Przodujące fabryki OEM jako jedne z pierwszych dostrzegły przewagę unowocześnionych sterowników silników oraz napędów prądu przemiennego (VFD) nad konwencjonalnymi napędami silnikowymi nieposiadającymi regulacji prędkości obrotowej.
Nowoczesne sterowniki oraz napędy VFD mogą przetwarzać lub przenosić takie same wartości ze znacznie lepszą wydajnością, zużywając przy tym mniej energii, redukując zużycie materiałów oraz zmniejszając koszty utrzymania.
Współczesna technika napędów silnikowych daje praktycznie nieograniczone możliwości projektowe. Sterowanie ruchem oferuje rozwiązania dla kierownictwa zakładów, integratorów oraz projektantów zajmujących się skomplikowanymi układami automatyki oraz liniami produkcyjnymi. Tematem może być zaprojektowanie mniej kosztownego i wydajniejszego procesu lub szybszej linii produkcyjnej, jednakże celem nadrzędnym jest szybsza dostawa produktu na rynek i bycie bardziej konkurencyjnym.
Wybór odpowiednich napędów silnikowych i urządzeń peryferyjnych może przyspieszyć osiągnięcie celu, a zarazem poprawić wydajność energetyczną, osiągi silnika oraz funkcjonalność operacyjną fabryki.
Przegląd przemysłowych sterowników silnikowych
Dobór napędów, które pracują w zakresie napięć podstawowych, jedno- lub trzyfazowych i współpracujących z silnikami o napięciu zasilania 230 V, 480 V lub 600 V, jest zależny od typu silnika, napięcia, prądu znamionowego, źródła wejściowego oraz wymagań dotyczących urządzeń wejścia/wyjścia. Dobór zależy od wymagań danej aplikacji – specyficznych parametrów, włączając parametry przy obciążeniu znamionowym i maksymalne napięcie występujące przy znamionowym obciążeniu silnika.
Możliwość regulacji prędkości jest podstawową zaletą falowników. Zamiast zasilać silnik pełnym napięciem ze źródła zasilania, falownik przekształca napięcie podczas rozruchu i na różnych etapach pracy silnika, w zależności od wymagań danej aplikacji. Na przykład wentylator klimatyzatora nie musi pracować z pełną prędkością 24 godziny na dobę przez 7 dni w tygodniu dla całej linii. Falownik redukuje napięcie i zużycie energii wentylatora.
Chociaż wciąż jest to stosunkowo nowa technologia, to metoda modulacji szerokości impulsu prądu lub napięcia (Pulse-Width Modulation – PWM) w swojej już ponaddziesięcioletniej historii udowodniła swoją niezawodność, jeśli chodzi o koszty. Częstotliwość nośna steruje pulsami wyjściowymi z PWM, w ten sposób kontrolując napięcie silnika. Zmniejsza zużycie energii w przeciwieństwie do pracy silnika na pełnych obrotach. Technologia PWM pomaga w rozwijaniu aplikacji silnikowych w wielu dziedzinach przemysłu, a w szczególności tam, gdzie występuje potrzeba szybkiej i precyzyjnej kontroli stałych i zmiennych prędkości podczas rozruchu, w czasie pracy i w trakcie wyłączania silników.
Aplikacje przenośnikowe oraz inne zastosowania automatyki czasami wymagają przenoszenia dużych obciążeń przy małych prędkościach obrotowych silników. Standardowy 3-fazowy silnik indukcyjny prądu zmiennego nie powinien pracować poniżej 50% swojej znamionowej prędkości obrotowej, ale jego obroty zależą od przyłożonego napięcia zasilania. Zmniejszone napięcie spowalnia prędkość wentylatora, powodując jednocześnie słabsze chłodzenie silnika, co ostatecznie prowadzi do spalenia tak często spotykanego w 3-fazowych silnikach prądu zmiennego. Postępy w rozwoju napędów prądu zmiennego w połączeniu z bezczujnikową technologią wektorową stanowią silną ofertę dla wymagających aplikacji przemysłowych.
Wektorowe napędy prądu zmiennego zapewniają większy moment obrotowy
Podczas gdy napęd VFD zapewnia blisko 100% wartości momentu obrotowego, to technologia wektorowa może dostarczyć 200% początkowego momentu obrotowego w celu pokonania początkowego obciążenia. Wynikiem tego może być znaczne zmniejszenie rozmiaru silnika, co powoduje redukcję kosztów. Bezczujnikowa technologia wektorowa oparta jest na skomplikowanych, opatentowanych algorytmach, które pozwalają na osiąganie optymalnego momentu rozruchowego, prędkości oraz sterowania procesem.
Napędy sterowane wektorowo dostarczają więcej informacji do silnika z wiekszą elastycznością dynamicznego pozycjonowania i prędkości. Podczas gdy zakres regulacji prędkości standardowego napędu wynosi 10:1, to technologia sterowania wektorem strumienia pozwala na regulację prędkości ze współczynnikiem 60:1 w silnikach najwyższej jakości i kontrolę momentu obrotowego nawet przy bardzo małych obrotach.
Wyższy początkowy moment obrotowy nie wymaga tak dużego prądu rozruchowego przy mniejszych prędkościach, redukując w ten sposób ryzyko spalenia silnika. Inną zaletą bezczujnikowego sterowania wektorowego jest to, że nie wymaga ono pętli sprzężenia zwrotnego. Regulacja prędkości w pętli otwartej eliminuje dodatkowy koszt zastosowania urządzenia sprzężenia zwrotnego występującego w systemach pętli zamkniętej.
Napędy z opcją sterowania wektorowego występują na rynku w dużych ilościach. Najbardziej zaawansowane napędy mogą być używane do sterowania 3-fazowymi indukcyjnymi silnikami prądu zmiennego i są dostępne w obudowach NEMA 1 (IP31) i NEMA 4X (IP65). Programowalne cyfrowe oraz analogowe wejścia i wyjścia pozwalają na skonfigurowanie napędu dla nietypowych aplikacji, takich jak np. wcześniejsze ustawienie kilku różnych prędkości, elektroniczne hamowanie oraz rozbieganie się silnika.
Moduły operacyjne zawierają funkcje V/Hz, ulepszoną V/Hz, Vector Speed i Torque. Do zalet można zaliczyć wysoki moment rozruchowy, samodostrajanie się, zaawansowane sterowanie niskimi obrotami oraz dynamiczną regulację prędkości. W zakresie mocy do 15 kW (30 kW dla 480 V i 600 V NEMA 1) bezczujnikowe napędy wektorowe są niezastąpione w środowiskach, gdzie technologia inwerterowa została uznana za zbyt drogą, zaliczając maszyny pakujące, urządzenia do przetwarzania produktów spożywczych, obróbkę materiałów/przenośniki oraz systemy klimatyzacji.
Ochrona urządzeń zgodna z NEMA
Niezależnie od parametrów NEMA, bezczujnikowe napędy ze sterowaniem wektorowym są odpowiednio i korzystnie wyceniane w porównaniu do konkurencyjnych napędów z mniejszą funkcjonalnością. Klasyfikacja NEMA jest zwykle związana z warunkami montażu i otoczeniem. Może to być obudowa w wykonaniu wnętrzowym lub napowietrznym, czy też odporna na działanie promieni słonecznych. Temperatura otoczenia, wilgotność i inne warunki środowiska określają typ obudowy NEMA dla danego napędu.
Dla instalacji w relatywnie czystym pomieszczeniu obudowa NEMA 1 może zapewnić ograniczoną ochronę przed normalną temperaturą otoczenia, wilgotnością i innymi czynnikami. NEMA 4X do zastosowań wnętrzowych zapewnia ochronę przed kurzem i deszczem, rozpryskiwaną wodą, skierowanym strumieniem wody, środkami żrącymi i powodującymi korozję oraz uszkodzeniami spowodowanymi oblodzeniem.
NEMA 4X dla instalacji napowietrznych charakteryzuje się dodatkowo wzmocnioną obudową. Zdalnie sterowane przyciski umożliwiają zamocowanie napędu w miejscu chronionym, a sterowanie odbywa się z pewnej odległości. Takie rozwiązanie może być korzystne w pewnych okolicznościach, takich jak mokre środowisko, które wymaga zdalnie sterowanej odpornej na wodę klawiatury.
Zintegrowany protokół komunikacyjny
Opcjonalnie zintegrowane szeregowe protokoły komunikacyjne są dostępne dla aplikacji, w których zastosowano kilka różnych programów komunikacyjnych. Wśród dostępnych protokołów stosowanych w napędach znajdują się: Ethernet/IP, Profibus-DP, DeviceNet, CANopen i Modbus/RS485. Użytkownicy mogą utrzymać swoje preferencje, stosując moduły typu plug-
-in zamontowane fabrycznie lub uzupełnić je w posiadanym już napędzie, umożliwiając tym samym współpracę w praktycznie każdym środowisku sterowania.
Układy hamowania dynamicznego mogą zezwolić napędowi na zmniejszenie prędkości silnika w związku z obciążeniem w celu zapobiegania skokom napięcia silnika oraz wyłączeniom podczas pracy z dużymi obciążeniami. Regulatory PID mogą oszczędzać energię poprzez utrzymywanie nastawionego ciśnienia, temperatury, poziomu wody w zbiorniku lub w każdej innej aplikacji, gdzie zastosowano sterowanie silnikiem dla danego procesu.
Zastosowanie w przemyśle nr 1
Nowa zautomatyzowana linia produkcyjna zaprojektowana do przenoszenia obiektów o wadze do 1450 kg w czasie trwania procesu produkcyjnego wymagała zastosowania bardzo precyzyjnego systemu przenoszenia przy różnych prędkościach. W projekcie zastosowano zarówno przenośnik łańcuchowy, jak i gniazda montażowe poruszające się wokół taśmy. Duże obciążenia wymagały dużej mocy, na zainstalowanie której potrzeba było więcej miejsca.
Montaż silnika o standardowych wymiarach nie wchodził w grę. Miejsce pozwalało tylko na zainstalowanie serii mniejszych silników. Następnym czynnikiem, który nie mógł być przekroczony, był koszt komponentów. Nie można było przekroczyć ogólnych kosztów całego systemu przenośnikowego.
Prostego rozwiązania dostarczyły serwonapędy. Cztery silniki musiały pracować z tą samą prędkością w celu zapewnienia gładkiego przemieszczania się linii. Napędy serwo są stosowane w przekładniach elektronicznych w procesie pozycjonowania, wykorzystując napęd główny do zakodowania stałego współczynnika systemu i zapewniając pełną synchronizację. Falownik mógłby nie zagwarantować wymaganej dokładności sterowania.
Zastosowanie w przemyśle nr 2
Zaprojektowana operacja pakowania próbek kosmetyków doprowadziła do stworzenia wydajnego i niezawodnego maszynowego procesu napełniania torebek foliowych, wykorzystując mechaniczne naciąganie taśmy oraz mechaniczny proces napełniania cieczą. Wybrano sterowanie elektroniczne, wykorzystując serwonapędy w układzie master–slave w celu zapewnienia odpowiedniego naprężenia taśmy folii.
Wykorzystując przekładnie serwo i silniki MCS do sterowania pompą, serwonapęd steruje rolkami, które wciągają materiał w miejsce, gdzie spód jest zgrzewany na gorąco. Następnie pompuje się płyn i kolejno materiał przemieszcza się do miejsca, gdzie zgrzewa się boki i górę.
Środowisko pracy, do którego napęd został zaprojektowany, jest niewątpliwie jednym z najważniejszych czynników doboru falownika. Bardzo dobra znajomość aplikacji, procesu produkcyjnego oraz środowiska pracy jest podstawą doboru właściwego napędu.
Duży postęp w technologii napędów ułatwia pracę inżynierom i pomaga producentom typu OEM być bardziej konkurencyjnymi na rynku.
Autor: Tom Robbins
