Sterowanie silnikami elektrycznymi

Około 45% globalnego zużycia energii elektrycznej jest powodowane przez silniki elektryczne (Światowy Kongres Energetyczny 2013). Potrzebują one dużo energii, jednakże są istotną częścią naszego codziennego życia. Możemy je spotkać niemal na każdym kroku w małych aplikacjach, takich jak urządzenia ADG, narzędzia czy też większych związanych z transportem oraz szeroko pojętym przemyśle.

Od czasu rozpoczęcia rewolucji przemysłowej silniki elektryczne stawały się coraz bardziej powszechne i były używane wszędzie tam, gdzie mogły zastąpić pracę ludzkich rąk. Spowodowało to, że nasze codzienne życie jest dużo wygodniejsze oraz łatwiejsze, a praca bardziej wydajna i opłacalna. Ale jakim kosztem?

Zużycie energii przez silniki a środowisko

We współczesnym świecie, gdzie ograniczana jest ilość wydobywanych paliw kopalnych w obawie o wpływ na środowisko naturalne, producenci wytwarzający swoje produkty za pomocą silników elektrycznych stoją przed dużym wyzwaniem. Brak możliwości szerszego użycia energii pochodzącej z odnawialnych źródeł oraz wzrost gospodarczy w Afryce, Azji i Ameryce Południowej połączony z ciągłym wzrostem populacji powoduje pogorszenie sytuacji na rynku energetycznym.

Na całym świece rządy opracowują nowe regulacje prawne mające na celu zmniejszenie zużycia energii w kolejnych latach. Świadomość konsumentów detalicznych w ostatnim czasie znacząco wzrosła, dzięki czemu szukają oni coraz bardziej wydajnych i energooszczędnych urządzeń. Dzieje się tak również z producentami poprzemysłowymi, którzy inwestują w coraz to nowsze i jeszcze bardziej wydajne rozwiązania technologiczne.

Miniaturyzacja silników

Oprócz zmniejszania poboru mocy, przed inżynierami stoi również kilka innych wyzwań związanych z zmniejszeniem całkowitych wymiarów silników oraz ich układów wspomagających, takich jak sterowniki, regulatory czy falowniki. Pralka wyposażona w większej pojemności bęben daje zwiększone możliwości dla konsumenta, jednakże musi ona nadal być standardowych rozmiarów. Wiąże się to bezpośrednio ze zmniejszeniem przestrzeni dla komponentów elektronicznych i elektrycznych, co następnie tworzy problem z odprowadzaniem ciepła. Dodanie dodatkowych systemów chłodzących powoduje jedynie zwiększenia poboru energii. Tak więc nowoprojektowane silniki powinny być dużo bardziej wydajne energetycznie, co doprowadzi zarazem do zmniejszania strat cieplnych.

Silniki w układzie otwartym i zamkniętym

Układem otwartym nazywamy układ, w którym sygnał wejściowy nie zależy od aktualnej wartości sygnału wyjściowego. Wartość prędkości silnika jest z góry zadana, jednakże może ona ulec zmianie pod wpływem różnych czynników.

Układem zamkniętym zwanym też układem regulacji nazywamy system, w którym występuje pętla sprzężenia zwrotnego a sygnał wyjściowy jest podawany do jednostki sterującej w celu dopasowania sygnału kontrolującego. Tak, więc gdy zadana prędkość silnika nie jest utrzymywana ze względu na obciążenie silnika sterownik dopasuje prędkość do wartości zadanej.

Silniki bezszczotkowe BLDC

Elvir Kahrimanovic - Senior Application System Engineer w firmie Infineon

Od bezprzewodowych narzędzi poprzez elektryczne rowery, automatycznie sterowane drony po automatykę przemysłową. Na każdym korku widzimy wzrastającą ilość aplikacji opartych na technologii bezszczotkowych silników BLDC. Pomimo tego, że wiąże się to z koniecznością użycia bardziej skomplikowanych układów sterujących niż w przypadku silników szczotkowych, rozwiązania oparte na technologii BLDC cechują się dużo większą wydajnością oraz gęstością mocy. To pozwala na użycie mniejszych, lżejszych oraz tańszych silników. Jednocześnie aplikacje BLDC są bardziej odporne na zużycie mechaniczne, co bezpośrednio wpływa na zwiększenie ich niezawodności, żywotności oraz ograniczenie akcji serwisowo - naprawczych. Silniki BLDC w porównaniu z wersjami szczotkowymi cechują się również dużo cichszą pracą.

Konstrukcja typowego silnika BLDC, nazywanego również niekiedy silnikiem z komutacją elektroniczną opiera się o 3-fazowy stojan, w którym znajdują się uzwojenia oraz wirnik z magnesami stałymi. Najprostszy układ sterownia takim silnikiem zawiera m.in. 3-fazowy falownik oraz czujnik położenia wirnika. Układ ten ma za zadanie sekwencyjne podawanie napięcia na uzwojenia stojana, w zależności od położenia oraz prędkości obrotowej wirnika. Wirujące pole elektromagnetyczne magnetyczne wytworzone przez stojan oddziałuje z magnesami stałymi znajdującymi się w wirniku wprawiając go jednocześnie w ruch. Ma to również bezpośredni wpływ na moment obrotowy oraz prędkość silnika.

Projektując urządzanie oparte na technologii BLDC, inżynierowie mogą zarówno wybierać pomiędzy pojedynczymi elementami dyskretnymi, jak również zintegrowanymi układami półprzewodnikowymi posiadającymi wiele istotnych funkcji z punktu widzenia samego napędu jak i układu jego sterowania.

Dowiedz się więcej z białej księgi Infineon pt. „Power Loss and Optimised MOSFET Selection in BLDC Motor Inverter Designs”

W dalszej części znajdują się informacje na temat innych rodzajów silników w tym szczotkowych DC oraz silnikach prądu zmiennego.

Polecane produkty z zakresu sterowania silnikami

Rodzaje silników elektrycznych

Silniki elektryczne są urządzeniami zdolnymi zamienić energię elektryczną w mechaniczną (ruch) za pomocą pola magnetycznego. Może je podzielić na dwie główne grupy: AC - prądu przemiennego oraz DC - prądu stałego.

Silniki DC zostały wynalezione wcześniej oraz posiadają prostszą konstrukcję. Są napędzane przez prąd płynący przez przewodnik wewnątrz pola magnetycznego, dzięki czemu powstaje moment obrotowy. Występują dwa główne typy tych silników: szczotkowe (brushed) oraz bezszczotkowe (brushless DC - BLDC). Silniki szczotkowe generują ruch poprzez podłączenie przeciwnych biegunów komutatora do zasilania w celu zmiany kierunku zasilania w momencie jego kontaktu ze szczotkami.

Jak sama nazwa sugeruje silniki bezszczotkowe nie zawierają szczotek, a zamiast nich mają magnesy stałe. To eliminuje konieczność użycia komutatora oraz szczotek. Silniki szczotkowe są prostsze oraz tańsze, jednakże wymagają większego nakładu pracy w ich utrzymaniu, które związane jest z czyszczeniem oraz wymianą szczotek. Silniki BLDC są zazwyczaj bardziej precyzyjne i wykorzystuje się je w aplikacjach wymagających precyzyjnego pozycjonowania, a ponadto ich dodatkową zaletą jest to, że są one praktycznie bezobsługowe. To wszystko wpływa na ich wyższą cenę, która może wzrosnąć, gdyż wymagają one drogich układów sterujących.

Silniki AC mogą być również podzielone na dwie główne grupy. Indukcyjne oraz synchroniczne, dodatkowo można jeszcze wyróżnić grupę silników liniowych.

Ogólnie rzecz ujmując, siniki AC składają się z dwóch podstawowych części: Stojana (statora) – zewnętrznej części stacjonarnej z uzwojeniami, który pod wpływem prądu zmiennego wytwarza wirujące pole magnetyczne oraz Wirnika – połączonego z wałem wytwarzającego również wirujące pole magnetyczne. Silniki liniowe z zasady działania są podobne do silników obrotowych, jednakże zamiast ruchu rotacyjnego wykonują ruch liniowy.

Silniki indukcyjne zostały tak nazwane ze względu na to, że moment obrotowy jest wytwarzany za pomocą indukcji elektromagnetycznej. Są one powszechnie znane jako silniki klatkowe lub pierścieniowe.

Silniki synchroniczne to silniki, w których prędkość wirowania wirnika jest synchronizowana z prędkością wirowania pola magnetycznego. W przeciwieństwie do silników indukcyjnych wymagają one wstępnego układu rozruchowego do rozpoczęcia swojej pracy.

Na co zwrócić uwagę przy wyborze silnika?

Kluczowymi kwestiami, na jakie należy zwrócić uwagę przy ich wyborze są: