Actionneurs électriques ou pneumatiques

Nov 28, 2023

Deux compresseurs plus petits sont souvent moins coûteux à faire fonctionner qu'une unité plus grande. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Bimba Manufacturing Co.

Les actionneurs pneumatiques et électriques sont si différents que l'un ne peut pas remplacer l'autre. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Bimba Manufacturing Co.

Ce vérin pneumatique est disponible avec un blocage de tige en option, qui permet le blocage mécanique de la tige de piston dans n'importe quelle position le long de la course. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Bimba Manufacturing Co.

Les pneumatiques sont plus économiques lorsque l'échelle de déploiement correspond à la capacité du compresseur. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Bimba Manufacturing Co.

Les actionneurs pneumatiques fournissent une force et une vitesse élevées à un faible coût unitaire dans un faible encombrement. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Bimba Manufacturing Co.

Lors du calcul du coût de fonctionnement des appareils pneumatiques, les ingénieurs doivent tenir compte de la puissance et de l'efficacité du compresseur, des heures de fonctionnement annuelles et du coût de l'électricité. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Bimba Manufacturing Co.

Les actionneurs électriques sont les plus économiques lorsqu'ils sont déployés à une échelle modérée dans des processus où leurs avantages en termes de performances peuvent être un avantage et lorsque l'électronique est séparée de l'actionneur. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Bimba Manufacturing Co.

Vous envisagez de remplacer un compresseur et 200 vérins pneumatiques par des actionneurs électriques pour économiser sur l'air comprimé ? Ou peut-être envisagez-vous de construire une nouvelle machine avec des pneumatiques parce que 30 actionneurs électriques coûtent 34 000 $.

Dans tous les cas, vous prenez peut-être la mauvaise décision et gaspillez des dizaines de milliers de dollars par an. Le choix des actionneurs pneumatiques ou électriques implique une évaluation des performances, des coûts des composants, des coûts système et des gains de productivité. Les deux technologies sont si différentes que l'une ne peut remplacer l'autre. Chacun a des avantages et des inconvénients inhérents.

Les actionneurs pneumatiques fournissent une force et une vitesse élevées à un faible coût unitaire dans un faible encombrement. La force et la vitesse sont facilement réglables et sont indépendantes l'une de l'autre. L'application pneumatique typique utilise des cylindres surdimensionnés comme facteur de sécurité. Ceci est courant car les vérins pneumatiques sont peu coûteux et passer au diamètre supérieur suivant est faisable et pratique. Les prix des vérins à tige non réparables varient de 15 $ à 250 $, selon le diamètre du corps, la course et les options. Les vérins pneumatiques fournissent plus de force et de vitesse par unité de taille que toute autre technologie, à l'exception de l'hydraulique.

Les pneumatiques sont plus économiques lorsque l'échelle de déploiement correspond à la capacité du compresseur. Les petits compresseurs sont efficaces et économiques lorsqu'ils sont utilisés pour alimenter un petit nombre d'appareils pneumatiques. Les gros compresseurs sont efficaces et économiques lorsqu'ils alimentent un grand nombre d'appareils pneumatiques. La capacité inutilisée du compresseur est coûteuse. Le temps pendant lequel un compresseur tourne au ralenti sans charge est également coûteux.

Bien que les coûts des composants pneumatiques soient faibles, les coûts de maintenance et d'exploitation peuvent être élevés, surtout si aucun effort sérieux n'a été fait pour quantifier et minimiser ces coûts. Les coûts d'entretien et d'exploitation comprennent le remplacement des cylindres, l'installation et l'entretien des conduites d'air et l'électricité pour le compresseur. Selon le ministère de l'Énergie, 24 % du coût annuel de l'air comprimé sont dus à l'entretien, à l'équipement et à l'installation, tandis que 76 % sont dus directement au coût de l'électricité pour le compresseur.

En règle générale, l'efficacité du compresseur est inférieure lorsque le compresseur est partiellement chargé. De plus, si pendant la semaine de travail, les compresseurs sont laissés sous tension sans charge, une quantité importante d'électricité est gaspillée. Les déchets sont augmentés par un entretien inadéquat (fuites d'air) et une utilisation non essentielle du compresseur. Les compresseurs et les cylindres surdimensionnés, courants aujourd'hui, sont coûteux à exploiter.

La détermination du coût d'exploitation par dispositif pneumatique déployé dans une installation peut être révélatrice, surtout si les calculs de coûts n'ont pas été effectués depuis un certain temps et que l'échelle des opérations a diminué. S'il y a 500 appareils pneumatiques utilisant un compresseur, le coût par appareil peut atteindre en moyenne 100 $ par an, mais s'il n'y a que 50 appareils, alors le coût par appareil est multiplié par dix pour atteindre 1 000 $.

Contrairement à la pneumatique, les actionneurs électriques offrent un contrôle et un positionnement précis, aident à adapter les machines à des processus flexibles et ont un faible coût d'exploitation. Ils sont plus économiques lorsqu'ils sont déployés à une échelle modérée dans des processus où leurs avantages en termes de performances peuvent être un avantage et lorsque l'électronique est séparée de l'actionneur pour segmenter et minimiser les coûts de remplacement.

Les actionneurs électriques sont constitués d'une vis à billes, acmé ou à rouleaux reliée par un coupleur à un moteur électrique. Lorsque la vis tourne, elle déplace un écrou, qui est relié à la tige ou au chariot. La tige ou le chariot déplace la charge. Les performances varient en fonction des matériaux utilisés. Les moteurs couramment utilisés comprennent les moteurs pas à pas et les servos. Les moteurs à courant continu à balais et les moteurs à courant alternatif sont parfois utilisés avec des interrupteurs de fin de course lorsque la précision de positionnement est moins critique.

Les moteurs pas à pas sont un choix économique pour un positionnement précis à des vitesses inférieures. Cependant, les steppers peuvent perdre la synchronisation avec le contrôleur lorsqu'ils sont utilisés en boucle ouverte sans encodeur ou s'ils sont sous-dimensionnés pour une application. Les servos, par définition, sont en boucle fermée et offrent des performances supérieures à des vitesses élevées, mais à un coût plus élevé.

Des vis de haute précision et une mécanique anti-jeu peuvent fournir une précision de positionnement à dix millièmes de pouce. Les précisions standard avec des composants standard vont de quelques centièmes à quelques millièmes de pouce.

La vitesse et la poussée sont liées dans la physique d'un actionneur électrique. La vitesse est abandonnée pour la poussée et la poussée pour la vitesse. Il s'agit d'une distinction importante par rapport aux vérins pneumatiques. Pour un actionneur électrique donné, plus de poussée sera disponible à basse vitesse et moins de poussée à haute vitesse. Cette caractéristique est plus prononcée avec les moteurs pas à pas et moins avec les servos. Pour cette raison, un dimensionnement précis dans une application est essentiel. L'augmentation de la poussée à la même vitesse nécessite des conceptions différentes utilisant des composants et des matériaux différents. Une augmentation de la poussée et de la vitesse nécessite des composants et des matériaux plus gros et plus puissants, ce qui augmente les coûts.

Comprendre et évaluer la charge dans l'application dans des conditions réelles garantit la spécification du bon actionneur tout en minimisant les dépenses. Ne pas comprendre le chargement des applications rend l'ingénieur vulnérable à des performances médiocres et à des coûts élevés.

Outre une vis d'entraînement et un moteur, un actionneur électrique nécessite un amplificateur pour alimenter le moteur et un contrôleur pour contrôler le mouvement. Le coût total de ces composants varie de 800 $ à 3 000 $ et plus.

Les coûts d'exploitation des actionneurs électriques proviennent en grande partie de la consommation d'énergie du moteur. Les circuits basse tension de l'amplificateur et du contrôleur consomment beaucoup moins d'énergie.

Alors que les coûts des composants des actionneurs électriques sont élevés, les coûts d'exploitation sont faibles. Les coûts élevés des composants découragent souvent l'utilisation d'actionneurs électriques. Cependant, les économies potentielles sur les coûts d'exploitation par rapport à la pneumatique ne sont pas suffisamment prises en compte ou ignorées.

Par exemple, les changements manuels (adaptation d'une chaîne de montage à un produit différent) peuvent être coûteux en termes de perte de production et d'heures de travail nécessaires pour mettre en œuvre le changement. Au cours d'une année, si des changements sont nécessaires une fois par semaine et que chaque changement nécessite deux personnes pendant quatre heures à 50 $ de l'heure, les coûts des heures-homme s'élèvent à 20 800 $ par an. Si la ligne produit un assemblage par minute et que la valeur de chaque produit est de 10 $, les coûts de production perdus s'élèvent à 124 800 $. Ainsi, le coût annuel total des changements s'élève à 145 600 $.

Parce qu'ils sont programmables, les actionneurs électriques peuvent réduire considérablement ces coûts de changement. Les économies de coûts annuelles doivent être prises en compte dans le cadre de la décision de mise en œuvre.

Lorsque le coût de remplacement, le coût d'exploitation et l'efficacité du processus sont pris en compte, les coûts annuels des actionneurs électriques sont comparables à ceux des pneumatiques. Cela aide lorsque l'échelle de déploiement est modérée et lorsque les composants du système de mouvement peuvent être remplacés séparément à mesure qu'ils s'usent, plutôt que de remplacer un système de contrôle de mouvement complet.

Pour vraiment comparer les actionneurs électriques et pneumatiques, il est utile de regarder quelques exemples.

Supposons qu'une usine utilise un compresseur de 100 hp fonctionnant à pleine charge 2 000 heures par an à 90 % d'efficacité. Il alimente 20 actionneurs pneumatiques, qui coûtent en moyenne 50 $ chacun. Lorsque le compresseur n'est pas utilisé, il tourne au ralenti à 25 % de puissance et 85 % d'efficacité. Les actionneurs pneumatiques ont une durée de vie moyenne de trois ans. Le coût de l'électricité est de 0,10 $ par kilowattheure.

Les actionneurs électriques sont considérés comme des remplacements. Les appareils électriques coûtent en moyenne 900 $ chacun, plus 1 200 $ supplémentaires pour les commandes et les alimentations. Chaque actionneur consomme 6 ampères à pleine charge à 48 VCC 30 % du temps. Le temps restant, les actionneurs consomment 3 ampères. L'alimentation consomme 6 ampères à 120 VAC à pleine charge, produisant 9 ampères à 48 VDC. Les actionneurs mécaniques ont une durée de vie de trois ans, tandis que l'électronique a une durée de vie de 10 ans.

Les durées de vie dans cet exemple sont des hypothèses. La durée de vie réelle des composants varie. De plus, l'électricité automatisera un changement de ligne qui consomme deux heures par semaine pour deux personnes qui gagnent chacune 30 $ de l'heure. Le changement de ligne arrête la production. Pour chaque heure de production, 100 assemblages peuvent être produits à 1 $ chacun.

Dans cet exemple, le coût du système pneumatique est le suivant :

Si l'ancien compresseur de 100 ch peut être remplacé par un plus petit de 50 ch, les coûts baisseront. Le nouveau compresseur sera rentabilisé en environ un an et demi. Si le compresseur est éteint lorsqu'il n'est pas utilisé, les coûts diminueront encore plus. Les économies pourraient atteindre 25 000 $ par année. Notez que le coût réel par actionneur pneumatique passe de plus de 2 000 $ à environ 300 $ chacun en raison de l'efficacité du déploiement.

En comparaison, le coût d'un système électrique est le suivant :

De plus, le système électrique a permis d'économiser les coûts suivants :

Dans ce cas, les coûts d'exploitation et de maintenance confèrent clairement au système électrique un avantage substantiel sur le système pneumatique. Notez que le coût total par an est de 9 648 $, sans compter les économies pouvant être obtenues grâce à une adaptabilité accrue des machines. Une fois que nous considérons les gains de l'élimination des changements, la mise en œuvre des actionneurs électriques réduit en fait les coûts, plutôt que de les augmenter, d'environ 7 000 $ par an.

Une usine a un compresseur de 200 ch installé pour la pneumatique, fonctionnant à pleine charge 2 000 heures par an à 93 % d'efficacité. Il sera utilisé pour alimenter 150 actionneurs pneumatiques, qui coûtent en moyenne 50 $ chacun. Lorsque le compresseur n'est pas utilisé, il est éteint.

Une alternative consiste à utiliser des actionneurs électriques. Les actionneurs de remplacement coûtent 1 200 $ chacun, ce qui comprend les pilotes et les commandes intégrés, mais pas les alimentations. Chaque actionneur tire 6 ampères à pleine charge à 48 VDC, soit environ 30 % du temps. Le temps restant, les actionneurs fonctionnent à 3 ampères. L'alimentation consomme 6 ampères à 120 VAC à pleine charge, produisant 9 ampères à 48 VDC.

Dans cet exemple, le coût du système pneumatique est le suivant :

Même avec un gros compresseur de 200 ch, le coût par appareil est extrêmement faible, bénéficiant de la grande échelle de déploiement. Si un compresseur de 100 ch pouvait être utilisé à la place, les coûts pourraient être encore réduits.

En comparaison, le coût d'un système électrique est le suivant :

En raison de la grande échelle de déploiement, le coût de remplacement des actionneurs augmente le coût annuel du système, rendant les actionneurs électriques peu pratiques. Le système devrait augmenter considérablement la productivité pour qu'il en vaille la peine.

Dans ce cas, la pneumatique s'est avérée être l'alternative la plus économique. L'utilisation du compresseur est plus efficace en raison du plus grand nombre d'actionneurs pneumatiques déployés. Les coûts de remplacement des actionneurs électriques augmentent les coûts du système électrique. Même avec une conception d'actionneur électrique modulaire, les coûts sont nettement supérieurs à ceux du pneumatique.

Le coût initial des actionneurs n'est qu'une petite considération dans une liste de problèmes pour la mise en œuvre d'une automatisation intelligente et rentable. Le coût élevé des composants électriques peut être trompeur, mais il en va de même pour les coûts d'exploitation élevés des compresseurs. Aucun des deux ne raconte toute l'histoire.

Les coûts d'exploitation pneumatiques peuvent être contrôlés en dimensionnant le compresseur pour s'adapter à l'échelle de déploiement du dispositif pneumatique. Les coûts des actionneurs électriques peuvent être minimisés par un dimensionnement précis, en achetant des composants de contrôle de mouvement séparément et en les réservant aux applications dans lesquelles ils peuvent améliorer l'efficacité du processus. Les actionneurs pneumatiques présentent des avantages en termes de coût, de taille, de poussée et de vitesse, mais les actionneurs électriques présentent des avantages en termes de précision, de flexibilité et de contrôle, ce qui rend les machines et les processus plus efficaces. Une évaluation initiale estimée d'une application peut éviter les oublis et générer des économies considérables à long terme tout en garantissant que l'équipement correspond aux tâches à accomplir.

Utilisez l'équation suivante pour estimer le coût de fonctionnement d'un actionneur électrique :

Coût = courant x tension x 0,001 x heures de fonctionnement annuelles x coût de l'électricité x cycle de service

Le courant est la consommation de courant de l'alimentation ou du contrôleur qui alimente les enroulements du moteur. La tension est la tension de la ligne AC. Le cycle de service est le pourcentage de temps pendant lequel le moteur tire le courant spécifié. En règle générale, un moteur consomme une partie du temps de courant complet, une partie du courant complet du temps, et tourne au ralenti un autre pourcentage du temps sans charge, lorsque la majeure partie de la consommation de courant est due à l'électronique de commande.

Supposons que nous utilisons une alimentation CC pour alimenter l'actionneur. Cette alimentation fournit 48 VDC à un maximum de 12 ampères. D'après la fiche technique du fabricant, l'alimentation consomme un maximum de 8 ampères à 120 VAC. Notre calcul du coût de l'actionneur électrique suppose que le moteur de notre actionneur consomme 6 ampères de courant continu à pleine charge et 1 ampère de courant continu au ralenti. Supposons également que la moitié de la consommation de courant de l'actionneur se traduit linéairement par la moitié de la consommation de courant de l'alimentation.

Le système fonctionne 8 heures par jour, cinq jours par semaine, et l'électricité coûte 0,10 $ par kilowattheure. Le système tourne au ralenti la moitié du temps et consomme une pleine charge la moitié du temps.

Coût annuel à pleine charge = 120 x 4 x 0,001 x 8 x 5 x 52 x 0,1 x 0,5 = 49,92 $

Coût annuel au ralenti = 120 x 0,67 x 0,001 x 8 x 5 x 52 x 0,1 x 0,5 = 8,36 $

Pour les coûts d'exploitation totaux, additionnez les coûts, ce qui équivaut à environ 58 $ par an par actionneur.

Nous devons également estimer les coûts de remplacement :

Actionneurs = (coût unitaire x quantité) ÷ durée de vie

Électronique = (coût unitaire x quantité) ÷ durée de vie

Si le système d'actionneur coûte au total 1 200 $, dont l'actionneur lui-même coûte 900 $ et a une durée de vie de trois ans, les coûts annuels totaux sont d'environ (900 $ ÷ 3) + 58 $ ou 358 $ pour chaque actionneur déployé. Si l'électronique est enterrée dans l'actionneur et que l'ensemble de l'unité doit être remplacé lorsque le produit tombe en panne, les coûts totaux par an de possession s'élèvent à 458 $ par an et par actionneur. En règle générale, l'électronique aura une durée de vie plus longue et sa contribution aux dépenses de maintenance sera moindre.

Avec les actionneurs pneumatiques, la force est proportionnelle à la surface du piston. Pour calculer la force :

F = (diamètre du piston)² x 0,785 x (pression d'air)

Par exemple, un cylindre de 1,0625 pouce de diamètre à 100 psi produit 89 livres de force.

La vitesse et la force peuvent être contrôlées indépendamment. Pour plus ou moins de force, augmentez ou diminuez la pression d'air à l'aide d'un régulateur. Pour une vitesse réduite, utilisez un régulateur de débit. Ces facteurs se combinent pour simplifier le dimensionnement des applications.

Pour rendre l'estimation des coûts plus simple et plus rapide, l'équation suivante peut être utilisée pour estimer le coût annuel de l'air comprimé :

Coût = (puissance x 0,982 x heures de fonctionnement annuelles x coût de l'électricité) ÷ efficacité

Les heures de fonctionnement annuelles représentent le nombre d'heures pendant lesquelles le compresseur fonctionne à pleine charge par an. Pour calculer le coût de l'électricité, divisez votre facture d'électricité totale par les kilowattheures consommés pour obtenir des dollars par kilowattheure. L'efficacité est l'efficacité du moteur du compresseur, comme indiqué dans les spécifications du compresseur.

Supposons que le compresseur est évalué à 200 ch et qu'il fonctionne à pleine charge pendant 8 heures par jour, cinq jours par semaine. Si le coût de l'électricité est de 0,10 $ par kilowattheure et si le compresseur est efficace à 90 % à pleine charge, le coût annuel de l'air comprimé peut être calculé comme suit :

Coût = (200 x 0,982 x 8 x 5 x 52 x 0,1) ÷ 0,9 = 45 390,24 $

Cette équation suppose que le compresseur est allumé à pleine charge ou éteint. En réalité, les compresseurs consomment souvent de l'électricité à vide lorsqu'ils ne sont pas utilisés, à hauteur de 20 à 30 % de l'utilisation à pleine charge. De plus, l'efficacité du compresseur est plus faible lorsqu'il est partiellement chargé (85 % au lieu de 90 % dans notre exemple).

Si pendant la semaine les compresseurs sont laissés allumés à vide, nous pourrions ajouter ce qui suit au coût total de l'air comprimé :

Aucun coût de chargement = (200 x 0,982 x 16 x 5 x 52 x 0,1 x 0,25) ÷ 0,85 = 24 030,12 $

Le coût d'exploitation total est obtenu en ajoutant les coûts à pleine charge et sans charge, ce qui s'élève à plus de 69 000 $. Si la puissance réelle de l'arbre du compresseur est supérieure de 5 %, les coûts en charge et à vide augmentent de 5 %. Si le compresseur est éteint au lieu de rester allumé en permanence, les coûts chutent à 45 000 $.

Le coût des bouteilles de remplacement doit également être pris en compte :

Coûts de remplacement annuels des bouteilles = (quantité x coût par bouteille) ÷ durée de vie

Les coûts d'exploitation du compresseur à pleine charge, les coûts d'exploitation à vide et le coût de remplacement total des cylindres doivent être ajoutés pour déterminer le coût total du système. Divisez ce nombre par le nombre de cylindres déployés pour trouver le coût moyen par cylindre.

Par Robert Kral, ingénieur principal du support technique, Bimba Manufacturing Co. University Park, IL