Aproveite a robótica de 48V:aumente a eficiência e a potência na automação industrial

A procura por eficiência e rentabilidade nos sistemas elétricos está a impulsionar a adoção de sistemas de 48V em todas as indústrias. Esses sistemas de tensão mais alta oferecem uma alternativa mais ideal às arquiteturas convencionais de 12 ou 24 V, especialmente onde o fornecimento de alta potência é essencial. A automação industrial e as telecomunicações utilizam 48V para alimentar motores, atuadores e outros equipamentos de alta potência.

As vantagens de usar sistemas de 48V incluem:

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  Mova cargas maiores: ao contrário dos sistemas de 12 V, que lutam para atender aos requisitos de energia modernos
  
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  Correntes mais baixas: tensão mais alta reduz os requisitos de corrente em quatro vezes
  
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  Perda de energia reduzida: correntes mais baixas significam menos perda de energia, menos calor para dissipar e maior eficiência; operando em uma tensão mais alta
  
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  Maior densidade de potência: soluções integradas de 48 V permitem maior densidade de potência, traduzindo-se em maior autonomia e menor perda de energia em sistemas de energia limpa
  
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  Cabeamento mais leve: cabos mais finos reduzem custos e reduzem peso e espaço.
  

História dos Sistemas de Distribuição de Energia

O sistema de distribuição de energia de 6V tornou-se um padrão prático para ignição e iluminação nos primeiros automóveis, em grande parte influenciado pelo uso generalizado de baterias na época. Sua simplicidade e facilidade de uso tornaram-no uma escolha popular. Embora os sistemas de 24 V tenham sido inicialmente testados – por exemplo, no Cadillac 1912 com sua partida elétrica – o sistema de 6 V rapidamente ganhou domínio para a maioria das funções elétricas automotivas.

À medida que a tecnologia automotiva avançava, a demanda por acessórios elétricos, como rádios, aquecedores e, posteriormente, vidros elétricos, começou a crescer. Isto colocou maior pressão sobre o sistema elétrico, destacando as limitações da configuração de 6V. Um sistema de 12 V oferecia uma vantagem importante:para a mesma potência, era necessária apenas metade da corrente, o que reduzia o risco de sobreaquecimento e permitia a utilização de uma cablagem mais leve e manejável.

O desenvolvimento de baterias e alternadores de chumbo-ácido confiáveis de 12 V apoiou ainda mais a transição. Com esses componentes se tornando mais fáceis de produzir e mais econômicos ao longo dos anos, o sistema de 12V tornou-se o novo padrão. Isso levou ao projeto e à adoção generalizada de peças elétricas compatíveis, incluindo iluminação e motores que operavam com mais eficiência em tensões mais altas.

Lutas dos Sistemas Tradicionais

Driver de porta BLDC trifásico AMT49100. (Imagem:Alegro)
As demandas modernas de energia não podem ser atendidas com os sistemas tradicionais de 12 V, atualmente a base do fornecimento de energia. As limitações dos sistemas de 12 V ficam claras quando se consideram fatores como perda de energia e espessura do cabo.

À medida que as demandas de energia aumentam, também aumentam as correntes dentro de um sistema de 12 V de forma linear (P =V * I). Isto resulta em maiores perdas de energia ao longo de qualquer fiação da fonte de alimentação até a carga (Ploss =I2 * R).

Estas perdas de energia manifestam-se como calor indesejado e redução da eficiência do sistema. Além disso, o gerenciamento de correntes mais altas requer cabos mais grossos e pesados, o que acrescenta peso e custo aos projetos do sistema.

Equipamentos de Automação Industrial

Esses sistemas de 48 V são cada vez mais utilizados em automação industrial e robótica, oferecendo maior potência e maior segurança em sistemas de baixa tensão. Isso inclui componentes como motores, sensores e drivers de porta projetados para lidar com as demandas de tensão e energia mais altas de aplicações industriais.

As correntes mais baixas presentes nestes sistemas reduzem a geração de calor e potenciais riscos de incêndio. Em comparação com sistemas de tensão mais alta, os sistemas de 48 V requerem menos isolamento, o que pode ser um fator importante em projetos compactos. Como ficam abaixo do limite de segurança de 60 V, são frequentemente considerados SELV (segurança extra baixa tensão), o que significa que são projetados para serem seguros para contato direto com equipamentos não blindados.

Esses sistemas oferecem maior eficiência e precisão, reduzindo a perda de energia, permitindo um controle mais rápido e permitindo equipamentos menores e mais leves, maior destreza e melhor gerenciamento térmico.

Soluções 48V com alta eficiência

Sensor de corrente de baixa resistência ACS37220. (Imagem:Alegro)
A Allegro oferece uma ampla gama de sensores e produtos de CI de potência prontos para uso no projeto de sistemas de 48 V em uma infinidade de aplicações robóticas. A redução da perda de energia com as soluções de 48 V da Allegro traduz-se num aumento tangível na economia de combustível para híbridos moderados, ampliando significativamente a autonomia de todos os veículos eletrificados e melhorando a eficiência de conversão de energia em inversores solares.

Os drivers de motor e portão da Allegro fornecem controle preciso e eficiente para motores e atuadores de 48V usados em automação automotiva e industrial, melhorando a produtividade e a confiabilidade. Seu sensor de corrente integrado IC suporta aplicações de alta tensão, enquanto os sensores de posição digital oferecem robustez e confiabilidade para complementar os drivers do motor.

Robôs móveis autônomos (AMRs) navegam em ambientes dinâmicos para logística e inspeção, exigindo movimento preciso, gerenciamento robusto de bateria e detecção confiável de obstáculos. Os drivers de motor integrados da Allegro, os sensores magnéticos para posicionamento e detecção de carga e os CIs de gerenciamento de energia eficientes melhoram o desempenho da AMR, otimizam o uso de energia e garantem a segurança operacional em diversos ambientes.

Os robôs colaborativos (cobots) trabalham com segurança com humanos, exigindo movimentos precisos, recursos avançados de segurança (SIL-2/3) e energia eficiente para articulações articuladas. Os gate drivers de 48 V da Allegro, os sensores de posição de alta resolução e os sensores de corrente precisos permitem um desempenho robusto das juntas, frenagem confiável e gerenciamento de energia otimizado para uma colaboração confiável entre homem e robô.

Os robôs humanóides buscam movimentos e interações semelhantes aos humanos, exigindo atuação sofisticada, equilíbrio dinâmico e percepção complexa. O controle avançado do servo motor da Allegro, o versátil sensor de posição multieixo e as tecnologias eficientes de gerenciamento de energia são fundamentais para a mecânica complexa e o desempenho exigente exigido pelas inúmeras articulações dos robôs humanóides.

Por que parar em 48V?

Placa de avaliação ACSEVB-EZ7-37220-100B3 para o sensor de corrente ACS37220 (esquerda). Placa de avaliação APEK85111KNH-02-T-MH para driver de porta isolado AHV85111 (direita). (Imagem:Alegro)
O principal fator por trás desse limite foram os padrões de segurança que deveriam ser atendidos. Organizações como UL e NFPA classificam tensões abaixo de 60 V como SELV, considerando-as seguras para contato humano com equipamentos não blindados. Os sistemas que operam acima de 48 V exigiam componentes e engenharia mais robustos para garantir isolamento e isolação adequados, o que aumentava o custo e a complexidade gerais.

Embora os sistemas de 48 V pudessem ser econômicos, os sistemas de tensão mais alta geralmente envolviam maiores despesas iniciais devido à necessidade de componentes e fiação especializados. Seu projeto tendia a ser mais complexo e a implementação poderia ser mais cara, pois as peças especializadas eram mais caras ou exigiam processos de fabricação mais complexos.

Impulsionando a Revolução da Inteligência Artificial

Fornecer respostas de IA de baixa latência requer um poder computacional substancial, o que aumenta significativamente as demandas de energia do data center. Para melhorar a eficiência e reduzir os requisitos de refrigeração, os data centers estão fazendo a transição de sistemas de energia de 12 V para 48 V.

As inovações no design da fonte de alimentação apoiam esta mudança, com desenvolvimentos futuros destinados a melhorar o desempenho e a densidade da fonte de alimentação. Consequentemente, os data centers precisam estar equipados com servidores de alto desempenho, sistemas de resfriamento avançados e infraestrutura de energia robusta para gerenciar a carga de trabalho de maneira eficaz.

Os operadores de centros de dados estão cada vez mais a adotar tecnologias energeticamente eficientes, como refrigeração líquida, fontes de energia renováveis e virtualização de servidores, para reduzir a sua pegada de carbono e diminuir os custos operacionais.

Conclusão

A mudança dos sistemas de 12 V para 48 V é impulsionada pela necessidade de maior eficiência e redução dos requisitos de refrigeração. Na automação industrial, esses sistemas oferecem maior potência e maior segurança em comparação com opções de tensão mais baixa.

Componentes como motores, sensores e acionadores de portão são projetados especificamente para sistemas de 48V, com foco em segurança, potência, mobilidade e economia de custos. Com uma ampla linha de produtos 48V, a Allegro oferece soluções que permitem maior integração, além de economia de espaço e energia, permitindo que você se concentre na sua aplicação.

Rich Miron é desenvolvedor sênior de conteúdo técnico da DigiKey (Thief River Falls, MN). Para mais informações, acesse aqui  .