Il campo dell'automazione industriale continua a progredire rapidamente, favorendo efficienza, produttività e riduzione dei costi. I componenti associati, tuttavia, sottopongono la rete elettrica a una maggiore sollecitazione, rendendo necessario l'uso di una tecnologia efficiente per la conversione della potenza. Questo white paper di YAGEO GROUP descrive la funzione critica dei componenti microelettronici passivi nelle applicazioni di alimentazione per l'automazione industriale.
Introduzione
Il passaggio all'automazione industriale ha portato con sé un aumento esponenziale della domanda di energia, rendendo necessarie soluzioni valide ed efficienti per la conversione della potenza. Poiché i sistemi di automazione si basano in larga misura sull'elettronica di potenza, è fondamentale affrontare le sfide legate all'efficienza e all'affidabilità. I componenti passivi sono essenziali per garantire un funzionamento stabile, ridurre al minimo le perdite e mitigare i disturbi a livello di alimentazione che potrebbero avere un impatto sulle operazioni e sulla rete elettrica.
1 Sfide di conversione di potenza nell'automazione industriale
1.1 Stress della rete e problemi di qualità dell'energia
Le linee di produzione automatizzate, i sistemi robotici e i drive a frequenza variabile (VFD) introducono distorsioni armoniche, picchi transitori e carichi sbilanciati, causando problemi di qualità dell'energia. Questa maggiore domanda e distorsione provocano inefficienze nella rete, cali di tensione e potenziali guasti alle apparecchiature.
1.2 Efficienza e consumo energetico
Gli stadi di conversione della potenza devono ridurre al minimo le perdite e garantire un'elevata efficienza energetica. La chiave per raggiungere questo obiettivo risiede in un'efficace soppressione delle interferenze elettromagnetiche, nella correzione del fattore di potenza, nella conversione CC-CC e nel filtraggio dell'uscita.
2 Componenti passivi nelle fasi di conversione di potenza
2.1 Mitigazione delle interferenze elettromagnetiche (EMI)
Le apparecchiature di automazione industriale generano notevoli rumori ad alta frequenza, che possono disturbare i sistemi elettronici circostanti e comportare la non conformità alle normative. Componenti passivi come:
- Condensatori di soppressione EMI (Classe X e Y) aiutano a filtrare il rumore condotto. Questi condensatori sono progettati per gestire picchi di tensione transitori e sopprimere il rumore differenziale e di modo comune.
- I filtri di modo comune sono fondamentali per ridurre le emissioni elettromagnetiche delle linee di alimentazione. Sono costituiti da due avvolgimenti su un nucleo magnetico, che annulla il rumore di modo comune consentendo il passaggio dei segnali differenziali. La loro corretta selezione e collocazione incidono notevolmente sulla conformità agli standard EMI.
- I filtri induttivi impediscono la propagazione dei disturbi indesiderati sulle linee di alimentazione, riducendo le emissioni condotte e irradiate.
I condensatori ceramici multistrato e a film avanzati (MLCC) svolgono un ruolo fondamentale nella riduzione delle EMI, mantenendo al contempo un'elevata affidabilità negli ambienti industriali. La corretta disposizione e selezione di questi componenti garantiscono la conformità alle normative EMI quali gli standard CISPR e IEC.
2.2 Correzione del fattore di potenza (PFC) per l'efficienza della rete
Un basso fattore di potenza, causato da carichi induttivi e da sistemi di automazione industriale non lineari, provoca un'eccessiva potenza reattiva, maggiori perdite di rete e possibili sanzioni per i servizi di pubblica utilità.
- I condensatori di correzione del fattore di potenza migliorano il DPF (Displacement Power Factor, fattore di potenza di sfasamento) compensando i carichi induttivi e garantendo così un utilizzo più efficiente della corrente elettrica.
- Induttori e induttori PFC regolano le forme d'onda della corrente, riducendo le armoniche e migliorando l'efficienza della conversione CA-CC. Questi induttori aiutano a modellare la forma d'onda della corrente in modo che segua quella della tensione, riducendo la distorsione armonica totale (THD).
- Le reti di smorzamento passive contribuiscono a stabilizzare i circuiti PFC, prevenendo oscillazioni e picchi di tensione che possono compromettere la durata dei componenti e le prestazioni del sistema.
- Le reti di smorzamento attive rimodellano dinamicamente la forma d'onda della corrente, per una correzione del fattore di potenza più efficiente e con basse perdite.
I sistemi di automazione possono ridurre le sollecitazioni sulla rete, minimizzare le perdite di potenza e garantire la conformità normativa integrando componenti PFC passivi ottimizzati. In genere, le applicazioni industriali ad alta potenza implementano componenti PFC attivi in combinazione con filtri passivi per raggiungere una maggiore efficienza.
2.3 Conversione CC-CC: regolazione della tensione e stabilità
Le applicazioni di automazione industriale spesso richiedono più livelli di tensione CC per le funzioni di controllo e di azionamento del motore. Per un funzionamento stabile è fondamentale una conversione CC-CC efficiente.
- Gli induttori di potenza consentono un accumulo efficiente dell'energia e il relativo trasferimento in convertitori buck e boost, controllando la corrente di ripple e migliorando la risposta ai transienti.
- I condensatori elettrolitici in alluminio e in ceramica multistrato (MLCC) assicurano una regolazione stabile della tensione e riducono il ripple nei circuiti DC/DC. I condensatori in ceramica multistrato, inoltre, offrono una bassa resistenza di serie equivalente (ESR), che migliora la risposta ai transienti e filtra i disturbi ad alta frequenza.
- Gli array di condensatori di potenza sono essenziali per le applicazioni ad alta frequenza e per i convertitori di potenza risonanti. Questi array di condensatori offrono una bassa resistenza di serie equivalente (ESR) e un'elevata densità di capacità, il che li rende particolarmente adatti per le applicazioni ad alta potenza che richiedono un trasferimento di energia efficiente. La loro capacità di gestire elevate correnti di ripple e fluttuazioni di tensione migliora l'efficienza del sistema, riduce le perdite e potenzia le prestazioni termiche nei circuiti di conversione di potenza risonanti.
- I trasformatori per convertitori risonanti LLC sono fondamentali per la conversione CC-CC ad alta efficienza. Integrando l'induttore nel trasformatore, i progettisti possono ridurre il numero dei componenti, migliorare la densità di potenza e aumentare l'efficienza riducendo al minimo le perdite parassite. Questa integrazione consente un migliore accoppiamento magnetico, riducendo così le correnti circolanti e migliorando le prestazioni complessive dei convertitori risonanti nelle applicazioni di automazione industriale.
La selezione di componenti passivi ad alta efficienza e basse perdite nei convertitori CC-CC riduce al minimo la dissipazione del calore, aumenta l'affidabilità e garantisce un'efficiente distribuzione dell'energia. La scelta dei materiali del nucleo degli induttori, come la ferrite o la polvere di ferro, ha un impatto diretto sull'efficienza e sulle prestazioni termiche.
2.4 Filtraggio in uscita per un'erogazione di potenza stabile
Nella fase finale di conversione di potenza, i filtri di uscita garantiscono l'erogazione regolare di tensione e corrente ai sistemi di automazione, prevenendo così fluttuazioni di potenza che potrebbero interromperne il funzionamento.
- I filtri LC (filtri induttore-condensatore) svolgono un ruolo fondamentale nella riduzione della tensione di ripple e del rumore ad alta frequenza negli alimentatori. Questi filtri migliorano la risposta transitoria, riducono al minimo le interferenze elettromagnetiche e aumentano la stabilità della tensione per le apparecchiature di automazione industriale. L'induttore presente in un filtro LC blocca i componenti AC ad alta frequenza, mentre il condensatore livella l'uscita DC, al fine di fornire un'alimentazione più "pulita" ai carichi sensibili.
- I condensatori a bassa resistenza di serie, ad esempio i condensatori a film o MLCC di classe 1, nonché i polimeri in alluminio e ibridi in alluminio, vengono utilizzati per ridurre il ripple e i tempi di risposta ai transienti, assicurando una tensione DC in uscita stabile per le apparecchiature di automazione sensibili.
- Gli induttori di potenza aiutano a sopprimere il rumore e a stabilizzare la tensione riducendo le emissioni elettromagnetiche e prevenendo le risonanze nei circuiti di potenza.
Grazie a un corretto filtraggio in uscita, le apparecchiature di automazione industriale funzionano entro gli standard di qualità energetica richiesti, migliorando così l'efficienza e la durata. L'implementazione di un filtraggio multistadio, che combina tecniche di soppressione del rumore in modo differenziale e in modo comune, può migliorare le prestazioni.
Conclusione
Con il progredire dell'automazione industriale, cresce l'importanza di una conversione di potenza efficiente e affidabile. I componenti passivi contribuiscono in modo determinante nell'attenuare le interferenze elettromagnetiche, migliorare il fattore di potenza, favorire una conversione DC/DC efficiente e stabilizzare il filtraggio in uscita. Integrando tecnologie avanzate basate su componenti passivi, i sistemi di automazione industriale possono ottimizzare i consumi energetici, ridurre le sollecitazioni sulla rete e migliorare l'efficienza operativa. Gli sviluppi futuri nei componenti passivi ad alta efficienza continueranno a supportare l'evoluzione dell'automazione industriale e dell'elettronica di potenza.