Siłowniki elektryczne – aktuatory liniowe

Siłowniki – podział.

Siłowniki, które wykorzystywane są w automatyce przemysłowej, automatyce budynków, maszynach i urządzeniach możemy podzielić na:

– elektryczne

– pneumatyczne

-hydrauliczne

Podział ten określa w jaki sposób poruszany jest tłok siłownika. W elektrycznym tłok napędza silnik elektryczny, w pneumatycznym czynnikiem napędzającym jest sprężone powietrze, a w hydraulicznym olej lub płyn hydrauliczny.

 Siłowniki elektryczne

Siłowniki elektryczne
Siłowniki elektryczne

Jedne z najbardziej popularnych wykonań, to siłowniki elektryczne śrubowe. Silnik elektryczny napędza śrubę, dzięki czemu tłok może się wysuwać i chować. W celu zwiększenia momentu, czyli siły działania tłoka, używa się przekładni mechanicznej.

Siłownik elektryczny - budowa
Siłowniki elektryczne – budowa

Niewątpliwą zaletą siłowników elektrycznych jest ich prostota wykonania. Do pracy nie potrzebują układu przygotowania sprężonego powietrza, pomp hydraulicznych itp. Jedyne co musimy zrobić, to dostarczyć napięcie zasilające.  W sprzedaży dostępne są wykonania z bezpiecznym napięciem czyli 12, 24, 36Vdc. Imponujące są również masy, które potrafią przesunąć/podnieść stosunkowo niewielkich gabarytów siłowniki, np. 300kg. Dobrze dobrany siłownik elektryczny jest samohamowny, tzn. że nie potrzebny jest mu hamulec. Pomimo tego, że zostanie odłączone od niego napięcie zasilające, będzie on w stanie utrzymać dany ciężar. Inną zaletą siłowników elektrycznych jest możliwość ich pozycjonowania. Najprostsza metoda to przejazd od jednej do drugiej krańcówki. W danych punktach, w których siłownik ma się zatrzymać, można umieścić wyłączniki krańcowe, np. czujniki indukcyjne. Inną metodą może być tzw. bazowanie momentem. Niektóre sterowniki siłowników mają funkcję mierzenia prądu. Gdy tłok dojedzie do końca swojego przejazdu lub do punktu ze zderzakiem i się zatrzyma, wzrośnie mu pobór prądu, czyli moment, wtedy sterownik będzie „wiedział”, że ma się wyłączyć. Gdy musimy zatrzymać siłownik np. w kilku konkretnych punktach i musi być to zrobione bardzo precyzyjnie, wówczas do takiego układu należy zastosować enkoder. Jeśli będzie to inkrementalny, to po każdorazowym włączeniu układu należy przeprowadzić bazowanie, a jak będzie absolutny, no to nie będzie takiej potrzeby. Można też użyć potencjometru do pomiaru pozycji. Jeśli potencjometr zasilimy, to każdemu z jego położeń będzie odpowiadać dana wartość napięcia. Jest to chyba najtańszy pomiar absolutny, z tym, że nie ma się co nastawiać na duże dokładności.

Siłowniki elektryczne możemy stosować tam, gdzie musimy coś otworzyć, zamknąć, domknąć, przesunąć itp. Bardzo popularne są jako napędy do bram, klap. Można je stosować w dowolnego typu maszynach i urządzeniach.

Okno dachowe otwierane i zamykane przez siłownik elektryczny.
Okno dachowe otwierane i zamykane przez siłownik elektryczny.

 

Siłowniki elektryczne mogą być również stosowane w branży OZE (odnawialne źródła energii), jako napędy trakerów paneli fotowoltaicznych. Panele fotowoltaiczne podążają za ruchem słońca i ustawiają się w najbardziej optymalnej pozycji w stosunku do niego, dzięki czemu produkcja energii jest najbardziej efektywna.

Siłownik elektryczny jako napęd trakera fotowoltaicznego.
Siłownik elektryczny jako napęd trakera fotowoltaicznego.

W branży medycznej wykorzystuje się ja np, jako napędy do podnoszenia oparć w łóżkach szpitalnych. Coraz częściej wykorzystuje się je także w biurach, domach mieszkalnych, jako dodatki do mebli lub w automatyce inteligentnego budynku.

łóżkoSiłownik elektryczny jako napęd do bramy:

Panel HMI czyli panel operatorski.

Panel HMI

Panel HMI (ang. Human Machine Interface) zwany jest inaczej panelem operatorskim lub sterowniczym. Jest to urządzenie elektryczne umożliwiające kontrolę innych urządzeń elektrycznych, realizujących pewne procesy, np. technologiczne lub produkcyjne. Jego głównym zadaniem jest komunikacja człowieka z maszyną. W skład panelu operatorskiego mogą wchodzić przełączniki, potencjometry, liczniki i wyświetlacze. Nowoczesny panel HMI składa się z graficznego ekranu dotykowego, na którym odwzorowany jest schemat maszyny lub procesu produkcyjnego bądź technologicznego.

Panel HMI
Panel HMI – dotykowy, kolorowy panel operatorski.

Panel HMI to nie tylko nowoczesny wyświetlacz dotykowy, ale także tradycyjny pulpit sterowniczy:

Panel operatorski
Panel operatorski – wykonanie tradycyjne.

Nowoczesne panele HMI z wyświetlaczami różnią się od siebie interfejsem użytkownika. Niektóre posiadają tylko klawisze funkcyjne, którym można przypisać dowolne funkcje, ale ekran nie jest dotykowy i wyświetla jedynie znaki alfanumeryczne. Inne posiadają jedynie ekran dotykowy – kolorowy lub monochromatyczny, ale da się na nich wyświetlić niemal wszystko, łącznie z filmami. Do wyboru mamy również różne wielkości przekątnych ekranu, które zaczynają się od około 2″ a kończąc na ponad 15″.

Panel HMI
Panel HMI – różne wielkości ekranów.

Panel HMI programuje się podobnie jak sterownik PLC. Przeważnie w zestawie dostajemy oprogramowanie i przewód do programowania (o to radzę dopytać przed zakupem). Producenci oferują zestawy gotowych grafik, które można użyć podczas programowania lub można zaimplementować własne. Od programisty zależy jak będzie wyglądać interfejs, czy będzie on czytelny dla obsługi, co się ma stać np. podczas wystąpienia awarii. Spotkałem się z różnymi wykonaniami. Jedne były bardzo dobre i wszystko było bardzo intuicyjne, a przy innych nieraz musiałem się zastanowić co autor miał na myśli. Z doświadczenia widzę, że im mniej rozbudowane schematy graficznie, tym lepiej. Podobnie jak w oprogramowaniu SCADA dobrze jest przyjąć jakąś standaryzację np. oznaczenia działających urządzeń na zielono, gotowych do pracy na żółto i tych które uległy awarii na czerwono. Gdy w układzie z panelem operatorskim i sterownikiem PLC współpracuje SCADA, wtedy stany alarmowe pobierane są ze sterownika lub z panelu i odwzorowane są na SCADA. Bardzo ważną cechą, która powinna być dostępna jest wybór trybu pracy pomiędzy ręcznym a automatycznym. Obsługa musi mieć możliwość przetestowania każdego z urządzeń w trybie ręcznym.

Sterownik PLC zintegrowany z panelem operatorskim.

W sprzedaży dostępne są również rozwiązania hybrydowe: sterowniki PLC zintegrowane z panelami HMI:

Sterownik PLC z panel operatorskim.
Sterownik PLC z panel operatorskim.

W przypadku prostych maszyn i urządzeń, gdzie całą elektrykę, automatykę jesteśmy w stanie upchnąć w szafę, która jest przy maszynie, jest to rozwiązanie idealne. Sterownik nie zajmuje nam dodatkowego miejsca, stopień ochrony sterownika od strony panelu jest zazwyczaj dużo większy niż całego urządzenia, więc z powodzeniem może on być  zainstalowany na elewacji szafy sterowniczej.  Inaczej się przestawia sytuacja, gdy sterownik z całą automatyką znajduje się w pomieszczeniu rozdzielni technologicznej, a panel ma być dostępny dla obsługi na hali, blisko urządzenia wykonawczego – w takiej sytuacji lepszym wydaje się rozwiązanie, gdzie te dwa urządzenia działają niezależnie.

Źródło: wikipedia.

Falownik hamowanie i zwalnianie

Falownik hamowanie

W tym poście opiszę w jaki sposób realizowanie jest poprzez falownik hamowanie silnikiem elektrycznym, jakie są dostępne sposoby zatrzymania silnika i w jaki sposób dobrać dodatkowy osprzęt oraz nastawy falownika.

 

falownik hamowanie
Falownik hamowanie – układ falownika, chopperów i rezystorów hamujących.

Opis problemu

Zapewne niejeden z Was miał już z tym  zagadnieniem do czynieni, albo napotka je w przyszłości. Zatrzymanie rozpędzone silnika może przysporzyć nie lada kłopotu, zwłaszcza gdy napędza on masę o dużej bezwładności lub gdy potrzebujemy zatrzymać układ w „krótkim czasie”. Celowo to napisałem w cudzysłowu, ponieważ jest to pojęcie bardzo względne i zależy od konkretnej aplikacji. Czasami 1 sekunda to bardzo długo i silnika będziemy w stanie zatrzymać nawet szybciej, a czasami 5 minut będzie dużym wyzwaniem dla falownika.

Na początku musimy zrozumieć co się dzieje gdy falownik hamowanie rozpoczyna. Stan pracy z silnikowej przechodzi w prądnicową, tzn. energia z rozpędzonego silnika wraca do falownika, powodując wzrost napięcia na szynach DC. Producenci falowników przewidzieli taką sytuację i przewymiarowali lekko wartości napięć, które mogą pojawić się na kondensatorach. Jednym słowem nie powinno dojść do uszkodzenia napędu, ponieważ gdy napięcie graniczne zostaje przekroczone, falownik rozpina silnik i ten zatrzymuje się wybiegiem. Życie, życiem i doświadczenie podpowiada mi, że do takich sytuacji nie należy za często doprowadzać. Kondensatory w takich sytuacja dostają w kość i po czasie będziemy musieli je wymienić, bo zwyczajnie nam eksplodują. W jaki sposób poprawnie skonfigurować falownik?

Jest klika sposobów w jakich falownik hamowanie i zwalnianie realizuje.

Falownik hamowanie
Falownik hamowanie – rezystory hamujące.

1. Hamowanie po rampach

Jest to najpopularniejszy sposób zatrzymania silnika poprzez falownik. Przeważnie jest to nastawa fabryczna. Falownik zwalnia od prędkości znamionowej do zera w ustalonym czasie. Np. gdy silnik pracuje ze znamionową częstotliwością 50 Hz i rampa hamowania wynosi 10 sekund, to w takim czasie falownik wyhamuje do zera. Gdy pracujemy z częstotliwością 25Hz na zatrzymanie potrzebne będzie 5 sekund. Rampy służą nie tylko do zatrzymania ale również do zwalniania. Jest to najlepsza metoda, gdy w określonym czasie musimy wyhamować lub zwolnić napęd. Problemy pojawiają się, gdy bezwładność układu nie pozwala nam zatrzymać napędu w żądanym czasie. Pojawią nam się wówczas alarmy przekroczenia napięcia na szynach DC. Rozwiązaniem jest wydłużenie czasów hamowania, bądź zakup rezystora hamującego. Aby rezystor podłączyć po falownik musi on być wyposażony w chopper hamowania lub będziemy musieli taki chopper dokupić osobno. No i tu zwracam uwagę, bo tanie falowniki mogą nie być wyposażone w taki chopper. Warto o to zapytać przed zakupem, bo później możemy mieć dodatkowe wydatki. Oczywiście nie zawsze chopper jest potrzebny np. aplikacje pompowe lub wentylatorowe. Spotkałem się też z tym, że falowniki zasilane jednofazowo w ogóle nie miały możliwości podpięcia choppera – wykonanie low cost. Rezystor hamujący powoduje, że energia która wraca podczas hamowania do falownika, odkłada się na rezystorze i ulatnia pod postacią ciepła. W innym poście omówię szerzej kwestię doboru rezystorów.

Falownik hamowanie
Falownik hamowanie – rezystory większych mocy z chopperami hamowania.

2. Hamowania prądem stałym.

Inną metodą hamowania jest hamowanie prądem stałym. Falownik podaje prąd stały na uzwojenia silnika. Jest to także dynamiczna metoda hamowania, z tym że powoduje grzanie się uzwojeń, co w dłużej eksploatacji prowadzić będzie do szybszego zużycia silnika. Jeśli nie potrzebujemy zbyt często hamować i zwalniać, to ta metoda może być dla nas bardzo dobra. Falowniki posiadają szereg nastaw, więc możemy ustawić próg hamowania np. na 10 Hz – poniżej tej częstotliwości zacznie się hamowania prądem stałym. Metoda tania – nie wymaga dodatkowego osprzętu (pod warunkiem że falownik taką funkcje posiada).

 3. Falownik hamowanie „wybiegiem”.

Hamowanie wybiegiem, to najprościej mówiąc zabranie napięcia z uzwojeń silnika. Wirnik zatrzyma się sam. Wadą tej metody jest to, że nie wiemy kiedy to nastąpi. Zaletą natomiast to, że do falownika nie wraca energia z hamowania.

4. Falownik hamowanie ze zwrotem energii do sieci zasilającej.

Ta metoda pozwala nam zaoszczędzić pieniądze, bo możemy oddawać energię do sieci zasilającej. Na pierwszy rzut oka jest to najlepsza metoda z możliwych. Niestety nie wszystko złoto co się świeci. Żebyśmy mogli z tego czerpać korzyści, to muszą być spełnione pewne kryteria. Na pewno nie jest to metoda dla każdej aplikacji. Weźmy np. windę, która wydaje się być idealnym rozwiązaniem. Otóż tak nie jest. Windy posiadają przeciwwagę, czyli ciężar który równoważy obciążenie. Pustej windzie lepiej jest jechać do góry niż na dół, ponieważ przeciwwaga to połowa obciążenia windy. Odzysk energii, gdyby był, to byłby znikomy. Żeby falownik zaczął oddawać energię do sieci, to jej wartość musi być na pewnym poziomie, np. powyżej 50% mocy falownika. Warto o to zapytać firmę, która takie systemy oferuje. Odzysk musi też trwać jakiś czas. Idealną aplikacją jest np. wciągarka na kopalni.

 Szybkie zatrzymanie.

Co zrobić, gdy musimy zatrzymać szybko układ o dużej bezwładności, a dostępne rezystory hamujące – nawet te najbardziej wydajne nie dają rady? Wyobraźmy sobie sytuację z życia. Chcemy zatrzymać rozpędzony czołg niemal w miejscu. Czy da się to zrobić? Oczywiście, że się da. Problemem jest tylko odpowiednio duży hamulec. Tak samo jest z napędami elektrycznymi. Jeśli wszystko zawodzi, a wy musicie zatrzymać silnik użyjcie większego falownika z większym rezystorem, na pewno pomoże. Jak bardzo większego? To już kwestia odpowiednich wyliczeń lub prób praktycznych. Powodzenia.