In che modo la protezione termica integrata può impedire il guasto dei relè statici nei sistemi industriali

Di Rogelio Castaneda e Oscar Rivera, Sensata Technologies

Che cos'hanno in comune i grandi sistemi HVAC e i sistemi di refrigerazione industriali/commerciali, gli impianti per il trasporto di carichi pesanti, i nastri trasportatori, le linee di assemblaggio, i sistemi medicali ed energetici, e altri sistemi di produzione complessi? I motori. Grandi e costosi motori elettrici che, se si surriscaldano, possono danneggiarsi o addirittura rompersi.

Per evitare questi danni, la maggior parte delle grandi macchine motorizzate necessita di un sistema collegato all'alimentazione in grado di rilevare il surriscaldamento del motore e provvedere al suo arresto. In molti casi, questo dispositivo è un relè elettrico che attiva e disattiva l'alimentazione. Questi relè esistono in due tipologie: elettromeccanici (EMR) e statici (SSR).

EMR E SSR A CONFRONTO

Per oltre 50 anni, i relè elettromeccanici sono stati la soluzione ideale per la gestione dei circuiti di carico. Tuttavia, da circa un decennio a questa parte, i relè statici hanno acquisito un'ampia quota di mercato. Le differenze tra EMR e SSR sono significative, soprattutto in termini di durata.

Gli EMR sono dispositivi meccanici costituiti da parti in movimento che li rendono altamente sensibili ai disturbi magnetici, alle vibrazioni, agli urti e ad altri fattori esterni che possono influenzarne la durata e la resistenza all'usura. Al contrario, gli SSR hanno una struttura elettronica a stato solido durevole, non presentano parti in movimento che possano influenzarne la resistenza all'usura o l'accuratezza, e in ultima analisi assicurano un funzionamento prevedibile e una maggiore durata.

La vita media dei relè elettromeccanici è compresa tra 100.000 e 500.000 cicli, contro i 2 milioni di cicli dei relè statici. Di conseguenza, spesso gli SSR hanno una durata maggiore rispetto alle apparecchiature in cui sono installati.

Oltre a una durata superiore, che determina una maggiore affidabilità e un risparmio sui costi di sostituzione, gli SSR assicurano una commutazione più rapida rispetto agli EMR e si adattano a una vasta gamma di applicazioni di carico ad alta potenza.  Operano silenziosamente (senza produrre il fastidioso clic emesso dagli EMR), consumano poca energia e producono una scarsa interferenza elettrica. Resistenti sia agli urti sia alle vibrazioni, gli SSR possono tollerare gli ambienti difficili e continuare a operare con precisione e affidabilità, mentre gli EMR devono essere sostituiti di frequente e, per questa ragione, non sono ottimali in condizioni gravose.

Gli SSR sono migliori degli EMR anche sotto altri aspetti. Sono compatibili con i sistemi di controllo, immuni ai disturbi magnetici e completamente incapsulati.  Il design a stato solido permette di installarli in qualsiasi posizione; questa caratteristica offre ai progettisti una maggiore flessibilità, consentendo loro di invertire la direzione di montaggio dei relè all'interno dell'applicazione, sia in senso trasversale sia longitudinale.  Gli SSR possono essere installati in ambienti caratterizzati da forti vibrazioni senza interferenze in termini di prestazioni, mentre gli EMR meccanici sono molto sensibili al posizionamento, agli urti e alle vibrazioni, il che limita le possibilità di progettazione.

A questo punto non sorprende che, in considerazione di tutti questi vantaggi, gli SSR tendano a essere più costosi degli EMR; tuttavia, sebbene tale disparità di prezzo possa essere significativa, non costituisce un problema se si tiene conto degli oltre 2 milioni di cicli che un SSR può garantire.

LA SFIDA DELLA GESTIONE TERMICA

Dal momento che gli SSR consumano energia sia quando sono aperti sia quando sono chiusi, per poter funzionare sono dotati di un componente a gestione termica, proprio come i motori che controllano. In caso di surriscaldamento, per individuare e sostituire un SSR danneggiato può essere necessario del tempo, durante il quale la linea di assemblaggio o il sistema di produzione devono essere rimanere o fuori servizio, il che aumenta ulteriormente i costi.

Per illustrare il funzionamento di un relè SSR, prendiamo ad esempio l'uso in applicazioni di refrigerazione commerciali e per il settore delle attrezzature da costruzione. In un'applicazione di refrigerazione, la funzione di un SSR consiste nell'attivare o disattivare il compressore per mantenere la temperatura del sistema all'interno di un intervallo specificato. Il controllo dell'ingresso potrebbe essere compreso tra 90 e 280 CA, con una temperatura di intervento impostata a 95 °C. All'interno del circuito è inserito un buffer, che sfrutta una varietà di componenti volti a garantire che venga eseguita l'azione di intervento desiderata.

Quando l'SSR si attiva per generare corrente, genera anche calore. Se il calore determina un aumento della temperatura oltre il limite specifico del semiconduttore del prodotto, possono verificarsi alcuni problemi. L'SSR può andare in corto circuito e causare incendi e infortuni, può danneggiarsi e ridurre la durata del semiconduttore o dell'intero sistema, oppure produrre l'arresto della macchina.

RELÈ STATICI DI PROSSIMA GENERAZIONE

Per affrontare la sfida del surriscaldamento, sono in fase di sviluppo nuove tecnologie che prevedono l'integrazione di un termostato all'interno del relè SSR, al fine di assicurare che quest'ultimo funzioni sempre in modalità sicura o protetta. Questo nuovo design integra tutti i vantaggi della tecnologia SSR standard, ma si differenzia per la sua capacità di prevenire il surriscaldamento del relè, proteggendo così il funzionamento del sistema e dei componenti da eventuali danni o evitandone l'arresto.

Quando la temperatura supera il valore massimo specificato, gli SSR di nuova generazione chiudono l'ingresso del circuito di alimentazione in linea con i requisiti dell'applicazione. L'alimentazione viene automaticamente riattivata quando la temperatura cala e rientra nell'intervallo di funzionamento normale.

Questa protezione termica automatica è garantita da un termostato integrato nell'SSR.  Il termostato rileva la temperatura interna di un'interfaccia meccanica dotata di una piastra metallica su cui è montato il dispositivo di commutazione di potenza interno. Se il calore supera l'intervallo normale, viene inviato un segnale all'SSR per disattivare l'alimentazione.  Questa protezione termica integrata previene del tutto il surriscaldamento intervenendo prima che possano verificarsi danni all'apparecchio; in questo modo si risparmiano tempo e denaro e si evitano potenziali infortuni.

Oltre ad impedire il surriscaldamento, la funzione di protezione termica integrata può risolvere eventuali problemi di progettazione del sistema stesso. Tra l'altro, può contribuire a identificare difetti nella dissipazione del calore dell'SSR o del sistema, oppure errori di installazione che determinano un contatto di dissipazione insufficiente e dunque una minore efficienza in tal senso.  Si tratta quindi di uno strumento prezioso per l'ingegnere responsabile del funzionamento del sistema.

APPLICAZIONI DIVERSE

Sviluppati per l'uso in applicazioni di refrigerazione commerciale, questi nuovi modelli di SSR possono essere adattati ad altre realtà di produzione industriale e assicurare vantaggi analoghi. Prendiamo ad esempio un nastro trasportatore in cui il motore può grippare e causare un sovraccarico e un potenziale danno al sistema. In questo caso, l'SSR con protezione termica integrata potrebbe evitare il surriscaldamento arrestando il nastro non appena viene raggiunta una soglia termica predeterminata all'interno del termostato dell'SSR.

In applicazioni di stampaggio a iniezione, dove lo spazio limitato può causare l'aumento della temperatura nell'armadio, la protezione termica evita il surriscaldamento dell'SSR quando la dissipazione del calore è inadeguata, evitando così costose riparazioni.  Nei sistemi di riscaldamento, l'SSR con protezione termica può aiutare ad arrestare l'elemento radiante se si verificano problemi al sistema di controllo che provocano un aumento incontrollato della temperatura, proteggendo l'intero sistema.

E adesso? Per il prossimo futuro prevediamo di produrre SSR con funzionalità ancora maggiori, per dare un nuovo significato al termine "smart SSR".  Le tecnologie di domani prevedono l'integrazione di un microcontrollore dotato di un firmware specifico per il governo della temperatura di intervento interna, in grado di attivare un'azione precedentemente programmata via software. La capacità di intervento inclusa nell'SSR protegge i motori e i sistemi dal surriscaldamento e perfeziona l'automazione dell'arresto rispetto alle soluzioni precedenti.