Parte 3

PNEUMAC SRL www.pneumac.it
PNEUMAC SRL www.pneumac.it
Teoria elettrica di base
Corrente alternata e continua
Potenza di spunto/regime.
Per i solenoidi in corrente alternata ci sono due altri fatti da prendere in considerazione:
- l'induttività cambia con la posizione dell'armatura
- la corrente. e con essa la forza magnetica, scende a zero due volte in ogni periodo.
L'induttìvità cambia drasticamente con la posizione dell'armatura. Inizialmente. con il traferro al
massimo,la forza e la resistenza induttiva sono molto basse. Questo significa che una forte corrente sta
passando nella bobina per caricarla. Questa corrente. inizialmente mo~o alta. fa reagire la bobina in
corrente alternata più violentemente della bobina in corrente continua.
Quando l'armatura chiude iltraferro (cioè il circuito diferro}.l'induttività (e la resistenza totale} aumenta
mentre la corrente diminuisce. La Fig. 2.15, che rappresenta le specificazioni di catalogo dei due tipi di
solenoidi in corrente alternata. illustra questo concetto. La potenza dì spunto, viene consumata con il
massimo traferro, mentre la potenza di mantenimento quando l'armatura è interamente dentro la bobina.
Le differenze tra corrente continua. potenza di spunto in corrente alternata e potenza di mantenimento
in corrente alternata sono considerevoli.
Potenza di spunto VA
Potenza
Potenza di mantenimento VA
Potenza CC W
Frequenza CA
50Hz
60Hz
50Hz
60Hz
Solenoide A
4.5
4.2
3.5
3.0
1.8
Solenoide B
5 .6
5.0
3.4
2.3
1.8
Fig. 2.15 Paragone tra i vari tipi di potenza delle tipiche elettrovalvole
La potenza "apparente• in corrente alternata viene indicata con VA (Volt Ampere). quella per la corrente
continua con W {Watt). Nel caso di corrente continua, la corrente e la tensione rimangono costanti, e la
potenza è semplicemente W==V · A. In un circuito alternato, sia la tensione che la corrente cambiano
costantemente, come illustrato nella Fig. 2.16.
Una corrente o tensione alternata. con lo stesso effetto di una determinata corrente continua x, varia
da zero a x · .../2 ; la tensione da apice ad apice dei seni (tensione di picco) di 24V in corrente alternata,
misura circa 34 Volt.
Per rappresentare-la differenza tra la potenza ~apparente" in corrente alternata e in corrente continua,
la potenza in corrente alternata viene espressa in "Volt-Ampere" (VA).
La differenza in potenza tra 50 e 60 Hz è dovuta alla resistenza induttiva della bobina • che dipende
dalla frequenza. Il rapporto di potenza tra 60 e 50 Hz non è 5:6; la resistenza della bobina non è soltanto
induttiva. Esiste anche la resistenza "ohmica" del cavo, che non ha niente a che vedere con la frequenza.
~SMC Italia
2.15
PNEUMAC SRL www.pneumac.it
Sfasamento
la resistenza induttiva causa lo sfasamento. Nel caso di una resistenza puramente induttiva, le fasi
della tensione e della corrente differirebbero di 90 gradi. (vedere l'angolo nella Fig. 2.11b). Con la
componente ohmica nella resistenza della bobina, questo sfasamento è inferiore ai 90 gradi. Nella Fig.
2.16b è di 60 gradi. Per esempio nei motori a corrente alternata troverete sempre l'indicazione ucos <f dove
<p rappresenta l'angolo di questo sfasamento, e la potenza media effettiva è quindi:
p= u., x
'•Il x cos cp
1
dove U"" è la tensione effettiva e le~~ la corrente effettiva (..fi del valore di picco).
Questa potenza effettiva o "reale" viene misurata in Watt, mentre la tensione apparente in VA
la bobina del solenoide è dimensionata per il mantenimento della corrente. Se l'armatura si inceppa
e si blocca,la corrente non diminuisce e la bobina sì surriscalda fino a che fonde il suo isolante. Un numero
sempre crescente di awotgimenti entrano in corto circuito e la corrente sale enormemente con un effetto
"a palla di neve" che termina con la bruciatura della bobina.
la Fig. 2.16 illustra lo sfasamento e l'impedenza
Z. che é la resistenza risultante dalla resistenza
ohmica del cavo e induttiva. Anche il valore dell'impedenza viene misurato in n e dipende dall'angolo dello
sfasamento. Secondo Pitagora:
R induttiva
Rohmica
Fig. 2.16 Sfasamento ed impedenza
2.16
PNEUMAC SRL www.pneumac.it
Teoria elettrica di base
Il rapporto R;ncMriva è la tangente dell'angolo cp. Il suo valore numerico per 60° è di 1.732. La resistenza
Rohmica
induttiva è di 1.732 volte maggiore della parte ohmica. Se in questo caso la resistenza ohmica (cavo) è
1 oon, la resistenza induttiva 173.2Q e l'impedenza .J1 00 2 + 173.2 2 = 200.0 .
La combinazione della resistenza ohmica e della resistenza induttiva è chiamata
~impedenza"
o
semplicemente ..resistenza totale".
Spira di awiamento
Ogni volta che la corrente alternata ritorna a zero, l'armatura incomincia a ritornare sotto la spinta della
molla.
l'armatura si libera dal polo fisso, ma poi quando la corrente aumenta viene attratta nuovamente
dall'altra polarità.
Questo crea un suono chiamato "ronzio".
A parte la questione del ronzio, il continuo sbattere dell'armatura contro il polo fisso, un centinaio di volte
al secondo, ne causa Hveloce deterioramento.
Il rimedio a questo inconveniente è quello di creare un secondo campo magnetico sfasato, il più
possibile di 90°. La soluzione è piuttosto semplice, ma per capire esattamente come funziona, occorre
conoscere il principio dei trasformatori (Fig. 2.12). In un solenoide la bobina secondaria è rappresentata
da un anello di rame (spira di avviamento) inserito nel polo fisso. Questo crea una bobina secondaria con
un solo avvolgimento e quindi nessuna resistenza oh mica ed un massimo sfasamento. La tensione sarà
zero ma la corrente molto alta. Questa corrente crea un secondo campo magnetico, spostato di circa 90°
dal campo magnetico principale. La Fig. 2.17a mostrai! campo magnetico senza questo anello, mentre
la Fig. 2.17b illustra gli effetti del secondo campo magnetico.
Corrente
a
Campo magnetico
Campo magnetico
principale
b
Corrente bobina
Fig. 2.17
Campo magnetico
indotto
Corrente indotta
a: il campo magnetico cade a O due volte ogni periodo; b: un secondo campo magnetico
viene indotto dalla corrente
0SMC Italia
2.17
PNEUMAC SRL www.pneumac.it
2.18
PNEUMAC SRL www.pneumac.it
3. COMPONENTI
ELETTROPNEUMATICI
SENSORI MAGNETICI PER CILINDRI
• Principi
• Componenti che costituiscono il sensore
• Selezione
ELETTROVALVOLE
• Azionamento diretto
• Azionamento pilota
COMPONENTI DI CONTROLLO
• Relé
• Funzioni speciali
fjSMC Italia
PNEUMAC SRL www.pneumac.it
Componenti elettropneumatici
.COMPONENTI ELETTROPNEUMATICI
SENSORI MAGNETICI PER CILINDRI
PRINCIPI
Ci sono due tipi principali di sensori per cilindri: con "contatto a lamelle" (reed) o statico. Nel secondo
non ci sono parti che si muovono e quindi nessuna vita prevista a fatica, espressa sotto forma di operazioni
effettuate. Questo tipo è sempre preferibile nel caso in cui si preveda un'alta frequenza di commutazione.
Un interruttore con contatti meccanici, ha una durata massima di alcune decine di milioni di cicli di
commutazione, a seconda della corrente. La Fig. 3.1 illustra una caratteristica tipica del contatto a relé.
5
10
15
w -------------------.Fig. 3.1 Vita di un tipico contatto a relé durante un certo numero di cicli di commutazione (n). in dipendenza del
carico in Watt (W)
Il carico viene espresso in W per 24V in corrente continua. In caso di un solenoide in corrente alternata,
il carico da considerare è la potenza di mantenimento espressa in VA
L'insieme di un sensore statico contiene un resistere sensibile al campo magnetico.
Cosl come la resistenza del resistere fotosensibile cade sotto l'influenza della luce, questo resistere
reagisce al campo magnetico. Il cambiamento di resistenza è convertito da un circuito elettronico in un
comportamento onloft (vedere "diodi e transistor"). L'uscita non cambia gradualmente come quella dello
stesso resisto re, ma va direttamente da molto arto a molto basso, in maniera simile a quella di un contatto.
0SMC Italia
3.1
PNEUMAC SRL www.pneumac.it
Metodi di montaggio
A parte tipi specifici di montaggio relativi ad alcuni attuatori (componenti in miniatura, attuatori rotanti,
slitte, ecc) esistono tre sistemi di montaggio principali: con una fascetta, su una rotaia e agganciato ad un
tirante.
a
Fig. 3.2 l tre principali metodi di montaggio di un sensore, a) a fascetta, b) a rotaia, c) ad un tirante
Il primo metodo è ovviamente il più sicuro. La fascetta in acciaio attorno al cilindro ha un rivestimento
in gomma anti-sdrucciolevole ed è assicurata con una molla elastica e una vite.
Alcuni cilindri in miniatura ed altri elementi differenti hanno bisogno di una rotaia. La custodia del
senso re per questo metodo di fissaggio consiste in una linguetta forata che deve essere avvitata in un dado
nella rotaia. Montaggio piuttosto facile.
Il terzo metodo avviene con una forcella che deve essere fissata al tirante del cilindro con una o due
viti. Questo non rappresenta il sistema più sicuro, poiché esiste il rischio di danneggiarlo quando lo si
smonta. Inoltre il sensore non è saldamente pressato contro la camicia del cilindro.
COMPONENTI CHE COSTITUISCONO IL SENSORE
Riportiamo di seguito alcuni accorgimenti pratici; un indicatore ottico interno e. a seconda dell'applicazione, circuiti elettronici. Prima di tutto, nel caso dei tipi reed, occorre una protezione del contatto.
Quando un carico induttivo, come un solenoide, viene diseccitato, la carica elettrica in esso contenuta
troverà una via d'uscita attraverso il contatto d'apertura sotto forma di scintille, ciascuna delle quali
bruciando crea un piccolo cratere nella superficie del contatto e danneggia la sua efficienza. l sensori che
sono troppo piccoli per una protezione interna, devono essere collegati ad un circuito di protezione
esterno, come illustrato nella Fig. 3.3a per uno in corrente alternata
e 3.3b per uno in corrente continua.
Fig. 3.3 Circuito di protezione del
contatto
,.
3.2
PNEUMAC SRL www.pneumac.it
Componenti efettropneumatici
La differenza tra i due circuiti, consiste nel fatto che il tipo in corrente continua ha una capacità in serie
con un resistere tra le due connessioni, mentre il tipo in corrente alternata ha un soppressore di picchi.
Entrambi hanno una bobina d'arresto nell'ingresso superiore. Per capirne il funzionamento, osserveremo quello che accade all'interno del tipo in corrente continua. Nella Fig. 3.4, il circuito è completo di un
carico, normalmente un circuito d'ingresso a un controllore, ed una batteria come fonte di energia.
Fig. 3.4 Come opera la protezione del contatto
a: se il contatto è chiuso, le due linguette di contatto(+) e(-) sono direttamente interconnesse, di modo
che non c'è tensione tra di loro e il condensatore è completamente scarico. Con l'interruttore chiuso ,
una corrente, determinata dalla resistenza di questo carico, lo attraversa.
b; nel momento in cui l'interruttore si apre,la corrente non può più passare ed improwisamente appare
una tensione di 24V tra le due connessioni. Se il carico contiene una certa carica elettrica, ciò causa
un'alta corrente nella direzione opposta. Questa corrente inversa caricherà il condensatore nel CDP12 invece di scaricarla con delle scintille attraverso il contatto d'apertura.
La bobina d'arresto offre una resistenza molto alta al rapido cambiamento di corrente e risulta
essere molte volte più resistente di un resistere. La corrente, causata dalla carica rilasciata dal
carico, passa facilmente attraverso il condensatore, come indicato dalla freccia nera, ma come
mostra la Fig. 3.4 b. trova la via ostruita dalla bobina d'arresto. Quindi non ci sono scintille che
escono dal traferro dell'interruttore.
Il tipo in corrente alternata, che possiede il soppresso re di picchi, lavora fondamentalmente nello stesso
modo, ma se dovessimo osservare tutti i dettagli che questa differenza comporta, ci allontaneremmo
troppo da questo contesto .
SELEZIONE
l componenti che costituiscono un sensore vengono scelti in base a:
-tipo di controllo che commuta
-tensione
-corrente.
0SMC Italia
3.3
PNEUMAC SRL www.pneumac.it
l sensori senza circuito elettronico sono i più frequenti e comuni. Essi hanno soltanto una tensione
massima specificata, una corrente massima ed un a potenza massima. Per esempio, un sensore che abbia
specificato 1W, max 50V e max 1A, può commutare a 20mA con 50 V o a 1OOmA con 1O V, ma non può
commutare a 1mA con 1OOV anche se ciò produce solo 0.1 W.
t componenti dì un sensore con un indicatore LED interno, hanno bisogno di un circuito elettronico che
fornisca la giusta tensione per H LED. La maggior parte di tali componenti è specificata per una gamma
di corrente. Non c'è soltanto una corrente massima, come nel caso del solo sensore, ma anche una
corrente minima, al di sotto della quale, il sensore può funzionare, ma il LED non lampeggerà visibilmente.
l sensori a corrente continua per i controllori programmabili hanno un circuito con una protezione per
il circuito elettronico.
l componenti per i reté hanno dei circuiti per assorbire la corrente inversa del carico induttivo, ecc.
Questi esempi servono soltanto ad indicare che il tipo di controllo commutato da un insieme di
componenti è la prima cosa da considerare; vi sono tipi per circuiti integrati (IC), per relé e per tipi di
meccanismi di controllo a PLC. Usare il tipo sbagliato, può funzionare qualche volta, ma l'affidabilità e/o
la vita del sensore è molto compromessa.
ELETTROVALVOLE
AZIONAMENTO DIRETIO
Il principio di Skinner
La Fig. 3.5a mostra il principio di funzionamento di ~na elettrovalvola 212 azionata direttamente, così
come fu inventata da Skinner negli anni '30 negli Stati Uniti.
a
b
Fig. 3.5 Elettrovalvola secondo l'originario principio di Skinner; a) funzione 212; b) funzione 312
3.4