Czwartek, 18 marca 2010

Napędy i silniki prądu przemiennego - raport techniczno-rynkowy

Duże koncerny i lokalni dystrybutorzy, kompaktowe urządzenia niewielkich mocy i zaawansowane, modularne przemienniki częstotliwości, specjalizowane zastosowania i konkurencyjny rynek aplikacji przemysłowych - taki, pełen kontrastów, jest obraz krajowej branży napędów i silników elektrycznych. Na rynku tym działa wielu dostawców zagranicznych i lokalnych, w tym krajowi producenci, którzy oferują urządzenia i systemy napędowe oraz usługi z nimi związane.

Napędy i silniki prądu przemiennego - raport techniczno-rynkowy

W raporcie omawiamy stan tytułowej branży i zmiany w technologiach niskonapięciowych przemienników częstotliwości oraz silników prądu przemiennego niskich i średnich mocy. Publikacja, oprócz bycia najbardziej aktualnym zestawieniem tego typu, jest również bardziej kompletna niż poprzednia edycja raportu opublikowana w połowie 2007 roku. Obejmuje ona omówienie oferty blisko 40 firm - połowy więcej niż trzy lata temu, a wraz z nią zawiera opinie przedstawicieli części tych firm i opisy kształtujących rynek trendów rynkowych.

Przemienniki częstotliwości (popularnie określane mianem falowników) to prawdopodobnie pierwszy rodzaj urządzeń, który przychodzi na myśl automatykowi zapytanemu o napędy elektryczne. Rzeczywiście są one w praktyce najpopularniejsze, jeżeli chodzi o sterowanie pracą silników elektrycznych i regulację ich obrotów, przez co traktowane są często jako synonim określenia „napęd”. Bieżący raport zaczynamy od przedstawienia technologii i rynku tego typu urządzeń.

RYNEK NAPĘDÓW

Przemienniki częstotliwości wykorzystywane są do łagodnego uruchomienia silnika elektrycznego prądu przemiennego oraz płynnej regulacji jego obrotów, a także kontroli momentu obrotowego. Zawierają one zazwyczaj również układy monitorujące pracę silnika oraz mogą pozwalać na zaawansowane sterowanie - np. wektorem momentu. W tych aplikacjach współpracują one z silnikami jedno i trójfazowymi (opis budowy i działania falowników znajduje się w ramce).

Zastosowania przemienników częstotliwości obejmują różnorodne aplikacje w maszynach i urządzeniach - w szczególności takie, gdzie konieczne jest zachowanie dużego momentu obrotowego przy zmieniającej się prędkości. Stosowane są one m.in. do napędzania silników wentylatorów, pomp, filtrów rotacyjnych, przenośników i taśmociągów. Falowniki używane są też w windach, pojazdach szynowych, sprężarkach, a nawet niewielkich urządzeniach, takich jak choćby wiertarki czy małe maszyny, o czym szczegółowo w jednym z kolejnych rozdziałów.

Popularność przemienników częstotliwości przekłada się na wielkość rynku krajowego z nimi związanego. Urządzenia te dostarczają w Polsce bezpośredni przedstawiciele producentów zagranicznych, rodzimi dystrybutorzy, a także pojedyncze krajowe firmy produkcyjne. W sprzedaży dostępne są przemienniki częstotliwości zaliczane zarówno do podstawowych konstrukcji - wersje cechujące się niskimi cenami, jak i urządzenia zaawansowane, których funkcjonalność może być rozszerzana przez użytkownika. Ich moce należą do zakresu od setek watów do megawatów, natomiast ceny - od kilkuset do setek tysięcy złotych.

Szacunkowa wartość rynku przemienników częstotliwości wyliczona na podstawie odpowiedzi udzielonych przez przedstawicieli ankietowanych firm to 200 do 250 mln złotych rocznie. Rozbieżności w odpowiedziach były tutaj dosyć duże, gdyż pojawiały się liczby takie jak 100 mln, a także przekraczające 500 mln złotych. Oprócz rynku pierwotnego istnieje również wtórny rynek napędów, a także pewnej wielkości rynek na usługi - serwis i utrzymania ruchu tych urządzeń.

Tworząc raport, zapytaliśmy krajowych dostawców napędów o ich zdaniem najpopularniejsze w Polsce marki dostarczanych przez nich urządzeń. Wyniki ankiety potwierdzają, że na rynku mamy do czynienia z dużą konkurencją, gdyż nawet na początku stawki znalazło się kilka firm. I tak, jako rozpoznawalne na naszym rynku urządzenia, dostawcy wymieniali produkty firm (alfabetycznie): ABB, B&R, Danfoss, Hitachi, Lenze, LG, Mitsubishi Electric, Omron Electronics, Schneider Electric i Siemens. Liczbę głosów oddanych na każdą z firm zestawiono na wykresie w ramce.

Należy dodać, że stan różni się w stosunku do wyników uzyskanych podczas tworzenia pierwszej edycji raportu (czerwiec 2007 roku). W zestawieniu awansowały m.in. Lenze, Siemens i Schneider Electric, natomiast nieco niższą pozycję zajęła LG. Podane informacje należy jednak traktować jedynie jako pewien wskaźnik popularności danych urządzeń, a nie określenie precyzyjnych udziałów sprzedaży poszczególnych produktów w rynku.

Wśród ważnych zmian, które zaszły w ostatnim czasie na omawianym rynku, jest zakończenie działania spółki joint venture tworzonej przez firmy Omron oraz Yaskawa, która działała od 2003 roku jako Omron Yaskawa Motion Control. Od końca zeszłego roku firmy te współpracują już jedynie na bazie umowy partnerskiej, gwarantując jednocześnie dostępność swoich produktów i wsparcie klientów.

Prawdopodobne jest, że Omron będzie korzystał w kolejnych latach z usług innego poddostawcy (lub poddostawców), który będzie wytwarzał dla niego produkty w zakresie napędów. Jeżeli chodzi o polski rynek, do istotnych zmian należy zaliczyć (w stosunku do stanu z pierwszej edycji raportu) m.in. wprowadzenie przez firmę ASTOR marki Astraada.

Najpopularniejsze marki

Tworząc raport, zapytaliśmy krajowych dostawców napędów o ich zdaniem najpopularniejsze w Polsce marki dostarczanych przez nich urządzeń (o najpopularniejsze ich zdaniem produkty na rynku). Wyniki w podziale na trzy grupy - przemienniki częstotliwości, softstarty i silniki prądu przemiennego - przedstawiono poniżej. Zestawienie to nie odzwierciedla wielkości sprzedaży lub udziału wymienionych firm w rynku, lecz traktować je można jako informację o przybliżonej popularności omawianych produktów w kraju.

Rys. 1. Przemienniki częstotliwości

Rys. 2. Softstarty

Rys. 3. Silniki AC

HVAC!

Rys. 4. Najczęstsze zastosowania napędów i silników AC omawianych w raporcie

Akronim ten, oznaczający grzanie, wentylację i klimatyzację (Heating, Ventilation, Air Conditioning), to dla branży napędowej słowo klucz. Biorąc pod uwagę zastosowania napędów i silników AC, największą ilościowo grupę stanowią aplikacje relatywnie nieskomplikowane, gdzie napęd stosowany jest jako urządzenie działające autonomicznie. W szczególności są to wentylatory i właśnie zastosowania związane z HVAC, zdaniem przedstawicieli ankietowanych firm branżowych należą do najczęstszych aplikacji omawianych produktów.

Następne w kolejności są zastosowania pompowe oraz aplikacje w przenośnikach (transporterach). W przypadku tych ostatnich mamy do czynienia często z decentralizacją systemów napędowych. Ważne są też naturalnie różnorodne zastosowania związane z maszynami i liniami technologicznymi, a także pozycjonowaniem i mieszalnikami (patrz wykres 4).

Poszczególni dostawcy rozwiązań napędowych specjalizują się nieraz w dostarczaniu produktów skierowanych tylko na niektóre fragmenty rynku. Zazwyczaj jednak oprócz tych rozwiązań specjalistycznych, mają oni w sprzedaży także urządzenia uniwersalne. Warto przy tej okazji zauważyć, że podział występuje też w zakresie pod względem mocy napędów (np. przemienniki częstotliwości niskiego napięcia oraz średniego napięcia). Ten stan rzeczy zbieżny jest z wynikami ankiety przeprowadzonej podczas tworzenia pierwszej edycji raportu (czerwiec 2007 roku).

Marek Sudolski

Apator Control

  • Przemienniki częstotliwości i softstarty - czym różnią się ich zastosowania?

Podstawowe rozróżnienie pomiędzy układami softstartów i przemienników częstotliwości wynika z ich przeznaczenia i związanej z tym ich konstrukcji. Układy softstartów dedykowane są do łagodnego rozruchu silniki w celu ograniczenia udarów mechanicznych oraz wielkości prądów rozruchowych silników. Przemienniki częstotliwości, popularnie zwane falownikami, przeznaczone są z kolei generalnie do płynnej regulacji prędkości obrotowej. Ze względu na ograniczenia softstartów co do częstotliwości rozruchów i czasu ich trwania, w ich charakterze stosuje się również falowniki. Jest to szczególnie popularne dla małych mocy, kiedy różnica cenowa nie jest już tak silnym argumentem przemawiającym za wyborem softstartów.

  • Gdzie są najczęściej stosowane dostarczane przez Państwa rozwiązania napędowe?

Oferowane przez nas przemienniki częstotliwości najczęściej znajdują zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym produkującym komponenty do samochodów, przemyśle stalowym, przetwórstwie tworzyw sztucznych oraz innych gałęziach przemysłu. W praktyce przemienniki stosowane są we wszystkich branżach i można je znaleźć w tysiącach firm na terenie Polski. W omawianym wcześniej zakresie oferujemy również silniki asynchroniczne, które dostarczane są w ramach kompletacji dostaw, przy czym posiłkujemy się zazwyczaj wyrobami polskich producentów.

  • Jakie są wymogi klientów będących odbiorcami przemienników częstotliwości?

Rynek można podzielić na kilka grup odbiorców, przy czym do dwóch najważniejszych należą klienci oczekujący najtańszych rozwiązań przy bardzo niskim poziomie wymagań technicznych oraz odbiorcy szukający układów o wysokich parametrach technicznych, a także uniwersalności i elastyczności w zakresie ich dostosowania do coraz bardziej rozbudowanych układów sterowania.

NIE TYLKO PRZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI

TABELA 1. Przemienniki częstotliwości, silniki AC i pokrewne urządzenia - oferta dostawców krajowych

TABELA 1. cd. Przemienniki częstotliwości, silniki AC i pokrewne urządzenia - oferta dostawców krajowych

Omawiając tematykę napędów, należy wspomnieć o soft startach. Urządzenia te stosowane są w celu zapewnienia miękkiego rozruchu silnika i w części aplikacji używane zamiast falowników. Ich wykorzystanie pozwala złagodzić przeciążenia mechaniczne układu napędowego oraz ograniczyć maksymalny pobór prądu z sieci przy jego rozruchu, tym samym wydłużając jego żywotność. Ich dostarczaniem zajmuje się duża część firm oferujących przemienniki częstotliwości (patrz tabela 1), w tym na rynku dostępne są soft starty o mocach od kilkuset watów do zakresu megawatów.

Do popularnych w kraju marek omawianych urządzeń należą Danfoss, Siemens, Moeller Electric, ABB i Schneider Electric, a także inne firmy zestawione na wykresie 2 w ramce. Jednocześnie część firm znanych z branży falowników, takich jak choćby Omron Electronics, nie uczestniczy w tym rynku. Chociaż soft starty charakteryzują się niższymi cenami niż przemienniki częstotliwości, ich rynek systematycznie maleje. Ma to związek m.in. ze zmniejszaniem się cen samych falowników, a także wzrostem funkcjonalności tych ostatnich. Proces ten sygnalizowany był przez dostawców już kilka lat temu, gdy omawiana branża wprawdzie rosła, ale w tempie wolniejszym niż w przypadku przemienników częstotliwości.

Silniki - droga do energooszczędności

Od ponad 10 lat do określania sprawności silników elektrycznych stosuje się w Europie oznaczenie zgodne z podanym przez CEMEP (European Committee of Manufacturers and Power Electronics). Określono w nim trzy klasy minimalnych wymaganych sprawności dla 3-fazowych, 2- i 4-biegunowych silników asynchronicznych o mocach od 1,1 do 90kW. Klasy te oznaczone są skrótami:

  • EFF 1 - silniki o wysokiej sprawności,
  • EFF 2 - wersje standardowe o średnim poziomie sprawności,
  • EFF 3 - silniki o niskiej sprawności.

W ostatnich latach Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna podjęła prace mające na celu ujednolicenie omawianego systemu, co w szczególności dotyczy sposobów określania sprawności, a także zastąpienia różnych przepisów krajowych jedną, międzynarodową normą. Wskutek tego w zeszłym roku Komisja Europejska przyjęła rozporządzenie związane z wdrażaniem dyrektywy dotyczącej tzw. wymogów ekoprojektu dla silników elektrycznych (dyrektywa 2005/32/WE). Jest w niej mowa o trzech klasach sprawności (efektywności) energetycznej dla silników 3-fazowych asynchronicznych o 2, 4 i 6 biegunach i mocach od 0,75 do 375 kW:

  • IE3 - premium - najwyższy poziom sprawności,
  • IE2 - high efficiency - podwyższona sprawność,
  • IE1 - standard - silniki standardowe.

Sposoby klasyfikacji, wyznaczania efektywności i oznakowania IE podano w normie IEC 60034-30. Z kolei omawiane wcześniej rozporządzenie zawiera harmonogram dotyczący wymaganych poziomów sprawności silników sprzedawanych na rynku unijnym. Do kluczowych dat należą tutaj:

  • 16.06. 2011 - od tego momentu dla silników o mocach 0,75 do 375kW wymagana jest klasa sprawności IE2,
  • 01.01.2015 - od tego momentu silniki o mocy od 7,5 do 375kW muszą odpowiadać klasie sprawności IE3 lub, gdy w układzie napędowym stosowana jest regulacja prędkości obrotowej, klasie sprawności IE2,
  • 01.01.2017 - od tego momentu wszystkie silniki o mocach z zakresu 0,75-375kW muszą spełniać warunki podane w poprzednim punkcie.

Na podstawie informacji podanych m.in. przez Cantoni Group.

RYNEK SILNIKÓW AC

Tabela 2. Marki przemienników częstotliwości, silników i podobnych urządzeń oraz ich dostawcy - zestawienie bazujące na odpowiedziach ankietowych

Branża związana z produkcją i dystrybucją silników AC niewielkich mocy (kilka, kilkanaście kW) znacząco różni się od sektora napędów takich jak przemienniki częstotliwości. O ile ten ostatni cechuje się udziałem wielu różnych producentów, w tym w większości zagranicznych, o tyle wśród dostawców silników znaleźć można kilku wiodących dostawców, z których istotna część zlokalizowana jest w Polsce. Tymi ostatnimi są m.in. firmy Besel, Indukta, Emit oraz Celma, które obecnie należą do jednej grupy kapitałowej - Cantoni Group.

W skład grupy wchodzi dziewięć fabryk wytwarzających silniki elektryczne, hamulce oraz narzędzia, a także spółka Cantoni Motor, przy czym silniki wytwarzają tylko cztery wcześniej wymienione. Zakłady te mają wieloletnie doświadczenie produkcyjne, a ich nazwy są dobrze kojarzone przez klientów w Polsce - były one jednymi z najczęściej wymienianych marek w odpowiedziach na ankiety redakcyjne (patrz wykres 3 w ramce).

Biorąc pod uwagę sumę odpowiedzi wskazujących na cztery wymienione firmy oraz samą Cantoni Group, można uznać, że ta ostatnia jest w naszym kraju liderem omawianego rynku. Do innych znaczących firm należą Siemens oraz, w dalszej kolejności, ABB, Getriebebau Nord, SEW-Eurodrive, Tamel i Lenze. Warto przy tym zauważyć, że wyniki te dotyczą jedynie popularności i rozpoznawalności omawianych marek w Polsce, tymczasem wiele z tym firm (w szczególności Grupa Cantoni) sprzedaje swoje wyroby za granicą, traktując eksport jako bardzo istotny element działalności rynkowej.

TABELA 3. Przemienniki częstotliwości - przykładowe produkty dostępne na rynku

TABELA 3. cd. Przemienniki częstotliwości - przykładowe produkty dostępne na rynku

Jeżeli chodzi o wartość krajowego rynku silników AC, to wynosi ona, zgodnie z opiniami przedstawicieli tej branży, około 320 mln złotych rocznie. Jest to średnia dla podawanych w ankietach liczb - do innych pojawiających się szacunków należą m.in. wartości: 150, 250, 400 i 500 mln złotych. Wraz z tym, jak silniki trafiają do różnych branż - nie tylko przemysłu, rynek ten jest relatywnie stabilny, a jego zmiany są pochodną zmian w całej gospodarce.

Wśród grupy omawianych maszyn elektrycznych wyróżnić można również te, które charakteryzują się większymi wzrostami niż standardowe wersje silników. Do takich produktów należą silniki przeznaczone do pracy w specyficznych warunkach (np. w strefach zagrożonych wybuchem czy przemyśle spożywczym), a także energooszczędne (więcej na ten temat w kolejnym rozdziale).

Tomasz Kochanowski

Menedżer Produktu Astraada Drive ASTOR

Przemienniki częstotliwości stały się nieodzownym elementem instalacji przemysłowych. Ich powszechność stosowania spowodowana jest coraz niższą ceną, dużymi możliwościami sterowania oraz ciągłym rozwojem urządzeń.

  • Co zmienia się w technologiach tych urządzeń?

W ostatnich kilkunastu miesiącach można było zaobserwować zwiększenie funkcjonalność przemienników częstotliwości niektórych producentów m.in. poprzez zwiększenie liczby wejść/wyjść, wprowadzenie do oferty paneli sterowania z graficznymi wyświetlaczami LCD oraz przemienników mających możliwość rozbudowy o dodatkowe karty rozszerzeń, zapewniających lepsze dopasowanie urządzeń do potrzeb klienta.

  • Kto dostarcza przemienniki częstotliwości?

Na polskim rynku działa obecnie kilkadziesiąt firm oferujących tego typu produkty, zatem rynek ten jest bardzo konkurencyjny. Klienci mają możliwość wyboru droższego, często kompleksowego rozwiązania, oferowanego przez międzynarodowe koncerny, bądź znacznie tańszego rozwiązania bazującego na pojedynczych komponentach od mniejszych firm, lokalnych dystrybutorów zagranicznych producentów.

  • Na co zwracają uwagę klienci branżowi?

Przy wyborze danego rozwiązania klienci największą wagę przykładają do cech wpływających na trwałość i niezawodność urządzeń oraz na elementy przekładające się na koszty wdrożenia i użytkowania, czyli na cenę urządzenia, wsparcie techniczne ze strony dostawcy, prostotę konfiguracji z poziomu komputera lub panelu sterowania oraz funkcje oszczędzania energii. Mniej istotna dla nich z kolei staje się sama marka producenta czy liczba zaawansowanych, często niewykorzystywanych funkcji.

JAKICH PRODUKTÓW POSZUKUJĄ KLIENCI?

TABELA 4. Silniki AC - przykładowe produkty dostępne na rynku


TABELA 4. cd. Silniki AC - przykładowe produkty dostępne na rynku

Przemienniki częstotliwości to obok sterowników programowalnych urządzenia, które dostępne są na rynku branżowym prawdopodobnie w największej różnorodności. Widać to zresztą na przykładzie tabeli 3, gdzie omówionych zostało ponad 30 różnego rodzaju przykładowych wyrobów pochodzących od różnych producentów. Duża podaż powoduje również, że klienci mogą wybierać spośród bardzo wielu modeli i wersji wykonania, przy czym lista ich wymogów co do parametrów falowników jest dosyć długa. Ich polscy odbiorcy szukają zazwyczaj, zdaniem dostawców, urządzeń markowych, o długiej gwarancji, a także wyrobów nowoczesnych. To ostatnie oznacza zazwyczaj wykorzystanie różnorodnych interfejsów komunikacyjnych i duże możliwości regulacji oraz sterowania.

Wśród wymienionych parametrów istotne okazują się też: sprawność, intuicyjny interfejs operatorski oraz, w niektórych aplikacjach, stopień ochrony (patrz wykres 4). Nad wszystkimi tymi cechami góruje cena, choć jej udział nie jest tutaj, jak ma to miejsce w przypadku dalej omawianych silników, dominujący. Wydaje się, że branża napędów ma cechy rynku dojrzałego, gdzie klienci oprócz kosztów zakupu biorą pod uwagę szereg innych cech wyrobów, które składają się sumarycznie na ich późniejszą efektywną pracę, łatwość obsługi i niezawodność.

Rys. 5. Najważniejsze dla krajowych klientów czynniki brane pod uwagę przy zakupie przemienników częstotliwości

Jeżeli chodzi o silniki elektryczne, lista wymogów jest w tym przypadku krótsza. O zakupie konkretnego silnika decyduje przede wszystkim cena - tak wynika z opinii dostawców tych maszyn (patrz wykres 5). Nie zmieniło się to przez ostatnie lata, a wręcz obecnie, w gorszej koniunkturze gospodarczej, jest ona nawet ważniejszym dla odbiorców czynnikiem (wskazało ją 37% ankietowanych osób w stosunku do 25% trzy lata wcześniej).

Kolejnymi ze znaczących cech silników są ich podstawowe parametry, takie jak moc, obroty, itp., oraz stopień ochrony. Dla odbiorców istotną rolę odgrywa również, co wynika z opinii dostawców silników, długość oferowanej przez producenta gwarancji. Wspomnieć należy o jeszcze jednym parametrze, który wpisuje się w ogólne cechy silników - jest nim sprawność energetyczna. Ponieważ silniki są maszynami elektrycznymi, w przypadku których całkowity koszt posiadania (tj. koszt zakupu i późniejszego użytkowania) w istotny sposób związany jest ze zużyciem energii elektrycznej, odbiorcy coraz częściej są skłonni zapłacić za wersje energooszczędne, nawet w przypadku konieczności poniesienia dodatkowych kosztów.

Przemienniki częstotliwości w pigułce

Jak działają przemienniki częstotliwości? Pomimo różnorodności ich typów i dostępnych na rynku wersji, bazują one w większości na wykorzystaniu podobnych funkcjonalnie bloków układowych.

Układ elektryczny

Rys. 1. Uproszczony schemat bloku elektrycznego przekształtnika częstotliwości

W falownikach zazwyczaj wykonywane są dwie operacje przekształcania energii - przemienne napięcie sieciowe przekształcane jest na napięcie stałe, a następnie energia ta jest wykorzystywana ponownie do generowania trójfazowego napięcia przemiennego do zasilania silnika (lub jednofazowego, zależnie od typu maszyny). Daje to możliwość regulacji parametrów pracy silnika poprzez zmiany częstotliwości oraz wartości napięcia na wyjściu falownika.

Na wejściu przemiennika częstotliwości (patrz uproszczony schemat bloku elektrycznego) znajduje się standardowo prostownik diodowy. W układzie tym oraz filtrze wygładzającym tętnienia, który złożony jest z dławika i kondensatorów, prąd przemienny przekształcany jest na stały. Kondensatory pełnią w falowniku istotną rolę, gdyż magazynują one energię konieczną do pracy układu. Trzecim blokiem jest modulator PWM, który popularnie określany jest - jak cały falownik - mianem przemiennika lub przekształtnika. Następuje w nim przekształcenie napięcia stałego na impulsowe, przy czym do kontroli tego procesu wykorzystywane mogą być różne układy sterujące.

Do sterowania silnikiem używany jest ciąg impulsów o stałej amplitudzie, ale zmiennym wypełnieniu. W tym przypadku dłuższy impuls wiąże się z przekazaniem większej energii do napędu, tak więc kształtować można przebieg odpowiadający pod względem energetycznym np. sinusoidzie. Jako elementy mocy wykorzystuje się tutaj zazwyczaj tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT).

Sterowanie

Rys. 2. Struktura układu bezpośredniego sterowania wektorowego

W układach przemienników częstotliwości wyróżnić można, oprócz bloku odpowiedzialnego za przekształcenia energii, również część będącą sterownikiem. Jego zadaniem jest kontrolowanie pracy tranzystorów mocy i innych elementów modulatora, co zazwyczaj realizowane jest na drodze przetwarzania sygnałów wejściowych z silnika - np. związanych z jego bieżącą prędkością, oraz samego falownika, takich jak zadane wartości.

Jednym z najprostszych do realizacji algorytmów jest w omawianym zakresie tzw. sterowanie skalarne (U/f). W tym przypadku układ sterujący zmienia częstotliwość napięcia na wyjściu falownika, co powoduje zmianę prędkości obrotowej silnika. W celu zachowania stałego momentu obrotowego wraz ze zmianą częstotliwości modyfikowana jest wartość napięcia wyjściowego. Ponieważ zależność U/f jest stała, utrzymana jest również niezmienna zależność między strumieniami magnetycznymi w stojanie i wirniku.

Tego typu falowniki nie wymagają stosowania układu sprzężenia zwrotnego z silnika, jednak cechują się też wadami, takimi jak brak możliwości regulacji momentu obrotowego i jego stosunkowo małą wartością w przypadku, gdy prędkość obrotowa silnika jest niewielka. Dodatkowo stany przejściowe w okresach przed ustaleniem się zadanej wartości prędkości i momentu obrotowego mogą charakteryzować się długim czasem trwania i oscylacjami wokół wartości zadanej.

Powyższych niedogodności nie mają urządzenia ze sterowaniem wektorowym. Falowniki takie pozwalają na oddzielną kontrolę prędkości i momentu obrotowego, przez co możliwe jest zachowanie dużej wartości tego ostatniego nawet podczas bezruchu silnika. Dzięki temu ogranicza się też wartości częstotliwości poślizgu oraz poprawia ogólne właściwości dynamiczne w zakresie kontroli momentu.

Praca urządzeń ze sterowaniem wektorowym opiera się na utrzymywaniu stałego kąta o wartości 90° pomiędzy strumieniami stojana i wirnika. Aby w układach trójfazowych uzyskać taki efekt, konieczne jest kontrolowanie wzajemnych zależności pomiędzy trzema prądami zasilającymi silnik. W tym celu w układzie sterownika wektorowego dokonywane są przekształcenia matematyczne wielkości związanych z tymi napięciami. W dziedzinie sygnałowej wykorzystuje się tutaj dwustopniową transformatę Clarka i Parke’a, za pomocą której przekształcane są wartości prądów stojana. Funkcje te i inne elementy układu sterowania wektorowego zaznaczono na rysunku schematycznym.

Należy dodać, że sterowanie wektorowe może być realizowane jako bezpośrednie lub pośrednie. W pierwszym z przypadków, określanym mianem sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, chwilowa wartość wektora strumienia wirnika jest odtwarzana na podstawie pomiarów pracy silnika. W metodzie pośredniej, czyli bezczujnikowej, jego wartość jest wyliczana na podstawie kilku zmiennych, w tym składowej prądu stojana, estymowanej prędkości wirnika i pulsacji poślizgu.

Pełny opis omawianego algorytmu i działania przemienników częstotliwości znaleźć można w artykule „Poznaj napędy prądu przemiennego”, który opublikowany został w APA 6/2007 oraz na stronie www. automatykab2b.pl.

NAPĘDY I TRENDY

Lista nowości wprowadzanych do układów napędowych, wraz z rozwojem i zmniejszającymi się cenami komponentów elektronicznych, szybko się wydłuża. Możliwość sterowania wektorowego czy wykorzystania kart rozszerzeń zmieniających funkcjonalność przemiennika częstotliwości to cechy, które jeszcze kilka lat temu wymieniane były jako nowości, a obecnie w przypadku wielu produktów zaliczane są do parametrów standardowych. Jakie są najważniejsze trendy technologiczne na rynku? Dostawcy napędów wskazali na następujące cechy omawianych urządzeń:

  • funkcje sterowania - integrowane w przemiennikach częstotliwości układy typu PLC zapewniają możliwość stosowania dodatkowych funkcji sterowania, przez co falowniki mogą stanowić autonomiczne, „inteligentne” elementy systemów produkcyjnych,
  • interfejsy komunikacyjne - pozwalają na łatwiejszą komunikację z napędem w celu parametryzacji czy monitoringu pracy; standardem jest wbudowywanie obsługi komunikacji szeregowej poprzez RS232 lub RS485, ale coraz częściej pojawiają się także interfejsy umożliwiające komunikację za pomocą różnego rodzaju odmian Ethernetu przemysłowego, w tym jego wersji światłowodowej,
  • filtry harmonicznych - zapewniają, że napęd nie będzie powodował zaburzeń w sieci zasilającej i wpływał na pracę innych odbiorników energii,
  • krótka (liczona w milisekundach) szybkość reakcji na zmianę wartości zadanej lub obciążenia,
  • panel operatorski - traktowany jest coraz częściej jako standardowy element napędu, pozwalając na konfigurację i kontrolę pracy urządzenia,
  • integracja funkcji bezpieczeństwa - np. bezpiecznego zatrzymania; funkcje takie stają się coraz istotniejsze w szczególności w przypadku wykorzystania napędów w maszynach, które muszą być certyfikowane na zgodność z normami bezpieczeństwa,
  • wbudowane algorytmy sterowania - nowoczesny napęd powinien pozwalać na różnego rodzaju sterowanie i regulację pracy silnika - w szczególności dotyczy to sterowania wektorowego, które pozwala na kontrolę momentu obrotowego silnika,
  • możliwość pracy bezczujnikowej, tj. bez użycia dodatkowego czujnika przesyłającego informacje zwrotne z silnika,
  • różnorodność funkcji dodatkowych - odbiorcy szukają urządzeń o dużej elastyczności aplikacyjnej, mogących być stosowanych w różnych systemach - pozwala na to m.in. wykorzystywanie kart i modułów rozszerzeń,
  • energooszczędność - dotyczy nie tylko silników, ale też napędów i obejmuje odzysk energii elektrycznej, wykorzystanie funkcji związanych z optymalizacją zużycia energii elektrycznej, itp.,
  • integracja w napędzie układów dodatkowych - np. rezystora hamującego (w cenie napędu),
  • miniaturyzacja i zwiększanie odporności środowiskowej (stopnia ochrony).

Omawiając zachodzące w ostatnich latach zmiany technologiczne, należy wspomnieć o trendzie decentralizacji systemów napędowych. Polega ona na wykorzystaniu jako elementów linii produkcyjnych szeregu silników, z których każdy ma własny falownik i lokalny układ sterowania. Tego typu zintegrowane zespoły silnik-napęd, które ułatwiają tworzenie rozwiązań rozproszonych, oferują dostawcy tacy jak np. Lenze czy SEW-Eurodrive. W ich ofercie znajdziemy także kompletne systemy napędowe, integrujące elementy takie jak przemienniki częstotliwości, silniki, hamulce, motoreduktory i inne.

Serwonapędy!

Układy serwonapędowe to szybko rozwijająca się grupa napędów, których znacznie na rynku rośnie. W szczególności stosowane są one tam, gdzie konieczne jest wykonywanie dynamicznych, a jednocześnie precyzyjnych ruchów obrotowych.

Ze względu na odmienność zastosowań w stosunku do tradycyjnych przemienników częstotliwości, rozwiązania te omówione zostaną w oddzielnym tekście, który dotyczył będzie zagadnień pozycjonowania i innych kwestii określanych mianem motion. W tym zakresie redakcja przygotowuje obecnie osobny artykuł, o którego publikacji poinformujemy Państwa z odpowiednim wyprzedzeniem za pośrednictwem newslettera redakcyjnego.

ZMIANY W OSTATNICH MIESIĄCACH…

Kilka lat szybkiego wzrostu gospodarczego pozwoliło branży napędów przemysłowych rozwijać się w tempie dwucyfrowym, a także zaowocowało wzrostem liczby dostawców omawianych urządzeń. Napędy wykorzystywane były w nowych instalacjach i maszynach, jak również do modernizacji i utrzymania ruchu tych istniejących. Skutkiem kryzysu finansowego z końca 2008 roku i późniejszego okresu dekoniunktury w gospodarce, tempo rozwoju tego rynku, podobnie jak całej branży automatyki, uległo znacznemu zmniejszeniu. Jednocześnie zainteresowanie dostawców napędów przesunięte zostało na nieco inne sektory niż wcześniej obsługiwane branże.

Patrząc na omawiany rynek globalnie, można stwierdzić, że zeszły rok należał do jednych z najgorszych dla branży. Według danych firmy analitycznej IMS Research światowy rynek napędów skurczył się wtedy o około 11% (dla porównania w latach 2007‒2008 rósł on o ponad 12%, osiągając wartość około 16 mld dolarów). W przypadku Europy spadki były jeszcze większe i wyniosły około 14%. Region ten pozostał jednak największym odbiorcą napędów, jego udział w rynku wynosi około 45% w przypadku wszystkich napędów i blisko 60% w przypadku napędów typu premium.

Rys. 6. Najważniejsze dla krajowych klientów czynniki brane pod uwagę przy zakupie silników AC

Do sektorów gospodarki, w przypadku których popyt na napędy spadał w ostatnich kilkunastu miesiącach najbardziej, należą przede wszystkim motoryzacja (dotyczy linii technologicznych i urządzeń stosowanych przez firmy motoryzacyjne i ich poddostawców) oraz OEM (branża maszynowa). Ankietowani przez redakcję przedstawiciele firm wskazali też na duże spadki w polskiej branży związanej z przetwórstwem drewna, która jest tradycyjnie istotnym dla nich rynkiem zbytu (dotyczy szczególnie dostawców silników). Związane jest to ze zmniejszeniem się popytu m.in. ze strony przemysłu meblarskiego i papierniczego. Do sektorów, które w ostatnich miesiącach odnotowały spadki, należą też hutnictwo i branża dźwigowa (patrz wykres 6).

…I PROGNOZY NA PRZYSZŁOŚĆ

Rys. 7. Najbardziej perspektywiczne sektory rynku będące odbiorcami omawianych produktów (góra wykresu) oraz branże, które przeżywają w ostatnich kilkunastu miesiącach największe kłopoty (dół wykresu); branża HVAC obejmuje ogół zagadnień związanych z ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją

Prognozowanie trendów rynkowych w obecnej, cały czas zmieniającej się sytuacji rynkowej jest zadaniem trudnym. Dotyczy to również przemysłu, którego rozwój w kolejnych latach będzie wprost związany z ogólną poprawą sytuacji w gospodarce i inwestycjami zagranicznymi w naszym kraju. Po zeszłorocznym, słabym okresie sytuacja na rynku napędów przemysłowych jest zdaniem ponad połowy dostawców dobra (patrz wykres 7).

Uczestnicy rynku są jednak dalecy od wypowiadania się o tym biznesie w superlatywach, przyznając zazwyczaj, że koniunktura, jaką obserwowaliśmy na rynku w latach 2006-2008, długo jeszcze nie powróci. Istnieje jednak kilka sektorów, które powinny w najbliższych miesiącach i latach cechować się istotnymi wzrostami, generując popyt również w branży napędowej.

Rys. 8. Ocena aktualnej (zima/ wiosna 2010 roku) sytuacji na omawianym w raporcie rynku w porównaniu z ostatnimi latami

Przede wszystkim omawiany wcześ niej trend popularyzacji aplikacji związanych z HVAC okazuje się nie być przejściowym, co potwierdziły wyniki ankiety, w której zapytaliśmy dostawców napędów o najbardziej dla nich perspektywiczne sektory rynku. W tym przypadku również aplikacje związane z wentylatorami, systemami klimatyzacji i generalnie inżynierią sanitarną podane zostały jako te, które w najbliższym czasie będą czynnikami wzrostu rynku (patrz wykres 6). Wiąże się to z inwestycjami infrastrukturalnymi oraz rozwojem szeroko rozumianej automatyki budynków.

Do innych branż, na które zwracać powinni uwagę dostawcy napędów, należą sektor wodno- kanalizacyjny, sektor spożywczy, maszynowy i tradycyjnie wydobywczy. Pod względem produktów można spodziewać się zwiększania się udziału w sprzedaży rozwiązań premium (energooszczędne, a także z zaawansowanymi możliwościami sterowania i kontroli). Wzrost ich sprzedaży, a także urządzeń standardowych, będzie jednak, jak już zaznaczono, pochodną koniunktury w całym przemyśle i gospodarce.

Zbigniew Piątek

Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród producentów, dystrybutorów i innych firm działających w branży napędów przemysłowych w Polsce.

Prezentacje firmowe

Polecane

Nowe produkty

Zobacz również