Cos'è l’azionamento a 4 quadranti e perché sceglierlo

Grazie alla collaborazione con Bucher Interfluid ha avuto modo di mettere alla prova le pompe a ingranaggi interni bidirezionali QXM e QXEM in alcuni settori, registrando un risparmio energetico fino al 70%.

In questo articolo analizzeremo le principali caratteristiche dei sistemi a 4 quadranti a velocità variabile e valuteremo i contesti in cui è consigliabile il loro utilizzo.

La ricerca di nuove soluzioni tecnologiche è una leva fondamentale per ogni azienda che voglia mantenere alta la propria competitività. Ma con la crescita costante dei consumi energetici dell’industria è stato necessario spostare l’attenzione sulla ricerca di nuovi modi per aumentare l’efficienza dei macchinari industriali e ridurre il loro impatto sull’ambiente.

I dati di fine 2020 avevano fatto ben sperare riportando un calo dei consumi energetici causato però dalla pandemia globale. Già nel primo trimestre 2021 la ripartenza delle attività produttive ha fatto registrare un aumento dei consumi energetici globali, che ha fatto nuovamente suonare un campanello d’allarme, soprattutto in relazione all'annunciato aumento dei costi dell'energia previsto per fine anno.

L'obbligo della diagnosi energetica ha reso ancora più pressante la necessità di ricercare soluzioni nuove per migliorare l’efficienza dei macchinari industriali e sono aumentate in maniera esponenziale le richieste di sviluppo di soluzioni per il risparmio energetico della produzione industriale, compito spesso demandato ai fornitori di componenti per l’automazione. 

Grazie al confronto con alcuni dei principali produttori di macchinario industriale in settori strategici e alla partnership consolidata con Bucher, Interfluid ha avuto modo di testare il miglioramento dell’efficienza dei macchinari ottenibile dall’impiego di un controllo a 4 quadranti, con particolare riferimento alla pompa bidirezionale a ingranaggi interni Bucher QXM e QXEM. 

Cos’è il controllo a 4 quadranti

I sistemi oleodinamici a velocità variabile sono generalmente caratterizzati da un livello di complessità superiore rispetto ai sistemi tradizionali a velocità costante e offrono tra i principali vantaggi proprio la possibilità di risparmiare fino al 70% di energia.

Nel nostro approfondimento analizzeremo le principali caratteristiche dei sistemi a 4 quadranti a velocità variabile e valuteremo i contesti in cui è consigliabile il loro utilizzo.

Una pompa 4 quadranti si distingue in particolare per 3 peculiarità tecniche:

1. è in grado di lavorare sia come pompa che come motore;
2. può cambiare il senso di rotazione;
3. se inserita in un sistema adeguatamente strutturato può funzionare come generatore di energia.

Nei quadranti in cui la pompa si comporta come motore (quadranti 2 e 4) la velocità e la coppia hanno la stessa direzione (entrambe positive o entrambe negative), nei quadranti in cui invece si comporta come pompa (quadranti 1 e 3) velocità e coppia hanno direzioni opposte (una negativa e una positiva).

Le pompe bidirezionali sono adatte sia ad applicazioni in rotazione oraria che ad applicazioni in rotazione antioraria grazie alla possibilità di cambiare il senso di rotazione, sia nel funzionamento come pompa che nel funzionamento come motore.

Vantaggi della tecnologia a 4 quadranti

Se inserita in un sistema adeguatamente organizzato, la tecnologia quattro quadranti permette di:

• Risparmiare energia. In un sistema servo in cui una pompa a ingranaggi interni bidirezionale è accoppiata a un inverter e a un motore brushless sincrono è possibile recuperare energia elettrica o oleodinamica: 

1. energia elettrica grazie alla frenata rigenerativa del motore brushless: quando la pompa opera come motore la coppia del motore è opposta alla direzione di rotazione e si genera energia cinetica che può essere impiegata nuovamente (funzione nota come frenata rigenerativa o anche come KERS, Kinetic Energy Recovery System) sia accumulandola in batterie (come nel caso delle auto ibride) che immettendola nuovamente in rete per apparecchiature o azionamenti elettrici, oppure immagazzinandola in batterie di rete per aumentare l’autarchia energetica.
   
   
2. In applicazioni con cilindro differenziale con l’utilizzo di accumulatori oleodinamici si accumula la differenza di volume che poi si traduce in energia oleodinamica che può essere immessa nuovamente nel sistema. In entrambi i casi l’impiego di un motore brushless garantisce anche un avvio rapido ed elevata precisione. 

• Semplificare l’impianto. Un sistema 4 quadranti è indicato anche in contesti in cui si ha la possibilità o la necessità di semplificare dell’impianto, come conseguenza dell’eliminazione delle valvole di controllo di flusso. Grazie all’inversione della rotazione, la pompa-motore può decidere la direzione dell’olio e pilotare un attuatore senza l’uso di valvole di controllo di flusso. In questo modo si riducono anche i componenti necessari per costituire l’impianto e, in base alla complessità del sistema, può essere ridotta anche la quantità di ricambi e di olio impiegato.

Ambiti applicativi dell'azionamento a 4 quadranti

La possibilità di controllare la velocità e la coppia in entrambe direzioni rende la tecnologia quattro quadranti particolarmente indicata per le applicazioni che richiedono operazioni a velocità variabile multiquadrante.

Le pompe 4 quadranti sono anche ideali in sistemi che richiedono una risposta dinamica, affidabilità e ripetitività.

Tra i principali ambiti applicativi Interfluid ha avuto modo di testare i vantaggi ottenuti con la tecnologia 4 quadranti applicata a:

• macchine brocciatrici;
• presse verticali;
• presse piegatrici;
• presse per il vetro;
• presse per plastica plastica-gomma, nella fase di controllo della vite di iniezione.

Azionamento a 4 quadranti, come capire se è adatto

Come accennato nei paragrafi precedenti, non tutte le applicazioni si prestano all’uso di pompe/motori a quattro quadranti, esistono dei casi in cui, al contrario, tale tecnologia è sconsigliata o addirittura non applicabile.

I tecnici Interfluid  analizzano il contesto produttivo valutando una serie di parametri, tra cui:

1. Tipologia di asse: la tecnologia 4 quadranti non è adatta ad applicazioni multiasse ma solo con asse singolo. Le pompe a 4 quadranti hanno una resa elevata in applicazioni dove è richiesto un sincronismo, dove lavorano 2 assi allineati, come nel caso delle presse piegatrici e delle presse verticali.
   
   
2. Tipo di ciclo macchina: pressione e portata richiesta, overload.
   
   
3. Analisi dell’investimento: la soluzione sarà proposta in base alle reali necessità dell’impianto e a seguito di un’analisi dell’investimento tecnologico che terrà conto dei costi di implementazione e della riduzione dei tempi di ammortamento rispetto ad altre soluzioni.
   
   

Interfluid distribuisce pompe a ingranaggi interni Bucher, note per le prestazioni elevate, e in particolare le pompe bidirezionali a ingranaggi interni QXM e QXEM.