Silniki elektryczne są szeroko stosowane w wielu aplikacjach przemysłowych, począwszy od napędzania rolek w branżach wykorzystujących maszyny rolowe (belowanie papieru i blachy stalowej), po mielenie i mieszanie składników w przemyśle spożywczym i napojów. Często znajdują także zastosowanie do napędzania wentylatorów i sprężarek w aplikacjach HVAC i chłodniczych, jak również do obsługi maszyn produkcyjnych i manipulacyjnych, takich jak centra obróbcze CNC i przenośniki.

To wszechobecne zastosowanie oznacza, że silniki przemysłowe zużywają obecnie prawie 50% światowej energii elektrycznej. W obliczu rosnącej presji cenowej na dostawy energii oraz konieczności ograniczenia zużycia energii w celu zmniejszenia emisji dwutlenku węgla, silniki są jednym z pierwszych kandydatów, w odniesieniu do których należy podjąć działania mające na celu poprawę ich efektywności energetycznej.

Silniki muszą być również sterowane w celu poprawy precyzji ruchu i ochrony przed potencjalnie szkodliwymi prądami rozruchowymi. Silniki podłączone bezpośrednio (ang. Direct On Line — DOL) są podłączone bezpośrednio do źródła zasilania. Po włączeniu silnik pobiera dużą ilość prądu, zwykle sześć do ośmiu razy więcej niż wynosi wartość prądu pełnego obciążenia silnika. W ten sposób powstaje duży szczytowy moment obrotowy, który może powodować uszkodzenia, takie jak zerwanie taśmy przenośnika, a także mniej oczywiste uszkodzenia przekładni i innych elementów układu napędowego. Ten rodzaj rozruchu powoduje również naprężenia termiczne w silniku, potencjalnie skracając jego żywotność. Stopniowe zwiększanie prądu przez sterownik silnika pozwala uniknąć tych wstrząsów.

Przemysłowe sterowniki silników pokonują wyzwania związane z rozruchem poprzez ograniczenie prądu i zmniejszają zużycie energii przez silnik podczas pracy, pracując z prędkością odpowiednią dla warunków aplikacji.

Na przykład: w zastosowaniach chłodzących wykorzystujących wentylator pracą można zarządzać za pomocą sterowania w pętli zamkniętej. Temperatura powietrza może być mierzona, a dane wysyłane z powrotem do sterownika, który wybiera prędkość odpowiednią do pracy wentylatora. Zapewnia to utrzymanie zadanej temperatury przy jednoczesnej pracy wentylatora z prędkością oszczędzającą energię. Powyższe stoi w opozycji do pracy ze stałą prędkością, w ramach której wentylator będzie pracował z maksymalną prędkością niezależnie od zapotrzebowania na chłodzenie.

Sterowniki silników są więc ważną częścią każdego systemu przemysłowego, kontrolując silniki i umożliwiając większą precyzję produkcji.

Czym jest sterowanie silnikami przemysłowymi?

Sterowanie silnikami przemysłowymi polega na zastosowaniu urządzenia do kontroli prędkości i pracy silnika przemysłowego. Sterowanie prędkością silnika pozwala mu sprostać wymaganiom procesu przy minimalnym zużyciu energii. Sterownik silnika może również chronić silnik i zapewnić bardziej precyzyjną kontrolę aplikacji.

Typy silników przemysłowych

Z zasady silnik elektryczny jest maszyną, która zamienia energię elektryczną w energię mechaniczną. Dzieje się tak dzięki oddziaływaniu pola magnetycznego w ruchomej części silnika (wirniku) oraz prądu elektrycznego w uzwojeniu cewki w nieruchomej części silnika (stojanie).

Istnieją trzy główne typy silników przemysłowych:

• silniki prądu stałego (DC)
• silniki indukcyjne prądu zmiennego (AC)
• silniki synchroniczne prądu zmiennego (AC)

Silniki prądu stałego (DC)

Silniki prądu stałego (DC) są najczęściej stosowane w zabawkach, pojazdach elektrycznych, podnośnikach i dźwigach. W procesach przemysłowych zostały one w dużej mierze wyparte przez silniki prądu zmiennego (AC).

Prosty silnik prądu stałego składa się z dwóch głównych części: nieruchomego zestawu magnesów w stojanie i wirnika składającego się z twornika, który ma jedno lub więcej uzwojeń z izolowanego drutu owiniętego wokół miękkiego żelaznego rdzenia. Układ ten ma za zadanie skoncentrować pole magnetyczne.

Końce uzwojeń połączone są z komutatorem, czyli przełącznikiem obrotowym, który okresowo odwraca kierunek prądu między wirnikiem a obwodem zewnętrznym. Dzięki temu każda cewka twornika może być zasilana po kolei. Łączy on również obracające się cewki z zewnętrznym zasilaniem poprzez styki zwane szczotkami.

Cewki są kolejno włączane i wyłączane w celu wytworzenia wirującego pola magnetycznego. Te pola magnetyczne oddziałują na pola magnetyczne magnesów w stojanie, którymi mogą być magnesy stałe lub elektromagnesy. To z kolei tworzy moment obrotowy na tworniku, powodując jego obrót.

Alternatywą dla szczotek jest zastosowanie bezszczotkowych silników prądu stałego, które za pomocą elektroniki włączają i wyłączają prąd płynący do każdej cewki.

Prędkość pracy silników prądu stałego może być regulowana poprzez dostosowanie napięcia przyłożonego do twornika.

Stabilny przepływ energii silników prądu stałego sprawia, że są one bardzo przydatne w zastosowaniach wymagających stałej prędkości i momentu obrotowego, takich jak urządzenia walcownicze w stalowniach i maszyny papiernicze.

Silniki indukcyjne prądu zmiennego (AC)

Silnik indukcyjny prądu zmiennego (AC), znany również jako silnik asynchroniczny, wykorzystuje pola magnetyczne w uzwojeniu stojana do indukowania prądu elektrycznego w uzwojeniu wirnika. Te indukowane prądy w wirniku z kolei tworzą w nim pola magnetyczne.

Wirnik silnika indukcyjnego obraca się wolniej niż pole stojana, stąd określenie „asynchroniczny”. Pole magnetyczne stojana zmienia się więc względem wirnika, indukując w nim przeciwny prąd.

Aby przeciwstawić się zmianie prądów uzwojenia wirnika, wirnik zacznie się obracać w kierunku wirującego pola magnetycznego stojana. Ten efekt indukcji oznacza, że silnik indukcyjny nie wymaga żadnych połączeń elektrycznych z wirnikiem.

Wirnik silnika indukcyjnego może być jednego z dwóch typów: nawinięty lub klatkowy. Trójfazowe silniki klatkowe są szeroko stosowane w przemyśle ze względu na ich niezawodność i wydajność. Ich zaletą jest również możliwość samodzielnego rozpoczęcia pracy.

Silniki synchroniczne prądu zmiennego (AC)

Silnik synchroniczny to silnik elektryczny prądu zmiennego (AC), w którym wał obraca się z częstotliwością prądu zasilającego. Oznacza to, że okres obrotu odpowiada integralnej liczbie cykli prądu zmiennego.

W stojanie znajduje się szereg wielofazowych elektromagnesów prądu zmiennego. Składają się one z 3-fazowego uzwojenia zasilanego 3-fazowo, wytwarzającego pole magnetyczne, które obraca się synchronicznie z oscylacjami prądu linii. Wirnik posiada magnesy stałe lub elektromagnesy i jest zasilany prądem stałym.

Silnik synchroniczny działa dzięki oddziaływaniu pól magnetycznych stojana i wirnika. 3-fazowe uzwojenie stojana przenoszące 3-fazowe prądy, wytwarza 3-fazowy wirujący strumień magnetyczny. Wirnik synchronizuje się z tym wirującym polem magnetycznym i obraca się wraz z nim. W tym stanie mówi się, że silnik jest w synchronizacji.

Po uruchomieniu silnika jego prędkość zależy tylko od częstotliwości zasilania. Na przykład: przy napięciu 120 VAC i częstotliwości 60 Hz, silnik synchroniczny prądu zmiennego będzie obracał się z prędkością 72 obr./min. Tę prędkość obrotową można zmieniać poprzez zmianę częstotliwości za pomocą napędu o zmiennej częstotliwości (VFD), określanego także mianem napędu o zmiennej prędkości (VSD).

Ponieważ wykazują one ciągłe zmiany energii, silniki prądu zmiennego są preferowanym wyborem dla takich zastosowań jak sprężarki, hydraulika i pompy nawadniające.

Pozostałe silniki

Dwa inne typy silników są powszechnie stosowane w aplikacjach przemysłowych — są to, między innymi, serwomotor i silnik krokowy.

Serwomotor przyjmuje postać siłownika obrotowego lub liniowego. Można mu zadać przyjęcie precyzyjnej, kątowej lub liniowej pozycji, prędkości lub przyspieszenia. Serwomotor składa się z silnika sprzężonego z czujnikiem przekazującym informację zwrotną o jego położeniu i wymaga dedykowanego modułu sterującego przeznaczonego do pracy z serwomotorami.

Serwomotory są często używane w takich zastosowaniach jak robotyka, maszyny CNC i zautomatyzowana produkcja. Serwomotory mogą być zasilane napięciem stałym lub zmiennym.

Silniki krokowe to rodzaj bezszczotkowego silnika elektrycznego prądu stałego. Jak sama nazwa wskazuje, dzielą one pełny obrót na kilka równych kroków, a silnikowi można zadać przejście do jednego z tych kroków i zatrzymanie się na nim.

Sterowane komputerowo silniki krokowe są zwykle sterowane cyfrowo jako część systemu otwartej pętli do użytku w aplikacjach wymagających utrzymania lub pozycjonowania.

Silniki krokowe są dziś najczęściej wykorzystywane w takich aplikacjach jak napędy dyskietek, skanery płaskie, drukarki komputerowe, plotery, maszyny CNC czy drukarki 3D. W większości zastosowań przemysłowych ich rola została wyparta przez serwomotory.

 

Sterowniki silników przemysłowych

Sterowanie silnikami przemysłowymi prądu zmiennego (AC)

Istnieje kilka opcji sterowania silnikami, przy czym najprostszą z nich jest urządzenie do płynnego rozruchu. Jest to urządzenie stosowane z silnikami prądu zmiennego w celu chwilowego zmniejszenia obciążenia i momentu obrotowego odczuwanego przez układ napędowy, jak również udaru prądu elektrycznego pobieranego przez silnik podczas rozruchu. Płynny rozruch zmniejsza naprężenia mechaniczne silnika i wału, a także naprężenia elektryczne kabli i połączeń, pomagając przedłużyć żywotność.

Płynny rozruch może być inicjowany z urządzeń mechanicznych lub elektrycznych. Urządzenia mechaniczne mogą obejmować sprzęgła lub sprzęgła ograniczające moment obrotowy, natomiast elektryczne urządzenia płynnego rozruchu mogą być stosowane w każdym systemie sterowania, który tymczasowo zmniejsza napięcie lub prąd wejściowy, a tym samym ogranicza moment obrotowy.

Bardziej nowoczesnym i wydajnym rozwiązaniem, które oferuje również dużą elastyczność sterowania, jest napęd o zmiennej prędkości (VSD) lub napęd o zmiennej częstotliwości (VFD). Sterowanie silnikiem VFD zmienia częstotliwość zasilania silnika prądem zmiennym. Ponieważ prędkość silnika indukcyjnego zależy od częstotliwości zasilania, napęd VFD można wykorzystać do zmiany jego prędkości. To rozwiązanie może być także stosowane z silnikami synchronicznymi.

Napęd VFD to konwerter mocy, który wykorzystuje elektronikę do przekształcenia stałej częstotliwości i stałego napięcia w zmienną częstotliwość i zmienne napięcie. Zazwyczaj będzie on miał programowalny interfejs użytkownika, który pozwala na łatwe monitorowanie prędkości silnika elektrycznego.

Ponieważ poprzez kontrolę prędkości silnika napędy zmniejszają wydajność aplikacji, takiej jak pompa lub wentylator, może to często zmniejszyć zużycie energii o 50%, a w skrajnych przypadkach nawet o 90%.

Oprócz oszczędności energii, możliwość sterowania zapewniona przez napęd VFD może przynieść również inne korzyści. Na przykład — w przypadku wytłaczarki — napęd VFD może nie oszczędzać wiele energii, ale kontrola i regulacja prędkości, które oferuje, mogą skutkować wyższą jakością produkcji.

Napędy VFD są stosowane od wielu lat do sterowania prędkościami i momentami obrotowymi silników, zarządzając prędkościami linii produkcyjnej w celu zmiany parametrów produkcji, w tym grubości, formowania ziaren i szczelności uzwojenia. Znajdują również zastosowanie w pompach, gdzie rozwiązują problemy ze zjawiskami takimi jak: uderzenie wodne, kawitacja i ścinanie wału przy rozruchu. Wszystkie te problemy można złagodzić, uruchamiając silnik za pomocą napędu VFD.

W ciągu ostatnich kilku lat gwałtownie wzrosła liczba silników przeznaczonych do współpracy z napędami VFD. Rozwinęły się również same napędy, a wiele specjalnych wersji zostało zaprojektowanych specjalnie do pracy z pompami lub wentylatorami. Wszystko to sprawia, że uzyskanie odpowiedniej kombinacji napędu i silnika stanowi wyzwanie. Dopasowanie proponowanego napędu do silnika spowoduje uzyskanie rozwiązania o właściwym rozmiarze, unikając przewymiarowania, które może skutkować zwiększonymi kosztami, większymi wymaganiami dotyczącymi przestrzeni i większym śladem środowiskowym.

Sterowniki silników prądu stałego (DC)

Sterowniki silników prądu stałego (DC) różnią się w zależności od właściwości silnika i udostępnianego typu, między innymi: typ i napięcie pracy silnika, typ regulacji mocy, typ sygnału sterującego, moc silnika i typ sterowania.

Na przykład: bezszczotkowy silnik prądu stałego (ang. brushless DC — BLDC) posiada komutator elektroniczny bez szczotek. Sterownik silnika BLDC dla tego silnika wykorzystuje czujniki do wykrywania położenia silnika i przełącza prąd w uzwojeniu za pomocą tranzystorów.

Sterownik silnika szczotkowego prądu stałego (ang. brushed DC — BDC) reguluje prędkość i moment obrotowy poprzez zmianę mocy dostarczanej do silnika, używając liniowego lub przełączanego regulatora napięcia. Regulator liniowy zapewnia stabilne napięcie wyjściowe, niezależne od napięcia wejściowego dostarczanego do niego przez źródło zasilania. Regulator przełączający wykorzystuje modulację szerokości impulsów (ang. pulse-width modulation — PWM), dostarczając napięcie w impulsach. Oznacza to, że prędkość silnika można regulować poprzez regulację cykli pracy impulsów. Oferując wyższą wydajność i niskie straty mocy, modulacja PWM jest szeroko stosowana w kontroli prędkości silników prądu stałego.

Sterowanie przemysłowymi serwomotorami

W serwomotorze sterowanie jest realizowane poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego pomiędzy silnikiem a sterownikiem. Pozycja i prędkość silnika są wykrywane za pomocą koderów wbudowanych w silnik.

Serwomotory są napędzane sygnałem modulacji szerokości impulsów (PWM) wysyłanym przez przewód sterujący, podczas gdy do silnika dostarczana jest moc. Wirnik w serwomotorze obróci się o określony kąt w zależności od szerokości impulsu. Oznacza to, że cykl pracy będzie określał ostateczne położenie wału.

Jedną z dużych zalet serwomotorów jest zdolność do utrzymywania pozycji pomiędzy kolejnymi etapami uruchamiania. Jeśli siła zewnętrzna odsuwa wirnik od jego nakazanej pozycji stacjonarnej, koder wykrywa to odchylenie i powoduje, że sterownik będzie się poruszał wbrew sile zewnętrznej, utrzymując pozycję wirnika na stałym poziomie.

Sterowanie przemysłowymi silnikami krokowymi

Sterownik silnika krokowego steruje silnikiem krokowym poprzez kontrolę jego dokładnej pozycji bez użycia systemu sprzężenia zwrotnego. Tego typu sterowniki zazwyczaj wykorzystują zmienną kontrolę prądu, jak również kilka rozdzielczości krokowych.

Zawierają one stałe translatory umożliwiające sterowanie silnikiem zarówno za pomocą wejść kierunkowych, jak i krokowych. Są to główne sygnały i mogą być łatwo dostarczone przez niedrogi mikrokontroler, taki jak Arduino lub Raspberry Pi.

Sygnał kierunkowy, gdy ustawiony jest na logiczny stan wysoki (+5V), „mówi” silnikowi, w którym kierunku ma się poruszać. W zależności od fazy prowadzącej, silnik będzie obracał się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Gdy sygnał zadany jest w stanie niskim (GND), silnik będzie poruszał się w przeciwnym kierunku.

Sygnał krokowy określa rozdzielczość kroku. Jeśli jest ustawiona na pełny krok, silnik będzie przechodził z jednej pozycji kroku do następnej. Jednakże, jeśli ustawiony jest w trybie półkroku, silnik wykona pół kroku.

Podsumowanie

Silniki elektryczne to koło zamachowe przemysłu, gdyż odgrywają istotną rolę w produkcji, przetwarzaniu i transporcie towarów i materiałów. Od mielenia i mieszania do przenośników, agregatów chłodniczych, sprężarek i wielu innych zastosowań — silniki są podstawą nowoczesnej produkcji.

Silniki nie tylko w najprostszy sposób napędzają proste ruchy, ale muszą być także kontrolowane, aby wnieść jak najbardziej efektywny i skuteczny wkład w proces produkcyjny. Sterowanie silnikiem za pomocą odpowiedniego napędu pomaga mu osiągnąć maksymalną efektywność energetyczną, zapewnia wydłużony okres eksploatacji i przyczynia się do dokładnej kontroli procesów, przekładając się na wysokiej jakości produkcję.