Dobór silnika zależy od wymagań mechanicznych, operacyjnych i środowiskowych aplikacji. W ogólnym ujęciu sprowadza się on do pytania: czy wybrać silnik prądu stałego, przemiennego, krokowy czy serwomotor? Odpowiedź na nie zależy od tego, gdzie silnik ma być zastosowany oraz czy w danej aplikacji istnieją specjalne wymagania, które musi on spełniać.
W zależności od rodzaju obciążenia dostępne są silniki ze stałym lub zmiennym momentem obrotowym/mocą. Wielkość obciążenia, wymagana prędkość obrotowa i przyspieszenie/opóźnienie – zwłaszcza gdy zastosowanie wymaga dużej prędkości obrotowej lub/i wysokiej częstotliwości – definiują moment obrotowy i moc silnika. Należy również wziąć pod uwagę wymagania dotyczące sterowania prędkością obrotową i pozycją wirnika.
Rodzaje obciążeń silnika
Istnieją cztery podstawowe rodzaje obciążeń dla przemysłowych silników elektrycznych:
-> zmienna moc i stały moment obrotowy,
-> zmienny moment obrotowy i stała moc,
-> zmienna moc i zmienny moment obrotowy,
-> sterowanie pozycją i momentem obrotowym.
Ze zmienną mocą i stałym momentem obrotowym mamy do czynienia m.in. w przenośnikach, dźwigach czy pompach zębatych. W tych zastosowaniach moment obrotowy jest stały, ponieważ nie zmienia się obciążenie. Wymagana moc może się różnić w zależności od aplikacji. Odpowiednim wyborem są w tym przypadku silniki AC (prądu przemiennego) oraz DC (prądu stałego) o stałej prędkości obrotowej.
Przykładem obciążenia o zmiennym momencie obrotowym i stałej mocy jest maszyna przewijająca papier. Prędkość materiału pozostaje stała, co oznacza, że moc się nie zmienia. Zmianie ulega jednak moment obrotowy wraz ze zmniejszaniem się średnicy rolki nawiniętego papieru. W systemach o niewielkich rozmiarach odpowiednie do tego zadania będą silniki DC oraz serwomotory. Istotna jest również możliwość odzyskiwania energii z układu – powinna być wzięta pod uwagę podczas doboru silnika lub wyboru sposobu zarządzania energią. W przypadku dużych systemów odpowiednie będą 4-biegunowe silniki prądu przemiennego wyposażone w enkoder, pracujące w pętli sprzężenia zwrotnego.
Wentylatory, pompy odśrodkowe i mieszadła wymagają użycia silnika o zmiennej mocy i zmiennym momencie obrotowym. Wraz ze wzrostem prędkości wirnika zwiększa się również obciążenie, co generuje zapotrzebowanie na większy moment obrotowy i moc. W przypadku tego typu obciążenia pojawia się wiele dyskusji związanych z efektywnością silników prądu przemiennego z falownikami, wykorzystujących technologie VSD (zmiennej prędkości napędu).
Zastosowania takie jak liniowe siłowniki poruszające się z określoną dokładnością wymagają precyzyjnej kontroli położenia i momentu obrotowego, a także informacji zwrotnej o pozycji wirnika. W przypadku tych aplikacji najlepszym wyborem jest serwomotor lub silnik krokowy. Silnik prądu stałego ze sterowaniem wykorzystującym pętle sprzężenia zwrotnego lub falownikowy silnik prądu przemiennego z enkoderem również instaluje się w zastosowaniach wymagających dokładnego sterowania momentem obrotowym na liniach produkcyjnych stali i papieru, a także w innych podobnych aplikacjach.
Typy silników elektrycznych
Istnieją dwie główne podgrupy silników elektrycznych – AC i DC – oraz ponad 30 typów silników wykorzystywanych w zastosowaniach przemysłowych. W związku z tak dużą ich liczbą pojawia się ryzyko, że pewne rodzaje silników będą dzielić ze sobą obszary przeznaczenia w aplikacjach przemysłowych. Dlatego zaczęto upraszczać procedury doboru silnika elektrycznego. Ograniczyło to wybór silników w przypadku większości zastosowań.
Najpopularniejsze typy silników do zastosowań przemysłowych to:
-> bezszczotkowe silniki prądu stałego,
-> szczotkowe silniki prądu stałego,
-> silniki prądu przemiennego typu klatkowego,
-> silniki typu pierścieniowego,
-> serwomotory,
-> silniki krokowe.
Wymienione rodzaje urządzeń pokrywają niemal w całości zapotrzebowanie na nie w zastosowaniach przemysłowych, pozostałe natomiast wykorzystywane są jedynie w aplikacjach specjalnych.
Główne obszary zastosowań
Trzema głównymi obszarami zastosowań silników elektrycznych są aplikacje wymagające:
-> stałej prędkości obrotowej,
-> zmiennej prędkości obrotowej,
-> kontroli pozycji (lub momentu).
Należy podkreślić, że zróżnicowane sytuacje i aplikacje w przemyśle wymagają zastosowania różnych typów silników, a niejednokrotnie również dodatkowych elementów i układów napędowych. Na przykład dodatkowa przekładnia może być wymagana w przypadku, gdy docelowa prędkość obrotowa jest mniejsza niż najniższa prędkość obrotowa silnika. Może to być również okazja do zastosowania mniejszego silnika, pracującego w zakresie bardziej efektywnej prędkości obrotowej.
Na licznych stronach internetowych i forach branżowych można znaleźć wiele informacji na temat tego, jak wybierać silnik elektryczny. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że obliczenie bezwładności obciążenia, momentu oraz prędkości obrotowej wymaga od użytkownika wiedzy na temat takich parametrów, jak masa i rozmiary (promień) obciążenia, znajomości wartości współczynników tarcia, strat mechanicznych przekładni, a także informacji na temat warunków pracy maszyny. Zmiany w obciążeniu, szybkości przyspieszania lub zwalniania i sposobie pracy maszyny również powinny być wzięte pod uwagę, aby silnik się nie przegrzewał.
Po doborze odpowiedniego rozmiaru i typu silnika użytkownik powinien również uwzględnić warunki środowiskowe i informacje na temat konstrukcji silnika, np. czy silnik ma obudowę otwartą lub czy jest ona wykonana ze stali nierdzewnej, co jest istotne w przypadku silników mających kontakt z zabrudzeniami.
Dobór silnika: 3 pytania
Przed podjęciem ostatecznej decyzji użytkownik powinien odpowiedzieć sobie na 3 pytania.
Czy dana aplikacja wymaga stałej prędkości obrotowej?
W przypadku stałej prędkości obrotowej silnik pracuje zwykle w określonym zakresie obrotów. Przyspieszenie i zwolnienie wirnika nie mają wówczas wielkiego znaczenia. Ten typ obciążenia jest często sterowany za pomocą głównego włącznika na linii produkcyjnej. Obwód sterujący zawiera często bezpiecznik ze stycznikiem, moduł rozruchowy na wypadek przeciążenia oraz sterownik ręczny lub moduł tzw. miękkiego startu (soft start).
Zarówno silniki prądu przemiennego, jak i stałego są odpowiednie do aplikacji o stałej prędkości obrotowej. Silniki prądu stałego zapewniają wysoki moment obrotowy już przy zerowej prędkości obrotowej i potrzebują więcej miejsca do instalacji. Silniki prądu przemiennego są również dobrym wyborem, ponieważ cechuje je wysoka moc i wysoki poziom niezawodności. Silniki typu serwo i silniki krokowe ze względu na ich zaawansowaną budowę i rozbudowane możliwości uważa się za zbyteczne w tych zastosowaniach.
Czy dana aplikacja wymaga zmiennej prędkości obrotowej?
W aplikacjach, w których wymagana jest zmienna prędkość obrotowa, zwykle niezbędna jest również zdolność do precyzyjnej korekty prędkości oraz przyspieszenia/opóźnienia. Zmniejszenie prędkości obrotowej silnika w zastosowaniach takich jak wentylatory lub pompy odśrodkowe często zwiększa sprawność napędu przez dopasowanie mocy do rodzaju obciążenia. Silnik nie pracuje wówczas z najwyższą prędkością obrotową. Są to bardzo ważne spostrzeżenia w przypadku zastosowań transportowych, takich jak przenośnik butelek.
Zarówno silnik AC, jak i DC wyposażony w odpowiednią przekładnię będzie pracował w warunkach zmiennej prędkości obrotowej. Silnik prądu stałego z przekładnią przez długi czas był jedyną dostępną opcją napędu o zmiennej prędkości obrotowej, więc tego typu komponenty są dopracowane i sprawdzone. Nawet współcześnie silniki prądu stałego są popularne w przypadku zastosowań wymagających zmiennej prędkości obrotowej, wykorzystujących część mocy silnika i są przydatne w urządzeniach wymagających niskiej prędkości obrotowej, ponieważ zapewniają wysoki moment obrotowy przy niskich obrotach oraz stały moment obrotowy w szerokim zakresie prędkości obrotowej.
Problemem w przypadku silników typu DC może być ich utrzymanie. Większość z nich ma szczotki, które zużywają się na skutek tarcia między obracającymi się elementami. Bezszczotkowe silniki DC są pozbawione tej wady, jednak są droższe, a ich różnorodność modelowa jest mniejsza.
Problem zużycia szczotek nie dotyczy indukcyjnych silników prądu przemiennego, a zastosowanie napędów VFD (falownikowych) sprawia, że można z powodzeniem zastosować je do napędu urządzeń o mocy powyżej 1 KM, takich jak wentylatory czy urządzenia pompujące. W takich aplikacjach istotny jest również dobór odpowiedniego sterownika napędu. Jeśli wymaga tego aplikacja, można zastosować enkoder, a napęd może być tak skonfigurowany, by pracował w pętli sprzężenia zwrotnego z użyciem tego enkodera. W takim układzie można uzyskać prędkości zbliżone do tych z serwomotorów.
Czy wymagana jest kontrola pozycji?
Precyzyjne sterowanie pozycją jest realizowane przez ciągłą weryfikację położenia wirnika podczas jego ruchu. Urządzenia takie jak siłowniki liniowe mogą wykorzystywać silnik krokowy z pętlą sprzężenia zwrotnego lub bez, a także serwomotor z wbudowaną pętlą sprzężenia zwrotnego.
Silnik krokowy jest tak zaprojektowany, by wykonywał obrót do zadanej pozycji z umiarkowaną prędkością i utrzymywał żądane położenie. System silnika krokowego wykorzystujący otwartą pętlę zapewnia dokładną kontrolę pozycji, jeśli zostanie odpowiednio dobrany. Ponieważ pętla nie jest zamknięta, silnik krokowy wykona odpowiednią liczbę kroków, dopóki nie natrafi na opór przekraczający jego możliwości.
Wraz ze wzrostem prędkości i dynamiki układu może się okazać, że silnik krokowy z otwartą pętlą sterującą nie spełni wymagań systemu. Należy wówczas zastosować silnik krokowy z zamkniętą pętlą sterującą lub serwomotor.
Silnik krokowy z zamkniętą pętlą sterującą zapewnia dokładny i szybki ruch oraz precyzyjną kontrolę pozycji. Serwomotor cechuje się wyższym momentem obrotowym przy wysokich prędkościach obrotowych w porównaniu z silnikiem krokowym. Serwomotory spisują się też lepiej w przypadku obciążeń dynamicznych lub w układach wykorzystujących złożone sekwencje ruchu.
W przypadku dynamicznego ruchu z precyzyjnym pozycjonowaniem bezwładność obciążenia powinna być dopasowana do bezwładności serwomotoru tak dobrze, jak to tylko możliwe. Stosunek bezwładności na poziomie 10:1 może być odpowiedni w niektórych zastosowaniach, lecz należy dążyć do uzyskania stosunku wynoszącego 1:1.
Redukcja prędkości za pomocą przekładni zębatej to doskonały sposób na rozwiązanie problemu nieodpowiedniego stosunku bezwładności wirnika i obciążenia, ponieważ bezwładność obciążenia spada proporcjonalnie do kwadratu przełożenia. Należy jednak pamiętać, że w obliczeniach musi być uwzględniona także bezwładność przekładni.
Podsumowanie
Producenci oferują bogaty wybór silników do zastosowań przemysłowych. Silniki prądu stałego, przemiennego, krokowe czy serwomotory spełniają większość wymagań automatyki przemysłowej, jednak silnik powinien być dobierany w zależności od zastosowania. Bez względu na to, czy wymagana jest prędkość stała, zmiana czy kontrola pozycji, użytkownik powinien współpracować z dostawcą silnika i przekładni, co zapewni wybór urządzenia odpowiedniego dla danej aplikacji.
Bryan Sisler jest menedżerem produktu w firmie AutomationDirect.
