Confronto tra servomotori e motori a induzione
Un guasto al motore raramente riguarda solo il motore. In un trasportatore, una pompa, una macchina per il confezionamento o un asse CNC, la scelta del ricambio influisce sulla compatibilità dei controlli, sul tempo di ciclo, sulla qualità del processo, sulla strategia delle parti di ricambio e sulla rapidità con cui la linea può tornare in funzione. La differenza pratica tra servomotori e motori a induzione si riduce a una domanda: l’applicazione richiede un movimento controllato o una potenza rotativa affidabile?
Entrambi i tipi di motore sono comuni negli impianti industriali e nessuno dei due è automaticamente la scelta migliore. Un motore a induzione standard può garantire anni di servizio economico in un’applicazione con ventilatore o pompa. Un servomotore può posizionare un braccio robotico, una tavola indicizzatrice o una testa di taglio con una precisione ripetibile che un motore a induzione da solo non può offrire. La scelta della tecnologia giusta parte dalle esigenze operative della macchina e considera poi l’azionamento, il feedback, la meccanica e i ricambi disponibili.
Servomotori e motori a induzione: differenze fondamentali
Un motore a induzione, spesso chiamato motore a induzione CA, genera la rotazione inducendo corrente nel rotore tramite il campo magnetico creato dallo statore. Nella sua forma tradizionale, gira a una velocità correlata alla frequenza di rete e al numero di poli del motore. È semplice dal punto di vista meccanico, ampiamente disponibile e adatto ai carichi per servizio continuo.
Un servomotore fa parte di un sistema di controllo del movimento, non è un dispositivo di potenza autonomo. Il motore funziona con un servoazionamento e un dispositivo di feedback, in genere un encoder o un resolver. L’azionamento confronta continuamente la posizione, la velocità o la coppia comandate con il feedback effettivo del motore e corregge l’uscita secondo necessità. Questo controllo ad anello chiuso è il motivo principale per cui i servosistemi eccellono nei movimenti coordinati e ad alta precisione.
Il confronto non è sempre così semplice come precisione contro semplicità. Un azionamento a frequenza variabile, o VFD, consente di controllare efficacemente la velocità di un motore a induzione e può essere abbinato a un encoder per migliorare il feedback. In molte applicazioni, questa combinazione è sufficiente. In genere, però, non raggiunge le prestazioni di un servosistema dimensionato correttamente in termini di rapidi cambi di posizione, controllo della coppia a bassa velocità, risposta dinamica o sincronizzazione degli assi.
Dove i servomotori giustificano il loro costo
I servomotori si usano quando il movimento deve essere ripetibile, reattivo e misurabile. Tra gli esempi più comuni vi sono le apparecchiature pick-and-place, le celle robotizzate, i macchinari per il confezionamento, le macchine CNC, le linee di assemblaggio elettronico, le apparecchiature per l’etichettatura e le linee di trasformazione sincronizzate.
Il circuito di feedback consente a un sistema servo di mantenere la posizione comandata, accelerare rapidamente, decelerare con precisione e rispondere alle variazioni del carico. Un servomotore può inoltre generare una coppia elevata su un ampio intervallo di velocità. Questo è importante quando un asse deve spostare rapidamente un carico, fermarsi entro una tolleranza ridotta e ripetere il ciclo migliaia di volte per turno.
Per i team di manutenzione e ingegneria, il punto importante è che la sostituzione di un servomotore è una decisione che riguarda l’intero sistema. Il telaio del motore può essere fisicamente compatibile, ma la compatibilità può comunque venire meno a causa del protocollo dell’encoder, del tipo di connettore, della tensione del freno, delle specifiche dell’avvolgimento, del design dell’albero, della risoluzione del feedback o dei parametri del servoazionamento. Scegliere lo stesso produttore e l’esatto numero di parte è spesso la soluzione meno rischiosa, soprattutto sulle apparecchiature di automazione obsolete.
Anche i sistemi servo comportano dei compromessi. Costano più dei sistemi base con motori a induzione, richiedono azionamenti elettronici compatibili e possono essere più sensibili a configurazioni errate o danni ai cavi. Guasti al feedback, contaminazione dell’encoder, messa a terra inadeguata ed errori di taratura dell’azionamento possono tutti causare problemi di movimento che sembrano guasti del motore. Sostituire un servomotore senza controllare l’azionamento, il cavo di feedback, il carico meccanico e il backup dei parametri può prolungare il fermo macchina anziché risolvere il problema.
Quando i motori a induzione restano la scelta più pratica
I motori a induzione sono i cavalli di battaglia delle apparecchiature industriali rotanti. Si trovano comunemente su pompe, soffianti, compressori, trasportatori, miscelatori, frantoi, torri di raffreddamento e apparecchiature per la movimentazione dei materiali. Per le applicazioni che richiedono una rotazione continua anziché un posizionamento preciso, è difficile battere la combinazione di costo, durata e facilità di manutenzione che offrono.
Un motore a induzione a velocità fissa è spesso la scelta giusta quando il carico funziona a un unico punto operativo e le esigenze del processo sono stabili. Quando è necessario regolare la velocità, un VFD può ridurre i consumi energetici, migliorare il controllo del processo e rendere più graduali avviamenti e arresti. I ventilatori e le pompe centrifughe sono particolarmente adatti ai VFD, perché ridurre la velocità può diminuire notevolmente i consumi energetici.
È inoltre più facile reperire motori a induzione in un'ampia gamma di potenze, tensioni, dimensioni del telaio e tipi di involucro. Tuttavia, il motore sostitutivo deve comunque essere adatto all'applicazione. La sola potenza non basta. Prima di effettuare l'ordine, verificare la tensione, il numero di fasi, la frequenza, la corrente a pieno carico, la velocità di base, il fattore di servizio, il telaio, la configurazione di montaggio, le dimensioni dell'albero, la classe di protezione dell'involucro e il ciclo di servizio.
Un motore a induzione controllato da VFD richiede ulteriori accorgimenti. I motori standard possono surriscaldarsi a bassa velocità perché la ventola di raffreddamento montata sull'albero gira più lentamente. Cavi motore lunghi possono generare picchi di tensione che sollecitano l'isolamento degli avvolgimenti. Nelle applicazioni a velocità variabile più impegnative possono essere necessari un motore adatto all'alimentazione tramite inverter, il raffreddamento esterno, filtri in uscita o misure di protezione dei cuscinetti.
Confrontare le prestazioni in base al lavoro che la macchina deve svolgere
Il posizionamento è il criterio distintivo più chiaro. Se una macchina deve raggiungere una posizione esatta, mantenere la registrazione, sincronizzare elettronicamente un asse con un altro o correggere la posizione a ogni ciclo, il controllo servo è in genere la soluzione più adatta. Un motore a induzione con VFD è progettato principalmente per regolare la velocità, non per il posizionamento ad alte prestazioni.
Poi occorre considerare l'intervallo di velocità e la risposta. I servomotori possono funzionare efficacemente su ampi intervalli di velocità e reagire rapidamente alle variazioni dei comandi. I motori a induzione sono molto adatti alle applicazioni a velocità costante e a quelle a velocità variabile moderata, ma la loro risposta dipende dal motore, dal metodo di controllo del VFD, dall'inerzia del carico e dalla configurazione del feedback.
I requisiti di coppia vanno valutati lungo l'intero ciclo operativo, non solo alla velocità nominale di esercizio. Un trasportatore che si avvia a pieno carico, ad esempio, può richiedere una coppia di spunto considerevole. Un asse servo può aver bisogno di una coppia di picco durante brevi fasi di accelerazione, ma di una coppia continua modesta in seguito. Sovradimensionare uno dei due tipi di motore può aumentare i costi e nascondere problemi meccanici; sottodimensionarlo può causare surriscaldamento, interventi del drive e una durata ridotta dei componenti.
Anche le condizioni ambientali influiscono sulla scelta. Le aree sottoposte a lavaggio, i reparti di produzione polverosi, le installazioni all'aperto, le temperature ambiente elevate e le zone pericolose richiedono un involucro e una classe di protezione adeguati. Un motore elettricamente compatibile ma con una classe di protezione inadatta all'ambiente può diventare un punto di guasto ricorrente.
Pianificazione della sostituzione delle apparecchiature esistenti
Quando un motore si guasta su una macchina in funzione, prima di valutare eventuali sostituti, determina se il progetto originale si basa sull’alimentazione ad anello aperto, sul controllo della velocità con VFD o sul controllo servo ad anello chiuso. Un motore a induzione non può semplicemente sostituire un servomotore se il controllore della macchina richiede il feedback dell’encoder e un comportamento preciso dell’asse. Allo stesso modo, convertire un’applicazione con motore a induzione al controllo servo può richiedere un nuovo drive, un controllore di movimento, cablaggi, programmazione e una riprogettazione meccanica.
Quando sostituisci un motore a induzione, rileva i dati dalla targhetta e verifica i dettagli fisici che spesso sfuggono negli acquisti urgenti: piedini di fissaggio o flangia, dimensione del telaio, diametro e lunghezza dell’albero, cava per linguetta, requisiti di rotazione, configurazione del freno e orientamento della morsettiera. Per un servomotore, annota tutte le etichette visibili sul motore e sull’encoder, insieme al codice del drive, ai codici dei cavi, ai dettagli del freno, al tipo di albero e a qualsiasi configurazione di accoppiamento al riduttore.
Le scorte di prodotti usati, in eccedenza e obsoleti possono essere una soluzione pratica quando un motore OEM è fuori produzione o i tempi di consegna sono inaccettabili. Le condizioni e la provenienza sono importanti. Gli acquirenti dovrebbero cercare una chiara identificazione del componente, informazioni sull’ispezione, la copertura della garanzia e un fornitore che sappia distinguere tra un motore dall’aspetto simile e un ricambio compatibile. Used Industrial Parts soddisfa questo tipo di esigenza di manutenzione con scorte industriali nuove, usate e obsolete coperte da una garanzia di 12 mesi.
Un modo migliore per scegliere
Parti dall’applicazione, non dal motore che hai attualmente a disposizione. Di solito bastano poche domande per restringere rapidamente la scelta:
- La macchina richiede il controllo della posizione, la registrazione, la sincronizzazione o il posizionamento ripetibile?
- Il carico è continuo, variabile, ad alta inerzia o soggetto a frequenti avviamenti e arresti?
- Il controllo della velocità è necessario per le prestazioni del processo, per il risparmio energetico o per entrambi?
- Quali interfacce di azionamento, feedback, controllo e collegamento meccanico devono rimanere compatibili?
- La priorità è il costo iniziale più basso, il costo del ciclo di vita più basso o il ripristino più rapido di una macchina esistente?
