W artykule przedstawiono przegląd tendencji oraz kierunków rozwoju nowoczesnych elektrycznych napędów mechatronicznych w aspekcie podstawowych rozwiązań i cech wskazanych przez producentów lub oczekiwań użytkowników.

Przemysłowe maszyny, linie i gniazda produkcyjne muszą sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym m.in.: szybkości, elastyczności, niezawodności, ciągłości produkcji itp. Napędy mechatroniczne są stosowane w aplikacjach przemysłowych w wielu odmianach (m.in.: elektryczne, pneumatyczne, hydrauliczne lub hybrydowe systemy napędowe), funkcjonalnościach oraz konfiguracjach. Najbardziej obszerna grupa zastosowań obejmuje jednak aplikacje napędów elektrycznych różniących się konstrukcją oraz cechami użytkowymi. Istnieje jednak kilka wspólnych cech, które charakteryzują wszystkie elektryczne napędy mechatroniczne, mianowicie możliwość: zastosowania zaawansowanych metod programowania przebiegu ruchu w czasie (z jednoczesną kontrolą położenia i prędkości), szybkiej zmiany wartości parametrów procesowych (ramp, prędkości, kierunku obrotów), wzajemnego połączenia kilku napędów w celu realizacji złożonych ruchów [1-3].

Główne tendencje rozwojowe napędów mechatronicznych

Oszczędność energii jest pierwszym elementarnym celem postawionym przez producentów napędów mechatronicznych. Zmienił się jednak sposób podejścia do analizy energochłonności maszyn. Obecnie zwraca się uwagę na wszystkie elementy składowe aplikacji napędowych (tj.: przemienniki częstotliwości, silniki, motoreduktory, sprzęgła), których współdziałanie gwarantuje uzyskanie energetycznie sprawnego systemu napędowego. Eliminacja strat energii na poziomie elementów napędzanych pozwala na zmniejszenie rozmiaru silnika, przemiennika częstotliwości oraz szafy elektrycznej [4-6].
Wysoka wydajność napędów jest powiązana ze wskaźnikiem niezawodności, a także z krótszymi czasami przestojów i konserwacji. Wymienione cechy napędów zapewniają: lepszą tolerancję na naprężenia termiczne wynikające z przekroczenia czasu lub częstych rozruchów, większą zdolność eliminacji uszkodzeń wynikających z przeciążenia, odporność na anormalne warunki pracy (zaniki napięcia, przepięcia, asymetria faz itp.), wyższą tolerancję na zachwianie przebiegów napięcia i natężenia prądu zasilającego.
Kolejnym widocznym trendem jest kompleksowa personalizacja napędu do konkretnej aplikacji i wymagań klienta. Z drugiej strony pojawia się silne dążenie do wdrażania modułowych konstrukcji linii technologicznych i montażowych o dużym stopniu uniwersalności. Modułowe stanowiska z napędami mechatronicznymi cechują się łatwością konfiguracji, a dodatkowe zastosowanie standardów wymiany danych oraz uniwersalnych wtyczek zasilających pozwala na łatwą i szybką zmianę środowiska pracy.
Napędy elektryczne na obecnym etapie rozwoju charakteryzuje wysoka dynamika zmian parametrów procesowych oraz wydajności. Jednak w dalszym ciągu prowadzi się badania w dziedzinie rozwoju technologii układów napędowych, a szczególnie w zakresie [1-12]:

  • zwiększenia gęstości mocy systemów napędowych – wszystkie urządzenia pomocnicze (przekaźniki, przełączniki, bezpieczniki itp.), które zajmują znaczną przestrzeń, zostaną w przyszłości zintegrowane (integracja komponentów umożliwia zmniejszenie liczby części składowych, co wpływa na obniżenie kosztów, ale także zwiększenie niezawodności);
  • rozszerzania dostępnych odmian rozwiązań konstrukcyjnych – uwaga skupiona jest tutaj na nowych materiałach inżynierskich stosowanych do budowy komponentów aplikacji napędowych w różnych dziedzinach przemysłu;
  • zwiększenia wydajności silników przy zachowaniu niskiej masy – zagadnienie jest związane z koniecznością zwiększania prędkości znamionowej silników, co wymaga zmian konstrukcji wirników, łożysk oraz sposobu chłodzenia;
  • zwiększenia odporności na przeciążenia termiczne;
  • zastosowania inteligentnych sterowników, dedykowanych funkcji lub inteligentnych silników (celem inteligentnego silnika jest integracja energoelektroniki bezpośrednio z silnikiem elektrycznym; taka konstrukcja prowadzi do minimalizacji liczby przewodów, a tym samym zmniejszenia kosztów i wymiarów gabarytowych, a także upraszcza instalację elektryczną);
  • integracji czujników ze sterownikami silników napędowych;
  • zmian konstrukcji wirników mających na celu zwiększenie efektywności chłodzenia;
  • wprowadzania zmian w procesach produkcji silników elektrycznych (zwłaszcza laminacji rdzeni silników).

Rozwój technologii układów konwersji energii napędów o zmiennej prędkości VSD (ang. Variable Speed Drives) jest często napędzany przez innowacje w przełącznikach energoelektronicznych [7]. Nowe technologie tranzystorów IGBT z innowacyjnymi obudowami gwarantują uzyskanie niezawodnych urządzeń o najwyższym stopniu integracji i niskich stratach mocy, które charakteryzują się jednocześnie: wysoką efektywnością energetyczną, jakością i stabilnością pracy, modułowością oraz skalowalnością.
Producenci nie pomijają aspektów bezpieczeństwa oraz związanej z nim diagnostyki. Wielu dostawców aplikacji napędowych włącza do cech napędów rozwiązania IoT (ang. Internet of Things). Funkcjonalności systemu IoT są głównie stosowane w celu: poprawy niezawodności pracy aplikacji napędowych, szybkiego dostępu do danych procesowych oraz zmniejszenia czasu potrzebnego na diagnostykę układu napędowego. W przypadku rozwiązań IoT każdy silnik elektryczny wyposażony jest w jeden czujnik lub wiele czujników, które są połączone (najlepiej bezprzewodowo) z centralną bazą danych, która nieustannie gromadzą dane o stanie silników. Baza może używać sztucznej inteligencji AI
(ang. Artifical Intelligence) do procesu uczenia normalnego stanu pracy każdego z silników, a następnie może wygenerować natychmiastowe ostrzeżenia, gdy wystąpią odchylenia od normatywnego zakresu parametrów [6, 11, 12].
Kolejnym celem jest opracowanie inteligentnych jednostek napędowych połączonych w zdecentralizowany system sterowania, w którym wiele napędów współdzieli funkcje kontrolne oraz diagnostyczne (możliwość wzajemnego zastępowania się wadliwych lub uszkodzonych napędów). Zaletą takiej konfiguracji jest możliwość eliminacji centralnych sterowników PLC na korzyść dystrybucji zadań przez rozproszone układy sterowania silników napędowych.
Szeroko rozwijanym aspektem jest miniaturyzacja systemów napędowych. Postępująca miniaturyzacja jest możliwa przede wszystkim dzięki ciągłemu rozwojowi materiałów półprzewodnikowych i zastosowaniu zaawansowanych technik chłodzenia.
Do nowości należą systemy okablowania przewodów zasilających i silnikowych napędów o wysokich wartościach mocy. Przyłącza do przemienników częstotliwości są połączone na oddzielnym cokole przykręconym do podłogi. Po wykonaniu kompletnego systemu okablowania sterownik napędu zostaje umieszczony na postumencie, a następnie jest zablokowany w odpowiednim położeniu.

Podsumowanie

Dalszy rozwój mechatronicznych aplikacji napędowych został ukierunkowany na ich zastosowanie w realiach Przemysłu 4.0. Coraz częściej spotykane są aplikacje z zaawansowanymi algorytmami sterowania silników napędowych, wśród których często spotykane są rozwiązania oparte na metodach sztucznej inteligencji. Nowością są także systemy wspomagania diagnostyki układów napędowych, które zawierają coraz częściej zestaw podpowiedzi służących do rozwiązania problemów zidentyfikowanych uszkodzeń lub awarii.

Piśmiennictwo
    1. www.csemag.com.
    2. www.bonfiglioli.com.
    3. www.sew-eurodrive.de.
    4. www.hannovermesse.de.
    5. www.conexpoconagg.com.
    6. www.abb.com.
    7. www.qorvo.com.
    8. www.industry.siemens.com.
    9. www.toshiba.com.
    10. www.nidec.com.
    11. www.rockwellautomation.com.
    12. www.ge.com.
fot. iStock

W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij