Softstart czy falownik?

Softstart czy falownik?

Softstart czy falownik? Jak się pewnie domyślacie odpowiedź na to pytanie jest niejednoznaczna. W ogóle można byłoby je rozszerzyć na pytanie o układ trójkąt-gwiazda, rozrusznik silnikowy czy rozruch bezpośredni. Każda z tych metod ma swoje plusy i minusy. Może po kolei spróbujmy je sobie usystematyzować.

1. Rozruch bezpośredni

"Softstart czy falownik?" Stycznik.
„Softstart czy falownik?” Stycznik.

 

Rozruch bezpośredni to taki, gdzie silnik załączany jest bezpośrednio na sieć. Podam tu dwa warianty: pierwszy bez jakiejkolwiek kontroli silnika (jest to zdecydowanie niepolecana metoda, ale niestety zdarza się, że jest praktykowana) oraz druga, z kontrolą podstawowego parametru – prądu znamionowego. Ten drugi sposób to rozruch za pomocą rozrusznika silnikowego lub wyłącznika zwanego popularnie termikiem (temat ten omawiałem wcześniej tutaj).

Softstart czy falownik? Rozrusznik silnikowy.
„Softstart czy falownik?” Rozrusznik silnikowy.

Zalety tych metod to na pewno cena, przystępność i niezawodność. Z wad możemy wymienić spory prąd podczas samego rozruchu, który chwilowo może wynosić aż 600% znamionowego.

"Falownik czy softstart?" Bezpośredni rozruch silnika.
„Falownik czy softstart?” Bezpośredni rozruch silnika.

Metoda ta jest dobra dla niewielkich silników, nie chcę tutaj jednoznacznie pisać dla jakich, bo to zależy od różnych czynników takich jak np. posiadanej sieci, przekrojów przewodów itp.

2. Układ trójkąt-gwiazda

Jedna z bardziej popularnych niegdyś metod rozruchu silników asynchronicznych. Do dzisiaj jest spotykana, chociaż wyparta została raczej przez softstarty. Stosuje się ją jeszcze jako dodatkowy układ rozruchu na wypadek uszkodzenia podstawowego, opartego np. na falowniku lub softstarcie, szczególnie przy większych mocach silników.

"Falownik czy softstart?" Rozruch za pomocą układu trójkąt-gwiazda.
„Falownik czy softstart?” Rozruch za pomocą układu trójkąt-gwiazda.

Jak możemy odczytać z wykresu prąd rozruchowy zmalał niemal o połowę. Co ciekawe jest on identyczny z tym, który występuje podczas rozruchu za pomocą softstaru, ale na tym podobieństwa się kończą, gdyż nie mamy żadnej kontroli nad procesem rozruchu.

3. Softstart

Chociaż rozruch za pomocą układu trójkąt-gwiazda wygląda niemal identycznie jak za pomocą softstartu, to podczas takiego rozruchu możemy mieć kontrolę nad całym jego procesem. Przede wszystkim możemy ustawić takie parametry jak:

  • znamionowy prąd silnika
  • czas trwania rozruchu (ważne w aplikacjach o dużej bezwładności)
  • kontrola zaniku faz
  • możliwość podłączenia czujnika temperatury z silnika (opcja)

Przede wszystkim bardzo ułatwiamy sobie życie, bo nie budujemy skomplikowanego układu, tylko wszystko mamy w jednym urządzeniu. Podłączamy tylko przewody zasilające i silnikowe, ewentualnie sterownicze.

4. Falownik

Tu zdecydowanie jest najlepszy rozruch silnika. Bardzo płynny i najbardziej pod kontrolą ze wszystkich wcześniejszych metod.

"Softstart czy falownik?" Rozruch silnika za pomocą falownika.
„Softstart czy falownik?” Rozruch silnika za pomocą falownika.

Mamy dużo więcej korzyści z użycia falownika. Oprócz łagodnego startu zyskujemy możliwość regulacji prędkości obrotowej silnika. Gdy np. z jakiegoś powodu rozruch się nie uda, możemy ustawić kilka prób takiego rozruchu. Nie jesteśmy ograniczeni ilością rozruchów w ciągu godziny, jak to jest np. w przypadku softstarów (średnio jest to około 6-10 rozruchów).

Softstart czy falownik?

No właśnie co wybrać? Jeśli pieniądze nie są przeszkodą, chcesz mieć zrobiony dobrze system, to wydaje się, że falownik jest najlepszym wyborem. Jak zwykle jest też jakieś ale. Jeśli będzie się wszędzie montować falowniki, to na pewno niejednokrotnie zrobi nam się przerost formy nad treścią. Najlepszym przykładem są np. mieszadła, które mają się tylko załączyć i mieszać ze znamionową prędkością i gdzie np. załącza się je raz na zmianę. Montowanie falownika do takiego układu wydaje się być przesadą. Przy mniejszych mocach spokojnie wystarczy rozrusznik silnikowy, a przy większych softstart. Na pewno znajdą się też entuzjaści układów trójkąt-gwiazda, którzy nie będą chcieli słyszeć o innym rozwiązaniu. Podsumowując, budujmy tak systemy, żebyśmy później nie żałowali, że zaoszczędzone kilka złotych wpuściło nas w inne problemy i dodatkowe koszty.

Enkoder liniowy – pomiar drogi

Enkoder liniowy – pomiar drogi

Enkoder liniowy służy do pomiaru drogi i przesunięcia w dowolnego typu maszynach lub urządzeniach. Składa się on z głowicy i taśmy magnetycznej. Pomiar jest bezdotykowy – głowica przesuwa się bezpośrednio nad taśmą magnetyczną, w odstępie od poniżej jednego do kilku milimetrów, w zależności od typu urządzenia.

Enkoder liniowy
Enkoder liniowy

 

Wyróżniamy dwa typy enkoderów liniowych: inkrementalne i absolutne. Inkrementalne na wyjściu generują impulsy, a układ sterujący – wyświetlacz bądź sterownik PLC zlicza je i wyświetla w postaci przebytej odległości np. w milimetrach, calach itp. Układ inkrementalny charakteryzuje się tym, że należy go zbazować (ustawić mu punkt startowy) po załączeniu maszyny. Enkodery absolutne wystawiają na wyjściu słowo cyfrowe z pozycją. Dzieje się tak dlatego, że taśma magnetyczna jest kodowana absolutnie. Dzięki temu czujnik potrafi odczytać unikalną pozycję i „wie” gdzie się w danym momencie znajduje. Układów absolutnych nie trzeba bazować, robi się to tylko raz, podczas montażu.

Pomiar drogi w maszynie można też przeprowadzić za pomocą enkoderów obrotowych, np. poprzez podpięcie do śrub napędowych. Znając skok gwintu, można odpowiednio wartości przeliczyć i wyświetlić je jako przebytą drogę. Często konstruktorzy wybierają to rozwiązanie. Dzieje się tak dlatego, że nie zawsze jest miejsce na montaż taśmy magnetycznej, lub nie da się zapewnić dobrego prowadzenia enkodera liniowego względem taśmy magnetycznej. Wadą takiego rozwiązania mogą być przekłamania w pomiarze. Układ z czasem może złapać luzy. Bezpośredni pomiar liniowy na pewno będzie bardziej pewny i wiarygodny.

 

Enkoder liniowy - pomiar drogi w maszynie.
Enkoder liniowy – pomiar drogi w maszynie.

Enkoder liniowy – parametry.

Rozdzielczości pomiaru, jakie możemy uzyskać to np: 1mm, 0,1mm; 0,01mm, 0,001mm. Trzeba zwrócić uwagę, że inaczej ma się sprawa z dokładnością pomiaru. Bo o ile pomiar możemy wyświetlić z rozdzielczością 0,001mm, to nie oznacza, że pomiar będzie miał taką dokładność. Na błąd pomiarowy składa się błąd czujnika i błąd taśmy. Te dwie wartości się sumują. Z taśmą magnetyczną jest tak, że te najbardziej dokładne mają błąd pomiaru na poziomie +/-10um. Ten błąd występuje nieliniowo, co oznacza, że będą miejsca gdzie będzie on wynosił 10um i będą też takie gdzie będzie 0um. Natomiast błąd czujnika to np. 15um +/-1 inkrement, czyli impuls (tyczy się to enkoderów inkrementalnych). Po co zatem mierzyć z większą rozdzielczością, skoro i tak pomiar nie jest aż tak dokładny? Enkodery magnetyczne liniowe mają bardzo dużą powtarzalność. Oznacza to, że jeśli robimy np. 100 detali i przycinamy je na tę samą długość, to te detale będą niemal identyczne.

Enkoder liniowy.
Enkoder liniowy.

Innym ważnym parametrem przy doborze jest prędkość posuwu. Standardowo to około 2,5 – 5m/s, ale zdarzają się i takie, które mogą pracować 16m/s. Trzeba też zwrócić uwagę, jaką częstotliwość zliczania ma układ sterujący/wyświetlający pomiar, żeby nie przekroczyć wartości maksymalnych. Enkoder liniowy charakteryzuje się też dużą odpornością na wszelkiego rodzaju płyny, oleje. Stopień ochrony często wynosi IP67, co oznacza, że może się po nim lać np. chłodziwo. Taśmy magnetyczne są tak wykonane, żeby nie rozpuściły ich smary czy oleje. Są to zdecydowanie wykonania przemysłowe. Aplikacje, w których pracują, to często pyły i woda – maszyny do obróbki kamienia. Wszelkiego typu obrabiarki, plotery itp.

Silnik krokowy – zastosowania.

Silnik krokowy

Silnik krokowy, inaczej zwany skokowym wykorzystywany jest w różnego rodzaju maszynach i urządzeniach oraz układach automatyki przemysłowej. Charakteryzuje go impulsowy rodzaj sterowania. Tzn. aby wykonać ruch wału musimy podać mu impulsy sterujące. Prędkość wału zależy od częstotliwości podawania tychże impulsów. Np. bardzo popularne są silniki krokowe, które wykonują 1,8 stopnia na krok, czyli aby zrobić pełen obrót wału musimy dostarczyć 200 impulsów sterujących.

Silnik krokowy
Silnik krokowy

Silniki krokowe od lat stosowane są we wszelkiego typu obrabiarkach, ploterach, drukarkach itp. urządzeniach. Same silniki za wiele się nie zmieniły na przestrzeni lat, za to sterowniki przeszły drogę z rozwiązań prostych – analogowych, do bardziej skomplikowanych, a zarazem bardziej wydajnych cyfrowych, opartych na procesorach sygnałowych. To co jeszcze do niedawna było bolączką tych napędów, zostało w pewnym stopniu usprawnione dzięki tym sterownikom.

Silnik krokowy – wady i zalety.

Zalety:

1. Sterowanie impulsowe. Jest to o tyle ważne, że w tani i prosty sposób mamy napęd, który możemy pozycjonować i to w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Oznacza to, że nie musimy używać czujnika pozycji, np. enkodera obrotowego czy liniowego. Jeśli po drodze nie wystąpi żadna anomalia, to napęd powinien dojechać na zadaną przez nas pozycję.

2. Moment trzymający. Silnik krokowy ma największy moment w zerze, czyli wtedy kiedy nie pracuje, a jest zasilony (moment czyli siła z jaką trzyma, bądź się obraca wał silnika). Oznacza to, że w niektórych aplikacjach możemy zrezygnować z hamulca mechanicznego.

3. Praca przy niskich prędkościach obrotowych. Jest to niewątpliwie duża zaleta silników krokowych. Tam, gdzie inne napędy radzą  sobie słabiej – np. serwonapędy, silniki krokowe działają znakomicie. Moment obrotowy jest zbliżony do trzymającego (praca z prędkością kilku, kilkunastu obrotów na minutę).

4. Budowa silnika krokowego. Silniki krokowe nie posiadają szczotek, które mogłyby ulec zużyciu. Jedyne części mechaniczne, które się zużywają to łożyska.

5. Cena. Są to napędy dość tanie i powszechne.

 Wady:

1. Gubienie kroków. Zdarza się, że z jakiegoś powodu „zgubimy kroki”. Może to być np. spowodowane nadmiernym obciążeniem silnika, zakłóceniami itp. Jeśli np. obrabiamy jakiś detal, to będzie on najprawdopodobniej do wyrzucenia. Jeśli zgubimy kroki, to układ o tym nie będzie wiedział, bo nie ma enkodera.

2. Moment obrotowy. Niektórzy wezmą to za zaletę, a nie wadę, dlatego w dalszej części postu postaram się to wytłumaczyć.

3. Nadmierne wydzielanie ciepła przez silnik. Silnik może być zasilony również na postoju – dzięki temu mamy moment trzymający. Niestety to powoduje, że silnik się grzeje. Również podczas pracy. 80ºC lub nawet więcej to temperatura, którą może osiągnąć silnik.

4. Niskie prędkości obrotowe. Prędkość obrotowa silnika jest ściśle powiązania z momentem obrotowym – im szybciej kręcimy wałem silnika, tym słabszy mam silnik. Standardowe prędkości obrotowe to około 200-300 obr/min. Jeśli chcemy więcej, to będziemy musieli przewymiarować silnik. Bez sprzężenia zwrotnego prędkości rzędu 3000 obr./min. są praktycznie poza zasięgiem silników krokowych.

5. Drgania, rezonans. Silniki krokowe mają tendencję do drgań i wpadania w rezonans. Potrafią głośno pracować. Częściowo to zjawisko zostało wyeliminowane poprzez zastosowania nowoczesnych sterowników opartych na procesorach sygnałowych. Silniki sterowane w ten sposób pracują dużo ciszej i płynniej.

6. Mała sprawność. Duży pobór prądu i straty spowodowane utratą ciepła, powodują że sprawność układu jest mała.

Moc i moment silnika krokowego.

Ludzie, którzy szukają silnika krokowego często chcą porównywać moc do klasycznego silnika klatkowego lub do serwonapędu. Niestety nie jest to takie proste. Operowanie na mocy elektrycznej kompletnie nie ma sensu. Lepiej to zrobić na momencie obrotowym. W silniku krokowym mamy podany jedynie moment trzymający, który też nam się na wiele nie zda. Musimy wtedy otworzyć dokumentację i poszukać charakterystyki momentowej silnika krokowego:

 

Silnik krokowy charakterystyka moment obrotowy-prędkość
Silnik krokowy charakterystyka moment obrotowy [Nm]/prędkość [obr./min.]
Powyższy wykres przedstawia przykładową charakterystykę momentową silnika o momencie trzymającym około 0,8Nm. Bardzo dobrze na niej widać zależność spadku momentu obrotowego, wraz ze wzrostem prędkości.

Jeśli już chcemy porównać silnik krokowy do serwonapędu – pod względem momentu, to najpierw musimy wiedzieć z jaką prędkością będziemy pracować i odczytać z charakterystyki moment obrotowy. Tylko w ten sposób uda nam się napędy porównać.

Silnik krokowy ze sprzężeniem zwrotnym.

Na rynku dostępne są wersje silników krokowych sprzężonych z enkoderem. Nazywane są one napędami serwokrokowymi. Napędy te charakteryzują się tym, że nie gubią kroków. Gdy z jakiegoś powodu są przyblokowane, potrafią nadgonić stracone kroki. Gdy się to nie udaje – trwa za długo, napęd zgłasza błąd nieosiągnięcia pozycji. Producenci się chwalą, że mogą one pracować z prędkością nawet 3000 obr./min. Jest to na pewno ciekawa alternatywa dla klasycznych serwonapędów.

Silnik krokowy czy serwonapęd?

Wybór pomiędzy serwonapędem a silnikiem krokowym zależy od wielu czynników. Jeśli w danej aplikacji sprawdzi nam się silnik krokowy, tzn. prędkość, moment oraz dynamika układu będą nam odpowiadać, to nie ma sensu przepłacać za serwonapęd. W wielu maszynach i urządzeniach działają klasyczne silniki krokowe na tradycyjnych sterownikach analogowych i świetnie sobie radzą. Niektórzy nawet twierdzą, że serwonapęd w ich aplikacji byłby nawet gorszy. Przede wszystkim należy sobie zdawać sprawę z ograniczeń i zalet napędów, których chcemy użyć i na tej podstawie powinniśmy podejmować świadome decyzje przy wyborze sprzętu.