Tam gdzie wymagane sa dla organu wykonawczego bardzo duze sily oraz szybkie dzialanie i mala waga nadal niezastapiony jest naped hydrauliczny pomimo ciaglego wzrostu zastosowan i parametrow napedu elektrycznego. Serwonapedy elektrohydrauliczne kroluja w samolotach cywilnych i wojskowych. Napedy hydrauliczne realizuja szybka regulacje turbin parowych turbozespolow.
Napedy hydrauliczne maja tez wady. Zasilacz hydrauliczny czyli silnik z wysokocisnieniowa pompa i zbiornikiem wyrownawczym musi pracowac caly czas i emituje duzo ciepla. Drobne przecieki sa nieuniknione co eliminuje ten rodzaj napedu z wielu zastosowan gdzie wymagana jest czystosc.
Szczegoly konstrukcyjne napedow hydraulicznych podawane sa w katalogach firmowych. Ze zrodel polskojezycznych warta jest polecenia ksiazka "Serwomechnizmy obrabiarek sterowanych numerycznie", Jerzy Mierzejewski, WNT 1977. Z punktu widzenia elektronicznej automatyki istotne sa wymagania na sygnal sterujacy do elektroserwozaworu. Generalnie im lepsze wlasnosci dynamiczne i czulosc zaworu tym zawor jest bardziej skomplikowany i wykonany z materialow wysokiej jakosci. Zawory do wyrafinowanych maszyn CNC i robotow maja czestotliwosci graniczne siegajace 300Hz. Ich mankmentem jest wysoka cena i podatnosc na zabrudzenia oleju roboczego co w koncu komplikuje konstrukcje i powaznie podnosi koszt maszyny.
Typowe serwozawory przemyslowe maja prostsza budowe i rozsadna cene.
Prad sterowania zaworow dwustopniowych wynosi kilkadziesiat miliamperow a jednostopniowych ponad Amper. Zawor ma strefe nieczulosci. Aby ja zlikwidowac do sygnalu sterujacego dodaje sie maly sygnal zmienny o czestotliwosci spoza uzytecznego pasma serowonapedu, ktory ma pokonywac nieczulosc.
W instalacjach chemicznych i petrochemicznych chetnie stosowano pneumatyczne regulatory PI i PID. Pierwsze regulatory PI i PID w latach trzydziestych byly wlasnie pneumatyczne. Silnikiem napedowym (serwomechanizmem ) dla organu wykonawczego czyli najczesciej zaworu byl z reguly pneumatyczny silnik membranowy. Wystepowal on w dwoch odmianach - o krotkim i o dlugim skoku. Z reguly przez prosta zamiane paru detali mozna bylo uzykac prace rewersyjna co jest bardzo przydatne gdy po awaryjnym zaniku cisnienia w instalacji wymagamy aby serwo zajelo okreslona bezpieczna pozycje krancowa.
Silniki mebranowe budowane sa takze bez sprezyny zwrotnej z dwoma membranami.
Po awaryjnym zaniku cisnienia w instalacji musi istniec mozliwosc recznego nastawienia pozycji serwo. Miedzy kolem - korba dla operatora a sworzniem wyjsciowym silnika stosuje sie przekladnie stozkowa lub inny uklad mechaniczny. Kompletne serwo ma wskaznik polozenia oraz sensor polozenia czyli LVDR lub potencjometr.
Wyjsciowy sygnal petli pradowej 0/4-20 mA z elektronicznego regulatora PID mozna podac na miedzysystemowy przetwornik prad - cisnienie i dalej na serwo pneumatyczne. Zaleta takiego rozwiazania ( w chemi i petrochemi ) jest brak sieci zasilajacej 220 / 380 V.
Najpopularniejsze sa jednak w przemysle serwa z silnikiem elektrycznym i to sterowanym binarnie a nie ciagle - analogowo. Kompletne serwo oprocz silnika zawiera przekladnie mechaniczna ( z przekladnia planetarna serwo jest male i malo wazy ), uklad pozwalajacy na awaryjne operacje manualne, przelaczniki krancowe, sensor polozenia ( potencjometr lub LVDT ) i sygnalizacje polozenia.
Tam gdzie normalnie zawor przestawia sie powoli ale w sytuacjach nadzwyczajnych istnieje potrzeba szybkiego przestawienia stosuje sie serwa dwubiegowe z dwoma silnikami. Normalnie operuje sie silnikiem malej mocy. Do szybkich ruchow uzywany jest silnik duzo wiekszej mocy. Silniki sa polaczone dosc zlozonym ukladem mechanicznym.
Katalogi producentow pelne sa rysunkow ukladow mechanicznych serwonapedow. Zaglebianie sie tutaj w szczegoly budowy jest niecelowe jako ze interesuje nas kompletny system automatyki. Zatem serwo poruszajace organ wykonawczy ma wejscie analogowe lub czesciej binarne i wyjscie analogowe i binarne z przelacznikow krancowych.
Do regulacji elektroserwozaworu najczesciej uzywany jest asynchroniczny silnik dwu / trojfazowy ( sterowany regulatorem krokowym ) z dodatkowym kondensatorem papierowo / polietylenowym wlaczonym miedzy fazami pozwalajacym na zewnetrzne zasilanie jednofazowe.
Tylko tam gdzie wymagania na szybkosc i precyzje serwo sa wysokie stosuje sie silniki pradu stalego sterowane ciagle przez sterowany fazowo tyrystorowy inverter identycznie jak w napedzie w obrabiarce CNC czy robocie przemyslowym. Jest to jednak rozwiazanie drogie.
Jesli silnik trojfazowy zasilimy jednofazowo ( odlaczymy zasilanie od jednej fazy ) to on nie ruszy bowiem zamiast wirujacego pola magnetycznego jest tylko pole pulsujace. Jesli natomiast pokrecimy walem silnika w ktoras strone to silnik w ta strone ruszy.
Silnik trojfazowy zasilany bez jednej fazy (czyli w istocie jednofazowo i bez kondensatora ) ma znacznie gorsze parametry - znacznie mniejsza moc maksymalna, mniejszy moment krytyczny , mniejsza predkosc bez obciazenia i z obciazeniem i znacznie gorsza sprawnosc.
Asymetria trojfazowych napiec zasilajacych daje w rozkladzie na skladowe symetryczne skladowa przeciwna ktora wytwarza szkodliwy moment chamujacy. Czyli asymetria napiec trojfazowych jest zawsze szkodliwa. Krancowa asymetria jest brak jednej fazy. Ta faze wytwarzamy z pomoca kondensatora rozruchu lub pracy.
Optymalne wartosci kondensatora odtwarzajacego w przyblizeniu napiecie brakujacej fazy pozwalajace uzyskac duzy moment rozruchowy lub prace z dobra sprawnoscia sa rozne. Totez stosuje sie wartosc kompromisowa.
Na silnik jednofazowy z dwoma uzwojeniami w terminologi angielskojezycznej jest uzywane okreslenie split-phase. Brak jest poprawnego okreslenia w jezyku polskim. Bywa uzywane okreslenie silnki dwufazowy, ktore jest przeciez niescisle. W czasie rozruchu faza rozruchowa jest zasilana przez kondensator lub opornik. Kondensator rozruchowy przelacznikiem mechanicznym lub pozystorem odlacza sie po rozruchu.
W zaleznosci od tego ktora faze silnika dwu / trojfazowego z kondensatorem miedzy fazami zasilimy to silnik zaczyna krecic sie w lewo lub prawo. Na kondensatorze pracy pracujacego silnika jest niemal pelne napiecie liniowe - per analogia do systemu trojfazowego. Rzeczywiscie przy zasilaniu silnika napieciem 220V na kondensatorze bywa napiecie 360-380 V. Napiecie na kondensatorze stanowi wrecz smiertelne niebezpieczenstwo dla zalaczajacych silnik przekaznikow. Jesli po wylaczeniu jednego przekaznika szybko zalaczymy drugi zanim nastapi odpuszczenie stykow i kompletna dejonizacja obszaru miedzystykowego pierwszego przekaznika to nastapi zwarcie kondensatora przez zestyki przekaznikow co prowadzi do stopniowego lub natychmiastowego uszkodzenia przekaznikow. Totez stosuje sie z reguly dodatkowe krzyzowe laczenie stykow przekaznika co pokazano w omowieniu regulatora firmy Siemens. Zwrocmy uwage ze na otwartym styku jest napiecie 360-380 V czyli typowy przekaznik na 250Vac nie bardzo sie nadaje do sterowania takiego silnika.
Regulator krokowy dosc czesto zalacza silnik ( zaleznie od poziomu zaklocen dla procesu regulacji i zmiany wartosci zadanej ) i trwalosc przekaznikow a nawet stycznikow jest mierna z powodu miedzy innymi indukcyjnego charakteru wylaczanego silnika. Dlatego tez Siemens zaleca do systemow regulacji z serwoelektrozaworami i regulatorami krokowymi laczniki tyrystorowe i triakowe.
Wykonuje je w zakresie mocy 150W do 5.5KW.
Z uwagi na proces przejsciowy w silniku po jego zalaczeniu najkorzystniejszy jest dla niego kat zalaczenia 90 deg. Jednak czesto stosuje sie tyrystorowe lub triakowe bezzakloceniowe laczniki w Zerze napiecia czyli o niekorzystnym dla silnika kacie 0 deg lub zalaczania w momencie przyjecia rozkazu czy Random deg. Jak wiadomo proces rozruchu silnika asynchronicznego jest generalnie ciezki i zmiana kata zalaczenia nie ma decydujacego wplywu. Tyrystory czy triacki musza dobrze tolerowac wystepujace zaklocenia du/dt i wynika stad koniecznosc uzycia snubberow RC oraz bocznikowania (aktywnego lub biernego) bramki do katody celem polepszenia odpornosci na zjawisko dynamicznego / stromosciowego zalaczanie obwodem anodowym. Celowe jest uzycie warystorow do ochrony nadnapieciowej oraz dlawika ktory w fatalnej (powinna byc ona niemozliwa) sytuacji rozladowania kondensatora przez oba tyrystory ograniczy szybkosc narastania pradu anodowego di/dt ponizej dopuszczalnej wartosci krytycznej dla tyrystorow. Czasami polowicznie role ochrony di/dt moze spelniac indukcyjnosc przewodow laczacych silnik jesli sa odpowiednio dlugie. Indukcyjnosc powoduje wymuszona komutacje i wylaczenie jednego z tyrystorow czemu towarzyszy przepiecie tlumione obwodem snubbera RC. Generalnie jednak nalezy uzywac tyrystorow / triakow na napiecia >=800 V.
Serwosilnik jako wykonawczy organ calkujacy (!) jest nieliniowy w funkcji czasu zalaczania. Jesli podamy mu zbyt krotki krok zalaczania to on po prostu nie ruszy lub osiagnie zaledwie czesc predkosci nominalnej.
Z kolei moment bezwladnosci wirujacego wirnika silnika dokonuje dalszego przesuwania zaworu po wylaczeniu zasilania silnika.
Ma to wplyw na wybor optymalnego minimalnego kroku sterowania silnikiem.
Serwosilnik moze miec dodatkowy potencjometr ( takze transformator roznicowy LVDT lub rzadko lub selsyn / resolver ) wysylajacy informacje o polozeniu organu wykonawczego. Potencjometr moze ale nie musi pracowac jako element sprzezenia zwrotnego. Czesciej spotyka sie regulatory krokowe z odtwarzaniem zmiennej stanu organu wykonawczego.
Elektroserwozawor zawsze posiada wylaczniki krancowe rozlaczajace obwod faz silnika. Dodatkowe krancowki moga byc polaczone z ukladem sterowania do sygnalizacji osiagniecia stanu krancowego.
Czas pelnego przestawienia organu wykonawczego jest znormalizowany i wynosi :15 / 30 / 60 / 120 sekund
Jak powiedziano szkodliwe zalaczenie drugiego klucza mocy zalaczajacego silnik gdy jeden jest aktywny prowadzi do zwarcia kondensatora i moze prowadzic do uszkodzenia przekaznika, triaka czy tyrystora. Zalaczony triak czy tyrystor wylaczy sie dopiero w zerze i sygnal zalaczajacy musi byc podany ze zwloka.
Aby tyrystor czy triak nie zalaczyl sie na skutek zaklocen sieciowych uzyty typ musi tolerowac duze zakloceniowe du/dt a takze powinien miec dodatkowo zabocznikowana bramke rezystorem ( takze z dodatkowym kondensatorem 10-47nF ) celem poprawy odpornosci na zaklocenia.
Stosowanie gasikow jest koniecznoscia.
Jesli stosowane sa przekazniki to mozna do blokady zastosowac styk przelaczny w jednym przekazniku. Mimo to z uwagi na zjawisko dejonizacji przestrzeni otwierajacych sie stykow i przerwania pradu po jego zerze jesli drugi przekaznik zalaczymy za szybko to nastapi zwarcie kondensatora ( na nim jest napiecie bliskie liniowemu a nie fazowemu ) przez styki
W przypadku gdy triaki czy tyrystory sterujemy transoptorami wzbudzanymi sygnalami z portu systemu mikrokomputera to zastosowanie dodatkowych prostych logicznych zabezpieczen sprzetowych jest absolutnie konieczne.
Przy konkretnych urzadzeniach omowiono logike zabezpieczajaca. Jesli chcemy monitorowac prad silnika to wystarczy jeden monitor na zasilaniu silnika bowiem nigdy nie jest on naraz sterowany w dwoch kierunkach.
Mimo iz zastosowane srodki powinny z duzym marginesem absolutnie wykluczyc zalaczanie dwoch triakow to na etapie testow urzadzenia doprawadzamy do seri zalaczen i sprawdzamy czy triak nie zmienil parametrow.
Ale jaja. Czyli regulator krokowy z silnikiem krokowym nie ma nic wspólnego. To sa dwie różne rzeczy.
OdpowiedzUsuńWitam. Nazwa "regulator krokowy" faktycznie jest myląca. Ale artykuł objaśnia sprawę.
UsuńA ja myślałem że regulator krokowy jest do silnika krokowego. Ale jaja. Na naukę nigdy nie jest za późno.
OdpowiedzUsuńWitam. Wiele osób ta myśli, niestety.
Usuń