Przetwornice częstotliwości w napędach mechanizmów suwnic
Cz. II. Precyzyjne przemieszczanie ładunku 

W wielu zastosowaniach suwnic bardzo istotną kwestią jest zapewnienie dużej dokładności ruchów poszczególnych mechanizmów w celu bezpiecznego i skutecznego transportu ładunku. 

Zarys problemu

Często podczas montażu i demontażu urządzeń w czasie produkcji bądź remontów występuje potrzeba przemieszczania wielkogabarytowych, ciężkich elementów. Szczególnie ważna jest możliwość precyzyjnego manewrowania ładunkiem w płaszczyźnie poziomej i pionowej pomiędzy innymi urządzeniami na hali lub wewnątrz produkowanej lub remontowanej maszyny. Wysoką użyteczność i bezpieczeństwo obsługi zapewniają suwnice pozwalające na dobieranie przez operatora prędkości odpowiedniej do warunków, a więc mające sterowanie wielobiegowe lub bezstopniowe, startujące i hamujące w sposób łagodny i bez szarpnięć.

Newralgicznym momentem jest posadowienie przenoszonego ciężaru dokładnie w wymaganym miejscu, bez szarpnięć i z minimalną prędkością, z zachowaniem pełnej kontroli. Wystąpienie drgań pionowych lub wahania ciężaru o dużej bezwładności w ostatniej fazie, tuż przed kontaktem z podłożem, może w wielu przypadkach spowodować zniszczenie dopasowywanych elementów. Oprócz konieczności zapewnienia odpowiedniej sztywności konstrukcji suwnicy i odpowiednio dobranych przełożeń w mechanizmach napędowych i układzie linowym, precyzję i pełną kontrolę nad ciężarem możemy osiągnąć stosując przetwornice częstotliwości do zasilania silników tych mechanizmów.

Rys. 1. Suwnica [1]

Rys. 2. Suwnica [2]

Możliwe rozwiązania

W popularnych rozwiązaniach klasycznych przyrost  prędkości następuje skokowo, co może powodować wahania i szarpnięcia przenoszonego ciężaru. Minimalne przemieszczenie ładunku jest możliwe o pewną określoną odległość, wynikającą z dynamiki napędu, przełożeń, znamionowej prędkości silnika na pierwszym biegu oraz charakterystyki pracy hamulców. W napędach mechanizmów podnoszenia dochodzi jeszcze problem z kontrolą ciężaru w chwili zamykania hamulców, kiedy siła hamowania jeszcze nie osiągnęła maksimum, a moment silnika jest już wyłączony. 

Poprzez zastosowanie przetwornicy częstotliwości i właściwe dobranie wartości odpowiednich parametrów w jej oprogramowaniu możemy uzyskać:

• zmniejszenie minimalnego przemieszczenia i minimalnej prędkości przemieszczania w stosunku do prędkości osiąganych w rozwiązaniach klasycznych, 
• łagodne przyspieszanie i zatrzymywanie, 
• przy uwzględnieniu odpowiednich manipulatorów sterujących, pracę z wieloma prędkościami wybieranymi skokowo lub bezstopniowo, bądź pracy dwubiegowej z możliwością wyboru mikroprędkości.

Dodatkowo w mechanizmach napędów podnoszenia przetwornica umożliwia zwiększenie kontroli ciężaru w chwili otwierania i zamykania hamulca, monitorując osiągnięcie odpowiedniego poziomu prądu, momentu i prędkości obrotowej silnika, warunkujących bezpieczne otwarcie hamulca i utrzymanie ciężaru. Przetwornica steruje pracą hamulca. Zwiększa się dynamika reakcji na obciążenie przy jednoczesnym kontrolowanym łagodnym przyroście prędkości od momentu otwarcia hamulca do momentu osiągnięcia zaprogramowanej prędkości pierwszego biegu. Ciężar przemieszczany jest bez szarpnięć. 

Ważnym elementem bezpieczeństwa jest w przetwornicy funkcja monitoringu działania hamulca poprzez styk pomocniczy zabudowany w hamulcu. W odpowiedniej konfiguracji połączeń i oprogramowania przetwornica unieruchomi silnik, jeśli hamulec nie otworzy się oraz zablokuje napęd zgłaszając błąd, jeśli zamknięcie hamulca z powodu uszkodzenia lub zużycia nastąpi z opóźnieniem.

Jeszcze większa precyzja

W podstawowym i najprostszym układzie pracy przetwornicy częstotliwości, czyli tzw. układzie w otwartej pętli sterowania, bez sprzężenia prędkościowego – przetwornica steruje silnikiem bez zwrotnego pomiaru prędkości obrotowej silnika - możliwe jest osiągnięcie minimalnej prędkości napędu pod obciążeniem znamionowym na poziomie 1/8 do 1/10 prędkości znamionowej silnika indukcyjnego (w zależności od mocy silnika, typu i producenta zastosowanej przetwornicy).

W bardzo wymagających, precyzyjnych zastosowaniach może być konieczne uzyskanie jeszcze mniejszych prędkości i jeszcze lepszej kontroli ciężaru w momencie otwierania i zamykania hamulca, w szczególności w mechanizmie podnoszenia.

Budując układ o zamkniętej pętli sterowania z enkoderem przyrostowym jako czujnikiem prędkości obrotowej i kierunku obrotów, sprzężonym z wałem silnika i podłączonym do specjalnego wejścia w przetwornicy częstotliwości,  otrzymujemy możliwość wykorzystania dokładniejszego algorytmu wewnętrznego pracy przetwornicy o lepszej kontroli i regulacji i prędkości obrotowej silnika, a w konsekwencji zminimalizowaną prędkość przemieszczania ładunku - bliską zera. Uzyskujemy także pełną kontrolę nad ciężarem przy otwieranym hamulcu i zerowej prędkości obrotowej, dysponując do 200% momentu znamionowego silnika. 

Dodatkowo przetwornica częstotliwości testuje i monitoruje pracę enkodera. Unieruchomi napęd w przypadku awarii enkodera lub uszkodzenia sprzęgu mechanicznego enkoder-silnik. Inną cechą poprawiającą bezpieczeństwo jest zgłoszenie alarmu, gdy hamulec mechanizmu podnoszenia uległby zużyciu i nastąpiło minimalne opuszczanie ciężaru po zamknięciu hamulca.

Podsumowanie

Zastosowanie przetwornic częstotliwości daje duże możliwości w kształtowaniu walorów użytkowych i poprawie bezpieczeństwa pracy suwnic. Dlatego od lat znajdują szerokie zastosowanie w napędach urządzeń dźwignicowych. Ciągły spadek cen przetwornic częstotliwości oraz znaczna poprawa funkcjonalności i niezawodności wpływa na ich coraz większą popularność. Umiejętny dobór typu przetwornicy oraz odpowiednie sparametryzowanie funkcji programowych pozwala w pełni przystosować suwnicę do specyfiki konkretnego zastosowania.

Literatura

[1] Dokumentacja wewnętrzna Przedsiębiorstwa HAK