Seleccionar las fuentes de alimentación adecuadas para los cobots y AGV en la fabricación

La fabricación automatizada se basa cada vez más en robots colaborativos (cobots) y vehículos de guiado automático (AGV) para mejorar la eficacia de la producción y reducir la variabilidad de los productos. Los cobots trabajan muy cerca de los trabajadores humanos y suelen ser más ligeros y pequeños que los robots industriales tradicionales. También manejan cargas más ligeras, se mueven a velocidades más lentas y aplican fuerzas más bajas. Los AGV, por su parte, se mueven dentro de una instalación, transportando materiales y paquetes. Ambos tienen distintos retos de potencia.

Los cobots suelen alimentarse mediante una fuente de alimentación de CA/CC que debe satisfacer sus demandas dinámicas de energía. Estas exigencias varían con el peso de la carga, la velocidad y la complejidad del movimiento. Los AGV funcionan con baterías y requieren una carga rápida para minimizar el tiempo de inactividad. Para ello se necesitan estaciones de carga con potencia suficiente para la carga rápida.

Ambas aplicaciones necesitan fuentes de alimentación fiables, eficientes y debidamente certificadas.

Este artículo examina los singulares retos energéticos a los que se enfrentan los diseñadores de cobots y AGV en la automatización de la fabricación industrial. A continuación, presenta las soluciones de Advanced Energy y destaca las características que ayudan a los diseñadores a cumplir estos requisitos.

Requisitos de potencia para cobots y AGV

Los requisitos clave para las fuentes de alimentación de cobot y AGV incluyen tamaño compacto, fiabilidad, alta potencia de salida y protección robusta contra cortocircuitos, sobrecargas, sobretensión y sobretemperatura. También deben cumplir los requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM) para minimizar las interferencias con otros dispositivos y cumplir las normas básicas de seguridad eléctrica y física para los usuarios y los equipos circundantes.

La fuente de alimentación de los cobots debe manejar demandas de potencia muy variables, ya que los requisitos de potencia varían en función de la carga que debe mover el cobot, la complejidad del movimiento y la velocidad de cambio requerida. Además, el cobot puede necesitar accionar varios motores de articulación simultáneamente. Esto requiere fuentes de alimentación con una gran capacidad de potencia máxima. Debido al espacio limitado dentro del cobot, la fuente de energía debe ser lo más pequeña posible, lo que requiere una alta densidad de potencia. Los entornos industriales y de automatización de fábricas funcionan 24 horas al día, 7 días a la semana, lo que exige una alta fiabilidad y un largo tiempo medio entre fallos (MTBF). Además, la carga de potencia altamente variable requiere una dinámica del bucle de control de la fuente de alimentación que permanezca estable independientemente de las variaciones de carga y de las condiciones ambientales, a menudo duras.

Los AGV transportan materiales y mercancías de forma autónoma, sin supervisión humana. Equipados con sensores y sistemas de visión, los AGV reducen los errores humanos y mejoran la eficacia y la seguridad, reduciendo el riesgo de accidentes laborales. Los AGV, que suelen funcionar con baterías, necesitan estaciones de carga rápidas y discretas para minimizar las interrupciones y los tiempos de inactividad.

En un momento en el que la innovación y el tiempo de comercialización son claves para el éxito, los diseñadores de cobot y AGV carecen a menudo de los recursos necesarios para diseñar y desarrollar de forma rentable una fuente de alimentación adecuada. En su lugar, necesitan acceder a una amplia cartera de soluciones de alimentación fiables respaldadas por conocimientos técnicos, que les permitan centrarse en la diferenciación de aplicaciones en lugar de en el desarrollo de fuentes de alimentación.

Fuentes de alimentación de la serie LCM1500 de Advanced Energy

Los diseñadores de cobots y AGV pueden recurrir a la serie LCM1500 (figura 1) de fuentes de alimentación CA/CC de Advanced Energy para satisfacer los requisitos de rendimiento, fiabilidad, eficiencia y seguridad de la automatización de la fabricación. El diseño de vanguardia de los circuitos de la LCM1500, incluido el control de realimentación digital, combinado con componentes cuidadosamente seleccionados y procesos de producción automatizados, da como resultado fuentes de alimentación de alto rendimiento y rentables. Esta amplia línea de fuentes de alimentación también ofrece una gran variedad de opciones y configurabilidad personalizada.

Figura 1: Ejemplos de configuraciones de la fuente de alimentación LCM1500 muestran las conexiones de salida del bloque de terminales (izquierda) y de las cuchillas (derecha). (Fuente de la imagen: Advanced Energy)

El LCM1500 está disponible con tensiones de salida estándar de 12 V, 15 V, 24 V, 28 V, 36 V y 48 V para una gran variedad de aplicaciones de automatización de la fabricación. Por ejemplo, los cobots utilizan habitualmente suministros de 48 V para proporcionar un bus de alimentación de CC común, que se distribuye a los motores individuales de cada articulación móvil. Las tensiones de salida de las fuentes LCM1500 son ajustables en un rango de ±10%, y tienen una tolerancia de consigna de 0.5%. La fuente LCM1500 está encerrada en una carcasa de 2.5 × 5.2 × 10 pulgadas (in) destinada al montaje en chasis. La potencia nominal de salida de 1,500 W en esta caja produce una densidad de potencia de salida de 12 W por pulgada cúbica.

Altas densidades de potencia como ésta requieren refrigeración por aire forzado. En estas fuentes, la refrigeración corre a cargo de dos "ventiladores inteligentes" montados en el panel posterior de la fuente de alimentación. La velocidad del ventilador está controlada por un software que la ajusta para satisfacer las necesidades de refrigeración. El panel frontal está perforado para permitir el flujo de aire de refrigeración, mientras que el resto de las paredes de la caja son sólidas. La altura de 2.5 in de estas fuentes de alimentación las hace idóneas para su instalación en gabinetes con rack de 2U.

Las unidades con tensiones de salida más elevadas disponen de un bloque de terminales de alta resistencia para conectar la salida. Las unidades de 12 V y 15 V, que tienen corrientes de salida de 100 amperios (A) o superiores, proporcionan contactos de cuchilla.

Las fuentes de alimentación de la serie LCM1500 están preparadas para funcionar en un intervalo de temperaturas de -40 a 70 °C, con la potencia de salida reducida linealmente por encima de 50 °C y limitada a 50% a plena potencia a +70 °C (figura 2).

Figura 2: Se muestra la curva de reducción de temperatura de las fuentes de alimentación de la serie LCM1500. (Fuente de la imagen: Advanced Energy)

Las fuentes de alimentación de la serie tienen un MTBF calculado superior a 300,000 horas, basado en la especificación Bellcore 332, edición 6 (+25 °C y +40 °C ambiente, a plena carga). En condiciones normales de funcionamiento, la familia de productos tiene un MTBF superior a 500,000 horas, según los datos de rendimiento.

Estas fuentes funcionan en un rango de tensión de entrada de 90 V_CA a 264 V_CA con frecuencias de alimentación de 47 Hz a 440 Hz. Su factor de potencia de entrada suele ser de 0.99 y su corriente de sobretensión (de arranque) de entrada está limitada a 25 A.

La regulación total de la tensión, incluyendo la línea, la carga, el cambio de temperatura y el calentamiento, es de 2% gracias al control digital de realimentación. Estas fuentes pueden compartir la corriente de salida, lo que permite conectar hasta 10 fuentes en paralelo para aumentar la potencia de salida.

Funciones de protección que debe buscar

Las fuentes de alimentación de la serie LCM1500 cuentan con múltiples funciones de protección. Son necesarios para aplicaciones como los cobots, en las que un motor atascado puede extraer una corriente excesiva de la fuente de alimentación. Las funciones clave a tener en cuenta son:

• La protección contra sobretensión (OVP) desconecta la alimentación en caso de sobretensión de salida. Protege las baterías del AGV de la sobrecarga durante un fallo de alimentación y se borra al ciclar la entrada de CA.
• La protección contra sobrecorriente (OCP) es un circuito interno para limitar la corriente en caso de sobrecarga o cortocircuito. El OCP intenta automáticamente la recuperación aproximadamente 20 segundos (s) después de la eliminación de la sobrecarga.
• La protección contra cortocircuitos (SCP) protege todas las salidas en caso de cortocircuito a tierra o a otra salida. Al igual que con el OCP, la salida se restablece 20 s después de que se elimine el cortocircuito.
• La protección contra sobretemperatura (OTP) desconecta la fuente de alimentación cuando la temperatura ambiente supera los +55 °C a plena carga. El OTP se autodescarga cuando la temperatura desciende a un valor seguro.
• Las fuentes de alimentación están protegidas por un fusible de 30 A en las líneas de entrada de CA. El fusible es interno y no es reparable por el usuario.

Dos LED de estado en el panel frontal indican la presencia de alimentación de CA (ACOK) e informan del estado de la salida de CC como en funcionamiento (DCOK) o en modo de desconexión (FAIL) (figura 3).

Figura 3: Una vista del panel frontal del LCM1500 muestra la ubicación de los LED de estado y las conexiones primarias. (Fuente de la imagen: Advanced Energy, modificado por Art Pini)

Cuando la fuente de alimentación funciona con normalidad, estos LED están encendidos y se muestran en verde. En caso de avería, se apagan. También se muestran los principales conectores de entrada, salida y control del panel frontal.

El PMBus simplifica la gestión de la alimentación eléctrica

El PMBus, estándar de la industria, es un protocolo de comunicación basado en I²C para gestionar las fuentes de alimentación. PMBus funciona con todo tipo de productos de gestión de energía, incluidas las fuentes de alimentación CA/CC. La serie LCM1500 incluye un puerto de interfaz I²C accesible a través del conector de señal. Esto permite supervisar y controlar la fuente de alimentación a través de comandos PMBus, incluido el encendido o apagado, la supervisión del estado, el ajuste del nivel de tensión de salida, etc. La función de control remoto es útil para permitir el control interactivo de los dispositivos robóticos, como poner la alimentación en modo de espera para reducir el consumo de energía cuando el cobot está inactivo.

Certificación de normas

La serie LCM1500 cumple los requisitos de seguridad eléctrica, compatibilidad electromagnética y normativa internacional para aplicaciones de automatización industrial, incluidas las certificaciones según IEC/EN/UL 62368-1 y normas relacionadas (figura 4).

Figura 4: Se muestra un resumen de las certificaciones y homologaciones de seguridad, CEM, industriales, médicas y normativas internacionales del LCM1500. (Fuente de la imagen: Advanced Energy Industries)

El diseño de la serie LCM1500 también garantiza el cumplimiento de las normas FCC Parte 15, CISPR 32, EN55022 y las secciones pertinentes de la norma EN61000 (IEC 61000) en materia de inmunidad. Estos requisitos garantizan la compatibilidad electromagnética (CEM) en el entorno de la fábrica, donde deben coexistir múltiples fuentes y receptores de radiofrecuencia.

Opciones y configuraciones de la fuente de alimentación del LCM1500

Las fuentes de alimentación LCM1500 están disponibles en diversas configuraciones para ayudar a los diseñadores a satisfacer los requisitos de las aplicaciones.

Considere el LCM1500Q-T-4, que tiene una tensión nominal de salida de 1500 W, 24 V y una corriente máxima de salida de 67 A. También tiene un bus de alimentación de reserva opcional incorporado de 5 V capaz de suministrar hasta 2 A para circuitos auxiliares. La alimentación de reserva está disponible a través del conector de control de 20 patillas.

La LCM1500W-T-B es una fuente de alimentación frontal de 1,500 W con una única salida de 48 V y una corriente de salida máxima de 33 A. Incluye dos opciones: flujo de aire inverso y corriente constante. El flujo de aire inverso invierte el flujo de aire estándar de atrás hacia delante; en su lugar, el aire entra por el panel frontal y sale por los ventiladores montados en la parte trasera. La corriente constante mantiene la corriente de salida a un nivel fijo variando la tensión.

El último modelo es el LCM1500Q-T-5, una fuente de alimentación de 1,500 W y 24 V con una corriente máxima de 67 A. Incluye la opción de alimentación de reserva de 5 V y cuenta con revestimiento de conformación en todas las placas de circuitos.

El revestimiento de conformación protege las placas contra la humedad y la contaminación por partículas en entornos industriales.

Conclusión

Los diseñadores de cobot y AGV necesitan fuentes de alimentación fiables que proporcionen una gran potencia en factores de forma compactos y compatibles con la fábrica. Las fuentes de alimentación de la serie LCM1500 de Advanced Energy ofrecen 1,500 W de potencia de salida, con una gama de tensiones de salida y características opcionales, lo que las hace ideales para sistemas cobot y AGV en entornos de fabricación.