertinentes de la norme EN61000 (CEI 61000) en matière d'immunité. Ces exigences garantissent la compatibilité électromagnétique dans l'environnement d'usine, où plusieurs sources et récepteurs RF doivent coexister.

Options et configurations pour les alimentations LCM1500

Les alimentations LCM1500 sont disponibles dans une variété de configurations pour aider les concepteurs à répondre aux exigences des applications.

Le LCM1500Q-T-4 offre une puissance de 1500 W, une tension de sortie nominale de 24 V et un courant de sortie maximum de 67 A. Il dispose également d'un bus d'alimentation de veille intégré de 5 V en option, capable de fournir jusqu'à 2 A pour les circuits auxiliaires. L'alimentation de veille est disponible via le connecteur de commande à 20 broches.

Le LCM1500W-T-B est une alimentation frontale de 1500 W avec une sortie simple de 48 V et un courant de sortie maximum de 33 A. Il inclut deux options : inversion de débit d'air et courant constant. L'inversion de débit d'air inverse le flux d'air arrière-avant standard ; l'air est aspiré par le panneau avant et évacué par les ventilateurs montés à l'arrière. Le courant constant maintient le courant de sortie à un niveau fixe en faisant varier la tension.

Le LCM1500Q-T-5 est une alimentation de 1500 W, 24 V avec un courant maximum de 67 A. Il inclut l'option d'alimentation de veille de 5 V et dispose d'un revêtement conforme sur tous les circuits imprimés.

Le revêtement conforme protège les cartes contre l'humidité et la contamination particulaire dans les environnements industriels.

Conclusion

Les concepteurs de cobots et de véhicules à guidage automatique ont besoin de sources d'alimentation fiables, capables de fournir une haute puissance dans des facteurs de forme compacts, compatibles avec les environnements industriels. Les alimentations série LCM1500 d'Advanced Energy délivrent une puissance de sortie de 1500 W et offrent un large choix de tensions de sortie et de fonctionnalités en option, ce qui les rend idéales pour les systèmes de cobots et d'AGV dans les environnements de fabrication.