Jak zasilać silnik indeksera?

W trakcie uruchamiania przekładni indeksacyjnej, z napędem elektrycznym, pojawia sie podstawowe pytanie “Panie jak to zasilać?”.

Najczęściej to pytanie odnosi się do stołu obrotowo podziałowego napędzanego przez przekładnię ślimakową z 3 fazowym silnikiem asynchronicznym.
Więc rozłóżmy temat na czynniki pierwsze i odpowiedzmy sobie na pytania:

1. Czy nie spale silnika zatrzymując go, a następnie włączając w każdym cyklu? 
2. Jakiego softstaru używać/ jak go dobrać?
3. Czy potrzebuję falownika?
4. Czym załączać silnik i co z bezpieczeństwem?

1. No to jak to jest z tym “paleniem” silnika.
Silnik stołu obrotowo podziałowego działającego w trybie indeksowania na żądanie jest wyłączany po tym jak stół zakończy indeksowanie i zatrzyma się (jest pozycjonowany w martwej strefie krzywki). Następnie włączany jest kiedy konieczny jest kolejny ruch.
Normalnym działaniem takiego urządzenia jest cykl, w którym przykładowo silnik pracuje poniżej 1s, następnie zatrzymuje się na 2-3 sekundy i ponownie jest włączany, aby stół wykonał kolejny cykl. Czy to nie jest śmiertelne dla silnika? 

Utarła się opinia (którą nawet ja wyniosłem z uczelnianych wykładów), że najgorsze co może być dla silnika to jego załączanie, bo powstają niekorzystne zjawiska dynamiczne, udary prądowe, przegrzewanie itd. Najlepiej, żeby silnik był raz włączony i pracował w trybie ciągłym, a jak już musimy go załączać to przez trójkąt-gwiazda, softstarty itd.
Warto jednak zauważyć, że silniki 3 fazowe asynchroniczne klatkowe występują w różnych wersjach. Niektóre z nich są zaprojektowane tak, aby dobrze radziły sobie z takimi przejściowymi stanami. Ba niektóre silniki nawet nie mogą pracować w trybie ciągłym.
Więc rozwiejmy sobie pierwszą watpliwość – dobrze dobrany silnik może pracować w trybie przerywanym.

2. Jak dobrać układ softstartu ?
Softstary są stosowane, żeby zniwelować 2 główne problemy w czasie rozruchu silnika:
a) udar prądowy, czyli chwilowe przeciążenie instalacji elektrycznej.
b) udar mechaniczny, czyli niekorzystne zjawiska dynamiczne układów mechanicznych (czyli po prostu “szarpanie” mechanizmami)
Zagadnienie doboru dobrego softstartu jest stosunkowo skomplikowanym tematem.
Ale w przypadku stołów obrotowo podziałowych szybko rozprawimy się z tym zagadnieniem.
Po prostu nie stosujemy softstartów. Stosujemy zwykły rozruch bezpośredni. W tym miejscu można by w sumie zakończyć temat, ale odpowiedzmy sobie na pytanie dlaczego?

a) stosowanie softstartu, aby zmniejszyć udar prądowy.
Już częściowo odpowiedzieliśmy na to pytanie. Silniki stosowane w tych układach są odporne na udary prądowe. Co jednak z resztą instalacji elektrycznej? Bez obaw, światło nie będzie przygasać na hali z każdym rozpoczęciem cyklu pracy maszyny.
Redukowanie udarów prądowych w instalacji ma sens dla silników o mocy od 5,5 kW w dodatku obciążonych przy rozruchu.
W stołach obrotowo podziałowych stosuje się zwykle silniki o mniejszych mocach zaczynając od 0,18kW (a czasami nawet mniej) do 3kW.  
W przypadku rzadko stosowanych silników o większej mocy stosuje się falowniki, głównie ze względu na to, że urządzenia o takich mocach zwykle wymagają dodatkowych możliwości ruchu, do czego jeszcze wrócimy w dalszej części wpisu.

b) stosowanie softstartu, aby zmniejszyć udar mechaniczny.
Przypomnijmy sobie, jak działa stół obrotowo podziałowy. W czasie pełnego cyklu krzywka wykonuje obrót o 360° z czego na obrocie o np. 270° następuje obrót tarczy stołu (w tej części zachodzą wszystkie zjawiska dynamiczne jak rozpędzanie i hamowanie) w pozostałej części obrotu krzywka ma strefę martwą, czyli popychacze są pozycjonowane, krzywka nadal się kręci bez obciążenia, stół wraz z całym obciążeniem stoi w miejscu cierpliwie czekając na kolejne indeksowanie. Właśnie w tym czasie następuje zatrzymanie silnika oraz jego ponowne uruchomienie.
Podsumowując, rozpędzanie i hamowanie realizowane jest przez krzywkę, która zgodnie ze swoją charakterystyką stopniowo obciąża obracający się silnik. Zarówno hamowanie jak i rozpędzane silnika odbywa się w strefie martwej krzywki, czyli bez jego obciążenia (nie licząc niewielkich oporów czy bezwładności wirnika silnika przekładni i krzywki). Przy normalnym rozruchu silnik wykonuje od kilku do nawet kilkuset obrotów bez obciążenia, po czym rozpędzony zostaje stopniowo obciążony przez krzywkę. Nie ma tu mowy o „szarpaniu” – zapewnia to kąt nachylenia krzywki.
Zwróćmy uwagę, że włączanie nieobciążonego silnika zmniejsza również udar prądowy.

No dobrze cały czas piszę o „nudnej” normalnej pracy, a co z przypadkami odbiegającymi od definicji normalnej pracy, takimi jak awaryjne zatrzymanie w czasie indeksowania?

Po pierwsze dobrze dobrany stół wytrzymuje obciążenia takie jak zatrzymanie awaryjne. Oczywiście każdy taki przypadek zmniejsza żywotność napędu i stół w czasie normalnej pracy nie powinien być zatrzymywany w niekontrolowany sposób w czasie indeksowania. Jednak awaryjne sytuacje, z założenia zdarzają się rzadko i zarówno mechanizm stołu jak i silnik poradzą sobie w tak trudnej sytuacji. W większości przypadków nie należy się tym zbytnio przejmować. Jeśli jednak mamy uzasadnione powody, żeby kontrolować dynamike sytuacji awaryjnych, to musimy już zastosować falownik.

3. Czy potrzebuję falownika?
Jak już wspomniałem kilkukrotnie o falowniku to odpowiedzmy sobie na pytanie kiedy uzasadnione jest jego stosowanie?

Falownik daje nam sporo możliwości.
a) pozwala na zmniejszenie prędkości pracy. 
To przydatna możliwość, która może być potrzebna np. po przezbrojeniu ze względu na technologię procesu wykonywanego na stole. Stół można dowolnie zwalniać – nie ma to negatywnego wpływu na jego żywotność. Znam przypadek automatu montażowego, w którym okazało się, że jeden z produktów był niemożliwy do montażu przy szybkim indeksowaniu. W jednej stacji były luźno składane elementy, a na kolejnej stacji odbywał się proces docisku powodujący zatrzaśnięcie się elementów. Okazało się, że podczas szybkiego indeksowania, elementy rozsypują się ze względu na przyśpieszenia. Problem dotyczył jednego z wariantów produktu. Rozwiązaniem okazało się spowolnienie indeksowania dla tego konkretnego produktu. Oczywiście przez to spadła wydajność procesu, ale proces montażu przebiegał poprawnie.
Spowalnianie bardzo przydaje się podczas prac serwisowych, gdzie możemy zwolnić maszynę w celu ułatwienia obserwacji procesu.
Podobnie po przezbrojeniu można wykonać kilka cykli wolniej, aby sprawdzić, czy proces przebiega prawidłowo.

a) zatrzymywanie silnika.
Falownik umożliwia nam kontrolowanie zatrzymania stołu w trakcie indeksowania. To nie powinna być czynność stanowiąca normalny cykl pracy. Ale może się okazać niezbędna np. przy przezbrajaniu maszyny gdzie fizycznie mamy możliwość przezbrojenia tylko pomiędzy stacjami roboczymi. Trzeba wtedy pamiętać o zwolnieniu silnika i łagodnym hamowaniu i rozpędzaniu tak, aby ograniczyć niekorzystne zjawiska dynamiczne, czyli po prostu, żeby nie obciążać nadmiernie stołu.

b) Przyśpieszenie pracy.
Jeśli falownikiem możemy spowolnić pracę silnika, to możemy ją też przyśpieszyć. Należy jednak pamiętać, że przyspieszanie stołu obrotowo podziałowego czy innej przekładni krzywkowej wiąże się ze zwiększeniem jej obciążenia. Dodajmy, że większość sił, jakie obciążają stół, zmieniają się z kwadratem prędkości. O ile spowolnienie w żaden sposób nie naraża krzywki na uszkodzenie, to zwiększanie prędkości może okazać się dla niej śmiertelne, w krótszej lub dłuższej perspektywie czasu. Dlatego przed przyśpieszeniem stołu warto ponownie przeliczyć jego obciążenie, aby upewnić się, że dalej pracujemy w bezpiecznym zakresie.

Natomiast wykorzystując falownik, w niektórych przypadkach, możemy skrócić cykl pracy maszyny bez dodatkowego obciążania stołu.  Ale to już temat na zupełnie inny wpis.

W przypadku stosowania falownika z silnikiem wyposażonym w hamulec elektromagnetyczny należy pamiętać o odpowiednim jego podłączeniu – o tym przeczytasz tutaj.