Przez dziesiątki lat silniki indukcyjne prądu przemiennego uznawane były za wysoce niezawodne i ekonomiczne źródło napędu sprzętu stacjonarnego i innych maszyn, takich jak pompy, sprężarki, wentylatory, drzwi z napędem elektrycznym i przenośniki. W porównaniu z silnikami prądu stałego, mają prostszą budowę i mniej części ruchomych. Charakteryzują się też większą niezawodnością pracy i wymagają minimalnych nakładów serwisowych. To właśnie prosta konstrukcja i łatwy dostęp do sieci zasilających, bezpośrednio ze zwykłych ściennych gniazd sieciowych, sprawiły, że silniki te stały się standardowym napędem dla stacjonarnych urządzeń i maszyn na wiele lat.
Rozwój technologii silników elektrycznych prądu zmiennego dla zastosowań w urządzeniach ruchomych rozpoczął się w Europie w późnych latach 70. Najpierw stosowano je jako silniki trakcyjne w pociągach, a następnie w samochodach z napędem elektrycznym. Obecnie stosowanie silników prądu przemiennego stanowi główny trend rozwojowy w dziedzinie przemysłowych urządzeń ruchomych, zwłaszcza elektrycznych wózków widłowych.
Silniki prądu przemiennego w wózkach widłowych i innych urządzeniach ruchomych
Silniki i sterowniki prądu przemiennego, stosowane obecnie w wózkach widłowych i innych ruchomych urządzeniach przemysłowych, pojawiły się po raz pierwszy 30 lat temu w Europie i Japonii jako element rozwijającej się technologii silników trakcyjnych pociągów. Wózki widłowe z silnikami prądu przemiennego upowszechniono w Europie i Azji w ostatnich dziesięciu latach. W USA zastosowania takie stały się powszechne dopiero w ostatnich latach. Ich rozwój związany jest głównie ze zmianami w konstrukcji sterowników i zminimalizowaniem zarówno ich rozmiarów, jak i cen.
Aby zrozumieć przyczyny, dla których wózki widłowe i inne przemysłowe urządzenia ruchome z silnikami prądu przemiennego upowszechniły się w USA tak późno, należy wziąć pod uwagę różnice w standardach napięć. Zarówno w Europie, jak i w Azji używane są sterowniki i silniki na wyższe napięcie, a zatem płynie przez nie niższy prąd. W Stanach Zjednoczonych jest odwrotnie: tam urządzenia te pracują przy niższym napięciu i pobierają wyższy prąd. Początkowo dostępne na rynku sterowniki prądu przemiennego były bardzo duże, drogie i nie spełniały amerykańskich norm pod względem napięciowym. Zasilanie prądem przemiennym stanowiło duże wyzwanie dla rynku wózków widłowych w Stanach Zjednoczonych. Nie mogłyby one zostać wprowadzone do użytku, gdyby nie opracowano sterowników na wyższe napięcia i niższe prądy. Ponadto, aby sterowniki były niezawodne, a ich cena zachęcająca, musiały mieć wystarczająco małe rozmiary, by można je było instalować, z uwagi na zwartą konstrukcję wózka, w tych samych szafach, w których umieszczane były standardowe sterowniki prądu stałego. Napędy te musiały ponadto zapewnić porównywalną moc.
Rys. 2. Uzwojenia stojana w silnikach prądu przemiennego są zasilane w sposób sekwencyjny, wytwarzając wirujące pole magnetyczne, które „dogania” obracający się wirnik silnika.
Budowa silnika prądu stałego i zagadnienia teoretyczne
Mimo że w pracy silników prądu przemiennego i prądu stałego wykorzystywane są różne zasady działania, a także odmienne zasady mechaniki, to zadaniem silników obydwu rodzajów jest przekształcanie energii elektrycznej w energię mechaniczną.
Silniki prądu stałego o takiej samej mocy znamionowej co silniki prądu przemiennego są większe, ponieważ musi być w nich dodatkowe miejsce na szczotki i komutator. W silnikach prądu stałego magnesy trwałe umieszczone są w cewce magneśnicy stojana, a uzwojony jest wirnik. Prąd silnika, o „stałej częstotliwości”, płynie przez szczotki silnika, ślizgające się po powierzchni komutatora i zapewniające ciągły kontakt elektryczny z uzwojeniem wirnika podczas jego wirowania. Tarcie spowodowane ślizganiem się szczotek sprawia, że wirnik nie obraca się z taką samą prędkością obrotową jak w silnikach na prąd przemienny, a zatem silniki prądu stałego nie zapewniają takiego samego momentu obrotowego.
Szczotki silnika prądu stałego są elementami zużywającymi się podczas pracy i stan ich zużycia musi być kontrolowany, a same szczotki muszą być wymieniane w ramach regularnych prac serwisowych. Mimo że niezachowanie należytej staranności w kontrolowaniu stanu szczotek i ich wymianie może powodować poważne awarie takich silników, to czynność ta jest często lekceważona i zaniedbywana z uwagi na utrudniony dostęp.
W miarę jak stopień naładowania akumulatorów wózka widłowego spada, wartość płynącego prądu wzrasta i na komutatorze wydzielane jest dodatkowe ciepło, które może powodować niszczenie powierzchni komutatora, uszkodzenie szczotek lub wcześniejsze ich zużywanie i niewłaściwą pracę.
Autor: David Morzella, Toyota Material Handling, USA, Inc.
