Przetwornice częstotliwości w napędach mechanizmów suwnic

Zastosowanie przetwornic częstotliwości w napędach mechanizmów suwnic daje bardzo wymierne korzyści – zapewnia poprawę bezpieczeństwa pracy poprzez lepszą kontrolę ruchów suwnicy oraz precyzję i ergonomię obsługi, zwiększa niezawodność pracy i trwałość mechanizmów, minimalizując tym samym przeciążenia dynamiczne ich konstrukcji, związane z gwałtownym startem
i zatrzymaniem (rys. 1).

Rys. 1. Suwnice z układami sterowania radiowego [1]
(źródło: fragment dokumentacji wewnętrznej – Przedsiębiorstwo HAK Sp. z o.o.)

Przetwornice częstotliwości pozwalają na dobrą współpracę suwnicy z zewnętrznymi układami sterowania automatycznego, co spotkać można m.in. w suwnicach technologicznych, wykonujących złożone sekwencje precyzyjnych ruchów.

Istnieje także możliwość zabudowy specjalistycznego sterownika wewnątrz przetwornicy, który dodatkowo znacznie zwiększa jej możliwości i funkcjonalność, np. funkcja precyzyjnego pozycjonowania mechanizmów suwnicy lub funkcja przeciwdziałająca wahaniu ciężaru.

W typowym układzie pracy suwnicy podstawowe układy napędowe – napęd jazdy mostu suwnicy, napęd jazdy wciągarki oraz mechanizm podnoszenia zasilane są bezpośrednio napięciem sieciowym. Sterowanie prędkością odbywa się skokowo poprzez wybór jednego z uzwojeń w silniku dwubiegowym bądź poprzez przełączanie oporników w obwodzie wirnika silnika pierścieniowego.

Przetwornica częstotliwości jest urządzeniem elektronicznym mocy, pozwalającym płynnie i w szerokim zakresie przekształcać falę napięcia o częstotliwości sieci zasilającej w przebieg napięcia o innej częstotliwości, co z kolei umożliwia regulację i precyzyjny dobór prędkości obrotowej silnika indukcyjnego – od zera do prędkości większych od prędkości znamionowej. Zaawansowany algorytm wewnętrzny przetwornicy częstotliwości, dzięki płynnej regulacji częstotliwości pracy napędów, pozwala na ich kontrolowany rozruch i zatrzymanie, z dużym, stałym momentem napędowym bez występowania szarpnięć mechanicznych i dużych udarów prądowych w sieci zasilającej, które pojawiają się w przypadku napędów klasycznych.

Przetwornice częstotliwości to nowoczesne rozwiązania, coraz częściej występujące w urządzeniach współcześnie produkowanych, mogące także stanowić bazę przy modernizacji suwnic już istniejących, zastępując układy stycznikowe i opornice, a pozwalając na pozostawienie zabudowanych silników, w tym silników pierścieniowych.

Wyżej wymienione cechy i zalety zastosowania przetwornic częstotliwości w mechanizmach napędowych suwnic, oprócz przewagi technicznej nad rozwiązaniami stycznikowymi, przekładają się pośrednio na spore korzyści finansowe, uzyskane w czasie eksploatacji urządzeń, związane z mniejszym zużyciem mechanizmów, mniejszymi kosztami konserwacji, lepszą ergonomią
i bezpieczeństwem pracy. Odpowiednio dobrane i zastosowane układy napędowe z przetwornicami częstotliwości cenowo mogą być porównywalne bądź nawet tańsze od rozwiązań klasycznych.

Bardzo ciekawą opcją, w świetle obowiązującej obecnie polityki ekologicznej i powszechnego dążenia do obniżenia kosztów zużycia energii elektrycznej, dzięki zastosowaniu przetwornic częstotliwości w specjalnym wykonaniu pojawia się możliwość odzyskania energii elektrycznej z układów napędowych suwnic (będących w fazie pracy generatorowej), czyli z napędów jazdy znajdujących się w fazie hamowania, bądź z napędu wciągarki podczas fazy opuszczania przenoszonego ciężaru. Odzyskana energia jest przetwarzana w celu dostosowania jej parametrów do parametrów sieci energetycznej, a następnie zwracana do sieci energetycznej, poprawiając w ten sposób bilans zużycia energii.

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.

Bibliografia:

[1] Dokumentacja wewnętrzna – Przedsiębiorstwo HAK Sp. z o.o.

Podobne publikacje