W codziennej pracy służb utrzymania ruchu niewiele sytuacji budzi taką konsternację, jak widok maszyny, która teoretycznie pracuje idealnie, a tak naprawdę balansuje na krawędzi awarii. Panel operatorski HMI wskazuje obciążenie napędu na bezpiecznym poziomie 60-70%, dioda statusu na serwowzmacniaczu w szafie sterowniczej świeci uspokajającą zielenią, a mimo to korpus serwosilnika parzy w dłoń. Pomiary pirometrem nie pozostawiają złudzeń - temperatura niebezpiecznie zbliża się do granicy zadziałania zabezpieczenia termicznego lub degradacji izolacji.
Zimny odczyt na ekranie i gorący silnik w rzeczywistości jest jednym z najciekawszych zagadnień w diagnostyce napędów precyzyjnych. Wynika on z faktu, że pojęcie obciążenia nominalnego jest znacznie bardziej złożone niż prosty procent wyświetlany na ekranie. Serwosilnik jest skomplikowanym przetwornikiem energii, w którym ciepło generowane jest nie tylko przez prąd płynący w uzwojeniach, ale także przez zjawiska magnetyczne, błędy parametryzacji oraz dynamikę sterowania. Aby zrozumieć, dlaczego silnik się grzeje, musimy spojrzeć głębiej niż tylko na ampery.
Czy panel operatorski mówi całą prawdę o obciążeniu?
Pierwszym i najczęstszym powodem błędnej diagnozy jest zaufanie do wskaźników obciążenia widocznych na panelu maszyny. Systemy wizualizacji bardzo często prezentują uśrednioną wartość momentu lub prądu. Tymczasem w aplikacjach serwonapędowych praca ma charakter impulsowy.
Podczas gwałtownego przyspieszania silnik może pobierać prąd dwu- lub trzykrotnie przekraczający wartość znamionową. Trwa to ułamki sekund, po czym następuje faza ruchu jednostajnego lub postoju. Choć średnia arytmetyczna z takiego cyklu wygląda bezpiecznie, fizyka nagrzewania rządzi się prawem wartości skutecznej (RMS). Ilość ciepła wydzielanego w uzwojeniach rośnie proporcjonalnie do kwadratu natężenia prądu. Oznacza to, że dwukrotny wzrost prądu generuje czterokrotnie więcej ciepła. Krótkie, ale agresywne piki prądowe potrafią błyskawicznie nagrzać uzwojenia, podczas gdy system monitorowania, uśredniając te wartości, wciąż pokazuje bezpieczny poziom. Jeśli przerwy między cyklami są zbyt krótkie, silnik nie zdąży oddać tego ciepła do otoczenia, co prowadzi do akumulacji energii termicznej wewnątrz stojana.
Kiedy nadmiar precyzji zamienia się w nadmiar ciepła?
Kolejnym, niewidzialnym dla oka problemem, jest nadmierna ambicja przy konfiguracji parametrów sterowania, znana jako przestrojenie pętli PID. W dążeniu do uzyskania jak największej sztywności układu i precyzji pozycjonowania, inżynierowie często ustawiają bardzo wysokie wzmocnienia regulatorów prędkości i pozycji.
W takiej sytuacji serwosilnik zachowuje się jak sprinter w blokach startowych, który ma napięte wszystkie mięśnie, mimo że jeszcze nie biegnie. Wał silnika, nawet stojąc w miejscu lub poruszając się ze stałą prędkością, nieustannie wpada w mikrodrgania. Układ sterowania próbuje korygować pozycję tysiące razy na sekundę, reagując nerwowo na każdy szum z enkodera. To zjawisko, często objawiające się charakterystycznym piskiem lub metalicznym buczeniem, oznacza, że przez uzwojenia przepływają ciągłe prądy o wysokiej częstotliwości. Prądy te nie napędzają maszyny, lecz w całości zamieniają się w ciepło. W skrajnych przypadkach źle zestrojony silnik może przegrzać się nawet na postoju, bez żadnego obciążenia zewnętrznego.
Dlaczego postój serwosilnika może być bardziej męczący niż praca?
Wiele aplikacji serwonapędowych wymaga utrzymywania pozycji pod obciążeniem. Dotyczy to szczególnie osi pionowych (przeciwdziałanie grawitacji) lub systemów naciągu (utrzymywanie naprężenia folii lub papieru). W takim scenariuszu silnik generuje tzw. moment trzymający.
Z termicznego punktu widzenia jest to sytuacja bardzo niekorzystna. Po pierwsze, prąd płynie ciągle przez te same sekcje uzwojeń, tworząc lokalne punkty przegrzania, zamiast rozkładać ciepło równomiernie po całym obwodzie stojana. Po drugie, jeśli silnik nie jest wyposażony w niezależny wentylator, a chłodzi się jedynie ruchem własnego wirnika, to na postoju jego zdolność do oddawania ciepła spada drastycznie. Mamy więc do czynienia z generacją ciepła przy niemal zerowej wentylacji. Często inżynierowie zapominają uwzględnić ten stan w bilansie energetycznym, zakładając, że skoro maszyna nie wykonuje pracy, to silnik odpoczywa. W rzeczywistości może on pracować wtedy ciężej niż podczas ruchu.
Czy ustawienie czujnika zwrotnego jest precyzyjne?
Serwosilnik to maszyna, która wymaga precyzyjnej synchronizacji między położeniem wirnika a polem magnetycznym wytwarzanym przez stojan. Informację o położeniu dostarcza enkoder lub resolwer. Najważniejszym parametrem jest tutaj tzw. kąt komutacji lub offset enkodera.
Jeśli w wyniku serwisu, demontażu silnika czy poluzowania sprzęgła enkodera dojdzie do minimalnego przesunięcia tego kąta, sterownik zaczyna pracować nieefektywnie. Wektor prądu nie jest aplikowany prostopadle do pola magnetycznego wirnika. Obrazowo można to porównać do pchania drzwi blisko zawiasów, zamiast przy klamce. Aby uzyskać ten sam efekt, musimy użyć znacznie więcej siły. W rezultacie silnik pobiera prąd znacznie wyższy, niż wynikałoby to z obciążenia mechanicznego, a nadmiar energii jest tracony w postaci ciepła.
Czy mechanika nie stawia ukrytego oporu?
Na koniec warto wrócić do podstaw, czyli mechaniki. Często zdarza się, że silnik elektryczny jest w pełni sprawny, a jednak nominalne obciążenie na ekranie jest fałszywe, ponieważ układ sterowania kompensuje wzrost oporów mechanicznych.
Zużyte łożyska, zwichrowane prowadnice liniowe, czy przede wszystkim zbyt mocno naciągnięty pasek napędowy, a to wszystko generuje stałe obciążenie, z którym silnik musi walczyć. Szczególnie podstępne są awarie hamulców elektromagnetycznych wbudowanych w silnik. Zdarza się, że hamulec nie puszcza do końca, a okładzina cierna delikatnie trze o tarczę podczas pracy. Sterownik serwo, dążąc do utrzymania zadanej prędkości obrotowej, po prostu zwiększy prąd, aby pokonać ten opór. Maszyna będzie pracować, cykl zostanie zachowany, ale silnik zamieni się w grzejnik, odbierając ciepło bezpośrednio ze źródła tarcia wewnątrz własnej obudowy.
Czy warunki otoczenia są zgodne z założeniami projektowymi?
Ostatnim elementem układanki jest środowisko pracy. Silnik oddaje ciepło do otoczenia głównie przez konwekcję. W warunkach przemysłowych na korpusie silnika często osadza się warstwa pyłu, kurzu czy mgły olejowej. Tworzy ona swoisty koc termiczny, który drastycznie pogarsza skuteczność chłodzenia.
Równie istotna jest wysokość nad poziomem morza. Jeśli zakład znajduje się w terenie górskim, rzadsze powietrze ma mniejszą zdolność do odbierania ciepła. W takich warunkach silnik obciążony nominalnie jest w rzeczywistości przeciążony termicznie, co producenci opisują w dokumentacji technicznej jako konieczność tzw. deratingu, czyli celowego obniżenia dopuszczalnej mocy serwosterownika.
Podsumowując, przegrzewanie się serwosilnika przy teoretycznie poprawnych parametrach pracy jest sygnałem, że w układzie dochodzi do strat energii, których źródło leży poza prostym obciążeniem mechanicznym. Kluczem do rozwiązania problemu nie jest wymiana silnika na większy, lecz wnikliwa analiza parametrów sterowania, jakości zasilania oraz stanu mechanicznego maszyny.
Kluczem do rozwiązania problemu nie jest wymiana silnika na większy, lecz wnikliwa analiza parametrów sterowania, jakości zasilania oraz stanu mechanicznego maszyny. W PLE Service weryfikujemy te parametry, sprawdzając działanie enkodera oraz wykonując testy obciążeniowe, które symulują realną pracę maszyn.
