Як проектувати двигуни нового покоління для зниження енерговитрат у промисловості

Перехід від двигунів з фіксованою швидкістю до двигунів з регульованою швидкістю зі зворотним зв’язком по положенню та струму відкриває шлях до значної економії електроенергії. Як показано у статті «Перспективи розвитку світової енергетики та проблема зниження викидів CO2», опублікованій у цьому номері журналу ЕКіС, якби всі розгорнуті промислові системи з приводом від електродвигунів працювали з максимальною ефективністю, це зменшило б глобальний попит на електроенергіюв світі на 10% ідо 2030 року скоротило б викиди CO2 на 2490 мегатонн.У цій статті показано переваги управління електродвигунами нового покоління на основі застосування енкодерів. (Енкодер або перетворювач кутових переміщень – це електронний пристрій, що дозволяє із заданою точністю виміряти різні пара- метри обертання валу електродвигуна або редуктора).

У світі останніми роками спостерігається стійкий та постійний перехід від традиційних електродвигунів, підключених до електромережі, до двигунів з інверторним приводом. Це істотна зміна в промисловому обладнанні, яке обертається, що вже зараз призвело до значної економії споживаної електроенергії за рахунок більш ефективного використання електродвигунів і кінцевого обладнання. Більш висока якість управління двигуном із приводами з регульованою швидкістю та системами із сервоприводом забезпечує покращену якість та синхронізацію для багатьох застосувань. Продуктивність та ефективність двигуна покращуються за рахунок використання силового інвертора, високоточного визначення положення та замкнутого зворотного зв’язку по струму або напрузі для силового каскаду, як по- казано на рис. 1? шляхом подачі на електродвигун напруги змінної частоти з використанням широтноімпульсної модуляції в інверторі. У стійкому стані або динамічних умовах, що повільно змінюються, таке рішення буде працювати досить добре, і багато приводів електродвигунів у застосуваннях з невисокою продуктивністю використовують управління швидкістю без зворотного зв’язку та без енкодера.

Рис. 1. Система управління електродвигуном з замкнутим зворотним зв’язком

Однак цей підхід має кілька недоліків, а саме:

• точність управління швидкістю електродвигуна обмежена через відсутність зворотного зв’язку
• низький ККД електродвигуна, оскільки управління струмом не може бути оптимізовано
• перехідна характеристика повинна бути обмежена, щоб електродвигун не втратив синхронізацію.

Енкодер у системі зі зворотним зв’язком відсте- жує швидкість і положення обертового валу електродвигуна. Оптичні та магнітні енкодери є найбільш широко використовуваними, як показано на рис. 2. У сервоприводах загального призначення енкодери використовуються для вимірювання положення валу, на основі якого визначається швидкість обертання приводу. У робототехніці та системах управління потрібне точне та повторюване положення валу. Оптичні енкодери складаються зі скляного диска з тонкими літографічними прорізами. Фотодіодні датчики виявляють зміну світла, коли воно проходить через диск або відбивається від нього.

Аналоговий сигнал з виходу фотодатчика посилюється та оцифровується, а потім передається на контролер інвертора. Магнітні енкодери складаються з магнітів, закріплених на валу електродвигуна. З виходу магнітного датчика знімаються синусоїдальний і косинусоїдальний аналогові сигнали, які посилюються таоцифровуються. Сигнальні ланцюги оптичного та магнітного датчиків наведені на рис. 2.

Рис. 2. Оптичний (а) та магнітний (б) энкодери

У сервоприводах загального призначення енкодери використовуються для вимірювання положення валу, на основі якого визначається швидкість обертання приводу. У робототехніці та системах управління потрібне точне та повторюване положення валу. Оптичні енкодери складаються зі скляного диска з тонкими літографічними прорізами. Фотодіодні датчики виявляють зміну світла, коли воно проходить через диск або відбивається від нього.

Аналоговий сигнал з виходу фотодатчика посилюється та оцифровується, а потім передається на контролер інвертора. Магнітні енкодери складаються з магнітів, закріплених на валу електродвигуна. З виходу магнітного датчика знімаються синусоїдальний і косинусоїдальний аналогові сигнали, які посилюються таоцифровуються. Сигнальні ланцюги оптичного та магнітного датчиків наведені на рис. 2.

Однооборотні енкодери вимірюють абсолютне положення валу електродвигуна в межах 360° після включення живлення. Положення валу двигуна можна визначити одразу. Багатооборотні енкодери включають підрахунок кількості оборотів на 360°. Інкрементні енкодери вимірюють положення щодо початкової точки обертання валу електродвигуна. Роздільна здатність  енкодера – це максимальна кількість положень, які можна визначити за один оберт валу двигуна в діапазоні 360°. Як правило, енкодери з найвищою роздільною здатністю використовують оптичну технологію, а енкодери з середньою роз- дільною здатністю використовують магнітні датчики. Резольвери (перетворювачі обертання) або датчики Холла використовуються в енкодерах з низькою і середньою роздільною здатністю. Більшість оптичних енкодерів є інкрементними. Повторюваність енкодера є ключовим показником того, наскільки точно енкодер повертається в те ж саме задане положен- ня. Це має вирішальне значення для роботів або об- ладнання для установки електронних компонентів при автоматичному складанні друкованих плат. На рис. 3 наведені порівняльні дані інкрементного та абсолютного енкодерів. В табл. 1 наведені ключові параметри енкодерів для різних застосувань.

Рис. 3. Порівняльні дані інкрементного та абсолютного енкодерів

На рис. 4 наведено приклад використання енкодера в робототехніці. Електродвигуни надають руху кожному зчленуванню (суглобу) робота-маніпулятора через прецизійні редуктори швидкості. Кути з’єднання робота вимірюються за допомогою прецизійного датчика кута повороту валу, де θm – кутова повторюваність повороту валу, і, як правило, додаткового датчика, встановленого на руці робота-маніпулятора, де θj – кутова повторюваність зчленування робота-маніпулятора. Для таких роботів повторюваність є одним із основних параметрів.

Таблиця 1. Основні параметри енкодерів

Порядок цієї величможе бути в субміліметровому діапазоні. Знаючи характеристики повторюваності, можна обчислити необхідні характеристики поворотного енкодера.

Рис. 4. Кутова повторюваність енкодера електродвигуна θm і енкодера на руці робота-маніпулятора θj з досяжністю у просторі L

Таблиця 2. Повторюваність енкодерів роботів і робота- системи у цілому

Для енкодера електродвигуна повторюваність визначається передатним числом редуктора G. Наприклад, у робототехнічних системах, наведених у табл. 2, для енкодера зчленувань (суглобів) потрібні характеристики повторюваності з роздільною здат- ністю від 20 до 22 біт, а для енкодера електродвигуна необхідна роздільна здатність від 14 до 16 біт.

Роботи для захоплення та розміщення деталей зазвичай використовуються для автоматизації в різ- них галузях, включаючи мікроелектронну промисловість. Для ефективності процесу автоматизації потрібен робот з високою точністю та повторюваністю виконання операцій. Точність, відтворюваність та ефективність досягаються за допомогою високопродуктивних прецизійних енкодерів електродвигунів. Окремий енкодер повинен мати більш високу точність, ніж система в цілому, оскільки для забезпечення досяжності у просторі робот може мати кілька суглобів руки-маніпулятора.

Дослідження, виконані фірмою Rockwell1 у галузі сервоприводів, енкодерів та їх комунікаційних портів, показують щорічне зростання трансіверів для зворотного зв’язку на 20%. Приймачі Single-Pair Ethernet, що підтримують обмін даними зі швидкістю 100 Мбіт/с по двох проводах відповідно до вимог стандарту IEEE 802.3dg 100BASE-T1L, в даний час знаходяться на стадії вивчення, а майбутні інтерфейси приводів кодувальників матимуть перевагу за рахунок малої затримки – трохи більше ніж 1.5 мкс. Це сприятиме зменшенню затримок у контурі керування.

Моніторинг стану роботів і машин, що обер- таються (Condition-based monitoring – CbM),  таких як турбіни, вентилятори, насоси і електродвигуни, дозволяє записувати дані про продуктивність цього обладнання в режимі реального часу, що дає можливість оптимізувати його профілактичне обслуговування. Цілеспрямоване профілактичне обслуговування на ранніх етапах життєвого циклу такого обладнання знижує ризик простою виробництва, що призводить до підвищення надійності, значної економії коштів та збільшення продуктивності виробництва загалом. Використання акселерометрів, наприклад, типу MEMS, розміщених безпосередньо в енкодері, забезпечує вібраційний зворотний зв’язок для машин, де контроль якості має вирішальне значення. У деяких застосуваннях, таких як верстати з ЧПУ, дані про вібрації, одержувані від енкодера та передані на сервопривід, можуть використовуватися для оптимізації продуктивності системи в режимі реального часу.

Замість оптичних енкодерів можна використовувати магнітні, робота яких досить надійна у місцях з підвищеною вологістю, забрудненням та пилом, тобто в умовах, коли оптичні енкодери мають велику похибку.

Для роботів та інших обертальними механізмів положення механічної системи має бути відоме на- віть у разі втрати живлення. Одна з основних втрат ефективності пов’язана  із втратою живлення. Вона призводить до тривалого простою обладнання у зв’язку з необхідністю переміщення системи в початковий стан та ініціалізації робота після раптового відключення живлення. У цьому випадку може бути використана магнітна пам’ять, яка не потребує живлення для запису числа обертів зовнішнього магніт- ного поля і знижує час простою.

Енкодери електродвигунів, що застосовуються в роботах і коботах, використовують АЦП з точністю від 16 до 18 біт, а в деяких випадках і 22-розрядні АЦП. Для прецизійних оптичних енкодерів положення необхідні високоточні АЦП з роздільною здатністю до 24 біт.

В цій статті ми зупинились на основних перевагах використання енкодерів при експлуатації електродвигунів. Сигнальні ланцюги сучасних ендкодерів будуть розглянуті у наступному номері журналу ЕКіС.

ВИСНОВКИ

На сьогодні у світовій промисловості використовується не менше 420 мільйонів електродвигунів різної потужності. За 2022 рік кількість електродвигуніву промисловості збільшилася ще на 50 мільйонів. Електродвигуни колишніх поколінь є основними споживачами електроенергії у промисловості – щонайменше 70%. Використання електродвигунів нового покоління з швидкістю обертання, що регулюється за допомогою енкодерів, дозволить суттєво знизити споживання електроенергії промислових підприємств, як мінімум на 10-15%. Поки що в промисловості застосовується не більше 30% електродвигунів нового покоління. Тому одним із основних напрямків зниження світових енерговитрат є оснащення підприємств електродвигунами нового покоління з енкодерами у зворотному зв’язку ланцюга управління.