Napędy elektryczne

Najpopularniejszymi napędami w aplikacjach przemysłowych są bez wątpienia napędy asynchroniczne. O ich popularności decyduje przede wszystkim niski koszt zakupu i eksploatacji, łatwe podłączenie oraz dobra jakość.
Równie ważna jest charakterystyka pracy, powszechność stosowania oraz popularność wśród projektantów. Szerokie zastosowanie mają również napędy synchroniczne, a decyduje o tym stabilna prędkość obrotowa, dobra cena oraz duża dynamika (mała bezwładność) i możliwość pracy przy obrotach o znacznej wartości. W maszynach wymagających pozycjonowania znajdują zastosowanie napędy krokowe, których zaletą jest wysoki poziom dokładności. W fabrykach używa się również silników bezszczotkowych i liniowych. Oprócz tego zastosowanie znajdują silniki prądu stałego oraz serwonapędy.
Spektrum użycia napędów elektrycznych w fabrykach jest wielkie, od instalacji wentylacyjnych, odpylania czy walcowania przez przenośniki elektryczne w przenośnikach, windach, podnośnikach po urządzenia transportu. Napędy elektryczne są też nieodzownym elementem pomp.
Wszędzie, gdzie wymagają tego względy technologiczne, znajdują zastosowanie napędy z regulowaną prędkością obrotową, istotną rolę odgrywa bowiem dostosowanie pracy urządzeń do wydajności linii produkcyjnych. Nie mniej ważny jest przy tym zmienny poziom prędkości zadanej dla układu, precyzja pracy napędów z regulowaną prędkością obrotową oraz łagodny rozruch, a także konieczność synchronizacji z prędkościami innych napędów (master/slave).
W większości aplikacji w procesie sterowania prędkością silników synchronicznych znajdują zastosowanie falowniki producenta innego niż ten, który wyprodukował napęd. W nieco mniejszych ilościach zastosowanie znajduje dedykowany falownik tego samego producenta, kiedy to przetwornica częstotliwości jest zakupiona wraz z silnikiem. Rzadziej używane są proste generatory częstotliwości, gdzie wymaga się jedynie stałej prędkości bez regulacji.
Istotną rolę odgrywają napędy z przekładniami, których konieczność zastosowania wynika zazwyczaj z budowy maszyny. Niejednokrotnie konieczna jest redukcja prędkości i uzyskanie odpowiedniego momentu obrotowego.
Softstarty i serwonapędy
Nowoczesne układy napędowe nie obejdą się bez urządzeń typu softstart. Za ich stosowaniem przemawia chociażby zapewnienie łagodnego startu napędu i rozruchu. Z kolei przeciwnicy używania softstartów podkreślają, że do 55 kW cena softstartów jest taka sama jak falowników. Przewagą falowników nad softstartami są zdecydowanie większe możliwości, zatem w efekcie falowniki niejednokrotnie wypierają softstarty.
We współczesnych realiach przemysłowych trudno obejść się bez serwonapędów. Ich zaletą jest przede wszystkim dokładność regulacji prędkości i wysoki poziom dynamiki. Przeciwnicy podkreślają, że w wielu aplikacjach ich zastosowanie jest nieopłacalne.
Jakimi możliwościami dysponują te urządzenia? Serwonapędy Kinetix 350 na przykład bazują na takich funkcjach, jak ruch na pozycję, podążanie za innym napędem przez przekładnię elektroniczną, podążanie za zadanym profilem przez krzywkę elektroniczną oraz ruch skoordynowany po linii prostej w trzech wymiarach. Istotną rolę odgrywa również ruch skoordynowany po okręgu lub kuli oraz ruch skoordynowany we współrzędnych biegunowych.
W serwonapędach serii ED z oferty firmy Wobit przewidziano interfejsy komunikacyjne: RS-232, RS-485, CAN-open oraz Profibus DP. Poza wejściami i wyjściami cyfrowymi w sterownikach ED zastosowano wejścia i wyjścia analogowe. Dodatkowo dla sterowników z serii ED dostępny jest program na komputer PC, zawierający funkcję oscyloskopu, która umożliwia kontrolę takich parametrów, jak prędkość, pozycja oraz prąd, łącznie z ich prezentacją na ekranie komputera PC. W porównaniu z serią CD sterowniki ED mają również wbudowany licznik czasu, komparator oraz kalkulator, co umożliwia w odpowiednim momencie wyzwalanie wcześniej zaprogramowanych sekwencji działań.
Warto zwrócić uwagę na oprogramowanie Easyrider, które pozwala na zestrojenie serwonapęduserii 631 z serwosilnikiem. Program pracy serwonapędu jest tworzony za pomocą języka programowania BIAS oraz tzw. bloków pozycjonowania. Przydatne rozwiązanie stanowi kilkanaście przykładów konfiguracyjnych.
Zakupy i plany zakupowe
W 2014 r. napędy elektryczne w fabrykach nabywane były wraz z nowymi liniami technologicznymi. Do kupowania nowych przyczyniała się także presja oszczędnościowa i technologiczna, spowodowana koniecznością dostosowania prędkości.
Zakup napędów bardzo często wynika z rozwoju firmy oraz tworzenia nowych stanowisk produkcyjnych. Śmiało więc można sformułować wniosek, że wielkość zakupu nowych napędów elektrycznych jest miernikiem kondycji fabryki.
Konieczność nabycia w przyszłym roku napędów elektrycznych wynika w fabrykach z modernizacji układów oraz poprawy sprawności energetycznej. Z kolei firmy, które nie przewidują zakupu napędów, swoje decyzje argumentują zbyt długim czasem zwrotu kosztów, brakiem audytów określających poziom oszczędności oraz nadmiernie wysokimi kosztami wymiany napędu w odniesieniu do spodziewanych oszczędności.
Trwałość i niezawodność ponad cenę
Użytkownicy na etapie wyboru napędów elektrycznych zwracają uwagę przede wszystkim na niezawodność i trwałość napędów, w następnej kolejności na wsparcie techniczne ze strony dostawcy lub producenta. Na etapie wyboru zwraca się uwagę na cenę zakupu, stabilność prędkości obrotowej oraz łatwą obsługę. Za istotne kryterium wyboru napędu elektrycznego uważa się jego sprawność, a także szybkość oraz charakter reakcji na zmianę momentu obciążenia. Dla użytkowników ważne są koszty eksploatacji oraz możliwość regulacji prędkości obrotowej w szerokim zakresie. Kluczową rolę odgrywa oddziaływanie na sieć zasilającą, szczególnie w kontekście jakości energii elektrycznej.
W opinii przedstawicieli fabryk istotny jest dostęp do zaawansowanych funkcji zatrzymania napędu. Niejednokrotnie zwraca się uwagę na możliwość prostego łączenia silników w zespoły napędowe. Nieco mniejszą wagę przykłada się do jakości oprogramowania przeznaczonego zarówno do konfiguracji i sterowania sprzętem, jak i do możliwości autokalibracji parametrów.
Klienci o dostawcach
Co wyróżnia dobrych sprzedawców? Przede wszystkim jakość świadczonych usług, ale także kompetencje i troska o klienta. Klienci nie zawsze są jednak zadowoleni z pomocy technicznej udzielanej przez dostawców ocenianych najwyżej. Podobnie jest z ich doświadczeniem oraz szczegółową wiedzą aplikacyjną. Kupujący często oczekują stałego opiekuna ze strony dostawcy.
Dostawcy opisani jako „średni” krytykowani są za brak kompleksowej wiedzy, długi czas odpowiedzi na zadawane pytania, problemy z serwisem oraz ciągle obniżającą się jakość świadczonych usług. Nierzadko wyrażana jest opinia, że wielu dostawców po zrealizowaniu kontraktu traci zainteresowanie klientem.
Oczekiwania użytkowników
Przedstawiciele fabryk oczekują od dostawców doradztwa aplikacyjnego oraz lepszej znajomości swoich produktów, a także bardziej szczegółowej dokumentacji technicznej.
Ceny napędów mają spore znaczenie, jednak panuje szeroka świadomość, że dobry napęd nie jest tani. Klienci oczekują implementowania w napędach nowych technologii oraz dalszej poprawy niezawodności serwonapędów.
W opinii niektórych przedstawicieli fabryk w napędach należy wzmocnić łożyskowania oraz powrócić do starego typu smarowania łożysk, gdzie zużyty smar wydostawał się na zewnątrz obudowy, a nie przedostawał do środka silnika. Niepokojące jest również podwyższanie dopuszczalnych temperatur uzwojeń przez producentów silników. Jeden z użytkowników napędów zadaje przy tym pytanie: czyżby w napędzie było mniej miedzi i stosowano lepsze lakiery izolujące?
Co jeszcze?
Maszyny przemysłowe nie obejdą się bez elektrycznych napędów liniowych. Typowe urządzenie bazuje na zgarniaczu plastikowym, zgarniaczu filcowym, aluminiowej szynie prowadnicy, aluminiowych saniach, prowadnicy, a także elementach regulacyjnych, płycie dociskowej oraz śrubach regulacyjnych i smarowniczce. Ważny jest również aluminiowy wózek.
Na rynku oferowane są liniowe napędy miniaturowe. Bardzo często uwzględnia się je w zastosowaniach pionowych i zadaniach wymagających krótkiego zmiennego skoku. Chodzi przede wszystkim o precyzyjne pchanie, chwytanie oraz wkładanie z zachowaniem nieliniowości i równoległości w zakresie 0,01 mm, nawet pod dużym obciążeniem mechanicznym. Typowe miniaturowe napędy liniowe pozwalają na skok do 300 mm w 4 pozycjach co 90°.
Dostępne na rynku sterowniki napędów liniowych cechują się niewielkimi rozmiarami, które uzyskuje się dzięki powierzchniowemu montażowi podzespołów elektronicznych. Za sterowanie całością odpowiedzialny jest mikroprocesor. Niektóre modele mogą pracować z napędami o podwyższonym natężeniu prądu (do 10 A). W przemysłowych systemach sterowania z pewnością przydatna okaże się izolacja wejść i wyjść. Sterowniki zasilane są najczęściej napięciem stałym o wartości od 24 do 75 V. Jednak można nabyć modele, które wymagają napięcia stabilizowanego. Wewnętrzny system zasilania odseparowany jest za pomocą przetwornic. Niektóre wersje sterowników dostępne są w obudowach z chłodzeniem lub wykonanych w postaci profilu „L”, „G” lub „U”. Sygnały podłączane są za pomocą zacisków śrubowych lub złączy o niewielkich rozmiarach. Dostępne są również modele w wersji miniaturowej.
Napędy w strefach zagrożonych wybuchem
Przemysł nie obejdzie się bez napędów zaprojektowanych z myślą o strefach narażonych na występowanie atmosfery wybuchowej.
W przypadku ochrony polegającej na osłonie gazowej z nadciśnieniem wnętrze silnika jest chronione przed wybuchową atmosferą przez umieszczenie w obudowie czystego, bezpiecznego powietrza. Niejednokrotnie zamiast powietrza stosuje się gaz obojętny, który jest wtłaczany pod ciśnieniem.
Istotną rolę w instalacjach pracujących w niebezpiecznych strefach odgrywają silniki nieiskrzące. W rozwiązaniach tego typu silniki są zaprojektowane w taki sposób, aby w czasie normalnej pracy zapobiec powstaniu możliwych do przewidzenia źródeł zapłonu. Temperatura powierzchni zewnętrznej silnika w czasie normalnej pracy z uwzględnieniem tolerancji parametrów związanych z zasilaniem nie może przekraczać określonej maksymalnej temperatury. Gaz wybuchowy może przedostawać się do wnętrza maszyny bez ryzyka eksplozji, gdyż wszystkie części wewnątrz silnika nie przekraczają temperatury określonej klasą temperaturową, dla której maszyna jest dopuszczona.
Z kolei w silnikach o wzmocnionej obudowie istotną rolę odgrywa zapobieganie powstawaniu iskier lub przekroczeniu dopuszczalnej temperatury obudowy w stanie normalnej pracy oraz podczas stanu awaryjnego, w jakim silnik może się znaleźć i do jakiego jest certyfikowany. Zgodnie z wymaganiami dyrektywy ATEX zarówno podczas pracy, jak i postoju maszyny nie może dojść do wystąpienia potencjalnego źródła zapłonu. Chodzi w tym wypadku m.in. o iskry, płomienie czy łuki elektryczne. Ważne jest, aby zapobiegać powstawaniu ładunków elektrostatycznych i prądów błądzących w częściach odpowiedzialnych za przewodzenie prądu.
Podsumowanie
W ramach podsumowania warto zwrócić uwagę na silniki energooszczędne, które oferuje m.in. firma Sew-Eurodrive. Na podstawie silnika standardowego (IE1) silnik energooszczędny o tej samej mocy (o wysokiej sprawności – High Efficiency/IE2) jest o jeden rozmiar konstrukcyjny większy od silnika standardowego. Silnik energooszczędny tej samej mocy o bardzo wysokiej sprawności (Premium Efficiency/IE3) jest większy o dwa rozmiary konstrukcyjne.
Raport powstał na podstawie ankiety przeprowadzonej na przełomie września i października 2014 r. przez redakcję czasopisma Control Engineering Polska. Raport nie jest pełnym obrazem rynku.

Autor: Damian Żabicki – dziennikarz, redaktor, autor tekstów specjalizujący się w tematyce technicznej i przemysłowej. Specjalista public relations firm z branży technicznej.