Įvadas
Sparčiame šiuolaikinės pramoninės automatikos pasaulyje tikslus ir patikimas judesių valdymas yra didelio našumo pagrindas. Nuo greitaeigių robotų surinkimo ginklų ir automatizuotų rūšiavimo konvejerių iki nepilotuojamų medžiagų tvarkytojų, besisukančių sandėliuose, - kiekvienas automatizuotas procesas priklauso nuo elektromechaninių pavarų, kurios elektros energiją paverčia tiksliu mechaniniu judesiu.
Nors kintamosios srovės (AC) varikliai dominuoja didelėje pastovaus greičio infrastruktūroje, o specializuoti žingsniniai varikliai yra atsakingi už mikro padėties nustatymą, nuolatinės srovės (DC) varikliai išlieka nepakeičiamu pramoniniu darbu. Priešingai nei prognozuojama, kad naujos technologijos gali jas visiškai pakeisti, nuolatinės srovės varikliai ir toliau maitina didžiulę pasaulio automatikos infrastruktūros dalį.
Norint suprasti, kodėl nuolatinės srovės varikliai išlieka tokie stiprūs, būtina išnagrinėti jų mechanines charakteristikas, lengvą valdymą ir pritaikymą tiek lengvoms tikslioms programoms, tiek didelėms apkrovoms mobilioms programoms, kur didelės galios varikliai (pvz., nuolatinės srovės traukos varikliai) ir toliau maitina automatizuotas pramonines transporto priemones.
Pagrindiniai privalumai: greitis, sukimo momentas ir dinaminis valdymas
Pagrindinė priežastis, kodėl inžinieriai nuolat renkasi nuolatinės srovės variklius automatikos projektams, yra dėl jų intuityvių ir linijinių fizinių savybių. Skirtingai nuo kintamosios srovės variklių, kurių greitis yra susietas su maitinimo įtampos dažniu ir polių skaičiumi, nuolatinės srovės variklio elgsena yra tiesiogiai susijusi su pagrindiniais elektriniais parametrais.
Linijinės greičio ir sukimo momento charakteristikos
Standartinis nuolatinės srovės variklis turi beveik tiesinį ryšį tarp naudojamos įtampos, srovės, sukimosi greičio ir išėjimo sukimo momento. Variklio greitis yra tiesiogiai proporcingas naudojamai armatūros įtampai, o išėjimo sukimo momentas yra tiesiogiai proporcingas armatūros srovei.
Automatizavimo valdymo sistemoms šis tiesinis ryšys labai supaprastina algoritmus, reikalingus judesiui valdyti. Inžinieriai gali lengvai padidinti arba sumažinti įtampą, kad tiksliai sureguliuotų greitį, neatlikdami sudėtingų slydimo skaičiavimų ar kelių fazių dažnio moduliavimo.
Išskirtinis paleidimo momentas
Automatinė įranga retai veikia esant statinėms, pastovioms apkrovoms. Konvejerio juostos sustoja ir paleidžiamos pilnai pakrovus sunkias pakuotes; robotai manipuliatoriai turi iškelti įrangą iš visiško poilsio būsenos; automatinės durys turi akimirksniu įveikti trinties jėgą.
Nuolatinės srovės varikliai idealiai tinka tokioms sąlygoms, nes jie sukuria didžiausią sukimo momentą esant nuliui RPM. Šis didelis paleidimo sukimo momentas leidžia automatizuotai įrangai greitai įveikti statinę inerciją, o tai įgalina greitus padidinimo ciklus ir sumažina dinamiškų pramonės procesų vėlavimą.
Platus dinaminio greičio reguliavimo diapazonas
Pramoninė automatika reikalauja sklandaus veikimo itin plačiame greičių diapazone. Nuolatinės srovės variklis gali veikti itin mažu greičiu, kad būtų atlikti subtilūs išlyginimo darbai, o tada sklandžiai įsibėgėti iki tūkstančių apsisukimų per minutę, kad judesiai būtų greiti.
Kadangi greičio valdymas pasiekiamas paprasčiausiai keičiant įtampą, nuolatinės srovės varikliai išlaiko stabilų sukimo momentą visame savo veikimo diapazone, nerizikuodami užstrigti ar užstrigti, užtikrindami sklandų judesį, reikalingą tikslioms operacijoms.
Dizaino paprastumas, maža kaina ir paprastas integravimas
Be eksploatacinių savybių, nuolatinės srovės sistemų mechaninis ir elektrinis paprastumas daro jas patraukliu pasirinkimu automatikos sistemų projektuotojams, siekiantiems optimizuoti išlaidas ir inžinerinį efektyvumą.
Supaprastinta valdymo elektronika
Norint valdyti standartinę kintamosios srovės variklio kintamo dažnio pavarą (VFD), reikalingas kintamosios srovės į nuolatinės srovės konvertavimas, filtravimas ir daugiafazio impulso pločio moduliuoto (PWM) kintamosios srovės signalo sintezė. Priešingai, pagrindiniam nuolatinės srovės variklio greičio valdymui reikalinga paprasta tvarkyklės grandinė -, pvz., tilto grandinė (H-tiltas), valdoma paprastais PWM- signalais iš programuojamo loginio valdiklio (PLC) arba mikrovaldiklio.
Mažesnis sudėtingumas sumažina valdymo spintų dydį, sumažina šilumos susidarymą automatikos skyduose ir supaprastina gedimų šalinimą gamybos priežiūros personalui.
Tiesioginis suderinamumas su nuolatinės srovės infrastruktūra
Šiuolaikinė pramonės automatika vis labiau priklauso nuo nuolatinės srovės maitinimo architektūrų. Automatizuotos valdomos transporto priemonės (AGV), autonominiai mobilieji robotai (AMR), baterijomis maitinamos avarinės sistemos, saulės energijos įrenginiai ir žemos įtampos pramoninės valdymo magistralės - veikia nuolatine srove.
Naudojant nuolatinės srovės variklius tokiose srityse, nebereikia didelių ir neefektyvių nuolatinės srovės -kintamosios srovės keitiklių. Energija tiekiama tiesiai iš baterijų arba nuolatinės srovės maitinimo šaltinių į variklių valdiklius, o tai palaiko bendrą sistemos efektyvumą, pailgina mobiliosios automatikos baterijos veikimo laiką ir sumažina įrangos svorį.
Ekonomiškas sistemos mastelio keitimas
Mažos ir vidutinės automatizuotos įrangos atveju lemiamas veiksnys yra pradinio kapitalo sąnaudos. Nuolatinės srovės varikliai ir susijusi valdymo elektronika paprastai turi mažesnę pirkimo kainą nei panašių kintamosios srovės -servo pavarų ar asinchroninių sistemų. Šis išlaidų pranašumas leidžia gamintojams sukurti modulines, keičiamo dydžio automatizavimo ląsteles nepadidinant plėtros biudžeto.
Specializuotos programos ir nuolatinės srovės traukos varikliai
Nuolatinės srovės variklių universalumas leidžia juos naudoti įvairiose pramonės srityse - nuo tikslių mažesnio vato mikropavarų iki didelės galios transporto priemonių varomų sistemų.
Tikslioji robotika ir automatizuotos transporto priemonės (AGV)
Kompaktiškose robotizuotose rankose, automatiniuose griebtuvuose ir mažuose AGV, nuolatinės srovės varikliai su šepečiu ir be šepetėlių užtikrina didelį galios tankį ir mažą plotą. Dėl kompaktiškų matmenų inžinieriai gali statyti variklius tiesiai į šarnyrines jungtis arba ratų stebules, taip sumažinant mechaninių pavarų skaičių ir atstumą.
Medžiagų transportavimo ir rūšiavimo sistemos
Šiuolaikiniuose logistikos centruose įrengti kilometrų ilgio automatizuoti ritininiai konvejeriai, greitaeigiai rūšiavimo skirstytuvai ir vertikalūs keltuvai. Nuolatinės srovės varikliai varo šiuos komponentus, nes jie gali atlaikyti milijonus paleidimo ir sustabdymo ciklų be perkaitimo. Galimybė greitai pakeisti sukimosi kryptį tiesiog keičiant įtampos poliškumą daro juos idealiu sprendimu dvikrypčiams rūšiavimo mechanizmams.
Sunkioji mobilioji automatika: nuolatinės srovės traukos variklis
Nors mažos galios nuolatinės srovės varikliai varo mažas robotines rankas, didelės pramoninės apkrovos reikalauja didžiulės fizinės jėgos. Čia nuolatinės srovės traukos variklis atlieka pagrindinį vaidmenį mobiliojoje automatizacijoje.
Nuolatinės srovės traukos variklis yra specialiai sukurtas nuolat tiekti didelį sukimo momentą esant didelėms mechaninėms apkrovoms. Šie tvirti varikliai varo sunkius automatizuotus traktorius, pramoninius elektrinius stūmiklius, automatinius šakinius krautuvus ir ant bėgių montuojamas perkėlimo transporto priemones, naudojamas plieno gamyklose ir automobilių surinkimo gamyklose.
Šiose didelės apkrovos mobiliose platformose nuolatinės srovės traukos variklis užtikrina galingą mažo greičio trauką, reikalingą kelių tonų kroviniams saugiai pervežti parduotuvės aukšte. Dėl savo gebėjimo be gedimų atlaikyti dideles elektros perkrovas ir mechaninius smūgius, jis yra patikrintas ir patikimas pasirinkimas sunkioms mobiliosioms automatikos programoms.
Šepetys ir bešepetėliai nuolatinės srovės varikliai automatikoje
Rinkdamiesi nuolatinės srovės variklius automatizavimui, inžinieriai renkasi iš dviejų pagrindinių technologijų šeimų: šepečiu (BDC) ir bešepetėliu (BLDC). Kiekviena technologija išsprendžia konkrečias veiklos problemas.
Šepetys DC (BDC) varikliai: paprasti ir ekonomiški
Šepetys varikliai naudoja fizinius anglies šepečius ir mechaninį komutatorių, kad perduotų srovę į besisukantį rotorių.
Privalumai: Itin maža pradinė kaina, paprasta valdymo elektronika (gali veikti tiesiai iš nuolatinės srovės šaltinio be valdiklio) ir paprastas valdymas.
Taikymas: automatizuota įranga su mažais apkrovos koeficientais, vienkartiniai bandymo prietaisai, pigi vartotojų automatika ir sistemos, kuriose lengva priežiūra.
Brushless DC (BLDC) varikliai: didelis našumas ir ilgaamžiškumas
Varikliai be šepetėlių yra apverstos konstrukcijos su nuolatiniais magnetais ant rotoriaus ir varinėmis apvijomis - ant statoriaus. Perjungimas atliekamas elektroniniu būdu, naudojant Hall jutiklius arba be jutiklių algoritmus.
Privalumai: Jokio mechaninio šepečių susidėvėjimo, išskirtinai didelis efektyvumas (dažnai viršijantis 90%), didelis sukimosi greitis, tylus veikimas ir puikus šilumos išsklaijimas per išorinį statoriaus korpusą.
Pritaikymas: 24 valandas per parą, 7 dienas per savaitę, nepertraukiama pramoninė automatika, švarios patalpos (be anglies dulkių nuo šepečių), didelės spartos robotika ir atšiaurioje aplinkoje, kur prastovos yra labai brangios.
Technologinė pažanga ir ateities perspektyvos
Nuolatinės srovės variklis nėra pasenusi technologija, kuri remiasi tik praeities pasiekimais. Nuolatinės medžiagų mokslo ir skaitmeninio valdymo naujovės leidžia nuolatinės srovės judesio sistemoms visiškai atitikti šiandienos pramonės 4.0 standartus.
Skaitmeninis judesio valdymas ir didelio tikslumo grįžtamasis ryšys
Šiuolaikiniai nuolatinės srovės varikliai retai naudojami kaip paprasti atvirojo ciklo įrenginiai. Šiandien jie yra suporuoti su didelės raiškos optiniais arba magnetiniais kodavimo įrenginiais, skaitmeniniais signalų procesoriais (DSP) ir pramoninio ryšio protokolais, tokiais kaip EtherCAT arba CANopen.
Šie patobulinimai paverčia standartinius nuolatinės srovės variklius į tikslius servo įrenginius, galinčius atlikti mažus žingsnius, greičio profiliavimą ir absoliučiai tiksliai nustatyti padėtį, todėl įperkamos variklių platformos suteikia sudėtingų robotikos galimybių.
Pažangios magnetinės medžiagos
Labai priverstinių retųjų žemių nuolatinių magnetų (pvz., neodimio-geležies-boro) sukūrimas pakeitė BLDC variklių galios tankį. Šiandieniniai nuolatinės srovės varikliai sukuria žymiai didesnį sukimo momentą vienam tūrio vienetui nei modeliai, pristatyti prieš du dešimtmečius, todėl inžinieriai gali sukurti mažesnę, lengvesnę ir manevringesnę įrangą.
Hibridinės automatikos architektūros
Vietoj griežto pasirinkimo tarp kintamosios srovės arba nuolatinės srovės, šiandienos automatizuotos gamyklos vis dažniau naudoja hibridines architektūras. Didelė stacionari birių medžiagų krovimo įranga remiasi kintamosios srovės indukcinėmis pavaromis, o dinamiškos mobiliosios mašinos, tiksli robotika ir sunkiųjų medžiagų tvarkymo sistemos naudoja nuolatinės srovės pavaras ir traukos įrenginius. Šis hibridinis metodas užtikrina, kad kiekvieną mechaninę užduotį atliktų tinkamiausios topologijos variklis.
Išvada
Nuolatinis nuolatinės srovės variklių populiarumas automatikos pramonėje nėra atsitiktinumas. Tai yra tiesioginis neprilygstamo greičio ir sukimo momento charakteristikų tiesiškumo, greito atsako, dizaino paprastumo ir sklandaus integravimo su šiuolaikiniais nuolatinės srovės tinklais ir akumuliatorių sistemomis rezultatas.
Nesvarbu, ar tai tikslūs mikrojudesiai chirurginėje roboto rankoje, ar sunkių krovinių gabenimas automatizuotu gamyklos traktoriumi su patikimu nuolatinės srovės traukos varikliu, šie elektros varikliai siūlo unikalų našumo ir paprastumo balansą, su kuriuo sunku konkuruoti alternatyvioms technologijoms.
Pramoninei automatikai judant prie didesnio savarankiškumo, energijos vartojimo efektyvumo ir decentralizuotų mobiliųjų operacijų, lankstus ir prisitaikantis nuolatinės srovės variklis daugelį metų išliks esminiu išmaniosios gamybos ir logistikos elementu.
