Napędy

Globalizacja i coraz silniejsza konkurencja zmusza zakłady produkcyjne do obniżania kosztów wytwarzania wyrobów, nawet przy wzroście kosztów czynników produkcji. Jednym ze sposobów osiągania większej wydajności są nowoczesne lub zmodernizowane napędy. Tu warto też szukać oszczędności w jednym z droższych i stale rosnących czynników jakim jest energia.

Obecnie od producentów wymaga się zachowania wysokiej jakości produktów i terminowości dostaw przy zachowaniu niskich cen. Dodatkowo odbiorcy oczekują możliwości realizacji indywidualnych zamówień, czy nawet uczestniczenia w procesie projektowania i wykonywania zamówień. Prowadzi to do konieczności oferowania szerokiego asortymentu wyrobów w małych partiach i często w dowolnej kolejności. To nowe wyzwania dla organizacji produkcji, jak również dla stosowanych napędów. Nawet biorąc pod uwagę różnorodność napędów stosowanych w aplikacjach przemysłowych, w każdej ich kategorii obserwujemy szybki postęp zarówno w wykorzystywanych technologiach i materiałach, jak też w sposobie sterowania. Trudno się temu dziwić, gdy trzeba dostosować się do nowej generacji systemów produkcyjnych nazywanych Inteligentnymi Systemami Produkcyjnymi (IMS – Intelligent Manufacturing Systems). Dąży się w nich już do zastąpienia człowieka w sterowaniu procesami, systemami cyfrowego przetwarzania danych z wykorzystaniem metod sztucznej inteligencji.

W napędach elektrycznych coraz więcej się dzieje. Jak mówi mgr inż. Konrad Basiński, specjalista ds. techniczno-handlowych z FZN Marbaise LS (Fabryki Leroy Somer w Polsce), każda z 38 fabryk w grupie stara się rozwijać swoje produkty, na co wskazuje fakt, że ponad połowa z nich ma nie więcej niż 5 lat. Jest to związane z przystosowywaniem przez producentów oferowanych napędów do wchodzących w tym roku norm europejskich związanych z energooszczędnością silników (oznaczonych IE2). W przypadku Leroy Somer są one spełnione – od wielu lat firma oferuje silniki LSES o energooszczędności IE2 i kończy testy silników klasy IE3. Firma już od 2008 r. opatentowała i wprowadziła do sprzedaży silniki LSRPM – Dyneo z magnesami trwałymi w korpusie standardowych silników asynchronicznych, oferujące wysokie sprawności, nawet powyżej planowanej na 2014 r. energooszczędności IE3 (IE4 nie jest jeszcze opisana). Silniki te, pracując z falownikiem, mogą zaoszczędzić nawet do 20% energii elektrycznej w aplikacjach wymagających zmiennych prędkości. Jak twierdzi Konrad Basiński, silniki LSRPM w połączeniu z przekładniami o wysokiej sprawności rozszerzonymi o coraz większe wielkości, jak: Compabloc, Orthobloc i Manubloc, dają wymierne efekty w kosztach eksploatacji, pozwalające na wyliczenie i realne udowodnienie zwrotu kosztów zakupów z nimi związanych. Przy pracy ciągłej, zmiennych prędkościach inwestycje te mogą zwrócić się po kilku miesiącach w porównaniu ze standardowymi napędami.

Nowością zapowiadaną w tym roku przez Mitsubishi Electric Europe są napędy wysokoobrotowe przeznaczone do pracy w sieci 400 V. Nowością będą silniki mogące pracować w sposób ciągły z prędkością maksymalną 5000 obr./min o mocy 7 kW oraz 9 kW, w ten sposób seria HF-JP obejmie napędy o mocach w zakresie od 500 W do 15k W. Ponadto upowszechnią się w ofercie firmy napędy bezpośrednie – niskoobrotowe silniki o wysokich momentach znamionowych oraz o wysokim momencie bezwładności. Firma oczekuje także wzrostu zainteresowania klientów silnikami liniowymi – oferta ME w tej grupie napędów jest na pewno interesująca.

Induprogres wprowadza na rynek nową serię falowników C2000, nową serię serwonapędów B2 (model podstawowy dla ekonomicznych aplikacji) oraz rozszerza serię A2 serwonapędów na zasilanie 3×400 V do 7,5 kW. Oprócz tego wprowadza innowacyjny produkt o nazwie AFE2000 (układ aktywny do odzysku energii).

B&R Automatyka Przemysłowa zapowiada serwonapędy ACOPOSmulti z certyfikacją bezpieczeństwa Safety (w tej chwili B&R to jedyny producent, który ma certyfikat Safety dla we/wy i serwonapędów po jednej sieci cyfrowej).

Z kolei firma MENZEL Elektromotoren wprowadziła na rynek nową serię falowników niskiego napięcia MEBVFX48 oraz MEBVFX69 umożliwiających pracę ze zwrotem energii do sieci zasilającej, co dodatkowo poprawia czynnik ekonomiczny inwestycji.

Tomasz Haliniak z firmy ELDAR poleca z oferty firmy napędy Ezi-SERVO jako złoty środek pomiędzy silnikiem krokowym a serwonapędem. Jak mówi – w niektórych przypadkach napędy serwokrokowe nawet przewyższają możliwościami serwonapędy (na przykład przy szybkich przejazdach na krótkich odcinkach). Dostępna jest również seria napędów EZI-SERVO PR z interfejsem RS485. To równocześnie przykład, jak złożony może być wybór właściwego napędu przy uwzględnieniu nowych konstrukcji, które nie mieszczą się w standardowych kategoriach.

Od niedawna ABB wprowadziło nowy napęd średnionapięciowy ACS2000, który umożliwia zasilanie silników elektrycznych o napięciu 6 kV i mocy od 400 do 1000 kVA, a w tym roku  zwiększy moc do 2000 kVA, co znacznie poprawi zakres zastosowania urządzenia. Przemiennik dodatkowo będzie dostępny w trzech konfiguracjach: z transformatorem zintegrowanym,  zewnętrznym transformatorem bądź podłączany bezpośrednio do linii zasilającej. Dodatkową zaletą jest 6-pulsowy mostek aktywny, który minimalizuje zawartość wyższych harmonicznych po stronie linii zasilającej oraz poprawia współczynnik mocy na wejściu. Opcjonalnie umożliwia on również pracę 4-kwadrantową, umożliwiającą zwrot energii do sieci zasilającej.

Jak dobrze wybrać?

Jak wiadomo, prawidłowe dobranie napędu do aplikacji nie jest sprawą prostą. Trudno tu dawać konkretne rozwiązania, choćby ze względu na różnorodność zarówno samych napędów, jak i możliwych zastosowań. Zapytaliśmy przedstawicieli firm związanych z rynkiem napędów o to, co ich zdaniem powoduje najczęściej błędy w doborze.

Konrad Basiński uważa, że błędy użytkowników, z którymi ma kontakt, dotyczą niedoinformowania lub braku wiedzy o produktach i ich możliwościach. Producenci maszyn często nie rozważają zakupu droższych napędów, ale tańszych w eksploatacji – kupują produkty najtańsze, ale niekoniecznie trwałe. W wielu aplikacjach niewymagających dużych sił lub mocy nie ma to dużego znaczenia, jednak tanie rozwiązania nie zawsze sprawdzają się w aplikacjach wymagających, w trudnych warunkach otoczenia. Polska to – według niego – nadal rynek ceny zakupu i na cenę zwraca się największą uwagę, na czym tracą niestety użytkownicy.

Bartłomiej Kiełczowski, konsultant w firmie Induprogres (autoryzowany dystrybutor Delta Electronics), twierdzi, że według niego i opinii jego kolegów najwięcej błędów przy doborze napędów pojawia się wtedy, gdy klienci chcą zrealizować bardzo zaawansowane aplikacje, wymagające dedykowanego sprzętu, za pomocą podstawowych serii falowników i serwonapędów. Najczęściej jest to skutek ograniczonych zasobów finansowych. Często niestety odbiorca nie jest świadomy wymogów aplikacji, którą realizuje, albo nie przekazuje wszystkich niezbędnych informacji w procesie doboru napędu. Tu przykładem mogą być maszyny tnące z zatrzymaniem po stałej drodze od markera (problem przy zmiennych prędkościach) oraz aplikacji noża obrotowego.

Niewłaściwy dokładny dobór mocy i innych parametrów przemiennika czy błędy w obliczeniach  mocy napędu w przypadku prędkości znamionowej maszyny roboczej różnej od prędkości znamionowej silnika to według Andrzeja Morawskiego z firmy BIAP (firma specjalizuje się w napędach o dużej mocy) często popełniane błędy przy doborze napędów. Również zdarza się brak kalkulacji całej inwestycji w różnych wariantach rozwiązań, np. porównanie rozwiązań średniego i niskiego napięcia. Cena przemiennika jest tylko jednym ze składników kosztów, czasem nie najważniejszym. Należy też wykonać kalkulację z uwzględnieniem cen kabli i tras kablowych, wymiany silników, zabudowy dodatkowych transformatorów i kosztów wykonania pomieszczeń wraz z wyposażeniem, uwzględniając koszty dodatkowych rozdzielnic NN, ich zabudowy itp. Ważne jest też według niego przy wyborze rozwiązania uwzględnianie kosztów eksploatacji układu napędowego, w tym jego sprawności energetycznej wraz z całym wyposażeniem (filtry, dławiki, transformatory). Należy zgodzić się z tym, że unikanie zastosowania układów hamowania w napędach dużej mocy o dużym momencie bezwładności to wywoływanie przyszłych problemów eksploatacyjnych. Ponadto ważne jest przygotowanie do ograniczenia negatywnych skutków działań ubocznych, harmonicznych zasilania i silnika oraz zakłóceń elektromagnetycznych w napędach średniego napięcia oraz analiza współoddziaływania przemienników średniego napięcia z innymi układami we wspólnej sieci, np. układami kompensacji mocy biernej. I choć obecnie elementarne błędy zdarzają się rzadziej, jak twierdzi Andrzej Morawski, to bywa, że ich skutki okazują się poważniejsze.

Firma ABB zwraca uwagę też na to, że kupuje się przemiennik, zaś silnik praktycznie cały czas pracuje z maksymalną prędkością obrotową, a jest to nieopłacalne, bo w tym wypadku koszt przemiennika może się nigdy nie zwrócić (warto natomiast zastosować soft-start, graniczący prąd rozruchowy, a tym samym stres mechaniczny dla obciążenia. Według przedstawicieli ABB często popełniany błąd to niepoprawne zdefiniowanie mocy silnika poprzez moc elektryczną, którą rozpatruje się jako moc mechaniczną na wale silnika.

– Bardzo często dobór systemu napędowego jest przeprowadzany bez należytej staranności, a dobór taki odbywa się „na oko” poprzez kryterium wielkości mocy (jak w napędach asynchronicznych), co jest błędem i taki dobór skutkuje często niepotrzebnym przewymiarowaniem – mówi Piotr Huryń z firmy B&R Automatyka Przemysłowa. Przy modernizacjach maszyny dobiera się napęd taki sam jak zamontowany na maszynie – albo odrobinę większy. Można sobie wyobrazić, że po każdej kolejnej modernizacji montowane są (niepotrzebnie) coraz to większe napędy. Często brak jest faktycznego sprawdzenia poprawności doboru napędu po uruchomieniu prototypowej maszyny (poprzez zdjęcie przebiegów w trakcie całego cyklu pracy maszyny przy maksymalnej wydajności i obciążeniu: prędkości, momentu, prądu), tak aby seryjne maszyny miały zastosowane optymalne napędy. Oprócz doboru samego napędu należy przyjrzeć się doborowi przeniesienia napędu. – Czasami wystarczy zamiast przełożenia na kołach pasowych (teoretycznie tańszych niż przekładnie) zastosować przekładnie, aby zmniejszyć całkowity koszt (poprzez zmniejszenie inercji całego układu można zastosować mniejszy serwonapęd) – dodaje Piotr Huryń. Według niego sama optymalizacja profilu ruchu (ustawienie prędkości/przyspieszenia, czasów postoju) może obniżyć zapotrzebowanie na maksymalny moment silnika, a także maksymalną moc pobieraną przez serwowzmacniacz.

Grzegorz Andrzejczyk z Mitsubishi Electric Europe dodaje, że często w dynamicznych aplikacjach nie docenia się wpływu momentu bezwładności obciążenia na pracę serwonapędu. Bezwładność nie tylko wpływa ma moment maksymalny przy rozruchu oraz hamowaniu, ale także ma duży wpływ na możliwe nastawy parametrów wzmocnień, a co za tym idzie osiąganą wydajność. Dobierając napęd do aplikacji, pamiętajmy o tym, że serwonapęd można zwykle w dużym stopniu przeciążać, ale nie w sposób ciągły.

Gdzie szukać oszczędności?

Jak podaje w swoich dokumentach Unia Europejska, silniki elektryczne są najważniejszym rodzajem napędu elektrycznego w tych gałęziach przemysłu Wspólnoty, w których w procesach produkcyjnych wykorzystuje się silniki. Systemy, w których silniki te są eksploatowane, wykorzystują ok. 70% energii elektrycznej zużywanej przez przemysł. Łączny potencjał opłacalnej ekonomicznie poprawy sprawności energetycznej takich systemów z napędem elektrycznym wynosi 20–30%. Stwierdzono też, że możliwe jest istotne zmniejszenie zużycia energii elektrycznej, w szczególności jeśli silniki w zastosowaniach bezstopniowych i zmiennoobciążeniowych wyposażone będą w sterowniki.

Specjaliści podkreślają, że oszczędności warto szukać w konsumpcji energii elektrycznej przez silniki, ale także przez inne elementy napędów. Bo na przykład falowniki mają wysoką sprawność, ale przekładnie ślimakowe z wysokimi przełożeniami, pomimo że często oferują samohamowność, mają bardzo niską sprawność, rzędu nawet 45–50%. Konrad Basiński radzi zastępować je przekładniami kątowo-walcowymi lub walcowymi mającymi sprawności rzędu 95–97%, jeżeli aplikacja tego wymaga, z hamulcem lub sprzęgłem jednokierunkowym. Często dzięki tej sprawności można zmniejszyć moc zainstalowanego silnika. Opłacalność rozwiązań z przekładniami walcowymi kwestionuje się na przykład przy pracy przerywanej, krótkotrwałej, wymagającej samohamowności przekładni. Mnożąc sprawności wszystkich elementów napędu, liczby godzin, jakie przepracowują, dostajemy jednak wymierne kwoty oszczędności w konsumpcji energii elektrycznej. Bo o ile w silniku o mocy 0,37 kW sprawność nie jest istotnym aspektem, to w silniku 200 kW każdy ułamek sprawności jest ważny.

Jak zaznacza Wojciech Kordas z firmy Sternet, w przypadku nowoczesnych motoreduktorów produkcji Siemens (dawniej produkcji Flender) o zakresach mocy od 0,09 kW do 200 kW (typy: walcowe, walcowe płaskie i walcowo-stożkowe) osiągają sprawności: 1-stopniowe – 98%, 2-stopniowe – 96% a 3-stopniowe – 94%. Od wielu lat Siemens (Flender) stosuje silniki klasy EFF1 w motoreduktorach z silnikami o wzniosach wału 180 mm i większych. Obecnie są to już silniki nowych serii sprawności IE2.

Bartłomiej Kiełczewski, konsultant w firmie Induprogres (autoryzowany dystrybutor Delta Electronics), uważa, że w zależności od typu produkcji i aplikacji np. w aplikacjach windowych, prasach itp. bardzo dużą oszczędność można uzyskać przy zastosowaniu układów ze zwrotem energii do sieci. Również stosowanie wysoko wydajnych i uniwersalnych maszyn pozwala na uzyskanie większej produkcji oraz szerszej gamy produktów. Czasem trochę wyższy koszt zakupu szybko się zwraca.

W ABB bierze się pod uwagę stosowanie przemienników, które nie emitują wyższych harmonicznych, co jest korzystne dla zakładu, bowiem eliminuje zakłócenia układów automatyki, nagrzewanie się większości urządzeń, takich jak transformator, kable, silniki, co powoduje większe straty i zmniejsza żywotność urządzenia.

Piotr Huryń sądzi, że oszczędności warto szukać w poprawnym doborze zespołu napędowego (przeniesienie napędu, przekładnia, silnik, serwowzmacniacz) i optymalnie dobranym profilu ruchu odpowiadającym wymogom technologicznym oraz zakładanej wydajności maszyny. Również jego zdaniem ma znaczenie połączenie szyny DC serwonapędów lub zastosowanie serwonapędów ze zwrotem energii do sieci (na przykład B&R ACOPOSmulti). Zastosowanie aktywnego zasilacza (ACOPOSmulti) oprócz zwrotu energii daje dodatkowe zalety: współczynnik mocy równy 1 (pobierana jest tylko moc czynna, czyli nie trzeba płacić wysokich stawek za energię bierną lub kompensować mocy biernej) oraz mniejsze jest zapotrzebowanie na moc całkowitą, aktywny filtr redukujący harmoniczne.

Ważne jest, aby zawsze porównywać koszty całej inwestycji napędowej w rozważanych wariantach wykonania i sprawdzać obliczenia korzyści energetycznych wynikających z zastosowania przemienników do eksploatowanych napędów, zwłaszcza dużej mocy pomp i wentylatorów. Należy, jak mówi Andrzej Morawski, docenić silniki energooszczędne i inne urządzenia energetyczne w takim wykonaniu, wprowadzane wraz z przemiennikami. Rezerwy są tu nadal ogromne, w samych pompach szacowane w Europie na ponad 20% zużywanej energii (dane Europomp).

Warto również zwrócić uwagę na koszty serwisowe, które są bardzo różne przy zastosowaniu różnych technik wykonania przemienników. W technice niskiego napięcia oznacza to wybór sprawdzonych rozwiązań, bo tu nie ma jakichś znacząco różnych rozwiązań. Natomiast w technice średniego napięcia przemienniki z kluczami tyrystorowymi SGCT uchodzą obecnie za najbardziej niezawodne, a z kluczami tranzystorowymi na niskie napięcie za najbardziej zawodne (duża liczba elementów aktywnych) i wrażliwe na zakłócenia normalnych warunków pracy (zasilanie, środowisko, przeciążania, zakłócenia itp.). Choć trudno odnosić się do konkretnych rozwiązań, to jak wszędzie tanie produkty najprawdopodobniej nie będą też najlepsze. W przypadku układów łagodnego rozruchu do silników klatkowych dużej mocy dają oszczędności inwestycyjne w całym torze zasilania i przedłużają żywotność instalacji elektrycznej oraz eliminują udary momentu w układzie zasilanym przez silnik. Dla napędów o dużej masie zamachowej lub uruchamianych pod obciążeniem rolę układu łagodnego rozruchu może spełnić tylko przemiennik częstotliwości o mocy dobranej do potrzeb rozruchu, często obniżonej w stosunku do mocy znamionowej silnika.

Jak przypomina Wojciech Kordas, korzyści z zastosowania silników Siemens EFF1/IE2 to obniżenie kosztów przez zmniejszenie ilości zużywanej energii elektrycznej (przy okazji ochrona środowiska poprzez zmniejszenie emisji CO2). Ponadto uzyskuje się dłuższy czas życia silnika, łożysk i smaru w wyniku niższej temperatury pracy. W przypadku tych silników mamy też wyższą przeciążalność (SF 1,15 dla linii standardowych silników zasilanych z sieci przy pracy S1) oraz możliwość zasilania z przemiennika częstotliwości o napięciu zasilania do 500 V. Pamiętajmy, że koszt energii w cyklu życia silnika może dochodzić do 99%.

Napędy liniowe

Tam, gdzie można zastosować napędy liniowe, porównuje się ich zalety i wady w praktycznym zastosowaniu. Napędy liniowe ciągle są 2–4 razy droższe od standardowych napędów serwo. Jak uważa Bartłomiej Kiełczewski, obecnie przy dosyć szeroko dostępnych układach liniowych można łatwo użyć standardowego napędu serwo i otrzymać podobne możliwości, jakie oferują napędy liniowe. Oczywiste jest, że w bardzo specyficznych, szybkich i zmiennych aplikacjach napęd liniowy będzie lepszym rozwiązaniem. Jednak takie rozwiązanie jest sporo droższe. Wymaga najczęściej specjalnego montażu (naklejanie magnesów trwałych). Warunki, w jakich ten napęd może pracować, powinny być dosyć sterylne, co nie zawsze pozwala na wykorzystanie go w każdej aplikacji.

Zdaniem Grzegorza Andrzejczyka warto obecnie inwestować w silniki liniowe oraz napędy bezpośrednie. Producenci maszyn wciąż bardzo dużą wagę przywiązują do kosztów napędu (tutaj serwonapęd liniowy przegrywa), ale z kolei inwestor końcowy szuka urządzenia o maksymalnej wydajności, żywotności oraz sprawności energetycznej. Przy stale rosnących kosztach pracy maszyny muszą pracować szybciej i wydajniej, aby nasze przedsiębiorstwa mogły być nadal konkurencyjne.

Modernizacje linii produkcyjnych mające na celu zwiększenie produktywności będą coraz bardziej popularne. Obecnie w Polsce nie stanowi już problemu znalezienie firmy integratorskiej mogącej przeprowadzić tego typu modernizację. – Warto zainwestować w napęd, który będzie prosty w obsłudze, a więc wyposażony w takie funkcje, jak: autotuning, automatyczne rozpoznawanie silnika, łatwe w użyciu filtry tłumiące drgania, sieć niewymagająca skomplikowanej konfiguracji – mówi Grzegorz Andrzejczyk. Serwonapędy są uważane za technologię trudną we wdrożeniu – stosując napęd sprawdzonego dostawcy, wcale tak nie musi być.

Na pewno należy zgodzić się z opinią, że nie warto oszczędzać na jakości napędu, patrząc na koszt przestojów spowodowanych awarią serwonapędu od niesprawdzonego dostawcy.

Niskie harmoniczne

Obecnie klienci nie są zainteresowani napędami z niską emisją harmonicznych poza specjalnymi zastosowaniami, takimi jak aplikacje na statkach itp. – Sądzę, że generalnie trend rozwoju będzie szedł w stronę aktywnych układów zwrotu energii – mówi Bartłomiej Kiełczowski. –  Pozwalają one na spore oszczędności w poborze prądu oraz zapewniają dobrą jakość oddawanej energii.

Jeżeli chodzi o ograniczanie harmonicznych i zakłóceń, Jacek Pietraszek, OEM Automatic, proponuje stosowanie filtrów EMC oraz dławików wejściowych i wyjściowych. Filtry EMC ograniczają wysokie harmoniczne wprowadzane do sieci zasilającej, dzięki temu praca innych urządzeń w tej samej sieci nie jest zakłócana. Dławiki w torze zasilającym ograniczają zakłócenia mniejszych częstotliwości wprowadzane do sieci. Dławiki po stronie silnika chronią silnik przed zakłóceniami częstotliwości, dzięki czemu silnik ma dłuższą żywotność. Istnieją również przemienniki częstotliwości z prostownikiem aktywnym w torze wejściowym, które pobierają prąd sinusoidalny z sieci zasilającej, przy tym napięcie jest zgodne w fazie z prądem. Dzięki temu nie wprowadzają żadnych zakłóceń i są widziane od strony zasilania jako zwykła rezystancja. Prostownik aktywny jest dostępny dla przemienników najwyższej klasy, na przykład serii PowerFlex700L lub PowerFlex7000 – inteligentny prostownik (AFE) kontroluje napięcie szyny DC oraz zapewnia zwrot energii do sieci, operując prądem sinusoidalnym. Warto też zauważyć, że PowerFlex700L jest jednym z niewielu przemienników chłodzonych cieczą.

Podsumowując, ważne jest, aby pamiętać, że sprawność zespołu napędowego jest mniejsza od sprawności najgorszego z elementów tego zespołu. Dlatego należy gruntownie analizować cały zespół napędowy. Wielu dostawców pomaga w różny sposób przy doborze napędu. Na przykład klienci B&R Automatyka Przemysłowa posiadający licencje na oprogramowanie B&R Automation Studio mogą używać oprogramowania do doboru napędów: SERVOsoft kanadyjskiej firmy ControlEng. Firma w specyficznych przypadkach, przy produkcji maszyny prototypowej, umożliwia też wypożyczenie do testów preferowanych napędów, tak aby zmierzyć faktyczne charakterystyki, które czasami są trudne do oszacowania (na przykład przy złożonych mechanizmach kolanowych).

Autor: Bohdan Szafrański