Są siłą napędową przemysłu od czasów Tomasza Edisona, jednak, w odróżnieniu od wielu innych technologii przeniesienia mocy, silniki i układy napędowe prądu stałego (DC) są nadal wykorzystywane. Trudno je zastąpić w prostych układach regulacji prędkości, w których nie jest wymagane pozycjonowanie lub ekstremalnie precyzyjna regulacja.
Podstawowa konstrukcja silnika szczotkowego DC nie zmieniła się zbyt wiele od momentu jego wynalezienia, natomiast technologia regulacji prędkości obrotowej tych silników przeszła ewolucję – od analogowych potencjometrów, przez prostowniki lampowe, zespoły silnikowo-prądnicowe i wreszcie elektroniczne układy sterujące, wykorzystujące krzemowe diody sterowane (określane mianem SCRs – ang. Silicon Controlled Rectifiers – lub tyrystory).
Napędy DC były i są stosowane m.in. w wytłaczarkach, maszynach do ciągnienia drutu, dźwigach i windach, przemyśle celulozowo-papierniczym, górnictwie oraz przemyśle naftowym i gazowym. Mimo że w ciągu ostatnich kilku dekad zaobserwowano spadek ich popularności (w wielu przypadkach zostały zastąpione przez napędy prądu zmiennego – AC), sama technologia jest jednak daleka od wycofania i uznania za przestarzałą.
Systemy DC są dostępne w wersjach o mocy od ułamka do tysięcy watów, korzystając ze stosunkowo prostego i taniego układu napędowego. Koszt inwestycji w nowy silnik DC jest raczej wysoki, można natomiast skutecznie przewinąć starsze silniki i odnowić wiele razy za rozsądną cenę. To czyni napędy DC atrakcyjnymi przy modernizacjach systemów napędowych, gdzie opłacalna jest ich przebudowa.
Łatwość modernizacji
Gdy zachodzi potrzeba wymiany przestarzałego lub uszkodzonego napędu DC, niektórzy użytkownicy mogą się zdecydować na oszacowanie opcji wymiany na system napędowy AC. Strategia ta nie będzie jednak wymagała tylko wymiany samego napędu, ale także przewodów pomiędzy silnikiem a napędem. Podczas procedur oszacowania można przeoczyć fakt, że jeśli nowy silnik AC nie jest pod względem mechanicznym taki sam jak wymieniany silnik DC, to może zajść konieczność wymiany wszystkich podzespołów przeniesienia mocy mechanicznej. Tymi elementami mogą być np. reduktory, których cena jest wysoka. W przypadku wykorzystywania silnika DC o niskiej prędkości podstawowej, wymiana go na silnik AC mogłaby być zbyt droga lub trudna do zrealizowania ze względu na dostępność.
Jednak modernizacja polegająca tylko na wymianie na nowoczesny napęd DC pozwoli na wykorzystanie istniejącego silnika i przewodów łączących, zaś koszt samego napędu przeważnie będzie niższy od kosztu napędu AC o tych samych parametrach. W przypadku systemów DC o bardzo wysokiej mocy jest nawet możliwa modernizacja istniejącego napędu, bez jego całkowitej wymiany. Niektórzy producenci oferują sterowniki cyfrowe, które mogą współpracować z istniejącymi mostkami tyrystorowymi, oferując wszystkie zalety nowoczesnego napędu po bardzo konkurencyjnej cenie.
Jedną ze szczególnie atrakcyjnych możliwości modernizacji układów napędowych jest zespół silnikowo-prądnicowy (przetwornica dwumaszynowa). Przetwornice te były powszechnie stosowane do sterowania grup silników DC przed pojawieniem się niezwykle praktycznych napędów półprzewodnikowych. Duża prądnica DC była napędzana silnikiem AC o stałej prędkości, zaś jej napięcie wyjściowe było zmieniane za pomocą regulacji prądu wzbudzenia. To regulowane napięcie zasilało tworniki szeregu silników DC, z których każdy miał własną regulację prądu wzbudzenia. System zespołów silnikowo-prądnicowych był raczej skomplikowany, wymagał intensywnej konserwacji, a jego sprawność była niska. Ponadto użytkownicy informowali o trudnościach z otrzymaniem części zamiennych ze względu na wiek wielu tego typu systemów.
Wymiana systemów silnikowo-prądnicowych na układy napędowe DC jest łatwa, można zachować istniejące silniki napędzające maszyny, a przy tym oszczędzić na kosztach zakupu nowych. Poza wyeliminowaniem wymagającego intensywnej konserwacji i przestarzałego sprzętu, wymiana zestawu silnikowo-prądnicowego na napęd DC daje także korzyści w postaci oszczędności energii. Napędy DC zużywają energię tylko podczas zasilania silników, w przeciwieństwie do zestawów silnikowo-prądnicowych, które ciągle pracują na biegu jałowym, niezależnie od tego, czy napędzane maszyny pracują, czy nie.
Prostota konstrukcji
Jedną z przyczyn stosunkowo niskich kosztów i wysokiej niezawodności napędów DC jest prostota ich konstrukcji. Podczas gdy układ napędowy AC zawiera dwa etapy konwersji – z napięcia zmiennego na stałe i ze stałego na zmienne – to w układzie DC występuje tylko konwersja za pomocą sterowanego mostka tyrystorowego. Oznacza to mniej pracy dla logiki sterującej oraz stosowanie prostszych algorytmów sterowania, ponieważ nie jest realizowane skomplikowane sterowanie wektorowe. Uproszczona logika w układzie sterowania prowadzi do mniejszej liczby parametrów do ustawienia, co sprzyja łatwiejszemu uruchomieniu układu, w porównaniu z układami napędowymi AC. Sprawność układu DC jest zadziwiająco wysoka, ponieważ realizuje on tylko jeden etap konwersji.
Zalety układów napędowych DC
Podczas gdy niektórzy producenci wycofali się z rynku napędów DC albo pozwalają na wyjście z użycia starszych linii wyrobów, inni kontynuują działalność w tym sektorze, inwestując w ulepszenia napędów DC. Postęp w technologii komponentów i produkcji pozwolił na wytwarzanie napędów DC o lepszych parametrach, bardziej niezawodnych, a jednocześnie nadal opłacalnych i łatwych w użytkowaniu.
Większość obecnie wytwarzanych napędów DC wykorzystuje zalety techniki cyfrowej. Niektóre z nich, rzucające się w oczy już przy pierwszym kontakcie z tego typu napędami, to większa dokładność i powtarzalność sterowania. Ponadto funkcje specjalne, takie jak regulacja naciągu materiału w nawijakach i regulacja proporcjonalno-różniczkująco-całkująca (PID), mogą być realizowane w znacznie bardziej eleganckiej formie, umożliwiając dokładne ustawianie parametrów zamiast dostrajania za pomocą wielu potencjometrów. Być może najbardziej pomijana zaleta wdrożenia techniki cyfrowej nie jest dostrzegana przez użytkowników od razu, ale staje się widoczna już po nawet stosunkowo krótkim okresie eksploatacji cyfrowego układu napędowego. Użytkownicy mianowicie mają teraz możliwość aktualizacji oprogramowania użytkowego i sterowników samego cyfrowego układu napędowego właściwie od razu, gdy odpowiednie pliki aktualizacji zostaną udostępnione online przez producenta.
Wielu producentów przeszło na nowoczesną architekturę układów sterowania, taką jak procesory 32-bitowe i komunikacja za pomocą magistrali polowych, w celu uzyskania kompatybilności z najnowszym sprzętem oferowanym w cyfrowych układach sterowania. Stawia to napędy DC na równi z innymi technologiami, pozwalając na ich łatwe łączenie za pomocą odpowiednich interfejsów z programowalnymi sterownikami logicznymi (PLC), interfejsami operatorskimi (HMI) lub sterownikami procesu. Dodanie zaawansowanej diagnostyki, możliwe dzięki wykorzystywanej technice cyfrowej, zwiększa niezawodność napędu DC oraz ułatwia rozwiązywanie problemów i ustawianie parametrów.
Opłacalny odzysk energii do sieci
Istnieją dwie podstawowe konfiguracje napędów DC: bez odzysku energii i z odzyskiem energii podczas hamowania. System bez odzysku może dostarczać tylko „energię napędową”. Oznacza to, że może on tylko zasilać obciążony silnik. Jeżeli jednak obciążenie stara się „przeciągnąć” silnik, co może się zdarzyć np. podczas prób hamowania obciążenia o dużej bezwładności lub podczas opuszczania obciążenia dźwigu, to układ napędowy może nie dostarczać żadnego momentu hamującego, ale pozwala obciążeniu na ruch bezwładny.
Dlatego też w aplikacjach wymagających hamującego momentu napędowego można wykorzystać napęd z odzyskiem energii. Taki napęd zawiera dwa mostki mocy: jeden służy do pracy napędowej, a drugi do pracy prądnicowej, przy hamowaniu obciążenia. Jeśli napęd z odzyskiem zatrzymuje silnik lub zmniejsza jego prędkość, odbiera z silnika energię odzyskaną z hamowania i przekazuje ją przez drugi mostek mocy z powrotem do sieci zasilającej.
Napędy DC z odzyskiem energii są szczególnie atrakcyjne, ponieważ są produktami standardowymi, natomiast ich cena nie jest znacznie wyższa od napędów bez odzysku. W szczególności zaś są rozwiązaniem konkurencyjnym do odpowiadających im napędów AC z odzyskiem energii, których cena może być wysoka i które mogą nie być dostępne od ręki.
Podsumowanie
Jasne jest, że układy napędowe DC dalej będą miały swoje miejsce w sektorze regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych, tak długo, jak istnieje zapotrzebowanie na ekonomiczne rozwiązania regulatorów prędkości. Współczesne napędy DC to kategoria produktów zupełnie odmiennych od układów analogowych z przeszłości i mogą utrzymać swoją pozycję, jeśli chodzi o sprzęganie i komunikację z innymi komponentami systemu. W ten sposób umożliwiają dalszą eksploatację niezliczonych silników DC, które są obecnie w użyciu. Tomasz Edison byłby dumny z tego faktu.
Autor: Louis Lambruschi jest pracownikiem działu napędów półprzewodnikowych firmy Parker Hannifin.
Tłumaczył: Tomasz Haber
Tekst pochodzi z nr 4/2016 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
