Zsynchronizowane napędy o zmiennej prędkości

Dużym napędom elektrycznym stosowanym na przykład w maszynach do produkcji papieru stawia się wiele, często wykluczających się wymagań, takich jak ograniczenie zajmowanego miejsca, ceny oraz możliwie dużą niezawodność.
Wysokie prędkości ruchu obecne w wielu procesach wytwórczych w przemyśle i liczne zdarzenia im towarzyszące wymagają od systemu sterowania napędami dużej dynamiki przy jednoczesnym zachowaniu koordynacji między wszystkimi osiami w systemie. Rozsynchronizowanie osi napędowych może nie tylko zatrzymać proces, ale spowodować liczne uszkodzenia i narazić personel na zagrożenie.

 Na różnego typu liniach produkcyjnych wykorzystuje się dziesiątki, a czasem setki napędów elektrycznych – na przykład w maszynie do produkcji papieru, w maszynie do formowania arkuszy blachy, liniach do galwanizacji i wielu innych. W takich aplikacjach stosuje się przede wszystkim silniki prądu zmiennego. System sterowania ruchem składa się z nadrzędnej jednostki sterującej, przemiennika częstotliwości i indukcyjnego silnika prądu zmiennego.
Chociaż synchroniczne silniki prądu zmiennego używane są, gdy zapotrzebowanie na moc jest większe, większość aplikacji, w których napędy są zsynchronizowane, wykorzystuje silniki o mocy do 350 kW. W systemach takich wykorzystuje się do 200 silników, które zapewniają wymagany przez proces naciąg. Ich prędkość i moment są kontrolowane za pomocą szybkiej sieci. Wykorzystuje się ją również do przesyłania informacji o stanie procesu. Bliższa analiza systemu sterowania ruchem w maszynie papierniczej pomaga zrozumieć wymagania stawiane napędom.
Napędy o zmiennej prędkości
Główne elementy niskonapięciowego napędu prądu zmiennego przedstawione są na schematach rysunku 1:

  • Przetwornica AC/DC zasilana trójfazowym prądem przemiennym;
  • Sekcja filtrów zawierająca kondensatory;
  • Przetwornica DC/AC wykorzystująca modulację szerokości impulsów (PWM – pulse width modulation) do generowania sygnału mocy dla silnika;
  • Ostatnią część stanowi trójfazowy silnik indukcyjny dostosowany do pracy ze zmienną prędkością.

Przetwornica
Istnieje wiele typów przetwornic. Niektóre z nich dla przykładu potrafią pracować w obu kierunkach, tj. pobierać moc z sieci i przekazywać ją do silnika, gdy proces wymaga włożenia energii, oraz odbierać moc od silnika i zwracać ją z powrotem do sieci, gdy maszyna zwalnia. Takie przetwornice, zwane regeneracyjnymi, wykorzystują zgromadzoną w maszynie energię kinetyczną, która w zwykłym procesie hamowania zostałaby zamieniona w ciepło. Przetwornice do swojego działania wykorzystują aktywne elementy przełączające, takie jak tyrystory lub tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT – insulated gate bipolar transistors).
Schemat jednofazowego obwodu prostej przetwornicy AC/DC wykorzystującej diody prostownicze pokazano na samej górze na rysunku 2. Pełna trójfazowa przetwornica wykorzystuje trzy takie sekcje. Napięcie wyjściowe z takiej przetwornicy jest napięciem tętniącym, dlatego niezbędne jest jego wygładzanie. Sprawność jest dosyć wysoka i zawiera się często w przedziale 0,950,98.
Inwerter
Trójfazowy sygnał mocy o zmiennej częstotliwości do zasilania silnika jest generowany przez inwerter, wyposażony w trzy mostki mocy. Każda z sinusoid powstaje przez odpowiednie „siekanie” (ang. chopping) napięcia stałego z częstotliwością ponad 1500 Hz przez tranzystory IGBT. Uzwojenia silnika mające dużą induktancję i rezystancję zachowują się jak filtr dolnoprzepustowy, dlatego kształt przebiegu prądu jest bardzo zbliżony do sinusoidy. Rysunek 3 przedstawia jedną fazę sygnału wygenerowaną przez PWM. Sygnał prostokątny to „posiekany” sygnał napięcia, sinusoida przedstawia przebieg prądu silnika. Regulacja PWM pozwala nie tylko zmieniać częstotliwość sygnału, ale także jego amplitudę, a co za tym idzie – wartość prądu silnika. Zmiana wartości prądu to zmiana momentu – w ten sposób inwerter steruje zarówno prędkością, jak i momentem.
W przypadku silników indukcyjnych prędkość silnika jest mniejsza niż wynika to z częstotliwości napięcia zasilającego. Przyczyną jest poślizg, który spowodowany jest momentem obciążenia silnika. Żeby sprawić by silnik poruszał się zawsze z zadaną prędkością, niezależnie od obciążenia, stosuje się tachometry, których sygnał przekazywany jest do falownika. W nowoczesnych falownikach tachometr jest urządzeniem opcjonalnym, ponieważ inwerter sam oblicza wartość poślizgu i koryguje o nią częstotliwość napięcia wyjściowego.
Każdy z napędów ma własny interfejs komunikacyjny, za pomocą którego otrzymuje sygnały sterujące i przekazuje swój status do systemu sterowania.
Obudowa
Małe autonomiczne napędy mają kompaktową obudowę, w której znajduje się przetwornica i inwerter, i są przeznaczone do maszyn, w których wykorzystuje się do kilku silników. Strategia sterowania większą liczbą silników jest inna: wszystkie napędy mają wspólną dużą przetwornicę zasilającą wszystkie inwertery. Szafa kryjąca taką konstrukcję została przedstawiona na rysunku 1. Dwanaście inwerterów dzieli tę samą szynę zasilania. Modułowa konstrukcja pozwala zaoszczędzić miejsce i pieniądze. Ma też większą sprawność.
Każdy z inwerterów zamontowany jest w szufladzie, która może być w prosty sposób zdemontowana na czas napraw. Ponieważ każda szuflada to tylko inwerter bez przetwornicy, średni czas bezawaryjnej pracy MTBF jest wysoki, a ze względu na ułatwiony dostęp i szybką możliwość wymiany niesprawnego modułu na inny średni czas naprawy, MTTF jest niski.
Koordynacja napędów
Maszyny do produkcji papieru, powlekania, linie do galwanizacji i wiele innych wykorzystuje dużą liczbę napędów o zmiennej prędkości. Czasem liczba ta przekracza 200. Typowa maszyna papiernicza pracuje z prędkością 15 m/s. Aby uniknąć zerwania papieru, prędkość wszystkich silników musi być ściśle kontrolowana przez nadrzędną jednostkę sterującą. Na rysunku 4 przedstawiono maszynę do produkcji papieru i tylko uproszczony schemat systemu sterowania ruchem – w przeciwnym wypadku rysunek byłby zupełnie nieczytelny.
Kiedy potrzebna jest zmiana prędkości produkcji, każdy z silników przyspiesza lub zwalnia do zadanej prędkości z określoną stałą czasową. Każdy silnik ma prędkość proporcjonalną do prędkości produkcji, jednak dla różnych gramatur papieru proporcje te są różne. Baza receptur dla różnych rodzajów papieru znajduje się w sterowniku nadrzędnym.
Odpowiednie proporcje momentów
Jeśli dwa lub więcej silników zasilają tę samą sekcję maszyny, strategia sterowania jest zwykle następująca: jeden silnik ma za zadanie utrzymywać stałą prędkość, pozostałe stały moment przy ograniczonej prędkości. Aby zrównoważyć silniki z zadaną prędkością i z zadanym momentem, nadrzędny sterownik rozdziela momenty silników w odpowiedniej proporcji. Jakikolwiek naciąg mokrego papieru powoduje jego zerwanie – nie można zatem zmierzyć wartości naciągu i dostosować momentu silników. W takich przypadkach polega się wyłącznie na dokładnych pomiarach prędkości i reguluje wyłącznie prędkość.

Komunikacja między jednostką nadrzędną a poszczególnymi falownikami odbywa się za pomocą znanych protokołów komunikacyjnych, takich jak Modbus, Profibus-DP czy DeviceNet. Napędy przekazują do nadrzędnej jednostki dane o aktualnej prędkości, momencie, temperaturze uzwojeń i ewentualnych alarmach i uszkodzeniach. Operator maszyny ma do dyspozycji dotykowy panel HMI, za pomocą którego obserwuje zmienne procesowe i steruje maszyną.
Paul Blaiklock jest marketing menedżerem w TMEIC GE, w Roanoke w stanie Virginia,USA. www.tmge.com
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE