Se si dimensiona l'alimentatore in modo insufficiente, il servoazionamento va in errore per sottotensione nel momento in cui un asse accelera. Se l'energia rigenerativa non ha dove essere smaltita, il sistema va in errore per sovratensione nel momento in cui l'asse decelera.

Tra queste due modalità di guasto si colloca una procedura di dimensionamento basata su quattro valori: la corrente continua effettivamente assorbita dall'applicazione, la corrente di picco assorbita in brevi impulsi, la tensione di uscita richiesta dal motore alla velocità massima e l'energia che rifluisce attraverso l'azionamento quando il carico rallenta.

Questa guida illustra tutti e quattro i casi, con un esempio completo e dettagliato che utilizza hardware reale.

Obiettivo

Determinare la corrente nominale continua, la capacità di gestione della corrente di picco, la tensione di uscita e la capacità di rigenerazione necessarie affinché un alimentatore CC possa alimentare in modo affidabile un determinato asse servo, senza dover pagare per un margine di potenza che l’applicazione non utilizzerà mai.

Quali informazioni servono prima di scegliere l'alimentatore giusto?

Prima di scegliere la taglia, procurati:

• Corrente nominale continua, corrente di picco e intervallo di tensione di alimentazione in corrente continua del servoazione, secondo la scheda tecnica.
• La costante di coppia (Kt) e la costante di forza controelettromotrice (Ke) del motore.
• Il profilo di movimento dell'applicazione: la coppia e la durata di ciascuna fase — accelerazione, marcia a velocità costante, decelerazione e pausa.
• L'inerzia totale trasmessa all'albero del motore, compreso il carico, corretta in funzione di eventuali rapporti di trasmissione o di trasmissione a cinghia.
• Che l'asse debba frenare un'inerzia significativa o un carico di sovraccarico. Gli assi verticali, l'indicizzazione rapida e le grandi masse rotanti rendono la rigenerazione un fattore progettuale primario, piuttosto che un semplice dettaglio secondario.

Come l’unità e l’alimentazione si dividono il lavoro

I servazionamenti basati su un ingresso di tensione di alimentazione in corrente continua — tra cui le famiglie AxCent™, DigiFlex® Performance™ e FlexPro® di AMC — non rettificano la tensione di rete trifase a bordo. L'alimentatore è un componente distinto, specificato separatamente.

La scheda tecnica dell'azionamento indica un intervallo di tensione di alimentazione in corrente continua (ad esempio 10–80 V CC per molti serv azionamenti compatti di AMC) e i valori nominali di corrente continua e di picco; il compito dell'alimentatore è quello di mantenere la tensione all'interno di tale intervallo, fornendo al contempo la corrente richiesta dall'applicazione, compresa quella che ritorna durante la decelerazione.

Due architetture di approvvigionamento coprono gran parte di questo ambito, e la scelta tra le due rappresenta un vero e proprio compromesso.

I passaggi riportati di seguito consentono di stabilire quale sia quello più adatto.

Fase 1 — Determinare il fabbisogno di corrente continua

La corrente nominale continua dell'alimentatore deve coprire la corrente efficace assorbita dall'applicazione durante un intero ciclo di movimento — non la corrente nominale continua dell'azionamento, che corrisponde a tale valore solo se l'applicazione fa funzionare l'azionamento alla sua piena potenza nominale. 

Le linee guida di AMC per il dimensionamento dei servomotori utilizzano un metodo RMS per determinare la coppia del motore; lo stesso metodo si applica direttamente alla corrente.

IRMS = √[ (I12t1 + I22t2 + … + In2tn) / (t1 + t2 + … + tn) ]

In = corrente durante il segmento di movimento n (A); tn = durata del segmento n (s)

Si consideri un giunto rotante monoasse azionato da un servomotore brushless con Kt = Ke = 0,09 N·m/A (circa 9,4 V per kRPM), un'inerzia riflessa totale di 2,0×10⁻⁴ kg·m² e una velocità massima di 5.000 RPM (523,6 rad/s). Il profilo di movimento: accelerazione a 1,4 N·m, funzionamento a 0,35 N·m, decelerazione a 1,4 N·m, quindi pausa.

A 1,4 N·m contro 2,0×10⁻⁴ kg·m², l’accelerazione angolare è pari a 7.000 rad/s², quindi per raggiungere i 523,6 rad/s partendo da fermo occorrono 75 ms — e lo stesso vale per la decelerazione. Aggiungendo un segmento di funzionamento di 150 ms e una pausa di 400 ms, il ciclo arriva a 700 ms, ovvero circa 1,4 Hz.

Conversione della coppia in corrente con I = T/Kt: 15,6 A durante l'accelerazione e la decelerazione, 3,9 A durante la fase di marcia, 0 A in fase di sosta.

IRMS = √[(15,6² × 0,075 + 3,9² × 0,15 + 15,6² × 0,075) / 0,7] ≈ 7,4 A

Quei 7,4 A — e non i 10 A di corrente nominale continua dell'unità — sono il valore che l'alimentatore deve essere in grado di fornire in modo continuo.

Fase 2 — Determinare il picco di richiesta di corrente

La corrente di picco è la corrente istantanea più elevata nel profilo — in questo caso, i 15,6 A durante l’accelerazione e la decelerazione. A differenza della corrente continua, l’alimentatore non deve fornire tale picco all’infinito: gli azionamenti DigiFlex® Performance™ di AMC limitano la corrente di picco in base al carico, consentendola per un intervallo limitato prima di tornare al valore nominale continuo (vedere la Nota applicativa AMC 003, Recupero della corrente di picco). Ciò di cui l’alimentatore ha effettivamente bisogno è un margine sufficiente affinché la tensione del bus non crolli durante quell’intervallo: un’impedenza dell’alimentatore sottodimensionata o i cavi troppo lunghi causano un calo di tensione sul bus sotto carico di picco anche quando la corrente nominale è tecnicamente disponibile, e l’azionamento interpreta un calo di tensione sul bus come sottotensione.

Le linee guida di AMC per la scelta degli azionamenti prevedono una capacità di corrente superiore di almeno 25% rispetto a quella che l’applicazione dovrebbe assorbire, sia per l’azionamento che per l’alimentatore. A fronte di 7,4 A in continuo e 15,6 A di picco, un azionamento con valori nominali di 10 A / 20 A — il DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 di AMC — supera ampiamente tale soglia con margini rispettivamente di 35% e 28%.

Fase 3 — Selezionare la tensione di uscita

La tensione di uscita è determinata dalla forza controelettromotrice del motore alla velocità massima, non dal valore nominale massimo dell'azionamento. Man mano che il motore gira più velocemente, la tensione che genera aumenta linearmente con la velocità; l’alimentazione deve mantenersi al di sopra di tale tensione con un margine sufficiente affinché il circuito di regolazione della corrente del convertitore continui a regolare la corrente, altrimenti l’asse perde coppia e controllo della velocità proprio dove l’applicazione ne ha solitamente più bisogno.

Vbemf, max = Ke × ωmax

Ke = costante della forza controelettromotrice, V/(rad/s); ωmax = velocità massima del motore, rad/s

Per il motore dell'esempio: Vbemf,max = 0,09 × 523,6 = 47,1 V.

Le linee guida di AMC relative alla selezione degli azionamenti prevedono inoltre un margine di 25% tra la tensione di funzionamento prevista e i limiti sia di sottotensione che di sovratensione. Applicato al valore minimo della forza controelettromotrice (back-EMF): Vbus,min = 1,25 × 47,1 V ≈ 58,9 V. Un alimentatore da 72 V CC — il modello PS16H72 di AMC, un modello non regolato, isolato tramite trasformatore, con una corrente nominale continua di 11 A — supera tale soglia minima con un margine di 53% rispetto alla forza controelettromotrice grezza e rientra comodamente nell’intervallo nominale di 20–80 V CC del DPRALTE-020B080.

Ciò lascia però solo un margine di circa 10% al di sotto del limite massimo di 80 V dell’azionamento, e la forza controelettromotrice non è l’unico fattore che fa aumentare la tensione del bus. Anche la decelerazione contribuisce a tale aumento — ed è proprio questo il prossimo problema da tenere in considerazione nella progettazione.

Fase 4 — Dimensionamento per l'energia da fonti rinnovabili

Ogni evento di decelerazione reimmette l’energia cinetica del carico attraverso l’azionamento nel bus CC. Un'alimentazione non regolata non dispone di un percorso per assorbirla — non è progettata per dissipare la corrente inversa — quindi, senza una via di sfogo per quell'energia, la tensione del bus aumenta fino a quando il convertitore non va in errore per sovratensione o, nel peggiore dei casi, i condensatori del bus vengono sottoposti a sollecitazioni eccessive.

Eregen = 0,5 × Jtotale × (ωi2 − ωf2)

Jtotal = momento d'inerzia riflesso sull'albero del motore, kg·m²; ωi, ωf = velocità angolare prima e dopo la decelerazione, rad/s

Per l'asse di esempio, in decelerazione da 523,6 rad/s fino all'arresto: Eregen = 0,5 × 2,0×10⁻⁴ × 523,6² ≈ 27,4 J per evento.

Alla frequenza di ciclo di 1,4 Hz del profilo, ciò corrisponde a una potenza rigenerativa media di circa 39 W (27,4 J × 1,4 eventi/s). Un regolatore shunt dimensionato in base a tale valore medio — e non solo al picco istantaneo — è ciò di cui una soluzione basata su resistori ha effettivamente bisogno per funzionare in modo continuo.

Il regolatore shunt SRST80 di AMC limita la tensione a 80 V CC — valore corrispondente al massimo nominale del DPRALTE-020B080 — ed è progettato per una dissipazione continua di 95 W. Il carico medio di 39 W dell’esempio utilizza ben meno della metà di tale capacità, lasciando un margine per cicli più rapidi o un’inerzia maggiore rispetto al caso di progetto nominale.

Questa è anche la vera soluzione per ovviare alla carenza di margine di tensione nella Fase 3: il regolatore shunt limita la tensione del bus a un valore noto prima che raggiunga il limite di sovratensione dell'azionamento, invece di fare affidamento esclusivamente sul margine di tensione.

Fase 5 — Adeguare la regolazione dell'alimentazione all'applicazione

Un alimentatore non regolato abbinato a un regolatore shunt esterno — come la coppia PS16H72/SRST80 sopra citata — rappresenta una combinazione comune ed economica per macchine a uno o pochi assi con un profilo di rigenerazione limitato e prevedibile. Tuttavia, la sua tensione di uscita varia in funzione del carico e della tensione di linea in ingresso: una linea alta 10% spinge il bus 10% a un livello più elevato prima ancora che venga presa in considerazione qualsiasi rigenerazione, e questo deve essere integrato nel controllo del margine di tensione nella Fase 3, non trattato come un margine separato.

Un alimentatore regolato, come il PFC2400W375 di AMC, mantiene la tensione di uscita sostanzialmente costante nonostante le variazioni di carico e di rete, mentre il regolatore shunt integrato e la correzione del fattore di potenza assorbono l’energia di rigenerazione e riducono le armoniche della corrente di ingresso senza richiedere componenti aggiuntivi. Tale funzionalità comporta costi maggiori e aggiunge una complessità di cui la maggior parte delle applicazioni monoasse non ha bisogno. Si rivela invece utile quando le variazioni di tensione di rete sono ampie, quando più assi condividono un unico bus e i loro eventi di rigenerazione possono sovrapporsi, oppure quando il contenuto armonico incide sulla qualità dell’energia dell’impianto.

I cavi che collegano l'alimentatore al motore comportano una propria caduta di tensione in presenza di corrente di picco; i cavi troppo lunghi o sottodimensionati riducono i margini calcolati in precedenza in modo altrettanto diretto quanto un alimentatore sottodimensionato.

Fase 6 — Verifica della corrente di spunto e del carico sul bus condiviso

La capacità del bus CC presenta un carico a bassa impedenza all’accensione; verificare la capacità dell’alimentatore di gestire la corrente di spunto — oppure aggiungere un circuito di precarica — prima del primo avvio, non dopo l’intervento di un interruttore in officina.

Quando più azionamenti condividono un'unica alimentazione, dimensionare la corrente continua come somma della richiesta RMS di ciascun asse — in questo caso non esistono scorciatoie. La corrente di picco è più specifica per l'applicazione: dimensionarla in base alla somma dei picchi, a meno che le regole di sequenziamento del movimento non escludano l'accelerazione simultanea; in tal caso, alcuni progetti applicano un fattore di diversità — si tratta di una scelta discrezionale, non di un presupposto predefinito.

Verifica

Sicurezza: Quando si esegue la misurazione su un bus CC sotto tensione, è necessario attenersi alle normali precauzioni relative alla scarica del bus e alla procedura di lockout/tagout. Prima di effettuare il contatto, verificare che la tensione del bus rientri nei limiti di sicurezza, come indicato nel manuale hardware dell’azionamento.

Verificare il dimensionamento sul banco di prova prima di passare alla produzione. Misurare la tensione del bus CC ai terminali dell’inverter durante l’evento di corrente di picco nel caso peggiore: dovrebbe rimanere al di sopra della tensione nominale minima dell’inverter con un margine adeguato. Misurarla nuovamente alla velocità massima richiesta sotto carico, per confermare che il margine della forza controelettromotrice regga nella pratica, non solo sulla carta. Se nel progetto è previsto un regolatore shunt, monitorarne il ciclo di lavoro o la temperatura del corpo durante un funzionamento continuo rappresentativo; un regolatore che si surriscalda o che funziona in modo quasi continuo indica che il calcolo della rigenerazione deve essere rivisto.

Risoluzione dei problemi relativi a materiali di consumo di dimensioni insufficienti o non compatibili

Le tracce del guasto rimandano a una specifica fase di dimensionamento:

Abbinare l'hardware AMC ai numeri

L'esempio illustrativo riportato sopra utilizza tre componenti AMC reali e compatibili: un servoazionamento DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 (10 A in continuo / 20 A di picco, 20–80 V CC), un alimentatore non regolato PS16H72 (72 V CC, 11 A in continuo, isolato tramite trasformatore) e un regolatore shunt SRST80 (limite di 80 V CC, dissipazione continua di 95 W). Ogni valore riportato nel calcolo corrisponde a una specifica presente in una scheda tecnica reale: l’affidabilità della procedura di dimensionamento dipende interamente da tale verifica.

Per i sistemi ad alta potenza o multiasse in cui le variazioni di linea o la sovrapposizione di eventi di rigenerazione rappresentano un problema concreto, il PFC2400W375 di AMC — un alimentatore regolato con correzione del fattore di potenza e regolatore shunt integrato, con una tensione nominale di 375 V CC e una potenza continua di 2,4 kW — rappresenta la soluzione ideale nei casi in cui i compromessi di un alimentatore non regolato non siano più accettabili. La scelta tra le due opzioni dipende da quale serie di compromessi della Fase 5 si adatta meglio all’applicazione in questione.

Conclusione

Il dimensionamento dell'alimentatore per un servoazionamento si riduce a quattro verifiche — corrente continua, corrente di picco, margine di tensione rispetto alla forza controelettromotrice e destinazione dell'energia rigenerativa — da effettuare confrontando i valori effettivi riportati nella scheda tecnica anziché i valori nominali massimi dell'azionamento. Se si tralascia anche solo una di queste quattro verifiche, l'alimentatore sarà il primo a guastarsi.