Właściwy dobór napędu

Czy serwomechanizmy potrzebne są w każdej aplikacji napędowej? A może lepszym rozwiązaniem byłoby użycie klasycznych silników indukcyjnych z odpowiednim układemsterowania ze sprzężeniami zwrotnymi? Decyzja nie jest łatwa, szczególnie wziąwszy pod uwagę parametry techniczne i charakterystyki pracy współczesnych układów napędowych.

Serwonapęd – współczesny serwonapęd to coś więcej niż tylko sterowany silnik elektryczny. To kompletny układ napędowy składający się ze sterownika, silnika elektrycznego oraz modułów sprzężeń zwrotnych (enkoderów optycznych lub magnetycznych), funkcjonujących w układach pętli zamkniętej. Wątpliwości i zamieszanie w głowie odbiorców zaczyna się w momencie, gdy dostawca układu napędowego zaczyna usilnie proponować i zachwalać serwonapęd jako rozwiązanie optymalne.

Serwosilniki to maszyny synchroniczne z magnesami trwałymi, wykonane zazwyczaj w konstrukcjach szczotkowych i bezszczotkowych. Mają ustalone charakterystyki parametrów pracy, co wyróżnia je spośród innych typów silników elektrycznych. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi dysponują bardzo dużym momentem obrotowym (zarówno wartość szczytowa, jak i przy pracy ciągłej), który wykorzystuje się w serwonapędach do uzyskiwania dużych przyspieszeń i krótkich czasów wyhamowania wału, w precyzyjnych aplikacjach pozycjonowania. Moment obrotowy jest tu proporcjonalny do prądu, a prędkość do napięcia wejściowego. Tak więc czym jest wyższe napięcie na wejściu silnika, tym większa jego prędkość obrotowa. Zależność między wartością momentu i prędkości obrotowej jest liniowa. Struktury magnesów trwałych silnika bezpośrednio stykają się ze szczeliną powietrzną. W silnikach bezszczotkowych moment i prędkość obrotowa powstają na skutek wzajemnego, magnetycznego oddziaływania dwóch struktur magnetycznych, obracającego się wału (z magnesami trwałymi)oraz nieruchomego stojana z uzwojeniami. Trójfazowe pole stojana jest zasilane sekwencyjne, wprawiając w ruch obrotowy wał silnika, który synchronicznie podąża za obracającym się polem, generowanym w stojanie. Komutacja zasilania uzwojeń stojana realizowana jest przez specjalny układ elektroniczny, śledzący na bieżąco pozycję wału. Tego typu silniki powinny być bezwzględnie wybierane do zastosowań w aplikacjach precyzyjnego pozycjonowania, z wyjątkiem większości aplikacji w zakładach produkcji samochodów i w procesach, gdzie potrzebne są silniki o dużej mocy. Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi działają jako serwonapędy wtedy, gdy używane są z układami sterowania w pętlach zamkniętych sprzężeń od momentu, szybkości lub pozycji wału.

Klasyczny silnik indukcyjny – ma taki sam stojan jak silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi, jednak przy całkowicie innej konstrukcji wału. W jego rowkach znajdują się aluminiowe lub miedziane żebra klatki, połączone na końcach wału z pierścieniami. Żebra klatki oddziaływają magnetycznie z obracającym się polem stojana, indukując nowe pole magnetyczne wirnika, oddziałujące z kolei z polem stojana i wprawiające w ruch wał silnika. Na skutek tego oddziaływania powstaje niewielka różnica pomiędzy szybkością obracania się pola stojana a wyindukowanym polem wirnika, zwana w praktyce poślizgiem. Prędkość obrotowa silnika zależy tu od częstotliwości sygnału zasilającego.

Na przykład przy częstotliwości 60 Hz silnik zmiennoprądowy dwubiegunowy, nieobciążony może osiągnąć prędkość obrotową na poziomie 3 600 obr./min, a czterobiegunowy 1 800 obr./min, zależnie od wartości poślizgu. Jeżeli bowiem zwiększamy wytwarzany w silniku moment obrotowy, automatycznie zwiększa się wartość poślizgu i maleje prędkość. Silniki indukcyjne mogą wytwarzać znacznie większe momenty obrotowe kosztem redukcji prędkości przy dużym obciążeniu, aż do możliwego stanu awaryjnego (przeciążenie), gdy prędkość wału osiągnie nagle wartość 0 obr./min. Uwaga: przy silnikach tego typu występuje bardzo mały moment obrotowy w czasie rozruchu i dlatego należy uruchamiać je przy braku obciążenia.

Warunki pracy i parametry techniczne silników indukcyjnych radykalnie zmieniły się wraz z pojawieniem się na rynku w latach 80-tych ubiegłego stulecia układów energoelektronicznych i przekształtników. Te ostatnie umożliwiają bowiem płynną zmianę wartości napięcia i częstotliwości, co pozwala na pełne wykorzystanie własności napędowych silników indukcyjnych.

Współczesne układy pozycjonowania i regulacji prędkości napędów – Dokonująca się ewolucja techniczna i konstrukcyjna układów napędowych spowodowała, że układy napędowe z silnikami synchronicznymi bezszczotkowymi i silnikami indukcyjnymi zaczęto stosować w coraz to liczniejszych aplikacjach, a obszary ich zastosowań bardzo zbliżyły się do siebie. Warto jednak zaznaczyć, że silniki bezszczotkowe to technologia zalecana do aplikacji precyzyjnego sterowania i pozycjonowania. Te same silniki w małych aplikacjach (do 1 kW), z dominacją funkcji regulacji prędkości, mogą działać już mniej precyzyjnie, niż na przykład silniki szczotkowe prądu stałego.

Obecnie produkowane silniki zmiennoprądowe indukcyjne nie są dostosowane do aplikacji o małej bezwładności i szybkiej reakcji wału na zmianę prędkości obrotowej. Zazwyczaj są one używane w układach napędowych wolnozmiennej regulacji prędkości, o mocach od 100 W do 1 MW.

Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi powinny być stosowane w układach serwonapędowych o mocach do 50 kW. Łączenie omawianych tu rozwiązań w jednej aplikacji to rzadkość.

Artykuł pod redakcją
dra inż. Andrzeja Ożadowicza,
adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu
i Urządzeń Przemysłowych Akademii
Górniczo-Hutniczej w Krakowie