Filtr EMC

Tabela 1. Zestawienie zbiorcze ofert producentów dystrybutorów falowników i silników

Impulsowe przebiegi zasilające silnik w postaci sygnałów o prostokątnym kształcie, częstotliwości kilka-, kilkanaście kiloherców i amplitudzie kilkaset woltów są źródłem silnych zaburzeń elektromagnetycznych i sprawiają wiele problemów z kompatybilnością elektromagnetyczną napędu.

Zaburzenia przenoszą się przez linie zasilania i wnikają do sieci, dlatego większość falowników dostępnych na rynku zawiera na wejściu mniej lub bardziej rozbudowany filtr przeciwzakłóceniowy, w wielu przypadkach stosuje się filtry kilkustopniowe. Po stronie wyjścia falownika istotne jest połączenie zacisków z napędem, do czego używa się kabli wielokrotnie ekranowanych, zawierających skręcone żyły i szereg innych komponentów zapewniających kompatybilność EMC (przepusty, pierścienie ferrytowe itp.).

Mimo, że falowniki zawierają na wejściu prostownik diodowy i kondensator filtrujący, nie stosuje się w nich korekcji współczynnika mocy. Może to być problemem w przypadku urządzeń zasilanych z sieci jednofazowej i współpracujących z silnikami o dużej mocy, rzędu 2kW. W takich przypadkach impulsowy pobór prądu przez falownik może być źródłem wielu kłopotów, zwłaszcza przy podłączeniu urządzenia do sieci o ograniczonym przydziale mocy. Trudno dociec, dlaczego popularne i powszechnie stosowane w zasilaczach impulsowych układy PFC nie są stosowane w falownikach.

Przy zasilaniu napięciem trójfazowym problem impulsowego poboru prądu przez układ z prostownikiem szczytowym jest znacznie mniej dokuczliwy, poza tym wiele zakładów przemysłowych ma centralne systemy zasilające, które kompensują moc bierną, dlatego w zakresie falowników średniej i dużej mocy korektor może być niepotrzebny. W zakresie urządzeń zasilanych z sieci jednofazowej prawdopodobnie sprzymierzeńcem jest filtr EMC na wejściu, którego stała czasu ogranicza stromość impulsów prądu, tworząc coś w rodzaju pasywnego korektora PFC.

Softstarty

Softstarty tworzą naturalny pomost między falownikami, a układem napędowym zasilanym bezpośrednio z sieci. Realizują one łagodny rozruch silnika, ale w odróżnieniu od falowników nie pozwalają kontrolować prędkości wirowania. Dlatego znaczenie rynkowe softstartów maleje wraz z upowszechnieniem się falowników. Każdy falownik realizuje zadania stojące przed układem miękkiego startu, co powoduje, że urządzenia te są używane w jedynie w wybranych aplikacjach przemysłowych, obsługują silniki dużej mocy, niewymagające regulowania obrotów.

Od strony elektronicznej urządzenia te zawierają sterowany fazowo trójfazowy przekształtnik tyrystorowy, który po włączeniu stopniowo podnosi wartość napięcia zasilającego, a w końcu podaje pełne napięcie zasilające. Często nawet regulator tyrystorowy jest całkowicie odłączany po rozruchu, aby nie było strat mocy (opcja bypass). Oznacza to, że softstart musi zawierać zarówno stopień mocy jak i sterownik, plus do tego filtr EMC niezbędny przy sterowaniu fazowym i układy zabezpieczeń po to, aby konstrukcja charakteryzowała się wysokimi walorami użytkowymi. W stosunku do falownika układ elektroniczny jest bardzo podobny, co doskonale widać po niewielkich różnicach w cenach między softstartami i falownikami.

Silniki

Ogromna liczba dostępnych na rynku typów silników powoduje, że niewiele osób w pełni orientuje się w możliwościach i przeznaczeniu poszczególnych rozwiązań. Mimo że w miarę upływu czasu elektronicy w coraz większym stopniu wykorzystują te elementy w projektach, a oparte o silniki napędy są coraz bardziej oparte na elektronice, wciąż nie mają one interdyscyplinarnego charakteru i wyczerpująco uczy się o nich jedynie studentów wydziałów elektrycznych.

Główna linia podziału silników przebiega przez napięcie zasilające. Wersje przeznaczone do zasilania prądem stałym dzielą się na silniki komutatorowe (PMDC – Permanent Magnet DC Motor) oraz wersje z wirującym magnesem (BLDC – Brushless DC Motor).

Tabela 2. Zestawienie zbiorcze ofert producentów dystrybutorów falowników, softstartów i silników

Popularne wersje z komutatorem, zapewniającym przełączanie uzwojeń i dzielą się na silniki z magnesem trwałym, popularne w starszym sprzęcie audio-wideo, zabawkach, modelarstwie. Odmianą takiego silnika jest wersja, w której magnes trwały zastąpiono elektromagnesem, wtedy w zależności do tego jak połączone są ze sobą uzwojenia statora i rotora wyróżnia się silniki szeregowe i bocznikowe. Oba typy zapewniają sporą moc wyjściową przy niewielkich wymiarach zewnętrznych, dzięki czemu są najczęściej spotykane w motoryzacji.

Wersje z wirującym magnesem szybko zyskują popularność, głównie z uwagi na wielokrotnie większą trwałość wynikającą z braku szczotek i komutatora, ale za to wymagają elektronicznego układu sterującego oraz wyposażenia silnika w czujnik dostarczający informacji o pozycji i obrotach. Silnik z wirującym magnesem i czujnikiem Halla można spotkać w większości wentylatorów używanych w sprzęcie komputerowym.

Oprócz wymienionych dwóch głównych grup do silników prądu stałego zalicza się silniki krokowe oraz liniowe. Drugi typ spotykany jest w dyskach komputerowych do przesuwania głowic, do sterowania lustrami odchylającymi promień lasera lub ogniskującymi światło za pomocą ruchomej soczewki. Silniki te przypominają w działaniu głośniki. Pod hasłem silniki krokowe kryje się z kolei kilkanaście różnych typów, których cechą wspólną jest skokowy ruch wirnika o zadany kąt obrotu proporcjonalnie do podawanych na uzwojenia impulsów zasilających.

Druga grupa produktów obejmuje silniki prądu zmiennego. Najpopularniejszą grupę tworzą tu silniki asynchroniczne, w których wirnik obraca się z prędkością niższą od wirującego pola magnetycznego. Silniki asynchroniczne mogą być zasilane napięciem trójfazowym lub jednofazowym. Drugi przypadek obejmuje wersje kondensatorowe, ze zwartą fazą rozruchową lub odłączanym uzwojeniem rozruchowym. Silniki te były używane np. w pralkach starszego typu. Oprócz silników asynchronicznych na rynku spotyka się grupę silników synchronicznych o różnej konstrukcji. Ich cechą jest powiązanie szybkości obracania się wirnika ze zmianami pola magnetycznego generowanego w uzwojeniach.

Wiele silników wymyka się z tak nakreślonych ram. Przykładowo silniki komutatorowe mogą być zasilane napięciem stałym i przemiennym, co dodatkowo utrudnia podział. Wraz z upowszechnianiem się sterowników elektronicznych maleje znaczenie silników komutatorowych z magnesem stałym, a rośnie popularność silników z wirującym magnesem i wersji zasilanych prądem zmiennym. Elektronika skutecznie rozwiązuje problemy sterowania i powoduje, że wiele do niedawna istotnych problemów odchodzi dzisiaj w przeszłość.

Rynek

Falowniki i silniki to produkty, które w największym stopniu kierowane są w stronę przemysłu i automatyki i dlatego ich dostawcami są w znakomitej większości firmy z tej branży. Liczba dostawców jest duża i sporo wykracza poza grupę firm, które przysłały wypełnione ankiety do raportu. W naszym opracowaniu zależało nam na objęciu dolnej części rynku, wyznaczoną przez moc wyjściową falownika na poziomie 1,5kW, po to, aby skoncentrować się na zastosowaniach i przeznaczeniu jak najbardziej bliskiemu elektronice i rynkowi produktów OEM. Dlatego raport nie uwzględnia np. znanego polskiego producenta, firmy Medcom, który oferuje urządzenia o mocy wyjściowej ponad 100kW. To inna skala zastosowań, problemów technicznych i rozwiązań konstrukcyjnych.

Trudno znaleźć firmę dystrybucyjną związaną z automatyką, o uniwersalnej ofercie, która nie sprzedawałaby falowników. Lista dostawców jest długa, co współgra z obszernym katalogiem producentów tych produktów. W połączeniu ze sporym i chłonnym rynkiem pozwala to polskim dystrybutorom znaleźć partnera przez praktycznie każdą zainteresowaną krajową firmę. Widać to po tym jak wiele marek ma swoją reprezentację w kraju oraz po tym, że nie widać zdecydowanego lidera, który dominowałby w ten tematyce.

Obok grupy firm japońskich jak Hitachi, Toshiba, Omron, czy Fuji, występują firmy dalekowschodnie, np. LG jak i duża grupa firm niemieckich, np. Lenze. Dowodzi to, że rynek falowników w Polsce rozwija się szybko, jest daleki od nasycenia i zaskakuje swoją różnorodnością. Dynamika rynku współgra z tempem rozwoju rynku automatyki. Wynika to zarówno z uniwersalności produktu i szerokiego spektrum zastosowań.

Firmy

Tabela 3. Dane kontaktowe producentów i dystrybutorów falowników, softstartów i silników

Wśród firm, które nadesłały ankiety, dominują dystrybutorzy powiązani umową z producentami. Falowniki są dla nich zwykle jednym z wielu produktów z zakresu napędów i systemów sterowania, a nawet z kompleksowej oferty dla automatyki i przemysłu. Przykładem mogą być firmy jak Aniro – dostarczająca falowniki firmy LG, Eldar sprzedająca falowniki firmy Santerno, Eltron – reprezentant frmy Carlo Gavazzi, Lemi-Bis – dostawca falowników LG, Inwert – sprzedawca produktów firmy Toshiba, Sels – przedstawiciel Invertek Drives i firma Zeltech – oferująca falowniki Hitachi.

Poza firmami dystrybucyjnymi urządzenia te są oferowane przez polskie przedstawicielstwa firm zagranicznych takie jak Beckhoff Automation, gdzie falowniki uzupełniają ofertę serwomechanizmów i silników, Fanox Polska – gdzie falowniki wchodzą w skład kompleksowego systemu zabezpieczeń dla silników, Omron – znanego dostawcę napędów, serwomechanizmów i sterowników i oczywiście falowników, a także Sew-Eurodrive Polska - koncernu zajmującego się szeroko pojętą techniką napędową.

Oprócz znanych marek światowych i dużych koncernów uwagę zwraca oferta firmy Twerd – polskiego producenta falowników wektorowych, która konsekwentnie od lat wytwarza i specjalizuje się w produkcji nowoczesnych falowników wektorowych bazujących na procesorze DSP firmy Texas Instruments.

W zakresie dystrybucji silników spośród uczestników raportu koniecznie trzeba wymienić firmę Wobit, która specjalizuje się w małych silnikach prądu stałego i silnikach krokowych. Wobit promuje silniki szczotkowe i bezszczotkowe o mocach od 1W do 300W, a także silniki z przekładniami. Firma jest także producentem sterowników silników krokowych.

Tabele i ankiety

Tabela 4. Plan raportów Elektronika na najbliższe miesiące

Zestawienie producentów i dystrybutorów falowników softstartów i silników przedstawione zostało w dwóch tabelach. Z uwagi na znacznie mniejszą popularność na rynku softstartów i biorąc pod uwagę to, że tylko część uczestników raportu sprzedaje te produkty, firmy w tabelach pogrupowane zostały na część sprzedającą te softstarty i niezajmującą się tymi urządzeniami , co pozwoliło zachować większą przejrzystość zestawienia. W sumie raport zawiera oferty 21 firm, co z pewnością jest jedynie wycinkiem całościowej oferty rynku, ale dość dobrze oddaje strukturę rynku, jak i ukierunkowanie na poszczególne aplikacje.

Robert Magdziak