SCR nebo PWM? Výběr regulátoru pro kartáčové stejnosměrné motory

Motory s kartáči na stejnosměrný proud zůstávají běžné v navíječkách, extrudérech, dopravnících, zkušebních stolicích, zdvihacích zařízeních a starších výrobních strojích. Jejich moment závisí na proudu kotvy, zatímco otáčky ovlivňuje přivedené napětí kotvy a magnetický tok. Díky tomuto vztahu lze motor snadno pochopit, to však neznamená, že jsou všechny regulátory vzájemně zaměnitelné.

Dva běžné elektronické přístupy představují síťově komutovaný převod s tyristory (SCR) a spínání tranzistory s pulzně šířkovou modulací (PWM). Oba mohou regulovat průměrné napětí kotvy. Liší se zvlněním proudu, chováním při nízkých otáčkách, vlivy na vstup, možnostmi rekuperace, elektromagnetickým rušením a riziky modernizace.

Při výběru pohonu je nutné zohlednit jmenovité hodnoty kotvy, konstrukci budicího obvodu, zpětnou vazbu, pracovní cyklus, reverzaci a celou cestu energie při zastavení.

Začněte obvodem motoru

Motor s permanentními magnety nemá samostatné napájení buzení. Derivační motor nebo motor se samostatným buzením používá budicí vinutí, jehož proud vytváří magnetický tok. Sériový motor se chová opět jinak a jen zřídka jej lze přímo nahradit obecným stejnosměrným pohonem. Před výběrem zařízení určete typ motoru, napětí a proud kotvy, napětí a proud buzení, základní otáčky, maximální povolené otáčky, stav izolace a způsob chlazení.

Pod základními otáčkami pohon obvykle řídí napětí kotvy při zachování jmenovitého buzení. Nad základními otáčkami některé systémy snižují budicí proud, aby umožnily vyšší otáčky při nižším dostupném momentu. Oslabování pole vyžaduje ochranu proti překročení otáček a ověřené mechanické limity. Ztráta buzení u motoru se samostatným buzením může způsobit nebezpečné překročení otáček, takže detekce ztráty buzení je funkční požadavek, nikoli volitelný alarm.

Jak pohon SCR řídí napětí kotvy

Tyristor SCR se po přivedení řídicího impulzu otevře a obvykle zůstává vodivý, dokud proud neklesne pod přídržnou hodnotu. V měniči napájeném ze sítě regulátor zpožďuje úhel sepnutí v každé periodě sítě. Změnou tohoto úhlu se mění průměrné stejnosměrné napětí dodávané do kotvy.

Jednokvadrantový můstek umožňuje motorický chod jedním směrem. Reverzace a rekuperační provoz vyžadují vhodnou topologii, například dvojitý měnič, a také řízení, které zabraňuje nežádoucímu cirkulačnímu proudu. Na konkrétním uspořádání záleží, protože reverzace pomocí stykačů není ekvivalentní elektronickému čtyřkvadrantovému řízení.

SCR měniče jsou osvědčené a dobře servisovatelné. Jejich omezení vyplývají z komutace na síťové frekvenci. Proud kotvy obsahuje nízkofrekvenční zvlnění, zejména při nízkém zatížení nebo nízkých otáčkách. Toto zvlnění může způsobovat pulzace momentu a slyšitelný hluk. Zpožděné spínání také snižuje účiník posunutí a deformuje vstupní proud. Třífázové napájení obecně poskytuje plynulejší výstup než jednofázový můstek, neodstraňuje však potřebu posoudit harmonické a stav sítě.

Jak PWM mění způsob řízení

PWM pohon rychle spíná tranzistory mezi stejnosměrnou sběrnicí a kotvou. Změnou střídy se mění průměrné napětí kotvy. Indukčnost motoru vyhlazuje značnou část proudu mezi impulzy, což umožňuje přesnější řízení proudu a plynulejší moment při nízkých otáčkách než u mnoha měničů pracujících na síťové frekvenci.

Regulátor proudu tvoří vnitřní regulační smyčku, protože proud kotvy představuje moment. Vnější regulátor otáček porovnává požadované a naměřené otáčky a následně požaduje proud potřebný k odstranění odchylky. Omezení proudu chrání motor a měnič při rozběhu, zablokování nebo rychlých změnách zatížení. Nastavení musí zachovat oddělení mezi rychlou proudovou smyčkou a pomalejší smyčkou otáček.

Střída řídí průměrné napětí kotvy; zpětná vazba proudu reguluje moment a omezuje elektrické namáhání.

Rekuperaci a brzdění je nutné sledovat jako tok energie

Rotující zátěž uchovává kinetickou energii. Přetěžující zátěž může také mechanicky pohánět motor. Při zpomalování musí tato energie někam směřovat. Nerekuperační regulátor může využívat dynamické brzdění, při němž se po odpojení napájení připojí kotva k rezistoru. Rekuperační regulátor vrací energii do sítě nebo do společné stejnosměrné sběrnice, pokud to jeho topologie umožňuje.

Označení čtyřkvadrantového provozu je nutné porovnat se skutečnou aplikací. Stroj může vyžadovat motorický chod vpřed, brzdění vpřed, motorický chod vzad a brzdění vzad, nemusí však v každém kvadrantu vyžadovat rekuperaci do sítě. Vypočítejte špičkový brzdný výkon, energii impulzu, četnost opakování a průměrné teplo. Ověřte odpor rezistoru, zatížení stykače, jmenovitou hodnotu chopperu a ochranu proti přehřátí.

Zpětná vazba rozhoduje o výkonu při nízkých otáčkách

Zpětná vazba napětí kotvy může poskytovat úspornou regulaci otáček, musí však odhadovat napětí ztracené na odporu kotvy. Tento odhad je při vysokém momentu a nízkých otáčkách méně přesný. Tachogenerátor nebo enkodér měří otáčky přímo a zlepšuje regulaci při změnách zatížení. Polaritu zpětné vazby je nutné otestovat při nízkém požadavku před aktivací smyčky; nesprávná polarita žene regulátor opačným směrem.

U systémů řízení tahu nemusí být řízenou veličinou samotné otáčky. Návrhu může dominovat výpočet průměru, omezení momentu, poloha tanečníku nebo zpětná vazba siloměru. Výměna starého pohonu bez pochopení těchto vnějších smyček může stroj destabilizovat, i když se motor správně otáčí.

Rizika modernizace přesahují údaje na typovém štítku

Modernizace ze SCR na PWM mění elektrické prostředí. Vysokofrekvenční spínání zvyšuje rušení vedením i vyzařováním a může kapacitní vazbou kabelu přenášet proud. Zkontrolujte vedení kabelů kotvy a zpětné vazby, zakončení stínění, pospojování rozvaděče, oddělení řídicího napájení a uzemnění. Neveďte kabeláž enkodéru ani tachometru souběžně se spínanými vodiči motoru.

Před uvedením do provozu zkontrolujte kartáče, povrch komutátoru, ložiska, izolaci buzení a ventilaci. Rychlejší regulátor může odhalit mechanickou vůli, opotřebované převody nebo slabý komutátor, které pomalejší původní systém toleroval. Při reprezentativním zatížení zaznamenejte zvlnění proudu, chybu otáček, jiskření kartáčů, teplotu motoru a vibrace.

Možnosti pohonů si můžete prohlédnout v sekci Pohony a řízení pohybu, zatímco sekvenční řízení stroje a blokovací podmínky zůstávají v sekci Systémy PLC a PAC.

Praktický rámec pro výběr

Porovnejte trvalý a špičkový proud kotvy, požadavky buzení, rozsah otáček, plynulost momentu, typ zpětné vazby, četnost reverzace, brzdnou energii, rekuperaci do sítě, podmínky v rozvaděči, vstupní harmonické, elektromagnetickou kompatibilitu, diagnostiku a dostupné servisní dovednosti. Zachovejte také stávající bezpečné zastavení stroje a chování blokovacích obvodů.

PWM je obvykle lepší volbou pro nový nízkonapěťový návrh vyžadující plynulé řízení při nízkých otáčkách a moderní diagnostiku. Funkční SCR systém však může být z hlediska údržby stále lepším rozhodnutím, pokud jeho výkon vyhovuje a náhradní díly i podpora jsou nadále dostupné. Správná modernizace je taková, která zlepší změřené omezení, aniž by vytvořila nová rizika v motoru, zpětné vazbě, uzemnění nebo brzdovém systému.