W dzisiejszych czasach trudno jest rozdzielić silnik elektryczny od układu, który nim steruje. Bardzo często w skład całego systemu napędowego, oprócz silnika i układu sterowania, wchodzą przekształtniki energii i przekładnie mechaniczne. Maszyna robocza napędzana jest więc najczęściej nie bezpośrednio przez ?goły? silnik elektryczny zasilany wprost z sieci elektrycznej, ale z wykorzystaniem wszystkich elementów składających się na napęd elektryczny: silnika elektrycznego, układu sterowania, przekształtnika energii i przekładni mechanicznej.
Należy pamiętać, że to silnik jest głównym ogniwem układu napędowego. Właśnie on odpowiada za zamianę energii elektrycznej na mechaniczną, najczęściej ruchu obrotowego, ewentualnie postępowego. Wziąwszy jednak pod uwagę oczekiwania odbiorców układów napędowych związane z regulacją prędkości obrotowej czy momentem obrotowym, nawet duża różnorodność konstrukcji silników elektrycznych nie zapewnia w pełni satysfakcjonującej realizacji oczekiwań.
Wychodząc naprzeciw tym wymaganiom, większość firm proponuje odbiorcom kompleksowe rozwiązania napędowe, które umożliwiają dostarczanie energii mechanicznej do maszyny roboczej o zadanym stopniu regulacji parametrów mocy. Proces dostosowywania owych parametrów może być w pewnym stopniu realizowany przez zastosowanie tylko i wyłącznie przekładni mechanicznych.
Jednak bazowanie na takim tylko rozwiązaniu nie jest optymalne ze względów ekonomicznych. Nie pozwala także wykorzystać wszystkich możliwości silnika elektrycznego. Nowoczesne urządzenia tego typu, wraz z dedykowanymi im układami sterowania i przekształtnikami energii elektrycznej, dają duże możliwości kształtowania parametrów energii mechanicznej dostarczanej przez układ napędowy do maszyny roboczej. Dopiero jednak jednoczesne zastosowanie elektrycznych, jak też mechanicznych układów w celu dopasowania pożądanych parametrów energii mechanicznej opuszczającej układ napędowy, wydaje się być rozwiązaniem, które pozwala na najpełniejszą realizację oczekiwań klientów.
W przemyśle stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne silników. Niemiej jednak główna zasada działania silników elektrycznych pozostaje identyczna ? powstanie siły obracającej (przesuwającej) związane jest z przenikaniem się i wzajemnym oddziaływaniem na siebie zmiennych pól elektrycznych wytwarzanych przez obwody elektromagnetyczne (magnetyczne). Również ogólna konstrukcja każdego silnika elektrycznego jest w pewnym stopniu bardzo podobna. Urządzenia te składają się z dwóch podstawowych elementów ? stojana (statora) i wirnika (rotora). Biorąc pod uwagę charakter energii elektrycznej dostarczanej do układu zasilania silnika, stosowane w układach napędowych silniki można najogólniej podzielić na silniki elektryczne zasilane prądem stałym oraz zasilane prądem przemiennym.
Silniki prądu stałego
W silnikach prądu stałego wyróżnia się bieguny magnetyczne, wykonane w postaci uzwojeń stanowiących elektromagnesy bądź jako magnesy trwałe. Takie bieguny zawsze wykonuje się parami. Zakładając dowolność rozwiązania od strony stojana i przyjmując wariant, że na wirniku umieszczone jest uzwojenie, to jego zasilanie musi być realizowane za pomocą urządzenia nazywanego komutatorem. Jak sama nazwa wskazuje, komutator służy do komutacji, czyli synchronicznego (z obrotem wału silnika) przełączania kierunku przepływu prądu przez uzwojenia wirnika znajdujące się na tym wale. Klasyczny komutator to wytrzymałe na wysokie temperatury urządzenie mechaniczne, zbudowane z dielektrycznego walca nałożonego na wirnik. Na walcu tym, poprzecznie do osi wirnika, umieszczone są sekcje (wykonane najczęściej z miedzi, izolowane między sobą za pomocą polimerowych przekładek), do których odpowiednio przyłączone są uzwojenia wirnika. Po sekcjach ślizgają się, mocno dociśnięte za pomocą sprężyn, szczotki wykonane z grafitu. Pozwalają one dostarczyć do uzwojeń wirnika energię w sposób, który zapewnia stały kierunek powstającej w nim siły elektrodynamicznej. Przy takiej konstrukcji i sposobie zasilania pojawiają się problemy z powstającym na komutatorze iskrzeniem i głośną pracą silnika.
W silnikach o odwróconej konstrukcji, tj. w sytuacji, kiedy magnesy trwałe stanowią podstawę konstrukcji wirnika, a zasilane jest nieruchome uzwojenie na stojanie, stosować można komutację elektroniczną. Rozwiązanie to bazuje na zasilaniu poprzez specjalne układy tranzystorowe sterowane przy wykorzystaniu bezstykowych czujników położenia wirnika ? optoelektroniczne, magnetoelektryczne, indukcyjne itp.
Z uwagi na sposób połączenia uzwojeń wirnika i stojana można wyróżnić silniki samowzbudne i obcowzbudne. Pierwsze związane są jedynie z silnikami, które nie mają magnesów trwałych. Natomiast drugie mogą występować w silnikach prądu stałego zarówno z magnesami trwałymi, jak bez nich. W silnikach obcowzbudnych uzwojenie statora oraz rotora zasilane jest z osobnych źródeł. Natomiast w silnikach samowzbudnych do zasilania obu uzwojeń wykorzystuje się to samo źródło.
Biorąc pod uwagę sposób połączenia uzwojeń silników samowzbudnych, można wyróżnić następujące ich rodzaje: szeregowe, bocznikowe i szeregowo-bocznikowe. W silniku szeregowym uzwojenia stojana i wirnika połączone są w szereg, w silniku bocznikowym (równoległym) ? równolegle, a szeregowo-bocznikowym w sposób mieszany. Ze sposobem połączeń uzwojeń związane są specyficzne właściwości każdego z typów silnika. Silniki szeregowe w przypadku braku obciążenia charakteryzują się możliwością rozbiegania (zwiększania do nieskończoności swojej prędkości obrotowej). Cecha taka jest ich istotną wadą. Za zaletę uznaje się natomiast możliwy do osiągnięcia duży moment obrotowy. Właśnie dlatego silniki szeregowe znajdują zastosowanie w napędach pojazdów elektrycznych transportu miejskiego lub dźwigach. Kolejny typ silników ? bocznikowe, cechuje względna stałość prędkości obrotowej przy występujących zmianach obciążenia. Stosowane są do napędzania pomp, dmuchaw czy kompresorów.
Silnik szeregowo-bocznikowy łączy w sobie zalety silnika szeregowego z dużym momentem i bocznikowego (brak zjawiska rozbiegania się przy braku obciążenia).
Silniki obcowzbudne stosowane są szczególnie tam, gdzie wymagana jest konieczność uzyskiwania regulacji prędkości w szerokim zakresie. Wadą tego rodzaju silnika, podobnie jak i bocznikowego, jest możliwość ich rozbiegania się pod wpływem zaniku napięcia w uzwojeniu wzbudzenia. W specyficznych układach, np. w napędach przeciwbieżnych torped, stosowane są silniki prądu stałego z wirującym stojanem, w którym to silniku obracają się zarówno wał, jak i stojan, przy czym jest to obrót w przeciwnym kierunku.
Silniki prądu przemiennego
Silniki prądu przemiennego w niewielkim stopniu różnią się między sobą budową, co wpływa na ich właściwości. W związku z tym wyróżnia się następujące rodzaje silników prądu przemiennego: silniki asynchroniczne, silniki synchroniczne i silniki komutatorowe. Silniki komutatorowe, podobnie jak silniki prądu stałego wyposażone są w wirnik z komutatorem, który służy do doprowadzenia do uzwojeń wirnika prądu przemiennego. W tym przypadku wyróżnić można silniki szeregowe oraz równoległe. Osobną grupę stanowią silniki uniwersalne, które charakteryzują się możliwością pracy przy zasilaniu zarówno prądem stałym, jak i przemiennym.
Najbardziej rozpowszechnione w przemyśle są silniki asynchroniczne, zwane także indukcyjnymi. Określenie indukcyjne związane jest z zachodzącym w tych silnikach zjawiskiem. Najprostszą konstrukcyjnie odmianą silnika asynchronicznego jest silnik klatkowy, który ma uzwojenie wirnika wykonane w postaci zwartych prętów bądź odlewu. W tak zwartym uzwojeniu, pod wpływem generowanego przez przepływ prądu przemiennego, w stojanie pola magnetycznego indukują się prądy wirowe. Wzajemne oddziaływanie pól magnetycznych, wytwarzanych przez prądy płynące w uzwojeniu stojana i prądy wirowe płynące w klatce wirnika, powoduje wytworzenie się siły wprawiającej wirnik w ruch. Silniki takie wykonywane są najczęściej jako 3-fazowe, ale również jako 2-fazowe lub 1-fazowe (w tym wypadku z dodatkowym uzwojeniem rozruchowym). Silniki asynchroniczne mogą być także wykonywane jako pierścieniowe. W takiej konstrukcji zaciski uzwojenia wirnika wyprowadzane są na zewnątrz za pomocą specjalnych pierścieni ślizgowych i połączonych z nimi szczotek. Umożliwia to regulację prędkości obrotowej oraz momentu obrotowego poprzez dołączanie dodatkowej impedancji do obwodu wirnika. Taki sposób rozruchu oraz regulacji parametrów ruchu i hamowania wiąże się jednak z dużymi stratami energii zamienianej na energię cieplną w dołączanym rezystorze. W trakcie pracy z prędkością znamionową uzwojenie jest bezpośrednio zwierane. Cechą charakterystyczną wszystkich silników asynchronicznych jest prędkość obrotowa o wartości niższej (o wartość tzw. poślizgu) od prędkości wirowania pola elektromagnetycznego wytwarzanego w uzwojeniu stojana.
Silniki prądu przemiennego, w których możliwe jest osiąganie prędkości znamionowej o wartości równej prędkości wirowania pola elektromagnetycznego, nazywane są silnikami synchronicznymi. W silnikach tych uzwojenie na wirniku nie jest zwarte lub dołączone do rezystancji, lecz poprzez układ szczotek i pierścieni ślizgowych zasilane z osobnego źródła prądu stałego lub przemiennego. Liczba biegunów wirnika jest zgodna z liczbą biegunów wirującego pola magnetycznego wytwarzanego przez stojan. Bieguny wirnika silnika synchronicznego mogą być wykonane jako jawne lub też utajone. Przy takim zasilaniu powstający w silniku moment obrotowy jest wynikiem wzajemnego oddziaływania na siebie pól magnetycznych wytwarzanych w stojanie i wirniku. Tak wykonane silniki stosowane są bezpośrednio do napędu urządzeń o stałej, lecz dużej prędkości obrotowej, np. sprężarek.
Silniki synchroniczne cechuje maksymalna wartość obciążenia. Praca powyżej takiej wartości może doprowadzić do wypadnięcia silnika z synchronizmu, co ostatecznie oznacza jego zatrzymanie. Typową wadą konstrukcji synchronicznej jest brak rozruchowego momentu obrotowego. W celu uruchomienia takiego silnika stosować można albo maszynę pomocniczą (silnik o innej konstrukcji), albo modyfikację zasilania polegającą na zwieraniu (zamiast zasilaniu) uzwojeń wirnika na czas rozruchu. Kolejnym sposobem jest dodatkowe uzwojenie klatkowe zainstalowane w wirniku. Wszystkie te metody opierają się na doprowadzeniu silnika do prędkości podsynchronicznej, a następnie przełączenia się na tryb pracy uzwojeń wirnika zgodny z zasadą działania silnika synchronicznego.
Nowoczesne układy napędowe bazujące na silnikach synchronicznych wyposażane są w falowniki (przemienniki częstotliwości), które pozwalają na dokonanie rozruchu silnika bez konieczności ingerowania w zasilanie uzwojeń wirnika. Falowniki stanowią alternatywę rozruchu silnika synchronicznego z magnesami trwałymi w wirniku. Zaletą tego typu konstrukcji jest idealnie sztywna charakterystyka mechaniczna. W praktyce oznacza to stałą prędkość obrotową, niezależnie od wartości momentu obciążenia. Oczywiście w dopuszczalnych granicach wartości znamionowych.
Silniki krokowe i liniowe
Odpowiednie zaprojektowanie i wykonanie silnika elektrycznego, w połączeniu ze stosownym układem sterowania, umożliwia jego pracę w sposób skokowy (obrót wału silnika następuje o ściśle ustalony kąt). Sterownie silnika skokowego (zwanego również impulsowym bądź krokowym) realizowane jest jako ciąg impulsów, które pozwalają na przemieszczanie i utrzymanie wału silnika w zadanej pozycji. Zasilanie poprzez komutator realizowane jest jako odpowiedni układ napięć utrzymywany do chwili pojawienia się kolejnego impulsu. Prędkość części ruchomej takiego silnika proporcjonalna jest do częstotliwości impulsów zasilających, a przebyta droga do ich ilości.
Odmianą silnika krokowego jest silnik liniowy. Do jego zasilania wykorzystuje się analogiczną ideę, jak w przypadku silnika skokowego. Różnica polega na tym, że generowany przez niego ruch ma charakter postępowy, a nie obrotowy. Taka sytuacja wynika ze zmiany wzajemnego usytuowania uzwojeń (nazywanych w tym przypadku induktorem i bieżnikiem), które rozmieszczono w linii prostej. Induktor, jak i bieżnik, mogą stanowić część ruchomą silnika. Brak styku pomiędzy obiema częściami ruchomymi silnika sprawia, że urządzenie to pracuje bardzo cicho. Poza tym można łatwo łączyć je w zespół o większej mocy.
Silniki krokowe, jak i liniowe wykorzystywane są do napędzania urządzeń pozycjonujących w przetwornikach położenia. Ważną ich zaletą jest możliwość współpracy z cyfrowymi układami zasilającymi. Taki prosty sposób zasilania ułatwia także sterowanie prędkością, zmiany kierunku ruchu oraz dużą niezawodność przy prawie stałym momencie w szerokim zakresie prędkości.
W zależności od konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego wśród silników krokowych wyróżnić można silniki z magnesami trwałymi, o zmiennej reluktancji, hybrydowe oraz o poprzecznym strumieniu magnetycznym (transverse-flux motor). Te ostatnie to jedne z najnowszych konstrukcji. Są stosowane przede wszystkim w napędach szybkich pojazdów poruszających się na poduszce magnetycznej. Podstawową zaletą układu pracy takiego silnika jest brak sprzężenia zwrotnego przy uzyskiwanej wysokiej precyzji działania, choć może wystąpić zjawisko gubienia kroków.
Przed silnikiem
Jak wiadomo, silnik może być zasilany wprost z sieci sztywnej o odpowiednich parametrach (stałe napięcie, częstotliwość). Jednak taki sposób jest bardzo często niekorzystny ze względu na możliwości uzyskania łagodnego startu silnika, szybkiego wyhamowania silnika, jak i płynnej regulacji jego prędkości obrotowej.
Niejednokrotnie zachodzi także konieczność zagwarantowania odpowiedniej wielkości momentu obrotowego, czego częstokroć przy takim sposobie zasilania zapewnić się po prostu nie da.
Również rozwiązania elektromechaniczne, z uwagi na małą efektywność, dużą zawodność oraz niedogodność stosowania, przechodząpowoli do lamusa. Największe znaczenie ma to w przypadku powszechnie i na szeroką skalę stosowanych w przemyśle silników asynchronicznych (szczególnie klatkowych) prądu przemiennego. Charakteryzują się one znacznym momentem rozruchowym przy dużej wartości prądu rozruchowego. Zjawisku temu należy oczywiście przeciwdziałać. W celu zapewnienia pożądanych parametrów rozruchu i hamowania silników stosuje się układy nazywane softstartami. Softstarty są to urządzenia elektroniczne (najczęściej bazujące na technice tranzystorowej lub tyrystorowej), które regulują napięcie silnika i w ten sposób zapewniają spokojne przejście od zatrzymania do pełnej prędkości wału silnika oraz jego zatrzymanie. Może to być realizowane na kilka sposobów. W tym celu stosowana jest zasada sterowania kątem fazowym. W zaawansowanych softstartach znajdują się przekładniki prądowe, które mierzą prąd silnika wykorzystywany jako sygnał sprzężenia zwrotnego dla sterowania prądem rozruchowym, a także w licznych funkcjach zabezpieczenia silnika. Pewna grupa aplikacji może wymagać nieliniowego przyspieszania. Dlatego szybkość narastania napięcia, zapewniona przez układ softstart, jest zależna od aktualnej wartości prądu.
Zatrzymanie silnika z wykorzystaniem tych układów w sytuacji, kiedy konieczne staje się zatrzymanie z dużą dynamiką, wykonywane może być przez hamowanie stałoprądowe DC (Direct Current). Również w przypadku aplikacji wymagających chwilowego, zwiększonego momentu rozruchowego (tzw. ?kick-start?), a następnie łagodnego rozpędzania, stosowane mogą być systemy softstart. Zastosowanie układów typu softstart daje możliwość zredukowania prądów rozruchowych oraz udarów mechanicznych układów napędowych (wału silnika, skrzyń biegów oraz pasów przenoszących napęd). Dzięki temu znacznie wydłużona zostaje żywotność urządzeń mechanicznych. Pojedyncze urządzenie typu softstart może służyć do jednoczesnego równoległego sterowania kilkoma silnikami. W takim przypadku należy pamiętać o odpowiednim dobraniu parametrów współpracujących urządzeń. Nie można jednak na potrzeby jednego silnika stosować kilku urządzeń typu softstart ani zasilać za jego pomocą urządzeń o charakterze pojemnościowym.
Z uwagi na duży odsetek zastosowań silników prądu przemiennego (przeszło 50% mocy zainstalowanej w przemyśle przypada na tego rodzaju silniki) do realizacji układów napędowych poszukuje się coraz skuteczniejszych metod sterowania. Chcąc nie tylko kształtować wartości parametrów ruchu silnika w czasie rozpędzania i hamowania, ale także wpływać na bieżącą wartość prędkości i momentu przy zmieniającym się momencie obciążenia, można zastosować zasilanie silnika poprzez urządzenie nazywane falownikiem bądź przetwornicą lub przemiennikiem częstotliwości. Dodatkową zaletą stosowania falowników jest to, że zabezpieczają silnik przed przeciążeniem i zwarciem, a także pozwalają zaoszczędzić energię. Oferują przy tym możliwość bieżącego dopasowania mocy pobieranej do obciążenia. Sterowanie prędkością obrotową odbywa się przy zastosowaniu falownika. Polega ono na zmianie częstotliwości napięcia zasilającego silnik oraz wartości skutecznych tego napięcia i prądu.
Kształtowanie sygnału napięciowego służącego do zasilania silnika jest w falowniku dokonywane za pomocą dwóch stopni mocy. Stopień pierwszy (zbudowany jako układ diodowy ? niesterowalny lub tyrystorowy ? sterowany) odpowiedzialny jest za wyprostowanie napięcia sieciowego. W stopniu drugim (zbudowanym jako układ tranzystorowy z mostkiem przełączającym) uprzednio wyprostowane napięcie jest zamieniane na zmienne o wymaganych parametrach (częstotliwość, wartość skuteczna), odpowiednich z uwagi na pożądane właściwości ruchowe silnika. Pomiędzy stopniami mocy znajduje się stopień pośredni (złożony z kondensatora ? źródła energii i czasami dławika).
Za pomocą falownika możliwe jest pożądane kształtowanie zarówno prędkości obrotowej, jak też momentu uzyskiwanego przez silnik. W celu uzyskania równie elastycznego sterowania silników prądu przemiennego z magnesami trwałymi w wirniku (serwosilnik) stosuje się serwonapędy. W silniku takim występuje wbudowany układ pomiarowy w postaci enkodera. Właściwie nie różnią się one od falowników stosowanych dla silników klatkowych, w których steruje się wektorem pola. W tym wypadku nie jest potrzebny regulator prądu magnesującego. W celu uzyskiwania odpowiedniego położenia kątowego silnika używa się sterowanego impulsatora kodowanego. Serwosystemy stosowane są w sytuacjach, gdy wymagana jest duża dynamika ruchu, praca przy małych prędkościach, bardzo duże dokładności regulacyjne i pozycjonowanie.
Za silnikiem
Nawet wykorzystanie odpowiednich układów zasilania silnika nie zawsze jest w stanie zapewnić pożądane, z punktu widzenia maszyny roboczej, parametry ruchu. W takiej sytuacji konieczne jest użycie układów pędnych. Stanowią one ostatni element układu napędowego. Są to różnorakie rozwiązania mechaniczne pozwalające na odpowiednie dopasowanie parametrów energii ruchu. Do rozwiązań tych zalicza się: sprzęgła, przekładnie zębate, przekładnie pasowe i przekładnie planetarne.
Podsumowując: silniki elektryczne wykazują dobre dopasowanie charakterystyki elektryczno-mechanicznej do napędzanych maszyn, niezawodność, prostotę konstrukcji, niskie koszty eksploatacji oraz wysoką sprawność przetwarzania energii. Biorąc pod uwagę łatwą regulację prędkości obrotowej, związaną z szybkim rozwojem elektroniki i energoelektroniki, stanowią podstawowe źródło w napędach wielu maszyn i urządzeń. Stosowane do regulacji parametrów pracy silników falowniki lub prostowniki sterowane, jak też same silniki, powodują znaczny wzrost odkształceń napięcia w sieci, co związane jest z koniecznością kompensacji mocy biernej.
Krzysztof Jaroszewski jest asystentem w Zakładzie Automatyki Instytutu Automatyki Przemysłowej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego.
Żródło zdjęć: Apator Control