Mantenere la qualità dell'energia elettrica nei sistemi automatizzati

Come descritto in un precedente articolo DigiKey sulle specifiche relative alla potenza instabile della rete elettrica pubblica, esistono diversi problemi legati alla qualità della potenza (picchi di tensione, interruzioni, instabilità di frequenza e rumore) che possono derivare da fluttuazioni nella rete elettrica locale pubblica. Un'ulteriore complicazione è che le variazioni possono anche provenire dall'interno delle apparecchiature di automazione ad alimentazione elettrica. Fortunatamente, esiste un'abbondanza di componenti per affrontare questi problemi di coerenza della potenza elettrica. Alimentatori e altri componenti di potenza fanno sì che i macchinari operino al meglio ed evitano che i macchinari esercitino un impatto negativo sulla rete elettrica pubblica locale.

Figura 1: Questo alimentatore monofase CP-Series di PULS monta su guida DIN molto comune nell'automazione industriale. Le caratteristiche includono un'elevata immunità ai transitori e ai picchi di potenza, nonché una bassa emissione elettromagnetica, un contatto relè c.c.-OK, una riserva di potenza in uscita del 20% (trattati più avanti in questo articolo) e un picco di corrente di inserzione minimo. L'alimentatore con un rivestimento speciale esegue anche funzioni di correzione attiva del fattore di potenza o PFC. (Immagine per gentile concessione di EE World)

I due principali tipi di problemi di qualità della potenza derivanti dalle apparecchiature sono il rumore e i disturbi armonici.

Rumore elettrico: in termini di potenza elettrica si riferisce alle variazioni di tensione ad alta frequenza. L'alta frequenza è relativa - ma indica sempre frequenze notevolmente superiori a quelle del sistema in c.a. Vista nel dominio del tempo, una corrente c.a. dovrebbe apparire come un'onda sinusoidale livellata. Il rumore rende l'onda frastagliata e irregolare.

Vi è sempre un certo rumore nell'alimentazione elettrica dei macchinari, causato dalla resistenza dei conduttori coinvolti. Tale rumore è chiamato rumore termico ed è generalmente un disturbo trascurabile. Un rumore più significativo e potenzialmente dannoso è causato da carichi locali come saldatori e motori elettrici. Il rumore di tali componenti e sistemi può essere spesso difficile da quantificare - e rappresenta il rischio maggiore di surriscaldamento, usura e persino di guasto dei sottocomponenti dell'apparecchiatura interessata.

Armoniche elettriche: sono disturbi di tensione o di corrente a frequenze che sono multipli interi della frequenza di un sistema in c.a. Sono causate da carichi non lineari come raddrizzatori, alimentatori per computer, luci fluorescenti e alcuni tipi di motori elettrici a velocità variabile. Le armoniche di corrente tendono ad essere più alte delle armoniche di tensione e in realtà tendono a prevalere su queste ultime.

Figura 2: Le forme d'onda armoniche sono multipli interi di frequenza di alcune forme d'onda fondamentali che (nei sistemi di potenza elettrica) possono combinarsi con la forma d'onda fondamentale e causare problemi. Le armoniche in genere sono dovute a un carico elettrico o da un macchinario collegato. (Immagine per gentile concessione di Design World)

Le armoniche elettriche (a causa del modo in cui inducono la generazione di calore) possono degradare drasticamente l'efficienza e la vita dei motori elettrici. Possono anche causare vibrazioni e pulsazioni di coppia nell'uscita meccanica dei motori elettrici, il che riduce la durata dei sottocomponenti di trasmissione della potenza integrati nei motori - in particolare i cuscinetti degli alberi rotanti.

Parametri chiave del sistema di alimentazione

Due importanti specifiche per gli alimentatori includono il fattore di potenza e il tempo di mantenimento.

Fattore di potenza: è un rapporto adimensionale usato per descrivere la differenza tra la potenza reale e la potenza apparente nei sistemi in c.a. La potenza apparente è la combinazione della potenza reale e della potenza reattiva. L'energia reattiva viene a sua volta prelevata dalla rete, immagazzinata momentaneamente e poi restituita senza essere consumata. Ciò è solitamente dovuto a carichi induttivi o capacitivi, che portano fuori fase la corrente e la tensione. La potenza reattiva aumenta il carico sui sistemi di distribuzione, riduce la qualità dell'energia e comporta costi lievitati delle bollette.

Nel migliore dei casi, un sistema avrà un fattore di potenza pari a uno - il che significa che non ha potenza reattiva. I progetti con fattori di potenza inferiori a 0,95 causano un aumento del carico sul sistema di distribuzione e possono incorrere in aumenti dovuti alla potenza reattiva.

Figura 3: TML 100C di Traco Power è un modulo di alimentazione da 85-100 W c.a./c.c. La correzione attiva del fattore di potenza (PFC) assicura un PF migliore di 0,95 (per 230 V_c.a.) e di 0,99 (per 115 V_c.a.). (Immagine per gentile concessione di Traco Power)

Tempo di mantenimento: il tempo durante il quale un alimentatore può continuare a fornire energia entro la tensione specificata dopo un'interruzione di corrente. Si consideri il caso dei gruppi di continuità (UPS) e dei generatori - tipi di alimentazione di riserva utilizzati per garantire la continuità delle operazioni automatizzate durante le interruzioni di corrente. Come descritto più dettagliatamente nella sezione finale di questo articolo, un UPS deve fornire l'alimentazione per un determinato periodo. A seconda del progetto, un UPS può introdurre un ritardo fino a 25 msec tra un'interruzione dell'alimentazione e l'inizio dell'erogazione di energia elettrica.

Il tempo di mantenimento dell'alimentazione permette all'alimentatore di colmare questa lacuna, utilizzando in gran parte l'energia immagazzinata nei condensatori. Infatti, gli alimentatori a commutazione tendono ad avere tempi di mantenimento più lunghi rispetto agli alimentatori lineari a causa dei condensatori a tensione più alta.

Altre caratteristiche per affrontare i problemi di alimentazione indotta dalla macchina

La messa a terra, l'isolamento e i convertitori di potenza filtrati sono le basi per un'alimentazione di qualità.

Messa a terra: una corretta messa a terra è essenziale per il corretto funzionamento di un alimentatore. Questa fornisce una tensione di riferimento (dalla quale vengono misurate tutte le altre tensioni) e un percorso di ritorno per la corrente elettrica. Leggere l'articolo DigiKey Tutto ciò che c'è da sapere sul rilevamento dei guasti a terra e sulla protezione per approfondire questo argomento.

Isolamento: anche se gli alimentatori non isolati possono essere più efficienti dal punto di vista energetico e più compatti, l'isolamento tra la tensione di ingresso e quella di uscita protegge dalle tensioni pericolose che passano all'uscita in caso di guasto di un componente. L'isolamento può anche essere necessario per proteggere gli operatori da tensioni pericolose o per proteggere le apparecchiature dai transitori e dai picchi.

Le forme di isolamento includono:

• Isolamento fisico tra i componenti
• Accoppiamento induttivo attraverso un trasformatore - convertitori di potenza che modificano la tensione di un sistema di alimentazione
• Accoppiamenti ottici - che sono i più adatti per il trasferimento del segnale tra le diverse parti di un sistema di alimentazione, garantendo al tempo stesso un livello di isolamento molto elevato

Figura 4: Gli alimentatori funzionano spesso come convertitori di potenza per 1) modificare la tensione o la frequenza di una sorgente in c.a. o 2) raddrizzare o comunque convertire la potenza c.a. in c.c. Un esempio: questo convertitore con modulazione della frequenza di impulso (PFM) a 48 V, 400 W di Vicor Corp. integra il filtraggio e la protezione dalle sovratensioni transitorie. Un'avvertenza: il convertitore di Vicor Integrated Adapter (VIA) accetta solo l'ingresso da una sorgente c.a. sinusoidale esterna raddrizzata - con un fattore di potenza mantenuto dal modulo. Le armoniche sono conformi alla norma IEC 61000-3-2 e il filtraggio interno assicura la conformità ai requisiti di sovratensione e di EMI applicabili. (Immagine per gentile concessione di Vicor Corp.)

Filtri elettrici e soppressione delle sovratensioni: la soppressione delle sovratensioni rimuove i transitori e i picchi, proteggendo le apparecchiature elettriche dagli effetti di queste condizioni di sovratensione. Per contro, i filtri elettrici livellano la tensione del sistema per rimuovere rumore e armoniche. Per saperne di più sui filtri degli alimentatori industriali utilizzati in grossi aeromobili (con sorgenti elettriche a 400 Hz) leggere nell'articolo Il funzionamento dell'alimentazione su una sorgente a 400 Hz su digikey.com. Esiste anche un altro tipo di filtro elettrico particolarmente comune nelle installazioni automatizzate vicino al punto di utilizzo - i filtri LC - che si integrano ai comandi dei motori. I filtri LC sono un tipo di serbatoio o circuito risonante (chiamato anche circuito accordato) con un induttore L e un condensatore C per generare l'uscita a una frequenza impostata. I filtri LC per motori servono solitamente a convertire la tensione di uscita rettangolare PWM di un azionamento in un'onda sinusoidale livellata con basso ripple residuo. I vantaggi includono il prolungamento della vita del motore grazie alla prevenzione di elevate perdite di dV/dt, sovratensione, surriscaldamento e correnti parassite.

Figura 5: Questo filtro a onda sinusoidale LC di Schaffner EMC Inc. aiuta i comandi dei motori a fornire onde sinusoidali livellate negli avvolgimenti di motore collegati senza picchi di tensione. Il filtro consente anche di installare lunghezze maggiori dei cavi al motore. (Immagine per gentile concessione di Schaffner EMC Inc.)

I limitatori di sovratensione funzionano bloccando o cortocircuitando la corrente oppure combinando le misure di blocco dei picchi transitori e di cortocircuito.

Protezione dai picchi transitori tramite il blocco: la corrente può essere bloccata con induttori che smorzano improvvise variazioni di corrente. Tuttavia, la maggior parte dei limitatori di sovratensione vanno in cortocircuito in presenza di una sovratensione, deviando la corrente nelle linee di distribuzione dell'energia elettrica dove viene dissipata dalla resistenza nei fili del circuito.

Protezione dai picchi transitori tramite il cortocircuito: il cortocircuito rapido (attivato quando la tensione supera un livello prestabilito) viene effettuato con uno spinterometro, un tubo a scarica o un dispositivo a semiconduttore. Solo raramente (in caso di picchi grandi o molto prolungati) i picchi fondono le linee elettriche o i componenti interni del limitatore di sovratensione. I condensatori possono anche smorzare improvvise variazioni di tensione.

Le specifiche chiave per i limitatori di sovratensione includono la tensione di tenuta all'impulso, il tempo di risposta e la classe energetica. La tensione di tenuta all'impulso - nota anche come tensione di picco transitorio - è la tensione massima che può passare da un limitatore di sovratensione. È tipicamente pari a 220 V per i dispositivi a 120 V. L'energia nominale (tipicamente in joule) è la potenza massima che può essere assorbita prima che i componenti all'interno del limitatore di sovratensione si arrestino per surriscaldamento e si guastino.

Un'importante ma spesso trascurata specifica per i limitatori di sovratensione è ciò che accade quando questo si guasta. Se una sovratensione supera la classe energetica del protettore e i sottocomponenti interni si guastano, il protettore non sarà più in grado di proteggersi da ulteriori sovratensioni. Ma questo non significa che l'energia elettrica venga interrotta: alcuni limitatori di sovratensione (come quelli progettati per proteggere server o altre memorie elettroniche) continueranno a fornire energia anche dopo un guasto. L'unica indicazione che la protezione da sovratensioni è assente può essere una luce spia. Altri limitatori di sovratensione, infatti, disattivano l'alimentazione o riducono la trasmissione di potenza in caso di guasto.

Gli UPS completano i generatori nelle applicazioni critiche

Gli UPS e i generatori per la potenza di riserva garantiscono la continuità delle operazioni durante le interruzioni di corrente. Gli UPS utilizzano batterie e sono tipicamente progettati per fornire energia per periodi che vanno da pochi minuti a qualche ora. I generatori utilizzano un motore per generare l'energia per periodi prolungati, limitati solo dal livello di carburante disponibile.

Gli UPS forniscono una risposta istantanea a un'interruzione di corrente, assicurando che l'alimentazione elettrica rimanga ininterrotta. I generatori, invece, hanno un tempo di avvio di almeno alcuni secondi. Per le applicazioni in cui è richiesta un'alimentazione continua, un UPS deve essere combinato con un generatore per fornire l'alimentazione durante l'avvio del generatore.

Figura 6: Questo gruppo di continuità (UPS) a 24 V_c.c. e 5 A si monta su guida DIN e fornisce fino a 25 minuti di potenza di riserva a pieno carico. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Gli UPS proteggono le apparecchiature dalle interruzioni di corrente. Gli UPS offline o che dipendono dalla tensione e dalla frequenza sono i più convenienti, ma presentano due grandi svantaggi:

• In condizioni normali, gli UPS offline passano la corrente direttamente dalla batteria all'uscita. Quando il circuito dell'UPS rileva un'interruzione di corrente, un interruttore collega la batteria all'uscita tramite un inverter. Ciò significa che la potenza può rimanere interrotta anche per 25 msec.
• Gli UPS offline forniscono anche una protezione minima o inesistente contro altri problemi di qualità della potenza, come le sovratensioni e il rumore.

Invece, un UPS interattivo in linea o indipendente dalla tensione (VI) funziona essenzialmente allo stesso modo di un UPS che dipende dalla tensione e dalla frequenza, ma è dotato di uno stabilizzatore di tensione aggiuntivo per migliorare la qualità della potenza in uscita in condizioni di funzionamento normale. Tali sistemi hanno sempre un tempo di commutazione durante il quale l'alimentazione viene interrotta - di solito di soli 5 msec circa, ben entro il tempo di mantenimento della maggior parte degli alimentatori.

Per garantire la massima protezione, gli UPS online, noti anche come UPS indipendenti dalla tensione e dalla frequenza, fanno un ulteriore passo avanti. Negli UPS, il carico non è collegato direttamente alla rete elettrica, ma viene sempre prelevato dalla batteria del sistema, che è caricata continuamente dalla rete elettrica. L'alimentazione di rete a corrente alternata viene trasformata in tensione di batteria e raddrizzata a corrente continua, in modo che possa caricare la batteria. L'alimentazione della batteria viene poi invertita per produrre corrente alternata e incrementata da un altro trasformatore alla tensione di rete. Ciò significa che i problemi di qualità della potenza non influiscono sull'uscita e sono forniti livelli molto elevati di qualità della potenza e di protezione. Tuttavia, ciò si traduce anche in un'efficienza energetica notevolmente inferiore e in un costo iniziale dell'UPS più elevato.

Per tutti i carichi, tranne che per quelli più sensibili e critici, un UPS offline accoppiato a un alimentatore con sufficiente tempo di mantenimento è la scelta migliore.

Conclusione

La determinazione dei requisiti di un progetto per la qualità della potenza è il primo passo per prevenire i tempi di fermo macchina e i costi di manutenzione dovuti all'instabilità della rete elettrica pubblica, al rumore elettrico e alle armoniche. Questi requisiti variano in modo significativo a seconda della progettazione della macchina e delle sue funzioni. Tuttavia, una volta definiti questi parametri, i progettisti possono specificare correttamente gli alimentatori aggiungendo filtri, soppressori di sovratensioni, potenza di riserva e condizionamento di potenza. Tutto questo può migliorare sensibilmente l'affidabilità delle apparecchiature automatizzate.