Napędy silnikowe VFD, tranzystory impulsowe mocy i mikroprocesory, zaawansowane algorytmy sterowania pracą silników, oprogramowanie sterowników i napędów oraz integracja silników i napędów w mechatronice, to wyróżniające się innowacje w elektronicznych regulatorach silników elektrycznych.
Choć obserwacja rynku napędów elektrycznych może wskazywać, że tempo postępu technologicznego w tej branży uległo spowolnieniu w ciągu ostatnich dekad, to jednak wciąż pojawiają się w niej innowacyjne rozwiązania technologii elektronicznych, w szczególności w sektorze regulatorów silników elektrycznych. W artykule opisano pięć najważniejszych innowacji w tej dziedzinie, które, jak się przewiduje, będą sprzyjać dalszemu rozwojowi precyzyjnie sterowanych układów napędowych.
1?? Napędy VFD silników elektrycznych
Silniki elektryczne napędzają bardzo dużą liczbę linii produkcyjnych i przetwórczych w przemyśle na całym świecie. Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD), które realizują niezawodną regulację prędkości i momentu obrotowego powszechnie stosowanych w przemyśle silników indukcyjnych zmiennoprądowych AC, stanowią jedną z największych i najważniejszych innowacji technologicznych w obsłudze takich silników. Nowsze modele napędów VFD wprowadzane na rynek w kolejnych latach są coraz bardziej uniwersalne ? mogą być wykorzystywane do sterowania pracą silników synchronicznych AC z magnesami stałymi. Istotne zmiany i postęp dokonuje się również w dziedzinie napędów serwomotorów i silników krokowych, zwłaszcza pod względem regulacji momentu i położenia różnych typów tego rodzaju silników. Uzupełniają one ofertę dostępnych na rynku napędów swoimi odpowiednio niższymi zakresami mocy.
Czynnikami umożliwiającymi zaprojektowanie i zbudowanie tych nowoczesnych napędów i silników elektrycznych były i są innowacje w dziedzinie sprzętu i oprogramowania. Podstawowe innowacje sprzętowe objęły wprowadzenie tranzystorów impulsowych mocy oraz mikroprocesorów. Druga z kategorii objęła nowe narzędzia programowe, które pozwoliły na realizację skomplikowanych algorytmów sterowania, co nie było możliwe w przeszłości. Wraz z szerszą dostępnością oprogramowania aplikacje obsługi i sterowania napędów silnikowych stały się również bardziej przyjazne dla użytkownika.
Radykalnie zmniejszono wymiary i masę szczególnie w dziedzinie napędów VFD. Duże szafy sterownicze ustąpiły miejsca kompaktowym obudowom z elektroniką, które mogły być umieszczone w pobliżu silników tak, aby dopasować się do specyficznych warunków aplikacyjnych i układu sprzętu w zakładach produkcyjnych. Niektóre napędy były nawet montowane na silnikach, w zależności od mocy wymaganej dla danej aplikacji. W latach 90. powstała klasa tzw. mikronapędów, w której znalazł się model o mocy 0,19 kW, mieszczący się w kieszeni koszuli technika. Oczywiście nie jest to praktyczna aplikacja, jednak jest żywą ilustracją możliwości nowoczesnych napędów. Serwonapędy i silniki krokowe także zyskały korzyści z trwającej miniaturyzacji elektroniki sterującej.
2?? Tranzystory impulsowe mocy i mikroprocesory
Tranzystory impulsowe, które kształtują przebiegi napięć i prądów w sterowaniu pracą silników, są sercem współczesnych napędów elektrycznych. Krzemowe prostowniki sterowane (typ przełącznika półprzewodnikowego) oraz tyrystory wyłączalne prądem bramki (gate turn-off thyristors ? GTW, półprzewodniki mocy) służyły jako elementy przełączające we wczesnych napędach. Reprezentują one obecnie już dojrzałą technologię, zaś ich wykorzystanie jest ograniczone, głównie do niektórych napędów dużej mocy.
Wraz z rozpowszechnianiem się komputerów i technologii cyfrowych napędy silnikowe przeobraziły się w konstrukcje oparte na mikroprocesorach (MPU), które nadal dominują w tej branży. Pojawiła się też nowsza klasa półprzewodników ? tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (insulated-gate bipolar transistor ? IGBT), które stały się podstawowym elementem przełączającym we współczesnych napędach silników elektrycznych. Tranzystory IGBT łączą najlepsze cechy wejścia tranzystora polowego z izolowaną bramką (metal-oxide semiconductor field-effect transistor ? MOSFET) i wyjścia tranzystora bipolarnego. Ich zaletami są m.in. szybkie przełączanie i małe straty mocy, dzięki izolowanej bramce. Postępy w dziedzinie tranzystorów IGBT powodują zwiększenie szybkości przełączania i zdolność do pracy przy wyższych napięciach.
Mikroprocesory i procesory sygnałowe (digital signal processors ? DSM) to klasa układów, które także ciągle zwiększają swoje możliwości. Większe szybkości procesorów pozwalają na szybsze reagowanie na dynamiczne zmiany obciążeń oraz komunikację w czasie zbliżonym do rzeczywistego z innymi elementami systemu sterowania ruchem. Ponadto pamięć staje się dosłownie nieograniczona, ponieważ konstruktorzy potrafią ?wtłoczyć? coraz więcej gigabajtów do bloków pamięci w mikroukładach. Wszystko to pozwala na wdrożenie bardziej skomplikowanych algorytmów sterowania ruchem, zarówno w oprogramowaniu, jak i sprzęcie.
3?? Zaawansowane sterowanie pracą silników
Uniwersalne napędy AC o zmiennej częstotliwości (falowniki) wykorzystują trzy podstawowe metody sterowania pracą silników. Sterowanie w otwartej pętli, zwane także żargonowo woltami na herc (V/Hz, zależność napięcia od częstotliwości jest stała) lub sterowaniem skalarnym, było pierwszą i najprostszą metodą regulacji, która pojawiła się najwcześniej. W metodzie tej regulacja prędkości obrotowej silnika odbywa się bez układu sprzężenia zwrotnego i jest wystarczająca w prostszych aplikacjach, gdzie nie jest wymagana bardzo dokładna regulacja. Sterowanie wektorowe (flux-vector control ? FVC) zapewnia najwyższy poziom regulacji parametrów silnika przez napęd VFD i występuje w kilku odmianach. Najwięcej możliwości daje sterowanie wektorowe zorientowane polowo (field-oriented control ? FOC), które modeluje charakterystykę silnika DC w silnikach AC poprzez niezależną regulację prądu magnesującego wytwarzającego strumień magnetyczny i prądu wirnika wytwarzającego moment obrotowy, w celu uzyskania optymalnej regulacji momentu obrotowego i mocy silnika. Sterowanie FVC wykorzystuje moduł do sprzężenia zwrotnego (zwykle enkoder), które dostarcza informacji o położeniu i prędkości obrotowej wału silnika. Algorytmy sterowania zależą od skomplikowanych modeli silnika i wykorzystują osobne pętle regulacji prędkości oraz momentu. Przy pełnym sterowaniu wektorowym można uzyskać wysoki moment obrotowy przy małych prędkościach, nawet niemal 0 obr./min.
Pomiędzy tymi dwoma ekstremalnymi metodami znajduje się sterowanie wektorowe bezczujnikowe (sensorless vector control ? SVC), zwane także sterowaniem wektorowym w otwartej pętli. Jest to kolejna alternatywa dla poprawy momentu przy niskich prędkościach obrotowych, regulacji prędkości oraz momentu rozruchowego ? w stosunku do napędów z regulacją skalarną. Co prawda napędy SVC pracują bez urządzenia sprzężenia zwrotnego, jednak potrafią, wykorzystując sygnały napięciowe i prądowe silnika, oszacować prąd wirnika wytwarzający moment obrotowy, prąd wytwarzający strumień magnetyczny oraz relację wektorową pomiędzy nimi, co jest niezbędne do precyzyjnego sterowania silnikiem. Tak więc napędy te także są zależne od dokładnego modelu silnika. Nowsze napędy VFD oferują wszystkie opisane wyżej metody sterowania, nawet skalarne, ze względu na jej użyteczność w niektórych aplikacjach.
4?? Oprogramowanie sterowników i napędów
Równania opisujące silniki oraz modele silników były znane i dostępne już od dawna, jednak ich wdrożenie w oprogramowaniu realizującym programy i algorytmy dynamicznego sterowania ruchem musiało zaczekać do czasów, aż komputery zostały rozpowszechnione. Równolegle trwał postęp w procesorach MPU, sygnałowych i tzw. mikroczipach, które wykonywały programy w sterownikach ruchu i napędach silnikowych. Wtedy nastąpił ogromny postęp w szybkości procesorów oraz pojemności pamięci.
Jednym z rezultatów tego postępu była możliwość oraz uzasadnienie ekonomiczne wbudowania wielu opisanych wcześniej technologii sterowania pracą silników do tego samego napędu elektronicznego. Prosta zmiana parametru w oprogramowaniu takiego napędu zmienia jego tryb sterowania pracą silnika.
Innym aspektem oprogramowania do sterowania ruchem jest pomoc w konfiguracji zestawu napęd elektroniczny/silnik, szczególnie do serwomotorów. Algorytmy optymalnego doboru nastaw w sterownikach adaptacyjnych potrafią w sposób ciągły utrzymywać optymalne wartości parametrów PID. Ten rodzaj inteligencji wbudowany w napęd potrafi także wykrywać inne parametry, takie jak zmiany temperatury silnika i zakłócenia regulacji, w celu poprawy pracy systemu sterowania pracą silnika.
5?? Integracja silników i napędów w mechatronice
Systemy mechaniczne i elektroniczne tradycyjnie działały jako fizycznie odseparowane jednostki. Jednak sterowanie silnikami bardzo się pod tym względem zmieniło w połowie lat 90., gdy na rynku pojawiły się na dużą skalę silniki zintegrowane z napędami. Wielu producentów wprowadziło całą gamę takich wyrobów, najpierw jako kombinacje silników indukcyjnych AC z napędami VFD w jednym pakiecie, tak zwane silniki zintegrowane. Następnie na rynku pojawiły się podobne kombinacje serwomotorów i silników krokowych oraz ich napędów.
Silnikom z wbudowanymi napędami elektronicznymi można przypisać różne zalety, na przykład niższe koszty instalacji ? ze względu na brak długich kabli pomiędzy silnikami a napędami oraz korytek czy rurek kablowych ? zredukowana liczba komponentów systemu, łatwiejsza diagnostyka i konserwacja oraz prostsza architektura systemu sterowania. Jednak silniki zintegrowane osiągnęły mniejszy sukces niż oczekiwano, głównie stało się to w sektorze silników indukcyjnych i ich napędów. Być może zostało to spowodowane mniejszą ilością korzystnych aplikacji lub ambiwalencją użytkowników. Jednak te kombinacje silnik indukcyjny/napęd, o mocach do 22 kW, pozostają nadal na rynku. Są wykorzystywane w odpowiednich aplikacjach oraz hybrydowych architekturach systemów sterowania.
Dziś droga do kontynuacji rozwoju i postępu technicznego w tych pięciu omówionych w artykule obszarach elektronicznego sterowania pracą silników elektrycznych pozostaje otwarta.
Frank J. Bartos był głównym redaktorem i redaktorem konsultantem w Control Engineering.
