Как выбрать привод станка ЧПУ


Использование наиболее подходящего драйвера для двигателя позволяет добиться максимальной эксплуатационной надежности привода, а также снизить энергопотребление, поэтому очень важно правильно выбрать привод станка.

Электрические приводы, используемые в промышленном оборудовании, потребляют огромное количество энергии. Практически любая автоматизированная операция на производстве — от упаковки и наклеивания этикеток до перемещения заготовок с помощью робота — требует использования хотя бы одного электрического привода. Таким образом, при подборе интеллектуальных и интегрированных драйверов инженерам необходимо учитывать эти энергозатраты. 

Энергоэффективность привода определяется множеством факторов, поэтому для того, чтобы выбрать оптимальный драйвер, используются достаточно сложные методы. Однако, конструкторы и инженеры упрощают эту задачу, применяя аналитический подход к оценке механики и энергопотребления приводов. Нижеприведенное пошаговое руководство поможет вам правильно определить конструкцию и типоразмер привода, а также подобрать драйвер, позволяющий реализовать максимально энергоэффективную систему. (См.также "Какова разница между мотором и драйвером?") 


Анализ и сравнение драйверов


В общем случае, полноценный привод состоит из механических и электрических/электронных компонентов. С учетом этого, можно рассчитать общую энергоэффективность системы, а также объем выброса CO2 и связанные с этими факторами производственные издержки. Кроме того, можно оценить потенциальную экономию электроэнергии и снижение затрат за счет использования системы рекуперативного торможения вместо тормозного резистора. Другим важным фактором достижения максимальной эффективности привода является выбор компонентов, параметры которых точно соответствуют конкретной задаче. При этом компоненты привода не должны быть переразмеренными, равно как не должны подвергаться перегрузкам.

1привод.jpg

Многоскоростные двигатели, совпадающие по типоразмерам с двигателями классов энергоэффективности IE1 и IE2, генерируют более высокую мощность на валу, позволяя инженерам использовать двигатели меньшего типоразмера для той же выходной мощности.

Оценка энергоэффективности проводится с использованием специального программного обеспечения, позволяющего определить характеристики привода для конкретного целевого применения. Такой подход позволяет предотвратить использование переразмеренных моторов и драйверов. 

Кроме того, существует конструкторское программное обеспечение, которое моделирует различные режимы работы, оценивает энергопотребление и дает рекомендации по использованию определенных компонентов. Это же ПО проводит так называемый «энергетический аудит», который показывает энергопотребление отдельных компонентов привода. Имея под рукой результаты аудита, конструктор может провести пошаговое сравнение характеристик механических и электрических/электронных компонентов привода.
 

Универсальность энергоэффективных драйверов


Правильно выбранный драйвер дает конструктору широкий простор, чтобы выбрать шаговый двигатель надлежащего типоразмера и достаточной мощности, а также позволяет отказаться от более дорогостоящих и менее эффективных моторов. Классические трехфазные двигатели переменного тока имеют прямую зависимость между типоразмером и эффективностью. В результате, конструктор сталкивается с проблемой размещения больших двигателей в корпусе оборудования и другими трудностями. Например, более крупные роторы имеют большую инерцию, что влечет за собой повышенное энергопотребление при изменении частоты вращения. 

Для стандартного четырехполюсного трехфазного двигателя переменного тока оптимально использовать питание с частотой 120 Гц, поскольку оно позволяет добиться максимальной выходной мощности, наилучших динамических характеристик, широкого диапазона частоты вращения и высокой энергоэффективности. Многоскоростные двигатели не только обеспечивают широкий диапазон частот вращения и имеют высокий КПД, но и позволяют снизить расходы благодаря максимальному энергосбережению. Большинство многоскоростных трехфазных двигателей с частотой 120 Гц было разработано в первую очередь для повышения КПД и улучшения энергосберегающих характеристик.  

Компактные многоскоростные двигатели переменного тока с частотой сети 120 Гц позволяют экономить пространство и особенно востребованы для оборудования, в котором требуется переменная частота вращения вала. Такие двигатели более эффективны, нежели двигатели класса IE2, и позволяют регулировать частоту вращения в диапазоне 24:1. К примеру, регулировка частоты вращения обычных двигателей может осуществляться в диапазоне 3:1. Поскольку двигатели с частотой сети 120 Гц имеют более широкий диапазон частот вращения, они могут использоваться в оборудовании, в котором один двигатель должен обеспечивать работу на различных частотах вращения с постоянным крутящим моментом. 

В конечном счете, потребителям важны надежность и доступность двигателя. Например, для автоматизированных складов очень важно обеспечить высокую пропускную способность, плотность размещения и энергоэффективность, поскольку это обеспечивает снижение расходов. При этом оборудование должно иметь максимально гибкие регулировки. Двигатели переменного тока с частотой 120 Гц обеспечивают все необходимые для этого характеристики и могут использоваться в оборудовании различных целевых назначений. Эти компактные трехфазные двигатели могут использоваться в энергоэффективных приводах без необходимости внесения дорогостоящих изменений в конструкцию оборудования. 

2привод.jpg

Асинхронные двигатели, оптимизированные для работы в приводе с регулируемой частотой вращения, обеспечивают постоянный крутящий момент в более широком диапазоне скоростей в сравнении со стандартными двигателями. 

Асинхронные исполнения многоскоростных двигателей с частотой 120 Гц, оптимизированные для работы с инвертором, могут быть на 2 типоразмера меньше по сравнению со стандартными двигателями класса IE2, имеющими схоже характеристики. Кроме того, такие двигатели отличаются меньшей инерционностью ротора, поскольку он имеет меньшие размеры и массу. Это позволяет добиться более быстрого динамического отклика, благодаря чему двигатель в состоянии разогнаться с 0 до 3500 об/мин всего за 500 мсек.

Новые высокопроизводительные устройства транспортировки и хранения позволяют максимально быстро перемещать товары по складу. Энергоэффективный привод и система управления обеспечивают необходимые для этого динамические характеристики. Применение в конструкции композитных материалов в качестве замены металлических значительно снижает нагрузку, в результате чего масса привода может быть заметно уменьшена, что в свою очередь дает возможность использования валов меньших диаметров. Сниженная нагрузка и инерционность, а также применение синхронных серводвигателей позволяют добиться выдающих скоростных характеристик для устройств транспортировки и хранения. 


Эффективное преобразование энергии


Самая дорогая энергия — это неиспользованная энергия. Многие устройства с электрическими приводами требуют частого разгона и торможения. Таким образом, правильная организация процесса торможения может значительно повысить КПД устройства. В фазу ускорения или подъема груза электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию, часть которой подлежит преобразованию при торможении привода или опускании груза. Эта энергия зачастую преобразуется в тепло, генерируемое в тормозных резисторах и абсолютно неиспользуемое. В некоторых устройствах существует возможность перенаправления этой энергии в другие части привода или кратковременного накопления в конденсаторах с последующим повторным использованием освобожденной энергии в питающих цепях устройства. Рекуперированная энергия является наиболее полезной и экономически выгодной при мощностях свыше 5 кВт, однако экономия энергии в данном случае является всего лишь номинальной. 

Механическая энергия, генерируемая электроприводом, должна использоваться в автоматическом режиме с целью максимально эффективного использования. Более трети новых трехфазных двигателей переменного тока предназначены для работы с инверторами с электронным управлением. Преимущества таких двигателей становятся более очевидными в узлах, включающих в себя редукторы и инверторы. Сочетание высокоэффективного редукторного двигателя переменного тока с устанавливаемым на нем децентрализованным инвертором обеспечивает простоту и необходимую энергоэффективность системы, а также избавляет от необходимости использования шкафа управления. 

При использовании стандартной схемы размещения устройств в шкафу, компактные децентрализованные инверторы позволяют минимизировать требования к габаритам шкафов. Децентрализованные драйверы имеют малую высоту, монтируются непосредственно на двигателе и могут быть дополнены редуктором для достижения КПД от 92 до 98%.


Расчет энергосбережения


Введение класса энергоэффективности IE2 привело к развитию инверторов, позволяющих добиться высоких показателей эффективности без потерь производительности. К примеру, многие децентрализованные инверторы адаптируют токи намагничивания мотора к текущим потребностям, в результате чего снижаются потери, особенно при частичной загрузке. В свою очередь, это увеличивает эффективность и снижает энергопотребление на величину до 30%. 

3привод.jpg

Многоскоростные двигатели обеспечивают широкий диапазон частот вращения и высокий КПД с одновременным снижением энергопотребления и связанных с ним затрат. Электрические обмотки этих двигателей оптимизированы под номинальный ток с напряжением 380 В и частотой 120 Гц, при номинальной частоте вращения 3500 об/мин, при этом сохраняется максимальная гибкость регулировки. Такие двигатели имеют относительно небольшие размеры, высокий КПД и могут использоваться в сочетании с двухступенчатым коническим редуктором с КПД 96%, имеющим легкий алюминиевый корпус и высокоточные зубья повышенной износостойкости.

Большинство специалистов по электрике и электронике соглашаются, что синхронные двигатели с постоянными магнитами соответствуют стандарту эффективности IE3. Децентрализованные драйверы могут запускать эти двигатели без необходимости обеспечения обратной связи. Такая реализация также позволяет использовать разомкнутую систему управления в некоторых устройствах с позиционированием. Возможность сэкономить на обратной связи является несомненным плюсом таких драйверов. 

В качестве наглядного примера рассмотрим центр распределения продуктов питания, в котором задействовано 10000 двигателей с редукторами и драйверами. Для такой системы достаточно приблизительно рассчитать общие затраты, связанные с двигателями, чтобы подчеркнуть важность правильного подбора типоразмеров. 

Предположим, что в этом центре используются только двигатели  выходной мощностью 2 кВт, которые при полной нагрузке имеют КПД 84% и соответствуют классу энергоэффективности IE2. Каждый двигатель потребляет мощность, равную 2000/0.84 = 2381 Вт. Таким образом, каждый из двигателей будет потреблять 57 кВт*ч энергии в сутки. Если принять стоимость за 1 кВт*ч, равную $0.10, то стоимость энергии для работы каждого двигателя за сутки составит $5.70. Если правильный подбор типоразмеров двигателей и использование мехатронных модулей позволит повысить эффективность хотя бы на 1%, центр будет экономить ежедневно $570 на электричестве.

4привод.jpg

Децентрализованные драйверы, имеют малую высоту, монтируются непосредственно на двигателе и могут быть дополнены редуктором для достижения КПД от 92 до 98%. Такая реализация позволяет напрямую передавать энергию двигателю с минимальными потерями и значительной экономией пространства.

Правильно подобранные приводы значительно упрощают жизнь и очень ценятся конечными потребителями. Для выполнения корректного подбора двигателя необходимо понимать принцип работы вашего оборудования, а также знать, какие технологии следует применить для достижения максимальной эффективности эксплуатации. Таким образом, при разработке автоматизированной системы необходимо сотрудничать с компаниями, имеющими богатый опыт в производстве компонентов и построении полноценных систем. Такой подход гарантирует эффективность совместной работы аппаратной части и программного обеспечения, будь то многокомпонентная система, отдельный узел оборудования или комплекс оборудования на крупном производственном предприятии.

Если данная статья не помогла вам выбрать привод для станка, обратитесь к нашим специалистам по почте info@darxton.ru