Una delle decisioni più critiche nella progettazione dei quadri elettrici riguarda la scelta delle tensioni di alimentazione. Nel mondo dell’automazione industriale, infatti, il quadro elettrico non è solo un contenitore, ma il “cuore pulsante” che distribuisce energia ai macchinari e garantisce continuità operativa.
Aspetti da considerare nella scelta della tensione di alimentazione
Ma perché non viene usata un’unica tensione? La risposta risiede in un equilibrio tra sicurezza, efficienza energetica e necessità dei componenti, che cambia a seconda del contesto operativo.
La scelta delle tensioni di alimentazione in un quadro elettrico, infatti, non è mai arbitraria, ma deriva da una combinazione di fattori tecnici, normativi e applicativi. Tra i principali elementi da valutare rientrano:
- L’ambiente di installazione e il contesto applicativo, che può influenzare sia le tensioni utilizzabili sia le modalità di distribuzione dell’energia all’interno del quadro, e di conseguenza il tipo di carichi da alimentare (motori, inverter, sistemi di automazione), che determinano la necessità di utilizzare circuiti di potenza in corrente alternata e circuiti di comando in corrente continua.
- I requisiti di sicurezza: dove e come adottare tensioni basse e gradi di protezione IP elevati, per ridurre i rischi per gli operatori e di rispettare i criteri normativi.
- L’affidabilità e la compatibilità elettromagnetica dei sistemi di automazione per limitare disturbi e interferenze nei segnali di controllo.
- Il mercato di destinazione e la rete di alimentazione disponibile.
Ambiente di installazione e settore applicativo
L’ambiente di installazione varia dunque a seconda del settore applicativo, perché l’obiettivo o il focus delle prestazioni sarà diverso, come ad esempio in un contesto richiedente come il Food & Beverage. In questa tabella, riassumiamo le tensioni tipiche utilizzate nei diversi ambienti e contesti e le performance richieste.
Le principali tensioni nei quadri elettrici
Come si evince dagli esempi sopra, all’interno di un armadio industriale moderno, convivono quindi due diverse tipologie di circuiti:
1. Potenza: corrente alternata (CA)
La potenza è quasi sempre gestita in corrente alternata per azionare motori e carichi pesanti.
- 400V trifase: Lo standard europeo per i motori elettrici e le utenze di potenza.
- 230V monofase: Utilizzata per servizi ausiliari, ventilazione e prese di servizio all’interno del quadro.
2. Comando e ausiliari: corrente continua (CC)
La sicurezza dell’operatore e la stabilità dell’elettronica richiedono tensioni più basse.
- 24V CC: È diventato lo standard più utilizzato per la parte cosiddetta “logica”, cioè le interfacce utilizzate per automatizzare processi, monitorare macchinari e gestire attraverso sensori e attuatori I/O le linee di produzione, note anche come Programmable Logic Controller o PLC. Riduce drasticamente il rischio di shock elettrico e minimizza i disturbi elettromagnetici.
- 110V CC: Ancora presente in alcuni settori (come il ferroviario o il power generation) per circuiti di comando a lunga distanza.
Perché il 24V DC ha vinto la sfida della logica?
L’uso sempre più diffuso del 24V DC, è stato dettato principalmente da tre fattori:
- Sicurezza (Safety Extra Low Voltage o SELV): garantisce protezione del personale addetto contro i contatti diretti e indiretti usando tensioni non pericolose
- Elettronica: la parte logica PLC e i moduli I/O moderni sono nativamente digitali e operano meglio con tensioni continue stabilizzate.
- Dimensionamento: I componenti a 24V sono generalmente più compatti, permettendo di ridurre le dimensioni del quadro.
Quadri elettrici in mercati diversi: il ruolo di tensione e frequenza
Le tensioni utilizzate all’interno di un quadro elettrico non dipendono solo dai componenti installati, ma anche dalla rete di alimentazione disponibile. Se, infatti, in Europa lo standard industriale è 400V a 50Hz, in altri mercati – come Stati Uniti e Canada – sono comuni reti a 480V o 600V a 60Hz. Questo non comporta solo un cambiamento nella tensione di alimentazione, ma modifica anche il comportamento di componenti come trasformatori, motori e alimentatori. La frequenza di rete, infatti, influenza parametri elettromagnetici e prestazioni operative, con possibili effetti su velocità dei motori, correnti di magnetizzazione e dissipazione termica. Per questo motivo, progettare quadri elettrici destinati all’export richiede un’attenzione particolare alle differenze tecniche e normative tra gli standard IEC europei e gli standard nordamericani UL/CSA, che approfondiremo nei prossimi articoli.
Considerazioni sul thermal management
Un ulteriore aspetto spesso sottovalutato riguarda la gestione termica del quadro elettrico. La presenza di trasformatori, alimentatori e dispositivi di conversione introduce inevitabilmente perdite energetiche che si trasformano in calore. Quando nel quadro convivono diversi livelli di tensione – ad esempio 400V CA per la potenza e 24V CC per la logica – questi dispositivi di conversione richiedono un’adeguata dissipazione termica.
Per garantire l’affidabilità nel tempo dei componenti elettronici, è quindi fondamentale valutare correttamente la sovratemperatura interna (Delta T) secondo la norma CEI EN 61439, considerando il rendimento degli stadi di conversione e la distribuzione delle sorgenti di calore.
Un’adeguata strategia di thermal management consente di evitare il derating dei componenti sensibili, migliorare la continuità operativa e prolungare la vita utile dell’intero sistema.
Per questo, Fandis può aiutarti a progettare il sistema di thermal management più indicato alle condizioni operative del tuo quadro elettrico grazie alla sua gamma di prodotti pensati per ogni esigenza.