Zastosowanie serwonapędów w automatyce urządzeń
Postęp technologiczny i konkurencja prowadzą do ciągłego wzrostu wydajności i wzrostu stopnia automatyzacji urządzeń technologicznych. Jednocześnie rosną wymagania stawiane regulowanym napędom elektrycznym w zakresie takich parametrów jak zakres regulacji prędkości, dokładność pozycjonowania czy przeciążalność.
Aby sprostać tym wymaganiom, opracowano zaawansowane technologicznie urządzenia nowoczesnego napędu elektrycznego – serwonapędy. Są to układy napędowe, które w szerokim zakresie regulacji prędkości gwarantują wysoką precyzję procesów ruchowych i realizują ich dobrą powtarzalność. Serwonapędy to najbardziej zaawansowany etap napędów elektrycznych.
DC do AC
Przez długi czas silniki prądu stałego były stosowane głównie w napędach sterowanych. Wynika to z prostoty zastosowania prawa sterowania napięciem twornika.Jako urządzenia sterujące zastosowano wzmacniacze magnetyczne, regulatory tyrystorowe i tranzystorowe, a jako układ sprzężenia zwrotnego prędkości zastosowano analogowe generatory tacho.
Tyrystorowy napęd elektryczny jest sterowaną przetwornicą tyrystorową, która dostarcza energię silnik stały… Obwód zasilający napędu elektrycznego składa się z: transformatora dopasowującego TV; sterowany prostownik złożony z 12 tyrystorów (V01…V12) połączonych w sześciofazowy półfalowy obwód równoległy; ograniczniki prądu L1 i L2 oraz silnik prądu stałego M z niezależnym wzbudzeniem. Transformator trójfazowy Telewizor posiada dwie cewki zasilające oraz cewkę ekranowaną od nich do zasilania obwodów sterujących. Uzwojenie pierwotne jest połączone w trójkąt, uzwojenie wtórne w gwiazdę sześciofazową z zaciskiem neutralnym.
Wadami takiego napędu są złożoność układu sterowania, obecność szczotkowych odbieraków prądu, które zmniejszają niezawodność silników, a także wysoki koszt.
Postęp w elektronice i pojawienie się nowych materiałów elektrycznych zmieniły sytuację w dziedzinie technologii serwo. Ostatnie postępy umożliwiają zrównoważenie złożoności sterowania napędem prądu przemiennego za pomocą nowoczesnych mikrokontrolerów i szybkich, wysokonapięciowych tranzystorów mocy. Magnesy trwałe, wykonane ze stopów neodymowo-żelazowo-borowych i samarowo-kobaltowych, ze względu na dużą energochłonność, znacznie poprawiły charakterystyki silników synchronicznych z magnesami na wirniku, przy jednoczesnym zmniejszeniu ich masy i wymiarów. Dzięki temu poprawiły się właściwości dynamiczne napędu, a jego wymiary zostały zmniejszone.Trend w kierunku asynchronicznych i synchronicznych silników prądu przemiennego jest szczególnie widoczny w serwosystemach, które tradycyjnie opierały się na napędach elektrycznych prądu stałego.
Serwo asynchroniczne
Asynchroniczny silnik elektryczny jest najbardziej popularny w branży ze względu na prostą i niezawodną konstrukcję przy niskich kosztach. Jednak ten typ silnika jest złożonym obiektem sterowania pod względem sterowania momentem i prędkością.Zastosowanie wysokowydajnych mikrokontrolerów realizujących algorytm sterowania wektorowego oraz cyfrowych czujników prędkości o wysokiej rozdzielczości pozwala uzyskać zakres regulacji prędkości i charakterystykę dokładności asynchronicznego napędu elektrycznego, nie gorszego od serwonapędu synchronicznego.
Sterowane częstotliwościowo napędy indukcyjne prądu przemiennego zmieniają prędkość obrotową wału silnika indukcyjnego klatkowego za pomocą tranzystorowych lub tyrystorowych przetwornic częstotliwości, które przetwarzają napięcie jednofazowe lub trójfazowe o częstotliwości 50 Hz na napięcie trójfazowe o zmiennej częstotliwości w zakresie od 0,2 do 400 Hz.
Dzisiaj przetwornice częstotliwości to urządzenie niewielkich rozmiarów (znacznie mniejsze od asynchronicznego silnika elektrycznego o podobnej mocy) na nowoczesnej bazie półprzewodnikowej, sterowane przez wbudowany mikroprocesor. Zmienny asynchroniczny napęd elektryczny pozwala rozwiązywać różne problemy automatyzacji produkcji i oszczędzania energii, w szczególności bezstopniową regulację prędkości obrotowej lub prędkości posuwu maszyn technologicznych.
Pod względem kosztów asynchroniczny serwonapęd ma niekwestionowaną przewagę przy dużych mocach.
Serwo synchroniczne
Synchroniczne serwomotory to trójfazowe silniki synchroniczne ze wzbudzeniem z magnesów trwałych i fotoelektrycznym czujnikiem położenia wirnika. Używają klatek wiewiórczych lub wirników z magnesami trwałymi. Ich główną zaletą jest niski moment bezwładności wirnika w stosunku do rozwijanego momentu obrotowego. Silniki te współpracują z serwowzmacniaczem składającym się z prostownika diodowego, baterii kondensatorów oraz falownika opartego na tranzystorowych przełącznikach mocy. W celu wygładzenia tętnienia napięcia wyprostowanego serwowzmacniacz wyposażono w blok kondensatorów oraz w celu przetworzenia energii zgromadzonej w kondensatorach w momentach hamowania — w tranzystor rozładowczy i rezystancję balastową, co zapewnia skuteczne hamowanie dynamiczne.
Synchroniczne serwonapędy o zmiennej częstotliwości reagują szybko, dobrze współpracują z systemami sterowania z programowaniem impulsowym i mogą być stosowane w różnych gałęziach przemysłu, w których wymagane są następujące właściwości napędu:
-
pozycjonowanie ciał roboczych z dużą dokładnością;
-
utrzymywanie momentu obrotowego z dużą dokładnością;
-
utrzymywanie prędkości ruchu czy podawanie z dużą dokładnością.
Głównymi producentami serwomotorów synchronicznych i opartych na nich napędów zmiennych są Mitsubishi Electric (Japonia) i Sew-Evrodrive (Niemcy).
Mitsubishi Electric produkuje szereg serwonapędów małej mocy -Melservo-C w pięciu rozmiarach o mocy znamionowej od 30 do 750 W, prędkości znamionowej 3000 obr./min i znamionowym momencie obrotowym od 0,095 do 2,4 Nm.
Firma produkuje również serwonapędy o częstotliwości gamma średniej mocy o mocy znamionowej od 0,5 do 7,0 kW, prędkości znamionowej od 2000 obr./min i znamionowym momencie obrotowym od 2,4 do 33,4 Nm.
Serwonapędy Mitsubishi serii MR-C z powodzeniem zastępują silniki krokowe, ponieważ ich systemy sterowania są w pełni kompatybilne (wejście impulsowe), ale jednocześnie są wolne od wad właściwych dla silników krokowych.
Serwomotory MR-J2 (S) różnią się od innych wbudowanym mikrokontrolerem z rozszerzoną pamięcią, która zawiera do 12 programów sterujących. Taki serwonapęd pracuje bez utraty dokładności w całym zakresie prędkości roboczych. Jedną z istotnych zalet urządzenia jest jego zdolność do kompensacji „skumulowanych błędów”. Serwowzmacniacz po prostu resetuje serwosilnik „do zera” po określonej liczbie cykli pracy lub na sygnał z czujnika.
Sew-Evrodrive dostarcza zarówno pojedyncze komponenty, jak i kompletne serwonapędy z pełną gamą akcesoriów. Głównymi obszarami zastosowań tych urządzeń są elementy wykonawcze i systemy szybkiego pozycjonowania programowanych obrabiarek.
Oto główne cechy synchronicznych serwomotorów Sew-Evrodrive:
-
moment rozruchowy — od 1 do 68 Nm, aw obecności wentylatora do wymuszonego chłodzenia — do 95 Nm;
-
przeciążalność — stosunek maksymalnego momentu obrotowego do momentu rozruchowego — do 3,6 razy;
-
wysoki stopień ochrony (IP65);
-
termistory wbudowane w uzwojenie stojana kontrolują nagrzewanie się silnika i wykluczają jego uszkodzenie w przypadku jakiegokolwiek przeciążenia;
-
impulsowy czujnik fotoelektryczny 1024 impulsy/obr. zapewnia zakres regulacji prędkości do 1:5000
Wyciągnijmy wnioski:
-
w dziedzinie regulowanych serwonapędów występuje tendencja do zastępowania napędów elektrycznych prądu stałego analogowymi układami sterowania napędami elektrycznymi prądu przemiennego z cyfrowymi układami sterowania;
-
Regulowane asynchroniczne napędy elektryczne oparte na nowoczesnych małogabarytowych przetwornicach częstotliwości pozwalają z dużą niezawodnością i wydajnością rozwiązywać różne problemy automatyzacji produkcji i oszczędności energii. Zaleca się stosowanie tych napędów do płynnej regulacji prędkości posuwu w maszynach i maszynach do obróbki drewna;
-
serwonapędy asynchroniczne mają niepodważalną przewagę nad synchronicznymi przy dużych mocach i momentach obrotowych powyżej 29-30 N/m (np. napęd obrotów wrzeciona w obieraczkach);
-
jeżeli wymagana jest duża prędkość (czas trwania cyklu automatycznego nie przekracza kilku sekund) i wartość rozwijanych momentów do 15–20 N/m, należy zastosować regulowane serwonapędy oparte na silnikach synchronicznych z różnymi typami czujników , które umożliwiają regulację prędkości obrotowej do 6000 obr./min bez zmniejszania momentu;
-
Serwonapędy o zmiennej częstotliwości oparte na silnikach synchronicznych prądu przemiennego pozwalają na tworzenie systemów szybkiego pozycjonowania bez użycia CNC.
Jak prawidłowo zainstalować i wyrównać silnik
Metody diagnozowania uszkodzeń asynchronicznych silników elektrycznych
Jak włączyć trójfazowy silnik elektryczny w sieci jednofazowej bez przewijania
Rodzaje zabezpieczeń elektrycznych asynchronicznych silników elektrycznych
Zabezpieczenie termistorowe (pozystorowe) silników elektrycznych
Jak określić temperaturę uzwojeń silników prądu przemiennego na podstawie ich rezystancji
Jak poprawić współczynnik mocy bez kondensatorów kompensacyjnych
Jak zapobiec uszkodzeniu izolacji uzwojenia stojana silnika indukcyjnego
Jak zmieniają się parametry trójfazowego silnika indukcyjnego w warunkach innych niż nominalne