Napędy AC w XXI wieku mają się dobrze

Historia coraz mniejszych, coraz bardziej wydajnych i coraz tańszych napędów VFD trwa od ponad 50 lat, a ich ewolucja nie skończyła się.

Gabaryty oraz waga to najbardziej widoczne dowody niesamowitej ewolucji jaką przeszły napędy prądu przemiennego (ac variable-frequency drives – VFDs) na przestrzeni ostatnich 50-ciu lat. Jednakże zmiany jakie zaszły w środku, są jeszcze bardziej dramatyczne: sprawność, wydajność i niezawodność oferowane przez dostępne aktualnie regulatory silników jest niewiarygodna, zapewniona przez postęp technologiczny tranzystorów mocy, mikroprocesorów jak i innych funkcji programowych oraz sprzętowych, które eliminują troski użytkowników związane z zastosowaniem i obsługą techniczną napędów.

 Wczesne modele napędów pracowały w otwartej pętli, ale miały ograniczone pole działania. Główny krok naprzód nastąpił, kiedy w 1971 roku Felix Blaschke z firmy Siemens opracował sterowanie wektorem strumienia (pola magnetycznego) nastawione na pole, dla silników indukcyjnych. Za nim poszli inni, co w końcu sprawiło, że VFD osiągają, a nawet przewyższają osiągi napędów DC w wielu aplikacjach. Następnie opracowano bezczujnikowe sterowanie wektorowe (eliminujące potrzebę eknodera) oraz inne modernizacje algorytmu napędu, a ewolucja przyspiesza dalej.

W firmie Rockwell Automation William L. Sinner, menadżer do spraw linii produktu odnotował dwie historyczne zmiany, które wpłynęły na moc i sterowanie VFD. Wczesne modele napędów AC (początek lat osiemdziesiątych) stosowały wiele tranzystorów na fazę z racji ograniczonych wartości znamionowych dla napięcia i prądu. To uległo zmianie, wszystko jest w jednym opakowaniu – obecnie napęd 10-hp ma mniejszą strukturę niż pakiet tranzystorów we wczesnych modelach. – Nowe generacje tranzystorów w dalszym ciągu są udoskonalane, ponieważ producenci opracowywują coraz mniejsze ibardziej wydajne urządzenia zasilające – mówi Sinner.

Izolowane bramkowe tranzystory dwubiegunowe (insulated-gate bipolar transistors – IGBT) są obecnie stosowanymi elementami stopni mocy.

Jeśli chodzi o sterowanie, na początku królował model analogowy, który potem ustąpił sterowaniu cyfrowemu, ktore na początku było oparte na zintegrowanych obwodach. – Napędy cyfrowe oparte na mikroprocesorach (microprocessor based digital drives MPU) nastały nieco później – stwierdza Sinner. I na początku oferowały zaledwie sterowanie w otwartej pętli (V/f). Dalsze udoskonalenia MPU pozwoliły na dodanie wielu rodzajów sterowania w jednym napędzie, gdzie jedynie zmiany parametrów programowych są wymagane do przestawienia sposobu sterowania.

 

Modele wyposażone w różne rodzaje sterowania, dołączalność

Modele wyposażone w różne rodzaje sterowania to mistrzostwo w świecie VFD. Najprostsze modele napędów oferują zazwyczaj sterowanie V/f oraz bezczujnikowe sterowanie wektorowe, podczas gdy bardziej zaawansowane modele, te które początkowo były wyposażone w sterowanie wektorem strumienia, zostały później wyposażone w inne tryby sterowania. Na przykład produkt firmy Rockwell – PowerFlex 700S z wbudowanym procesorem Logix ma kilka trybów pracy, łączenie z serwosterowaniem. Migracje technologiczne w obrębie jednej linii produktów to kolejny trend. Sinner podaje jako przykład prosty PowerFlex 70, do którego dodano sterowanie wektorowe oraz niektóre zaawansowane modele, które zostały wzbogacone o sterowanie V/f.

Dlaczego stoduje się sterowanie w otwartej pętli w drogich modelach? – Z jednej strony – mówi Sinner – działanie V/f pozwala na sterowanie wieloma silnikami z jednego napędu. Ponadto zastosowanie jednego rodzaju napędów pomaga zredukować ilość częś zamiennych składowanych w magazynie.

Dołączalność to kolejna ważna cecha dzisiejszych modeli VFD. Wszystkie napędy firmy Rockwell są w nią wyposażone. W doświadczeniu firmy aplikacje sieciowe składają się obecnie na ok. 50% wszystkich napędów – i zwiększają się w przypadku droższych modeli. – Procent połączonych aplikacji napędów podwoił się na przestrzeni ostatnich trzech lat – mówi Sinner.

Według opinii Toma Momberger, dyrektora do spraw produktu w firmie Danfoss Drives: – Zastosowanie technologii mikroprocesorów w VFD to najprawdopodobniej główny element postępu odpowiedzialny za dzisiejsze możliwości napędów AC. Dla porównania wymienia on typowy analogowy napęd 5-hp AC z roku 1968 – jednostka była chłodzona olejem i wymagała dużej ilości regulacji ręcznych; waga i wielkość dzisiejszych VFD stanowi zaledwie ułamek wagi i wielkości tamtego modelu. (Patrz: zdjęcie modelu Danfoss 5-hp VLT i ewolucję na przestrzeni czasu). Oczywiście nowe napędy AC zostały wzbogacone o wiele innych funkcji, takich jak programowanie poprzez klawiaturę operatora czy komputer. Wszystko to stało się możliwe dzięki zastosowaniu mikroprocesora.

– Elastyczność, inteligencja oraz łatwa obsługa to najważniejsze cechy VFD – mówi Momberger.

Elastyczność oznacza zaspakajanie potrzeb wielu aplikacji poprzez zastosowanie jednego rodzaju napędu, który oferuje sterowanie w otwartej pętli, zamkniętej pętli, sterowanie wektorem strumienia oraz prawie serwo sterowanie. – Te możliwości obniżają koszt napędu poprzez redukowanie stanów magazynowych, szkoleń operatorskich oraz kosztu wymiany części – dodaje Momberger.

 

</><//> 
Udoskonalana od 30 lat ta sama linia napedów VFD firmy Danfoss wykazuje duże zmiany. VLT były wyposażone w analogowe sterowanie PWM, od VLT 3000 rozpoczynają sie napedy cyfrowe. (Zdjecie dzieki Danfoss Drives).<//em></><//></><//></><//>

 

MPU oraz zaawansowane możliwości diagnostyczne pozwalają użytkownikom na dostęp do inteligencji wbudowanej w napęd, obniżając w ten sposób koszt oddania urządzenia do użytku i związany z tym czas przestoju. Funkcje miękkie takie jak Automatyczna Adaptacja Silnika oraz przewodniki programowe wyjaśniają ewentualne wątpliwości związane z ustawianiem kombinacji napędu i silnika. – Ewolucja w kierunku wygody jaka zaszła w interfejsie operatora i funkcjach programowych, skraca również procedurę ustawiania, co zmniejsza ryzyko wystąpienia błędów wprowadzanych przez operatora i upraszcza interakcje z napędem – wyjaśnia Momberger. Nowy FC-302 Automation Drive firmy Danfoss jest wyposażony w te właśnie cechy.

 

PWM, DTC, modularność

Pomiędzy głównymi osiągnięciami na drodze rozwoju napędów ABB wymienia pojawienie się przemysłowych napędów wyposażonych w modulację szerokości pasma (pulse-width modulated – PWM) oraz wprowadzenie bezpośredniego sterowania momentem obrotowym Direct Torque Control – DTC w roku 1995.

Po serii prac badawczo–rozwojowych pierwsze instalacje przemysłowe PMW miały miejsce w latach 70-tych – wyjaśnia Ilkka Ikonen, specjalista do spraw marketingu napędów w ABB Oy w Finlandii. – Papiernie i koleje podziemne stanowiły podstawę dla rozwoju technologicznego i wzbogacania funkcji produktu. Kiedy technologia udowodniła swoją niezawodność i konkurencyjność w tych bardzo wymagających aplikacjach, napędy AC zostały zaakceptowane jako wiodąca technologia sterująca i zaczęły zastępować napędy DC.

ABB uważa, że DTC to zaawansowana technologia, która jest w stanie sterować momentem obrotowym silnika oraz jego prędkością bezpośrednio, bez potrzeby stosowania dodatkowego sterowania napięciem i częstotliwością. Błyskawiczny czas reakcji na moment obrotowy oraz precyzja są podobno – „typowo 10 razy szybsze niż w przypadku PWM”.

– DTC podobno optymalizuje również strumień silnika, co udoskonala połączoną wydajność energetyczną silnika oraz napędu. DTC nie używa modulatora i pracuje bez pozycjonowania wału silnika czy sprzężenia zwrotnego prędkości. – Przy DTC 100% momentu obrotowego jest dostępne przy prędkości zerowej, a małe przyrosty momentu obrotowego mogą być kontrolowane przy małych częstotliwościach w czasie poniżej 1 milisekundy – stwierdza Ikonen.

Modularny projekt odgrywa kluczową rolę w dzisiejszych napędach AC firmy ABB, aby sprostać różnorodnym zapotrzebowaniom klienta na „produkty skonfigurowane pod zamówienie”. Aby zapewnić wymaganą jakość produktu, trzeba uwzględnić prawie nieograniczoną ilość opcji wymaganych przez klienta, takich jak czas dostawy, jakość oraz koszt, tak samo jak ma to miejsce w przypadku produktów gotowych.

Firma Bosch Rexroth zauważa, że opracowanie niezawodnych urządzeń przełączających i mikroprocesorów to dwa główne kamienie milowe rozwoju technologicznego, który umożliwił opracowanie dzisiejszych mniejszych, bardziej wydajnych i bogatych projektów VFD. Tak stwierdza Peter Fischbach, dyrektor do spraw komponentów w firmie. Tyrystor albo inaczej tranzystor dwubiegunowy oparty na izolowanych modułach zasilających, a następnie izolowane bramkowe tranzystory dwubiegunowe, w połączeniu z modulowanym sinusoidalnie sterowaniem PWM, zrewolucjonizowało sekcję zasilania i projekt systemu chłodzenia.

  Nowoczesne rozwiązania widać w modelach napedówPowerFlex 4 firmy Rockwell Automation, które są o 70% mniejsze od pochodzącego z roku 1985 modelu Bulletin 1332 AC (po lewej), o takiej samej mocy znamionowej. PowerFlex 4 zmieści sie na dłoni, jego waga wynosi ok. 1kg, podczas gdy waga wcześniejszych modeli dochodziła do ok. 7,6 kg.

IGBT, MPU

Firma Rexroth, w roku 1988, wypuściła pełną linię napędów opartych na IGBT. Jednakże opracowywanie napędów AC firmy rozpoczęło się znacznie wcześniej, w roku 1965. Pierwszy, szybki model przemysłowego VFD był produkowany w roku 1968. Model ten pozwolił indukcyjnym silnikom szlifierek pracować z prędkością do 180 000 rpm.

 

 W roku 1982, duży model napedu VFD PWM firmy Rexroth był ponoć pierwszym, w którym zastosowano mikroprocesor (na rysunku wersja 60-hp). Nowoczesny moduł programowania cyfrowego został wyposażony w konwerter D/A prezentujący odczyty napiecia i prądu, odpowiednio do potrzeby.

Opracowanie i udoskonalanie MPUs – to drugi kamień milowy, który pozwolił firmie Rexroth na produkowanie jednego z pierwszych przemysłowych VFD sterowanych mikroprocesorem (rok 1982). Napęd ten miał moduł operatora oparty na matrycy punktowej LCD (dot-matrix LCD) z klawiaturą oraz ustawieniami wykonywanymi poprzez menu, co eliminowało ustawianie analogowe oparte na potencjometrach. Do roku 1989 nowe odkrycia doprowadziły do pełnej linii napędów sterowanych wektorem strumienia IGBT. Te VFD miały minimalny początkowy moment obrotowy, udoskonalone sterowanie niską prędkością, a stosując sprzężenie zwrotne, były w stanie zrealizować, a nawet przewyższyć, wydajność napędów DC – mówi Fischbach.

Jim Thompson, inżynier do spraw napędów pracujący w firmie Emerson Control Techniques (CT), uważa wczesne VFD za ograniczone, poprzez zastosowanie sterowanych silikonem prostowników (silicon-controlled rectifiers SCR) lub też skomplikowanych projektów, które wdrażały sześciostopniowe sterowanie. Falowniki SCR były duże, wymagały skomplikowanych obwodów komutacji, w których skład wchodziło dużo cewek indukcyjnych i kondensatorów. Sześcio-stopniowe wyjście generowało harmoniczne w silniku, powodując niepożądane dodatkowe ciepło. Taki schematnie pozwalał na szybką dynamiczną kontrolę prądu silnika – niezbędną do osiągnięcia wysokiej wydajności napędu.

Oprócz modernizacji szybkiego przełączania urządzeń zasilających IGBT pozwalają na wykonanie szybkiej regulacji napięcia silnika. – To umożliwia dosyć szerokie pasmo ukierunkowania pola magnetycznego (sterowanie wektorowe) oraz pozwala na szybkie i precyzyjne profilowanie prędkości – wyjaśnia Thompson. – Wysoki koszt urządzeń elektronicznych również ograniczał możliwości wczesnych VFD AC. Sterowanie cyfrowe nie było zbyt praktyczne, ponieważ stosowano je poprzez użycie obwodów wysokiego poziomu (albo komputerów), ktore stanowiły dodatek do pakietu napędu.

Obecnie Emerson CT uważa szybkie przełączanie wyjść PWM za najważniejszą cechę VFD ze względu na produkowanie minimalnych prądów harmonicznych i dynamiczne sterowanie momentem obrotowym silnika. Bogate możliwości konfiguracyjne są to dalsze cechy charakteryzujące dzisiejsze napędy AC. Typowo można wybrać regulację prędkości lub momentu obrotowego, możliwośćprzyjmowania różnych nośników analogowych lub cyfrowych, sprzężenie zwrotne prędkości lub momentu obrotowego, jak również sterowanie serwosilnikami oraz silnikami indukcyjnymi. – Względnie tanie moduły z opcjami dokładanymi to kolejna popularna cecha – mówi Thompson. – Takie, które zapewniają dodatkową ilość punktów i/O, sprzężenie zwrotne lub komunikację.

Napędy DC przecierały szlaki pierwszym urządzeniom do sterowania silnikami o zmiennej prędkości. Firma Yaskawa Electric ma długą historię zaangażowania zarówno w stronę DC jak i AC urządzeń elektrycznych. Napędy AC weszły do przemysłu w latach siedemdziesiątych, poprzez sterowanie zmiennym napięciem/częstotliwością przy zastosowaniu SCR oraz urządzeń przełączających (gate turn-off – GTO), wyjaśnia dr Tsuneo Kume, dyrektor do spraw prac badawczo–rozwojowych w firmie Yaskawa Electric w USA. Główny przełom w przemysłowych VFD nastąpił w aplikacjach takich jak hutnictwo oraz platerowanie – według Yaskawy (i innych). Przejście ze sterowania analogowego na cyfrowe również rozpoczęło się w tamtym czasie.

Napędy sterujące wektorem strumienia do maszyn papierniczych oraz napędy trzpieniowe do obrabiarek zastosowano pod koniec lat siedemdziesiątych – wyjaśnia Kume. – IGBT stały się powszechnie stosowanymi VFD w okolicach roku 1990. Napędy cyfrowe stosujące zintegrowane MPU szybko stały się standardem w Yaskawa Electric, po czym w roku 1995 nastała era bezczujnikowych napędów wektorowych.

 

Co nas czeka

Patrząc w przyszłość, Sinner z Rockwell Automation przewiduje, że VFD będą coraz mądrzejsze. – Rozszerzenie w postaci wspomaganego uruchamiania pozwoli na ustawianie inteligentnych napędów przy minimalnej interwencji użytkownika – mówi Sinner. Ponadto chip wbudowany w silnik mógłby zautomatyzować identyfikację silnika po jego uruchomieniu. Większa integracja z systemami sterowania to jest również przyszłość VFD. Sinner rozróżnia liczne rodzaje „połączeń” dla napędów oraz prawdziwą integrację, która, jak twierdzi, dopiero się zaczyna. Taka prawdziwa integracja w pełni uwzględnia napęd w środowisku programowania i konfigurowania systemu sterowania. Ta możliwość przyczyni się do powstania tańszych produktów, co jest naturalną migracją napędów.

Momberger z Danfoss Drives dostrzega coraz większe zastosowanie systemów napędów rozproszonych w przemyśle. Do trendu tego przyczyniają się: niższe koszty, większa niezawodność napędów, które można umieścić w pobliżu lub na silniku, zmniejszające się koszty instalacji, bez konieczności stosowania ciągów przewodów izwiązanych z nimi korytek. – Ponadto napędy rozproszone mają przewagę polegającą na tym, że minimalizują problemy EMC wynikające z długich odcinków okablowania, co redukuje koszty stosowania kosztownych filtrów. – mówi Momberger. Systemy rozproszone będą również przechodzić od większej integracji sterowania ruchem i funkcjonalności PLC do VFD.

Inne unowocześnienia obejmują większe zastosowanie komunikacji kompatybilnej z Ethernetem, służącej do łączenia informacji aplikacyjnych napędów, szczególnie tych znajdujących się w trudnych lokalizacjach. – Ethernet to najlepsza sposobność osiągnięcia systemu komunikacji o standardzie przemysłowym – dodaje Momberger.

 

Dodatkowe funkcje dostępne w rozbudowanym panelu sterowania, wielojęzyczny interfejs użytkownika, bogate standardowe wyposażenie ułatwiają zadania użytkownikom najnowszych napedów ABB— ACS550.

 

Tymczasem pracujący dla Bosch Rexroth Fischbach uważa, że dzisiejsze dodatkowe cechy napędów staną się w przyszłości koniecznością. Jako przykład podaje wysoki początkowy moment obrotowy, sterowanie prędkością i momentem obrotowym w systemie zamkniętej pętli, prewencyjne utrzymanie ruchu oraz bezpośrednie łącze danych do produkcyjnych systemów sterowania. Inne z wymienianych modernizacji obejmują:

  • aktywny front-end napędu (obejmujący ograniczenia harmoniczne) co powoli zyskuje akceptację, wraz ze wzrostem cen energii i standardów światowych;
  • zamiana prostych rozruszników silnika na skalowalne, rozproszone jednostki sterujące na poziomie maszyny lub procesu, wyposażone w PLC lub możliwości przetwarzania.

 

Zintegrowanie funkcji zewnętrznych

ABB zwraca uwagę na większą troskę o środowisko oraz wyższe koszty energii, ktore będą miały wpływ na napędy AC w przyszłości. Napędy te są przeznaczone do szerszego zastosowania w różnych gałęziach przemysłu, również na rynkach rozwijających się, co zwiększy ilość silników sterowanych zmienną prędkością z obecnego poziomu 5% w skali światowej (według ABB). Ponadto odnotowywuje się ciągłe kurczenie się wielkości napędów, mimo faktu że do napędów dodaje się dalsze zminiaturyzowane funkcje. Przyszłe VFD zobaczą nietradycyjne aplikacje gdzie zamienią inne rodzaje sterowania (lub gdzie zostaną zastosowane po raz pierwszy).

Yaskawa widzi przyszłość VFD podobnie, jako część rozwijającej się „zielonej technologii”, w szczególności przy wyższych kosztach energii oraz występujących regionalnie możliwych brakach energii. Wydajność i oszczędność to zdecydowanie pożądane korzyści, ale do innych zaliczyć można: niższe koszty obsługi, wyższą niezawodność oraz coraz bardziej kompaktowe projekty samych urządzeń. Trwają badania nad opracowaniem nowych topologii w przemyśle i środowiskach akademickich, wyjaśnia dr Kume, podczas gdy nowsze, istniejące rozwiązania z zakresu sterowania – takie jak topologia trójpoziomowa oraz konwerter macierzowy – znajdą w przyszłości większe zastosowanie.

Zalety trójpoziomowej topologii polegają na niższym napięciu udarowym na silniku, mniejszym prądzie upływowym oraz udoskonalonym zarządzaniem termalnym przy małych prędkościach. Nawet nowsze konwertery macierzowe wydają się być szczególnie atrakcyjne, ponieważ oferują zwiększone możliwości regeneracji dla VFD oraz eliminują kondensatory w magistrali DC. Komercyjne wypuszczenie na rynek konwerterów macierzowych jest planowane na rok 2005, dla aplikacji regeneracyjnych.

 

 

Napedy Unidrive firmy Emerson Control Techniques pokazują zwiekszone możliwości dzisiejszych napedów AC. Ten model ma dodatkowe moduły do podłączenia interfejsu PROFIBUS, dodatkowych WE/WY oraz dodatkowego modułu sprzężenia zwrotnego do synchronizacji napedu z innymi częściami maszyny.
Według Emerson CT przyszłe VFD przyspieszą integrację różnych funkcji zewnętrznych do pakietu napędu. PLC oraz funkcjonalność sterowania ruchem mogą być obecnie wdrażane na poziomie napędu przy znacznie niższych kosztach systemowych. – Dla najbardziej wyrafinowanych aplikacji systemowych znaczna część logiki i sterowania ruchem musi być wykonywana przez elektroniczne urządzenia peryferyjne, ale oczekujemy, że to wkrótce ulegnie zmianie – mówi Thompson. –Spodziewamy się, że systemy przyszłości składać się będą z obudowy, w której znajdą się jednostki napędów, okablowanie zasilające, urządzenia ograniczające, okablowanie komunikacji szeregowej, wyświetlacz człowiek – maszyna oraz urządzenia interfejsowe.

Kume przewiduje dalszy wzrost wydajności, czego można się spodziewać w dziedzinie sterowania wektorowego oraz bezczujnikowego sterowania wektorowego, szczególnie w przypadku sterowania momentem obrotowym przy prawie zerowej prędkości silnika. Tymczasem zastosowanie VFD będzie się zwiększać, dzięki łatwości ich zastosowania oraz ciągłemu zmniejszaniu wielkości i redukcji cen. Mniejsze napędy oznaczają łatwiejszą integrację. – Obecnie napędy można z łatwością montować na maszynach lub silnikach. – dodaje Kume.

– Nowa generacja urządzeń zasilających wpłynie na napędy AC – podsumowuje Kume. – Technologia węglika silikonowego (silicon carbide SiC) niesie z sobą obietnicę mniejszych strat oraz dalszych możliwości miniaturyzacji.

 

ABB – www.abb.pl

Bosch Rexroth – www.boschrexroth.pl

Danfoss Drives – www.danfoss.pl

Emerson CT – www.emersonct.com

Rockwell Automation – www.rockwellautomation.pl

Yaskawa Electric – www.drives.com