Print

Volba mezi systémy na bázi servomotorů nebo indukčních motorů

-- 14.12.12

Přehled: Volba mezi systémy se servomotorem s permanentním magnetem a indukčním motorem závisí na výkonnostních kritériích aplikace. Při výběru toho nejvhodnějšího řešení vezměte v úvahu následující doporučení. V internetové verzi článku jsou k dispozici další informace a fotografie, včetně srovnávací tabulky.

Výběr motoru: Při rozhodování mezi systémy se servomotorem s permanentním magnetem a indukčním motorem vezměte v úvahu dynamické chování, hustotu krouticího momentu, nutnost přizpůsobení setrvačnosti a řídicí schémata. Volba mezi servomotory a indukčními motory závisí na úrovni aplikačního výkonu a na nákladech. Indukční motory jsou jednoduché, levné a přímočaré. Servomotory mohou nabízet vyšší výkon, vyšší rychlosti a menší rozměry. Synchronní motory s permanentními magnety nabízejí výhody v aplikacích s vysokou spotřebou energie a vysokou dynamikou ve srovnání s indukčními motory.

Frekvenční měniče používané s asynchronními motory lze používat také se synchronními servomotory a dosahovat tak vyšší účinnosti než asynchronní motory a přitom využívat v polohovacích aplikacích přibližně o 30 % méně energie. Systémy s indukčními motory (levnější, spolehlivé a dobře známé) mohou v určitých aplikacích nabízet alternativu k systémům se servomotory (tradiční, zavedené řešení). To samozřejmě vychází z předpokladu, že se využívá podobné elektronické řízení (s nejmodernější technologií a přibližně stejnou cenou) a jediným rozhodujícím činitelem zůstává cena motorů. Děkujeme Franku Bartosovi, přispěvateli časopisu Control Engineering, a čtyřem dalším autorům za výše uvedené informace.

Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel časopisu Control Engineering, CFE Media, mhoske@ cfemedia.com.

Motory s permanentními magnety v mnoha aplikacích překonávají indukční motory

Synchronní motory s permanentními magnety se už mnoho let využívají v obráběcích strojích a dalších výrobních strojích pro jejich spolehlivý výkon, odolnost, relativně nízké náklady a elektrickou stabilitu. Tyto motory byly standardem v průmyslu obráběcích strojů po desetiletí a využívaly se u soustruhů, otáčení pracovních stolů, kloubových spojení cest a dílů, v rotačních a lineárních aplikacích řízeného polohování.

S nástupem obráběcích robotů pro manipulaci s materiálem (změny obrobku a nástrojů, funkce vysoce přesného vkládání a vyjímání a další funkce) využívání těchto motorů během let exponenciálně vzrostlo. Nacházíme je u pásů pro odvod třísek, hydraulického potrubí, zásobníků oleje a čerpadel chladiva. Výrobní stroje, například pro formování a vytlačování plastu a pryže, výrobu papíru, balení, výrobu textilu, keramiky, skla, pro práci se dřevem a další zařízení, využívají tyto motory pro polohování.

Kompaktní motory s vysokou hustotou krouticího momentu

Základní funkční princip permanentního magnetu v sestavě rotoru, tj. generování ustáleného magnetického pole (namísto zkratového proudu u asynchronních /indukčních/ motorů), přináší mnoho výhod pro konstruktéry a výrobce strojů a doplňkových zařízení. K výhodám patří kompaktní rozměry s vysokou hustotou krouticího momentu a nižší hmotností, vyšší stálý krouticí moment v širším rozsahu rychlostí, nižší setrvačnost rotoru, vyšší dynamický výkon pod zatížením, vyšší provozní účinnost bez magnetizačního proudu a odpovídající absence tepla z důvodu proudu v rotoru.

Dochází u nich k menšímu efektu zvlnění krouticího momentu a mají robustnější chování než stejnosměrné motory, nevyjímaje dobrý účiník a lepší využití pohonu. Ceny surovin vzrostly z důvodu určitých ekonomických podmínek na světovém trhu, avšak nedávné objevy magnetů ze vzácných zemin v USA a v dalších lokalitách to mohou změnit. Výrobci motorů navíc řeší technické aspekty, jako jsou omezené rychlostní rozsahy v provozních aplikacích a degradace z důvodu protinapětí vytvořeného magnety, kdy je obvykle považován za nezbytný převodník pro komutaci, společně s nevyhnutelným stavem limitního přetížení.

Nové aplikace pro motory s permanentními magnety

Motory s permanentními magnety jsou díky vyšší provozní účinnosti velkým příslibem pro zvýšení produktivity strojů na nových trzích. Mechatronická analýza servočerpadla s permanentním magnetem zjistila značné úspory energie, provozní zlepšení a ekologické přínosy díky aplikaci motoru s permanentními magnety u zásobníku hydraulického oleje, když bylo vyměněno čerpadlo s proměnlivou kapacitou za servo. Nyní motor čerpadla s permanentním magnetem a přímým pohonem běží, jen když je potřeba, což u nových a modernizovaných strojů přináší 50% úsporu energie.

Synchronní momentové motory s permanentními magnety mají typicky o 30–60 % vyšší momentovou kapacitu a o 30 % lepší využití krouticího momentu s vyšším zrychlením a zpomalením než asynchronní (indukční) motory. K aplikacím patří obráběcí stroje a další zařízení pro obrábění kovů, kde je funkce rychlého posuvu klíčová pro udržení vysoké produktivity. U současných rychlých, často nedozorovaných aplikací má omezení odstávek kritický význam. Motory s permanentními magnety mají výrazně rychlejší odezvu a nedochází u nich k prokluzu. Ve vyšších výkonových rozsazích vykazují motory s permanentními magnety mnohem delší provozní životnost, a to hlavně díky větší míře kompenzace namáhání rotoru. Výsledkem je omezení zpětných rázů (hystereze) a precizní polohování, ať už pod zátěží, či bez ní.

Z hlediska magnetismu je tento stav dán kombinací větší vzduchové mezery a menších radiálních magnetických sil s nižším momentem setrvačnosti a vyšší kapacitou krátkodobého přetížení při zachování požadovaného krouticího momentu. Inteligence pohonu pomáhá motorům s permanentními magnety v aplikacích, jako je přesnost polohování soustruhu a preciznost obráběcího stroje. Pohon rovněž provádí komplexní výpočty proudu pro vyšší rychlost a identifikaci páru rotorových pólů v případě použití jednodušších převodníků.

Asynchronní (indukční) motory zdaleka nejsou zastaralé, zejména vzhledem k vylepšením prvků motorového systému, jako jsou frekvenční měniče a invertory používané v různých konfiguracích. A i kdyby, vylepšení v oblasti konfigurace magnetu a vyšší míry inteligence v technologii pohonů otevírají každý den nové oblasti použití motorů s permanentními magnety. Viz tabulka a fotogalerie ukazující, jak motory s permanentními magnety překonávají indukční motory v mnoha aplikacích: bit.ly
RRzVSg.

Harald Poesch je produktový manažer pro polohovací motory, USA, Siemens Industry

www.usa.siemens.com/motioncontrol
www.usa.siemens.com/servo-pump

Polohování: Výrobce balicích strojů dosahuje úspor díky použití servosystému a modernizaci řídicích prvků:  bit.ly/Rrck4I.

Systémy se servomotory s permanentními magnety versus systémy s indukčními motory

Aplikace vyžadující výkon 37 kW (50 k) a více, dlouho považované za tradiční doménu indukčních motorů, lze nyní řešit pomocí servomotorů s permanentními magnety. Tyto aplikace mohou mít dynamické aspekty vyžadující uzavřenou smyčku pozice-čas a vysoká zrychlení. Při akceleraci velkých zátěží mohou servomotory s permanentními magnety fungovat s velmi vysokými poměry zátěž-setrvačnost a zachovávat výkonnostní požadavky. Nižší setrvačnost obvykle umožní menší ztráty energie v motoru. Krouticí moment (τ) je součinem setrvačnosti (j) a úhlového zrychlení (α). Když je požadováno přizpůsobení setrvačnosti, polovina energie se ztrácí na zrychlování motoru. Pokud je poměr mezi setrvačností motoru a zátěže velký, řídicí schémata musejí být dostatečně dynamická, aby bránila pohánění motoru zátěží, namísto toho, aby motor řídil zátěž.

Kompromisy, úvahy, náklady

Servomotory s permanentními Magnety a indukční motory mají překrývající se výkonnostní rozsahy, a to bez přímé náhrady. Pokrok v oblasti pohonů a technologií indukčních motorů jim dal dynamické chování, které bylo dříve doménou servosystémů s permanentními magnety. Indukční motor servo nenahrazuje, jen poskytuje více možností. Při rozhodování mezi nimi zohledněte krouticí moment, rychlost a tepelné charakteristiky. Servomotor s permanentním magnetem je synchronním motorem se zpětnou vazbou pro komutaci, rychlost a informace o pozici.

Vektorově poháněný indukční motor bude také vyžadovat stejné zpětnovazební řízení, aby mohl být konkurenceschopný, ale je poháněn plně elektromagnetickým, nikoli permanentním magnetickým polem. Vzhledem k současným cenám magnetů ze vzácných zemin se může zdát nepraktické mít servomotor s permanentními magnety v aplikaci vyžadující větší výkon než 15–23 kW (20–30 k). Pokud by požadavky na rozměry a dynamické chování byly mimo záběr indukčních motorů, musí se ve většině případů použít servomotor s permanentním magnetem. Zdroj konstantního magnetického toku motoru s permanentním magnetem může přinést vyšší hustotu krouticího momentu než ekvivalentní systém s indukčním motorem. Důležitým dynamickým požadavkem může být poměr setrvačností.

Při vysokých zrychleních a zpomaleních bude velikost rotoru významně zvyšovat setrvačnost a snižovat použitelný krouticí moment. Jistý výrobce skla tyto technologie kombinoval a zvolil čtyři serva s permanentními magnety se jmenovitým výkonem 54 kW (72 k) z důvodu vysokého dynamického zatížení a požadavků na vyšší výkon. Provedení s magnety zapuštěnými v rotoru značně snižuje setrvačnost ve srovnání  s indukčními motory podobných jmenovitých parametrů. S nižší setrvačností může dynamický výkon překonávat jiné technologie. Indukční motor generuje magnetické pole statorem a vinutím kotvy a laminovanou konstrukcí rotoru. Stator je podobný kotvě motoru s permanentními magnety, která je stacionární. Zde podobnost končí.

Zatímco u motoru s permanentními magnety zajišťují konstantní stav magnetického toku magnety ze vzácných zemin, generované magnetické pole bude táhnout generované magnetické pole rotoru, v němž byl indukován proud (odtud pojem „indukční“) na sekundárním vinutí okolo lamel kotvy rotoru. Slovo „táhnout“ je důležité, elektromagnet nemůže tlačit. Dva stejné póly u elektromagnetu mají při použití synchronního řízení namísto odpuzování vzájemně rušivý účinek, podobně jako vzájemný induktor. To je částečně důvodem, proč bude synchronní indukční motor mírně opožděn za otáčením pole. Abychom přiměli magnetické pole rotovat okolo kotvy a dosáhli synchronizace rotoru, proud se přerušuje, aby měnil magnetická pole, nebo aby v zásadě poklesla veškerá uložená energie. Poněkud to komplikuje řízení, ale je to zcela v rámci schopností řídicího prvku.

Většina servosystémů dokáže pracovat s velkými nedynamickými zátěžemi, pokud je provedení odpovídající výkonu. Přímo napojené zátěže v balicím a tiskařském průmyslu jsou tradičně velké a mohou využívat kombinace technologií indukčních motorů a motorů s permanentními magnety. Velké rotační motory s permanentními magnety s přímým pohonem mohou zasahovat do domény indukčních motorů. Aplikací je mnoho. Pro časování a koordinaci více os řídí motory s permanentními magnety přesněji pozici-čas v uzavřené smyčce než srovnatelné indukční motory a související mechanizace.

Při rozhodování mezi systémy se servomotorem s permanentním magnetem a indukčním motorem musíte vzít v úvahu dynamický výkon, hustotu krouticího momentu, přizpůsobení setrvačnosti a řídicí schémata. Pro zachování konstantní rychlosti s velkou zátěží a velmi vysokým výkonem (> 37 kW /50 k) je pravděpodobně lepší volbou indukční motor. Jestliže by byly důležitými rozhodovacími faktory hmotnost motoru, dynamické chování nebo hustota krouticího momentu, volba by měla padnout spíše na servomotor s permanentním magnetem. Nenechte se svazovat tradiční představou, že servomotory s permanentními magnety obsluhují jen aplikace o výkonu menším než jen pár koňských sil.

Lee Stephens je vedoucí technik pro polohování společnosti Kollmorgen, Radford, stát Virginia. Další informace fotografie a popis technologií použitých uvnitř servomotorů s permanentními magnety naleznete v článku na adrese: http:// bit.ly/SfKqhE.

Servomotory vs. indukční motory: výkon a náklady

Rozhodnutí použít servomotory nebo indukční motory závisí na chování požadovaném aplikací a na nákladech. Indukční motory jsou jednoduché, levné a je to velmi zralá technologie, přímočará pro řízení typu zapnuto/vypnuto, snadno zapojitelná a nabízí mnoho variant produktů od mnoha dodavatelů. K jejím nevýhodám patří limitované poziční řízení a obvykle větší rozměry. Servomotory jsou dynamičtější a obsahují zpětnovazební zařízení, jako je převodník nebo rozkladač (revolver) pro řízení rychlosti a poziční přesnosti. K přednostem servomotorů patří mnohem vyšší výkon, schopnost zajišťovat vyšší rychlosti, mají menší rozměry a k dispozici jsou nejrůznější doplňkové komponenty. Servomotory jsou o něco dražší z důvodu vyspělejší technologie. Vysoké rychlosti a chování krouticího momentu mohou být občas omezeny z důvodu doby aktualizace servopohonu.

Indukční motory s kotvou nakrátko představují levnější variantu pro řízení rychlosti u aplikací, jako jsou dopravníky s konstantní rychlostí, třídiče nebo podobné přepravní systémy s přiměřeným konstantním zatížením. Krouticí moment indukčního motoru je generován procentem prokluzu; existuje omezená oblast s plochým průběhem krouticího momentu na základě rychlosti ve srovnání se servomotory. K aplikacím třífázových indukčních motorů patří mimo jiné obráběcí stroje, jeřáby, čerpadla, ventilátory a robotické aplikace. V těchto aplikacích mohou být synchronní servomotory vzhledem k nákladům zbytečně příliš dobré. Servomotory mohou být vyžadovány pro repetitivní robustní indexování s opakovatelným ustavováním a vyšší přesností rychlosti. Ustavovací systémy se servem mohou být zapotřebí pro celou řadu napájecích napětí (jako je 115 V stříd. až 480 V stříd.).

S tím, jak nabývají na významu požadavky na přesné ustavování, vyšší rychlosti a robustní indexování s omezenou dobou prodlevy, je snadnější ospravedlnit vyšší náklady na servomotory pro zvýšení přesnosti řízení pozice u strojů pro balení, tváření kovů, CNC, zpracování dřeva, robotiku a další. Vyspělé servomotory mají nízký moment setrvačnosti rotoru a velmi vysokou kapacitu přetížení. Technologie vinutí vyniklých pólů přináší vysoký činitel plnění mědí, což pomáhá dosahovat vysokého kontinuálního krouticího  momentu. Velmi malá čela vinutí zajišťují malou celkovou délku. Plně zalitý stator zajišťuje tepelně ideální vazbu vinutí s krytem motoru. Zalití rovněž mechanicky chrání vodiče vinutí před vibracemi. Další informace naleznete na adrese: bit.ly/PvoyeB.

Bob Swalley je specialista společnosti Beckhoff Automation na motory a pohony.

www.beckhoffautomation.com/drivetechnology Díky pohonům a konstrukčnímu řešení mohou být synchronní servomotory efektivnější

Obecně platí, že frekvenční měniče používané s asynchronními motory lze používat také se synchronními servomotory. Protože magnetizace motoru u trvale buzeného synchronního motoru není generována přiváděným reakčním proudem, ale permanentními magnety, motorové proudy jsou nižší. To má za následek vyšší účinnosti, než lze dosáhnout s odpovídajícím asynchronním motorem. A množství energie potřebné pro typické ustavovací aplikace klesá o 30 %. Nižší motorové proudy však také znamenají, že v invertoru dochází k menší ztrátě proudu a v případě potřeby je možno zvolit menší invertor,  což zvyšuje celkovou účinnost polohovacího systému. Vyplatí se ověřit, zda pro danou aplikaci může synchronní servomotor s vyšší  energetickou účinností nabídnout lepší řešení. Převodovky přizpůsobují vysokou rychlost motoru mechanickému procesu. Nejčastěji se používá převodový poměr přibližně 1:20.

Zatímco šnekové převodovky obecně způsobují vysoké ztráty, lze použít kuželové převodovky s vyšší účinností (viz graf). Dalšího zvýšení účinnosti lze dosáhnout, pokud je možné díky vyšší účinnosti převodovky použít invertor nebo motor o nižším výkonu. Invertory mají pomocný zdroj energie o příkonu přibližně 15 W, který je primárně požadován pro napájení řídicí elektroniky. Výkonově závislé ztráty  ve výstupních stupních invertoru jsou dány úrovní motorového proudu. Vliv na ztráty mají zvolená spínací frekvence a délka motorového kabelu. Invertory dosahují velmi vysoké účinnosti 94 až 97 %. Další informace naleznete na adrese: bit.ly/NAyWhX.

Mariusz Jamroz je vedoucí technik společnosti Lenze pro OEM výrobce. www.lenzeamericas.com Kromě úspory energie může kinetická energie rovněž rekuperovat elektrickou energii. Viz některé z nejbližších vydání.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

15. mezinárodní konference Moderní baterie, akumulátory a palivové články
2014-08-24 - 2014-08-28
Místo: Vysoké učení technické v Brně, Antonínská 1, Brno
Moderní technologie pro potravinářství 2014
2014-09-16 - 2014-09-16
Místo: 16. 9. 2014, NH Hotels, Olomouc
Prague Fire & Security Days 2014
2014-09-16 - 2014-09-20
Místo: PVA EXPO Praha, Letňany
Moderní technologie pro farmaceutický průmysl 2014
2014-09-17 - 2014-09-17
Místo: NH Hotels, Olomouc
56. mezinárodní strojírenský veletrh
2014-09-29 - 2014-10-03
Místo: Výstaviště Brno

Katalog

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
Thámova 13
180 00 Praha 8
tel. 00420737266673

COMPAS automatizace, spol. s r.o.
COMPAS automatizace, spol. s r.o.
Nádražní 610/26
59101 Žďár nad Sázavou
tel. +420 567 567 111

Invensys
Invensys
Žirovnická 3124
106 00 Praha 10
tel. +420 (0)267 182 220

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

Omron Electronics spol. s r.o.
Omron Electronics spol. s r.o.
Jankovcova 53
170 00 Praha 7
tel. +420 234 602 602

všechny firmy
Reklama






Anketa


Ano, proto se je snažíme minimalizovat
Ne, jsou na odpovídající úrovni
Nejsou vysoké, ale rychle rostou

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright Trade Media International Holdings Sp. z o.o. ul. Wita Stwosza 59a, 02-661 Warszawa
KRS 0000281036, NIP 521-34-36-770, Regon 140966270
Všechny materiály pocházející ze stránek Control Engineering USA jsou vlastnictvím CFE Media. Všechna práva vyhrazena.
Navštivte naše další stránky