PE Silniki servo Archiwum

PE Silniki servo Archiwum

  Maszyny fabryk powstających w epoce rewolucji przemysłowej napędzały centralne koła wodne i maszyny parowe, które je wyparły. Dystrybucja mocy mechanicznej długimi wałami była kłopotliwa i niebezpieczna a moc źródeł niewielka.

Wojnę prądu stałego Edisona z prądem zmiennym Westinghouse wygrał oczywiście prąd zmienny. Możliwość dystrybucji mocy miejskim systemem 110Vdc była znikoma. Bardzo droga energia zasilała tylko żarówki w domach i biurach bogaczy.

Serb z pochodzenia Nikola Tesla patent na praszczura silnika asynchronicznego ( = indukcyjnego ) uzyskał w 1888 roku a genialny rosyjski wynalazca pochodzenia polskiego pracujący w Niemczech Michał Doliwo Dobrowolski w 1889 uzyskał patent na znacznie dojrzalszy silnik indukcyjny klatkowy i transformator trójfazowy trzykolumnowy. Opracował też generatory dla elektrowni trójfazowych.

Wymiana wyników badań i patentów między General Electric Edisona i Westinghouse ( firma ma jako nazwę nazwisko potentata ) na początku wieku dała produkcje produkcje silników asynchronicznych. Przy takiej samej wadze obecnie produkowane najnowsze silniki mają 10 razy większą moc !

N.B. Steinmetz który zastosował znane już wcześniej liczby zespolone do wygodnego obliczania stanów ustalonych w obwodach prądu zmiennego był pracownikiem GE. Udział koncernów w rozwoju cywilizacji jest ogromny.

Silniki elektryczne produkowano pod konkretną produkcje maszyn co komplikowało i podrażało produkcje maszyny z napędzającym ją silnikiem elektrycznym. Uszkodzony silnik naprawiano co było kosztowne. Na przełomie lat dwudziestych i trzydziestych w GE i Westinghouse prowadzono poważne prace optymalizacyjne i w rezultacie w obu koncernach podjęto niedługo masową produkcje standardowych rodzin silników asynchronicznych o zakresie mocy circa 0.5-500 KW o różnych stopniach ochrony przed zewnętrznymi czynnikami. Większe jednostki na wyższe napięcia nie są członkiem rodziny silników choć są bardzo zbliżone stosowanymi rozwiązaniami. Produkcje bardzo mocno zmechanizowano a momentami zastosowano namiastki automatyzacji. Standardowe silniki indukcyjne stały się dostępne a cena ich była przystępna.

Już w latach pięćdziesiątych lampowe komputery IBM zastosowano do obliczania i optymalizacji transformatorów i silników. Szybko też w innych krajach wysokiej cywilizacji zdano sobie sprawę z superciężkiej wagi tematu. Prace prowadzono też m.in. w ZSRR gdzie uruchomiono produkcje rodzin standardowych silników. Wszędzie w świecie naśladowano amerykańskie konstrukcje maszyn do linii produkcyjnych silników elektrycznych. Ważne są trwałe wykrojniki którymi z taśmy blachy elektrotechnicznej stempluje się na szybkobieżnych prasach kształtki statora i rotora. Zły stan wykrojników powoduje zadziory i naprężenia w kształtkach co skutkuje wzrostem strat mocy silnika.

Co ciekawe amerykańskie silniki indukcyjne mają większą średnice niż zachodnioeuropejskie ale są krótsze. W dobie komputerów i optymalizacji wydaje się to niemożliwe !

Silniki asynchroniczne konsumują do 70% wyprodukowanej energii elektrycznej– są podstawowym odbiorcą energii. Silnik asynchroniczny nie jest bez wad. Jałowy prąd magnesowania wynosi 20-40% In przy współczynniku mocy około 0.2. Cos phi przy pełnym obciążeniu wynosi ca 0.7-0.9 a sprawność 0.6-0.97. Poślizg wynosi 1-10% i więcej. Oczywiście im większa maszyna tym lepsze są jej parametry. Rozruch z maksymalnym poborem prądu 6-7 In jest ciężki. Największe silniki indukcyjne są stosowane w elektrowniach do napędu pomp wody zasilającej. Z racji ciężkiego rozruchu można je uruchomić tylko raz na godzinę.

Moc silnika z jednostki wagi jest tym większa im lepsza jest blacha elektrotechniczna, maksymalna temperatura uzwojeń, chłodzenie i oczywiście projekt. Efekt skali jest taki sam jak przypadku transformatorów.

Moc silnika w tej samej obudowie / tej samej wagi z konkretnej rodziny spada wraz z ilością biegunów czyli prędkością synchroniczną. Motor dwubiegunowy o mocy 400KW w wykonaniu 12 biegunowym czyli o prędkości synchronicznej 500 obrotów na minutę ma moc 110 kW.

Sterowanie silnika indukcyjnego serwomechanizmu z invertera jest trudne a nawet bardzo trudne. Uwaga systemu skupiona jest na ciągłym zachowaniu namagnesowania rotora potrzebnym aby silnik był dyspozycyjny w każdym momencie.

W każdym silniku moment napędowy jest iloczynem wektorowym strumienia statora i namagnesowania rotora. Stała czasowa rotora jest spora i po dopuszczeniu do jego rozmagnesowania nie uzyskamy bez namagnesowania rotora momentu napędowego !

Inverter i silnik są cały czas obciążone prądem magnesowania silnika indukcyjnego co jest kłopotliwe bowiem stojący lub wolno obracający się silnik słabo chłodzi się swoim wentylatorem. Toteż silniki serwomechanizmowe dużej mocy mają dodatkowe wymuszone chłodzenie co pochłania energie i generuje hałas.

Jednofazowy silnik asynchroniczny napędza kompresor w domowej lodówce będąc największym domowym konsumentem energii elektrycznej. Silniki jednofazowe bez kondensatorów pracy są mało sprawne.

Silniki synchroniczne ze wzbudzeniem elektromagnetycznym produkowane są generalnie na większe moce niż silniki asynchroniczne.

Każdy silnik zasilany z invertera z uwagi na powiększone w nim straty podlega deratingowi czyli obniżeniu mocy maksymalnej podobnie jak transformator energetyczny w obecności harmonicznych prądu.

Znacznie lepszym silnikiem do serwomechanizmu są silniki synchroniczne z magnesami stałymi i ich odmiana o napięcie trapezoidalnym w miejsce sinusoidalnego nazwana myląco BLDC ( BrushLess Direct Current) czyli silnik bezszczotkowy prądu stałego.

Napięcie silnika BLDC to w istocie coś pośredniego między sinusoidą i trapezoidą o czym można się przekonać dołączając oscyloskop i kręcąc wałem silnika BLDC.

Moc z jednostki wagi silnika rośnie wraz z jakością blachy elektrotechnicznej i energią magnesu stałego. Oczywiście silniki z magnesami z udziałem ziem rzadkich są dużo droższe od silników z magnesami ferrytowymi a te droższe od asynchronicznych. Metale ziem rzadkich są drogie a ich produkcja uciążliwa środowiskowo.

Po raz pierwszy silnik prądu zmiennego AC do serwomechanizmu robota zastosowała Asea w 1981 roku. Był to oczywiście silnik synchroniczny. Po kilku latach w jej ślad poszedł potężny japoński Fanuc. Jednak w jego udanych sterowaniach CNC rodziny 6M zastosowano silniki komutatorowe sterowane dwoma antyrównoległymi trójfazowymi mostki tyrystorowymi. Prostownik- inverter jest skomplikowany. W nowszych liniach silnik jest sterowany z mostka z tranzystorami Darlingtona.

Silnik komutatorowy osiągnął znaczny poziom doskonałości. Oczywiście jego produkcje pomysłowo zmechanizowano i zautomatyzowano. Komutator jest elementem drogim i razem ze szczotkami mało trwałym. Największe jednostki mocy kilku megawatowej napędzały walcarki stalownicze. Moc silników kolejowych wynosi około 500 KW. Mniejsze silniki są stosowane w tramwajach i trolejbusach. Podobnej mocy silniki stosowano w szybkobieżnych windach drapaczy chmur i potężnych dźwigach portowych do przeładunku kontenerów.

Trójfazowe komutatorowe silniki prądu zmiennego Schragego – Richtera nie zyskały popularności.

Wydaje się że światowa produkcja małych silników komutatorowych przekracza miliard sztuk rocznie. Mistrzem produkcji jest obecnie Japonia:

-Zabawki

-Magnetofon kasetowy, gramofon i odtwarzacz CD gdzie wyparł go silnik BLDC

-Robot kuchenny i inne maszyny kuchenne

-Odkurzacz, suszarka do włosów

-Wiertarka i inne narzędzia

-W prostym samochodzie osobowym rozrusznik, wentylator i wycieraczki a w skomplikowanym luksusowym kilkanaście silniczków

Pralka automatyczna w krajach RWPG ma dwubiegowy silnik asynchroniczny ( pranie – wirowanie ) a w Europie Zachodniej silnik komutatorowy regulowany jest triakiem po to aby uzyskać dobre rozłożenie w bębnie pralki mokrego prania przed dużymi szybkościami wirowania. Są one bardzo pożądane jako że lepiej odwirowane pranie schnie znacznie szybciej co przekłada się na konkretne oszczędności gospodarstwa domowego.

Bęben pralki i kompresor lodówki winny napędzać silniki BLDC.

Zaletą silnika komutatorowego jest łatwość jego regulacji w serwomechanizmie komutowanymi siecią zasilającą tyrystorami a w trywialnych zastosowaniach triakiem. Jego wadą jest większy ciężar i koszt niż silników prądu zmiennego AC i słaba trwałość komutatora choć osiągnięcia w trwałości są znaczne.

„Serwomechanizmy obrabiarek sterowanych numerycznie”, J Mierzejewski, WNT 1977 w tabeli na stronie 250 podaje dane serwo mechanizmowych silników Siemensa a na stronie 262-263 serwo jednostek firmy Porter z USA.

Serwo jednostka ma zintegrowany hamulec, tachogenerator i sensor położenia wału ( silnik BLDC także extra sensory Halla do komutacji silnika ) a przy większych mocach silnik z wentylatorem do wymuszonego chłodzenia

Hamulec jest elementem systemu bezpieczeństwa. Przy braku zasilania jest aktywny. Do mocy paru kilowatowych hamulec jest odblokowany podaniem nieregulowanego napięcia 24Vdc. Dla zmniejszenia strat mocy czyli obniżenia temperatury maszyny można chwilowo podać napięcie 24Vdc i po odciągnięciu hamulca zmniejszyć na napięcie podtrzymujące jako że elektromagnes hamulca ma duża histerezę.

Silniki do serwomechanizmów są wykonywane z wysokiej jakości materiałów co rzutuje na ich cenę.

Silnik BLDC przy małych obrotach ma moment napędowy o circa 15% większy niż silnik synchroniczny ale prosta komutacja prądów faz sygnałami z Halotronów powoduje że moment przy dużych obrotach szybko spada. Komutacja powoduje też znaczne pulsacje momentu napędowego podczas gdy pulsacje silnika synchronicznego mogą być nawet poniżej 1%.

Sensorami Halla komutowane są silniki BLDC z zewnętrznym ferrytowym rotorem napędzające komputerowe dyski HDD i FDD oraz nowsze odtwarzacze CD i mechanizmy drukarek laserowych. Największym producentem tych silników BLDC oraz układów scalonych kontrolerów a także małych trójfazowych mostków tranzystorów Darlingtona ( do 50V i 5A ) są koncerny japońskie.

Każdy współczesny system serwomechanizmu elektrycznego ma trzy kolejne kaskadowe pętle regulacji: prądu silnika, prędkości i położenia. Pętla prądu silnika i prędkości realizowana jest jeszcze analogowo ale pętla położeniowa od lat realizowana jest wyłącznie cyfrowo (NC) lub programowo w CNC. Wzrost wydajności procesorów sprawi ze pętla regulacji prędkościowa też będzie wykonywana programowo.

Silnik BLDC zasilany serwowzmacniaczem - sterownikiem firmy Seidel musi mieć wbudowane sensory Halla oraz tachogenerator prądu stałego lub synchroniczny napięcia zmiennego bowiem system ma prostownik synchroniczny na układach CMOS sterowany sygnałami z sensorów Halla. O tym z jakim sensorem położenia jest zintegrowany serwomotor decyduje już „komputer” interpretujący G-code i wydający rozkazy „wzmacniaczom”.

N.B. Momenty komutacji faz silnika można wyznaczyć z informacji podawanych przez kwadraturowy sensor inkrementalny położenia wału silnika ale napięcie zasilające systemu informacji wolno zdjąć dopiero po całkowitym zatrzymaniu silnika i zapamiętaniu informacji o położeniu wału silnika w pamięci nieulotnej. Jeśli tą informacje do komutacji silnika stracimy to silnik nie będzie pracował jak należy lub wcale (!) i nie może się nawet obrócić do położenia zerowego „indeks” gdy wiadomo która kombinacja faz ma być teraz zasilana. System taki wymaga sporej komplikacji programu i przeszkolenia serwisantów!

Asea do komutacji silnika synchronicznego i jako sensor położenia zastosowała resolwer czyli selsyn. Ma on tyle biegunów co silnik i ma zerowy offset kąta w stosunku do silnika. Po przejściu sygnałów z resolvera przez prosty demodulator fazy, pomnożeniu przez wartość zadaną prądu (z komputera) i przekształceniu 2 faz na 3 uzyskuj się zadane sygnały prądowe dla regulatorów PWM prądów trzech faz silnika.

Fanuc w systemie sterowań 6M stosuje silniki komutatorowe. Gdy sensorem położenia jest kwadraturowy sensor inkrementalny ( 2000 lub 2500 impulsów na obrót wału silnika ) analogowy sygnał prędkości pochodzi z tachogeneratora DC lub jest wytwarzany przetwornikiem częstotliwość na napięcie F/V z sygnałów sensora kwadraturowego co daje gorsze rezultaty.

Gdy sensorem położenia jest resolwer to zawsze użyty jest tachogenerator DC mimo iż istnieje sposób uzyskania mało zaszumionej informacji analogowej o prędkości resolvera. Fanuc stosuje scalone ( DIL40) interfejsy do resolverów swojej produkcji i nie ujawnia żadnych informacji na ich temat. Nie są też przedmiotem handlu.

Wnioski:

-Silniki komutatorowe, synchroniczne i asynchroniczne znane są od lat. Jakość silnika jest pochodną jakości zastosowanych materiałów i optymalności projektu. Projekt można podejrzeć. Znacznie gorzej jest z produkcją nowoczesnych materiałów.

-Magnesy z pierwiastkami ziem rzadkich są drogie ale silnik jest lekki co jest bezcenne zwłaszcza w robotach przemysłowych gdy jeden mechanizm porusza kolejny mechanizm którego waga zawiera wagę silnika

-Z sensorów położenia najstarszy jest resolver czyli selsyn. Cyfrowy interfejs do selsyna jest jednym z najtrudniejszych układów elektronicznych. Resolvery produkuje się tymi samymi technologiami co inne maszyny elektryczne.

Zintegrowanie w mikrokontrolerze interfejsu do optycznego kwadraturowego sensora incrementalnego jest trywialne o ile jeszcze takie mikrokontrolery nie istnieją. Jest to licznik rewersyjny z prostą czołową logiką do sygnałów kwadraturowych. Sensor jest względnie łatwy do wyprodukowania. Ten sensor jako źródło informacji do komutacji silnika synchronicznego wymaga pamięci nieulotnej położenia wirnika i specjalnych procedur operacyjnych i serwisowych.