SCR czy PWM? Wybór sterownika do szczotkowych silników prądu stałego

Szczotkowe silniki prądu stałego nadal są powszechnie stosowane w nawijarkach, wytłaczarkach, przenośnikach, stanowiskach testowych, wciągnikach i starszych maszynach produkcyjnych. Ich moment obrotowy zależy od prądu twornika, natomiast na prędkość wpływają przyłożone napięcie twornika i strumień pola. Ta zależność ułatwia zrozumienie silnika, ale nie oznacza, że każdy sterownik można stosować zamiennie.

Dwa typowe elektroniczne rozwiązania to sterowanie z wykorzystaniem tyrystorów krzemowych (SCR) komutowanych siecią oraz przełączanie tranzystorowe z modulacją szerokości impulsu (PWM). Oba rozwiązania mogą regulować średnie napięcie twornika. Różnią się jednak tętnieniami prądu, zachowaniem przy niskiej prędkości, wpływem na zasilanie wejściowe, możliwościami regeneracji, zakłóceniami elektromagnetycznymi i ryzykiem związanym z modernizacją.

Dobór napędu musi uwzględniać parametry twornika, konstrukcję uzwojenia wzbudzenia, sprzężenie zwrotne, cykl pracy, zmianę kierunku oraz kompletną ścieżkę energii podczas zatrzymywania.

Zacznij od obwodu silnika

Silnik z magnesami trwałymi nie ma oddzielnego zasilania pola. Silnik bocznikowy lub obcowzbudny wykorzystuje uzwojenie wzbudzenia, którego prąd wytwarza strumień. Silnik szeregowy działa jeszcze inaczej i rzadko nadaje się do bezpośredniej współpracy z uniwersalnym napędem prądu stałego. Przed wyborem sprzętu należy określić typ silnika, napięcie i prąd twornika, napięcie i prąd wzbudzenia, prędkość bazową, maksymalną dopuszczalną prędkość, stan izolacji oraz sposób chłodzenia.

Poniżej prędkości bazowej napęd zwykle steruje napięciem twornika, utrzymując znamionowe wzbudzenie. Powyżej prędkości bazowej niektóre systemy zmniejszają prąd wzbudzenia, aby umożliwić większą prędkość przy zmniejszonym dostępnym momencie obrotowym. Osłabianie pola wymaga ochrony przed nadmierną prędkością i potwierdzenia ograniczeń mechanicznych. Zanik wzbudzenia w silniku obcowzbudnym może doprowadzić do niebezpiecznego rozbiegania, dlatego wykrywanie zaniku pola jest wymaganiem funkcjonalnym, a nie opcjonalnym alarmem.

Jak napęd SCR steruje napięciem twornika

Tyrystor SCR zaczyna przewodzić po podaniu impulsu na bramkę i zwykle pozostaje w stanie przewodzenia, dopóki prąd nie spadnie poniżej prądu podtrzymania. W przekształtniku zasilanym prądem przemiennym sterownik opóźnia kąt zapłonu w każdym okresie sieci. Zmiana tego kąta zmienia średnie napięcie stałe dostarczane do twornika.

Mostek jednokwadrantowy umożliwia pracę silnikową w jednym kierunku. Zmiana kierunku i praca regeneracyjna wymagają odpowiedniej topologii, na przykład podwójnego przekształtnika, oraz sterowania zapobiegającego niepożądanemu prądowi cyrkulacyjnemu. Dokładna konfiguracja ma znaczenie, ponieważ zmiana kierunku za pomocą styczników nie jest równoważna elektronicznemu sterowaniu czterokwadrantowemu.

Przekształtniki SCR są sprawdzone i łatwe w serwisowaniu. Ich ograniczenia wynikają z komutacji z częstotliwością sieci. Prąd twornika zawiera tętnienia o niskiej częstotliwości, szczególnie przy małym obciążeniu lub niskiej prędkości. Tętnienia te mogą powodować pulsacje momentu i słyszalny hałas. Opóźniony zapłon zmniejsza również współczynnik mocy przesunięcia i odkształca prąd wejściowy. Zasilanie trójfazowe zapewnia zwykle gładsze napięcie wyjściowe niż mostek jednofazowy, ale nadal wymaga oceny harmonicznych i warunków sieciowych.

Jak PWM zmienia sposób sterowania

Napęd PWM szybko przełącza tranzystory między szyną prądu stałego a twornikiem. Zmiana współczynnika wypełnienia zmienia średnie napięcie twornika. Indukcyjność silnika wygładza znaczną część prądu między impulsami, umożliwiając dokładniejszą regulację prądu i płynniejszy moment przy niskiej prędkości niż w przypadku wielu przekształtników pracujących z częstotliwością sieci.

Regulator prądu jest wewnętrzną pętlą sterowania, ponieważ prąd twornika odpowiada za moment obrotowy. Zewnętrzny regulator prędkości porównuje prędkość zadaną i zmierzoną, a następnie żąda prądu potrzebnego do skorygowania uchybu. Ograniczenie prądu chroni silnik i przekształtnik podczas przyspieszania, zablokowania mechanizmu lub gwałtownych zmian obciążenia. Strojenie musi zachować rozdział między szybką pętlą prądu a wolniejszą pętlą prędkości.

Współczynnik wypełnienia steruje średnim napięciem twornika, a sprzężenie zwrotne prądu reguluje moment i ogranicza obciążenia elektryczne.

Regenerację i hamowanie należy analizować jako przepływ energii

Obciążenie będące w ruchu przechowuje energię kinetyczną. Obciążenie napędzające może również mechanicznie napędzać silnik. Podczas zwalniania ta energia musi zostać gdzieś odprowadzona. Sterownik nieregeneracyjny może wykorzystywać hamowanie dynamiczne, podłączając twornik do rezystora po odłączeniu zasilania napędowego. Sterownik regeneracyjny oddaje energię do sieci prądu przemiennego lub wspólnej szyny prądu stałego, jeśli pozwala na to jego topologia.

Oznaczenia czterokwadrantowe należy sprawdzać w odniesieniu do rzeczywistego zastosowania. Maszyna może wymagać pracy silnikowej do przodu, hamowania do przodu, pracy silnikowej do tyłu i hamowania do tyłu, ale niekoniecznie regeneracji do sieci w każdym kwadrancie. Należy obliczyć szczytową moc hamowania, energię impulsu, częstotliwość powtarzania oraz średnią ilość wydzielanego ciepła. Trzeba zweryfikować rezystancję rezystora, cykl pracy stycznika, parametry choppera i ochronę przed przegrzaniem.

Sprzężenie zwrotne decyduje o pracy przy niskiej prędkości

Sprzężenie zwrotne napięcia twornika może zapewnić ekonomiczną regulację prędkości, ale musi uwzględniać spadek napięcia na rezystancji twornika. Oszacowanie staje się mniej dokładne przy dużym momencie i niskiej prędkości. Prądnica tachometryczna lub enkoder mierzy prędkość bardziej bezpośrednio i poprawia regulację przy zmianach obciążenia. Przed włączeniem pętli należy przy niskiej wartości zadanej sprawdzić biegunowość sprzężenia zwrotnego; nieprawidłowa biegunowość powoduje działanie regulatora w niewłaściwym kierunku.

W układach kontroli naprężenia sama prędkość może nie być wielkością regulowaną. Kluczowe znaczenie mogą mieć obliczenia średnicy, ograniczenia momentu, położenie tancerza lub sprzężenie zwrotne z ogniwa obciążnikowego. Wymiana starego napędu bez zrozumienia tych zewnętrznych pętli może zdestabilizować maszynę, nawet jeśli silnik obraca się prawidłowo.

Ryzyko modernizacji wykracza poza dane znamionowe

Modernizacja z SCR do PWM zmienia środowisko elektryczne. Przełączanie z wysoką częstotliwością zwiększa emisję przewodzoną i promieniowaną oraz może powodować przepływ prądu przez pojemność kabli. Należy przeanalizować prowadzenie kabli twornika i sprzężenia zwrotnego, zakończenia ekranów, połączenia wyrównawcze szafy, separację zasilania sterowania i uziemienie. Nie należy prowadzić przewodów enkodera ani tachometru obok przełączanych przewodów silnikowych.

Przed uruchomieniem należy sprawdzić szczotki, powierzchnię komutatora, łożyska, izolację wzbudzenia i wentylację. Szybszy regulator może ujawnić luzy mechaniczne, zużyte przekładnie lub słaby komutator, które tolerował starszy, wolniejszy system. Należy rejestrować tętnienia prądu, uchyb prędkości, iskrzenie szczotek, temperaturę silnika i drgania przy reprezentatywnym obciążeniu.

Opcje napędów można przejrzeć w sekcji Napędy i sterowanie ruchem, natomiast sekwencjonowanie maszyny i obwody zezwoleń pozostają w zakresie Systemów PLC i PAC.

Praktyczne kryteria wyboru

Należy porównać ciągły i szczytowy prąd twornika, wymagania dotyczące wzbudzenia, zakres prędkości, płynność momentu, typ sprzężenia zwrotnego, częstotliwość zmiany kierunku, energię hamowania, regenerację do sieci, warunki pracy obudowy, harmoniczne wejściowe, kompatybilność elektromagnetyczną, diagnostykę oraz dostępne umiejętności serwisowe. Należy również zachować dotychczasowe bezpieczne zatrzymywanie maszyny i działanie blokad.

PWM jest zwykle lepszym wyborem w nowym projekcie niskonapięciowym wymagającym płynnego sterowania przy niskiej prędkości i nowoczesnej diagnostyki. Sprawny system SCR może jednak nadal być lepszą decyzją utrzymaniową, jeśli jego parametry są wystarczające, a wsparcie w zakresie części zamiennych pozostaje dostępne. Właściwa modernizacja to taka, która poprawia zmierzone ograniczenie, nie tworząc nowych zagrożeń w silniku, układzie sprzężenia zwrotnego, uziemieniu ani systemie hamowania.