config

Układy napędowe w przemyśle

 

Napędy jako zespoły połączonych ze sobą i oddziałujących na siebie wzajemnie elementów przetwarzających energię elektromechaniczną są nieodzownym elementem wielu procesów technologicznych.

 

Napędy modułowe

Napędy modułowe zapewniają przede wszystkim elastyczność. Odpowiednie rozwiązanie jest zatem dobierane w zależności od potrzeb aplikacji. Można również zbudować układy ze wspólną szyną DC, a także aplikacje, które mogą zwracać nadmiar energii elektrycznej do sieci zasilającej. Oprócz tego niejednokrotnie zastosowanie znajdują systemy złożone z kilku połączonych ze sobą napędów równolegle. Wiele rozwiązań bazuje na specjalnych platformach sterowniczych. Na kompletny modułowy system napędowy składa się moduł: napędowy, falownika, prostownika, kontrolera Master, kontrolera Slave. Specjalne urządzenie pozwala na automatyczne dołączanie/odłączanie modułów napędowych. Częstą praktyką jest projektowanie systemów redundantnych, przez co w razie potrzeby można odłączyć moduł, natomiast pozostała część pracuje normalnie. Przydatne rozwiązanie stanowi dynamiczna rekonfiguracja systemu złożonego z wielu napędów. Tym sposobem np. system napędowy o mocy 330 kW, bazujący na trzech segmentach połączonych równolegle, można szybko przekonfigurować do pracy z trzema silnikami o mocy 110 kW każdy. Specjalne tryby pracy zapewniają ograniczenie zawartości wyższych harmonicznych. Z kolei człony prostownicze 12-, 18- lub 24-pulsowe odpowiadają za właściwą jakość energii elektrycznej.

Z oferty firmy Multiprojekt wybrać można m.in. napęd modułowy M8050 przeznaczony do współpracy z silnikami LinMot przy zasilaniu silnika 72VDC/25A. Jest możliwa obsługa do 8 osi. Do dyspozycji jest 16 programowalnych profili ruchu i 31 wpisów w tabeli poleceń. Konfiguracja odbywa się przez port komunikacyjny RS-232. W urządzeniu zaimplementowano funkcje bezpieczeństwa. Łączenie odbywa się poprzez tylną płytę.

 

Napędy dedykowane

Specjalne napędy znajdują zastosowanie w aplikacjach wodnych i wodno-ściekowych. Systemy tego typu dokładnie sterują pompami, a także kontrolą przepływu i ciśnienia w aplikacjach pompowania wody zasilającej oraz w systemach oczyszczania ścieków. Dzięki wbudowanym makroaplikacjom zastosowanie może objąć napędy jedno- i wielosilnikowe. Falownik steruje przepływem, ciśnieniem oraz pomiarem cieczy. Napędy mają moc od 0,37 do 500 kW. Ważne są wbudowane funkcje pompowe i ochrony oraz inteligentne sterowanie pompami. Ponadto jest możliwa obsługa synchronicznych silników reluktancyjnych IE4 oraz silników indukcyjnych. Zaawansowane programowanie umożliwia precyzyjne dostosowanie funkcjonalności napędu pod kątem konkretnego procesu.

 

Dedykowane i energooszczędne falowniki

Pod kątem określonych aplikacji projektowane są również falowniki, np. można zastosować przemiennik częstotliwości przeznaczony do pracy w układach dźwigowych. Dzięki specjalnym funkcjom sterowany jest moment silnika i hamulce mechaniczne. W efekcie napęd kontroluje obciążenie również w przypadku, gdy hamulec mechaniczny ulegnie awarii. Napęd jest tak sterowany, aby opuszczał ciężar stopniowo przy jednoczesnym monitorowaniu wszystkich etapów załączania hamulca. Monitorowanie kończy się w momencie, gdy ładunek zostanie ustawiony w bezpiecznym miejscu. Falownik zabezpiecza układ przed niewłaściwą prędkością silnika z uwzględnieniem obciążenia, błędów enkodera, utraty fazy na wyjściu, poślizgu hamulca oraz usterek odchyleń prędkości i obciążenia. Przemienniki pozwalające na sterowanie napędami w urządzeniach dźwigowych umożliwiają skonfigurowanie odpowiednich prędkości dojazdowych. Do falowników mogą być wpięte sygnały z końcówek granicznych i dojazdowych. Istotna jest również funkcja szybkiego zatrzymania. Enkoder służy do automatycznego kontrolowania momentu i stanu hamulca.

W nowoczesnych falownikach stawia się również na energooszczędność. Przykładem może być chociażby funkcja autotuningu, która pozwala na wykonanie przez falownik pełnego modelu matematycznego silnika, poprawiając jakość pracy układu napędowego przy obniżeniu zapotrzebowania na energię. Dzięki funkcji autotuningu układ napędowy nie traci parametrów początkowych, a parametry w czasie eksploatacji silnika zmieniają się.

Napędy AC i DC dedykowane dla konkretnych branż oferuje m.in. firma Transtecno. W ramach tej oferty wybrać można napędy Doortecno dedykowane do drzwi automatycznych oraz Solartecno przeznaczone do kolektorów słonecznych i innych aplikacji z obrotnicami. Oprócz tego do wyboru są napędy Firectino dla przemysłu kotlarskiego, natomiast Robin to serie mocnych napędów o niewielkich gabarytach. Urządzenia Carwashtecno zaprojektowano z myślą o pracy w myjniach samochodowych.

 

Możliwości modernizacji napędów DC

Napędy tyrystorowe i silniki DC znajdują zastosowanie m.in. w drukarstwie, górnictwie, maszynach dźwignicowych czy w urządzeniach i liniach technologicznych przeznaczonych do obróbki metali. Powszechnie panującą praktyką jest zastępowanie systemów DC silnikami prądu przemiennego dla zmniejszenia ogólnych kosztów eksploatacyjnych. Wadą takiego rozwiązania jest jednak konieczność wyłączenia maszyny z eksploatacji przez dłuższy czas, kiedy wykonywane są niezbędne prace modernizacyjne w zakresie mechaniki i elektryki. Stąd też niejednokrotnie wykorzystanie pracującego już silnika DC i wykonanie modernizacji napędu DC stanowi najkorzystniejsze rozwiązanie. Silniki prądu stałego są trwałe i z reguły pracują przez przynajmniej kilka lat. Koszt inwestycji może być więc niższy przy zminimalizowanym ryzyku zakłóceń w pracy.

W zakresie zestawów do modernizacji napędów DC ciekawe rozwiązanie oferuje firma ABB, bowiem DCS800-E to rozwiązanie panelowe, przeznaczone dla projektów, gdzie zastępowane są stare napędy DC o prądach do 450 A. W przekształtniku przewidziano nie tylko rozwiązanie panelowe, ale również wszystkie niezbędne, wstępnie zmontowane komponenty. Montaż mechaniczny wymaga jedynie umieszczenia modułu w obudowie szafy. Minimalizuje się więc czas odłączenia napędu od zasilania podczas przebudowy. Z kolei DCS800-R to zestaw do modernizacji istniejących napędów DC wysokiej mocy pozwalający na wymianę płytek elektroniki przy zachowaniu układów mocy. Zastosować można również kompletne zestawy DCR, np. dla przekształtników typu Tyrak 8, Veritron SZAD.

Na etapie modernizacji napędów DC niejednokrotnie uwzględnia się nowoczesne sterowniki. Urządzenia tego typu zapewniają regulację prędkości i kierunku obrotów silnika. Sterowanie pracą silnika może bazować na zewnętrznych sygnałach DIR, EN, 0–10 V, interfejsie Modbus-RTU lub na potencjometrach i przełącznikach. Największe możliwości w zakresie sterowania zapewnia protokół Modbus. Funkcja miękkiego startu umożliwia łagodny rozruch silników o dużych mocach i bezwładnościach rotora, np. sterownik SID1812v2 współpracuje z silnikami DC o mocy do ponad 150 W przy maksymalnym prądzie ciągłym 12 A/12 V (6 A/24 V) i maksymalnym prądzie chwilowym do 30 A. Urządzenie jest zasilane napięciem 10–36 VDC. Prędkość obrotową można regulować za pomocą wbudowanego potencjometru lub zewnętrznego napięcia 0–5 V. Wejścia startu (EN), zmiany kierunku (DIR) i hamowania (STOP) są optoizolowane. Jest możliwe ustawienie poziomu sygnału sterującego. Kluczową rolę odgrywa funkcja miękkiego startu, a także zabezpieczenie: prądowe, zwarciowe, termiczne oraz szybki dostęp do ustawień za pomocą przełączników konfiguracyjnych na panelu sterownika. Obudowa przystosowano do montażu na szynie DIN.

 

Silniki krokowe

Silniki krokowe są nieodzownym elementem maszyn i urządzeń, które wymagają dokładności. Zaleta silników krokowych to przede wszystkim możliwość szybkiego uzyskania maksymalnej prędkości i hamowania oraz zmiany kierunku obrotów. W praktyce zastosowanie znajduje kilka rodzajów silników krokowych – modele z magnesem trwałym, hybrydowe, o zmiennej reluktancji VR (ang. variable reluctance).

Interesującym rozwiązaniem jest też funkcja zwiększania napięcia zasilającego silnik w celu zapobiegania zmniejszaniu momentu oraz możliwość programowego tłumienia wibracji. Procesor wykrywa nieliniowość obwodu silnika, po czym przeprowadzana jest ciągła korekcja fazy prądu w odniesieniu do pozycji biegunów wirnika, przy jednoczesnym tłumieniu wibracji silnika.

Dużą popularnością cieszą się miniaturowe silniki krokowe uwzględniane w urządzeniach wymagających pozycjonowania elementów o niewielkiej masie. Napędy tego typu najczęściej są zasilane napięciem 5 i 12 VDC. W zależności od napięcia zasilania krok wynosi odpowiednio 7,5° i 15°, natomiast moment osiąga do 0,012 Nm. Jednak niektóre silniki mają moment podwyższony do 00,4 Nm.

Warto zwrócić uwagę na silniki krokowe hybrydowe, które osiągają większe momenty, przy pewności zachowania dużej siły. W miejscach o ograniczonej przestrzeni zastosować można silniki z krótkimi korpusami. Niejednokrotnie uwzględnia się napędy przeznaczone do pozycjonowania w zakresie kilkunastu milimetrów. Są to tzw. liniowe aktuatory z niewielkim silnikiem krokowym oraz z prostym sterowaniem przy dużej rozdzielczości na krok. Z kolei duże silniki krokowe wyróżnia moment o wartości powyżej 30 Nm. Stąd też urządzenia tego typu stosuje się w aplikacjach pozycjonujących większe masy.

Na przykład silnik krokowy SECM5913-T2,8B firmy Wobit to napęd 5-fazowy z krokiem 0,72°. Przewidziano w nim podwyższony moment do 1,16 Nm przy temperaturze pracy 0–40°C. Urządzenie ma klasę izolacji B. Silnik wyposażono w 10 wyprowadzeń. Napięcie zasilania wynosi 2,4 V przy prądzie 2,8 A, rezystancji 0,85 Ohm, indukcyjności 6,5 mH i bezwładności rotora 3000 gcm^2. Silnik ma dodatkowe wyprowadzenie osi.

Nabyć można indeksery zarządzające kompleksowo ruchem silników krokowych. Niektóre modele są w stanie realizować zadania, których nie mogą wykonywać sterowniki PLC. Zaawansowane sterowniki silników krokowych bazują na kontrolerach ruchu. Nabyć można wersje wyposażone w kilka wejść i wyjść, a kontrolowanie pracy silników krokowych jest możliwe nawet w przypadku skomplikowanych układów ruchowych. W zależności od modelu komunikowanie z urządzeniem nadrzędnym bazuje na portach szeregowych lub interfejsie USB. Indeksery mogą zarządzać jednocześnie kilkoma silnikami krokowymi. Przykład indeksera to chociażby urządzenie SIC184 firmy Wobit, czyli programowalny serwosterownik silników krokowych bazujący na prądzie sterowania do 4 A. W urządzeniu przewidziano końcówki mocy i generator trajektorii, co pozwala na precyzyjne określenie pozycji, prędkości i przyspieszenia ruchu silnika. Zaprogramowany sterownik jest w stanie współpracować z enkoderem inkrementalnym. Tym sposobem zyskuje się skuteczną kontrolę pozycji silnika krokowego. Ważne są również uniwersalne wejścia i wyjścia, w tym wejście analogowe 0–10 V, co w wielu aplikacjach pozwala na zupełne wyeliminowanie sterownika PLC.

 

Serwonapędy

Serwonapędy stanowią nieodzowny element systemów napędowych linii technologicznych, pozwalając nadzorować oś oraz kontrolować pozycję i moment siły. Dla prawidłowej pracy napędu ważna jest funkcja samodostrajania napędu do układu mechanicznego. Z kolei tryb kontroli nadzoruje prędkość momentu i pozycję. Bardzo często zastosowanie znajduje kontroler pozycji umożliwiający budowanie układów w oparciu o sterowniki PLC. Ważne są programy pozycjonowania we współrzędnych względnych i absolutnych.

Rozbudowane sterowniki serwonapędów niejednokrotnie pełną funkcję kontrolera, sterownika PLC oraz sterownika wysokoprądowego. W aplikacjach wymagających pełnej synchronizacji nawet kilkudziesięciu osi zastosowanie znajduje sieć kontroli ruchu Mechatrolink, co zapewnia wysoki poziom odporności na zakłócenia pochodzące z sieci zasilającej. Sieć Mechatrolink cechuje się czasem cyklu sieci wynoszącym 500 ms.

W serwonapędach zastosowanie mogą znaleźć wersje urządzeń z hamulcem i o podwyższonej inercji. Ponadto uwzględnia się silniki liniowe, np. serwonapędy PACMotion z oferty firmy Astor pozwalają na budowanie maszyn wieloosiowych. Jest przy tym możliwa obsługa nawet 40 osi oraz praca synchronizowana. Pojedynczy moduł do pozycjonowania osi umożliwia dołączenie czterech osi, a ponadto ma tzw. wirtualną piątą oś, do której można synchronizować inne osie, a nawet osie obsługiwane przez inne moduły. Sterowanie serwonapędu oparte jest na specjalizowanym module, instalowanym w kontrolerze PACSystems RX3i.

 

Efektywność energetyczna napędów elektrycznych

Coraz większym uznaniem cieszą się napędy energooszczędne. Silniki takie, w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami, generują mniej drgań i hałasu oraz mają niższe przyrosty temperatury. Ważne są lepsze właściwości w odniesieniu do tolerancji na zmieniające się napięcie i występujące harmoniczne.

Zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną w silnikach uzyskuje się dzięki specjalnym rozwiązaniom konstrukcyjnym, np. w stojanie zastosowanie znajdują materiały o wysokim poziomie przewodności elektrycznej. Z kolei wirniki odlewane są z miedzi, a silniki indukcyjne to bardzo często maszyny pierścieniowe z uzwojeniem nawiniętym na wirnik zamiast klatki. W silnikach pierścieniowych uwzględnia się uzwojenie wykorzystujące cewki nawijane za pomocą drutu izolowanego.

W napędach energooszczędnych stawia się na obniżenie poziomu strat w wirniku w efekcie zwiększenia masy przewodów wirnika oraz zwiększenia ich przewodności. Zakładana jest poprawa całkowitego strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej występującej pomiędzy stojanem a wirnikiem.

Konstrukcje silników energooszczędnych nie przewidują szczotek. Są to bowiem silniki synchroniczne bazujące na wirniku w postaci magnesu trwałego umieszczonego w wirującej obudowie z zespołem cewek. Ważny jest elektroniczny układ komutujący odpowiedzialny za przełączanie prądów płynących w cewkach stojana. We wnętrzu stojana musi powstać wirujące pole magnetyczne, które działa na pole magnesów. Specjalny czujnik kontroluje kąt obrotu wału. Układ sterujący reguluje prąd cewek uzwojeń stojana.

Klasyfikację oraz znakowanie IE precyzuje norma IEC 60034-30 Rotating electrical machines – Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE-code) z 2008 r. Klasyfikacja dotyczy silników 2-, 4- i 6-biegunowych o mocy 0,75–375 kW przy napięciu do 1000 V. Norma wymienia trzy poziomy sprawności dla silników. Silniki standardowe (standard) to IE1, z kolei napędy elektryczne, które mają podwyższoną sprawność (high efficiency) określa się jako IE2. Silniki IE3 osiągają najwyższy poziom sprawności (premium).

Na przykład z oferty firmy Kacperek wybrać można m.in. silniki elektryczne trójfazowe, które wykonuje się zgodnie z wymaganiami IE1 i IE2. Moce silników przekraczają 0,75 kW przy obrotach 900/1400/2800. Jest możliwa praca ciągła. Z kolei firma Siemens oferuje silniki AC średniego napięcia H-Compact PLUS. Ich moc wynosi do 5 MW przy napięciu zasilania 3,4–11 kV. W urządzeniu przewidziano kompaktową konstrukcję z modułowym systemem chłodzenia. Uwzględnić można napędy z modułami chłodzenia powietrze – woda oraz powietrze – powietrze. Oprócz tego zastosowanie znajdują otwarte układy chłodzenia. Izolację uzwojeń stojana wykonuje się w Micalastic VPI, czyli w oparciu o impregnację próżniowo-ciśnieniową.

 

Podsumowanie

W typowym napędzie wyodrębnić można kilka podzespołów. Jest to układ zasilający odpowiedzialny za przekształcanie energii elektrycznej pobieranej z sieci i dostarczanej do silnika np. za pomocą prostownika sterowanego. Oprócz tego ważny jest jeden lub kilka silników elektrycznych przekształcających energię elektryczną na energię mechaniczną. Z kolei urządzenie pędne przekazuje energię mechaniczną wytworzoną przez silnik do maszyny roboczej. Urządzeniem takim może być chociażby sprzęgło, przekładnia zębata czy przekładnia pasowa. Możliwa jest przy tym zamiana parametrów przekazywanej energii mechanicznej, czyli momentu i prędkości kątowej. Odpowiednie urządzenia automatyki pozwalają na automatyczne sterowanie napędem.

 

Janusz Kociemba

Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

Background Image

Header Color

:

Content Color

:

Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług zgodnie z Polityką prywatności. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do cookie w Twojej przeglądarce lub w konfiguracji usługi. Polityka prywatności.