Электрический сервопривод

Когда говорят про электрический сервопривод, многие сразу представляют себе шаговый двигатель с драйвером, или, в лучшем случае, синхронную машину с энкодером. Но на практике, особенно в тяжелом оборудовании, где мы часто работаем с гидравликой, все сложнее. Частая ошибка — считать, что достаточно взять мощный электрический сервопривод и подключить его к насосу. А потом удивляться, почему система дергается, перегревается или не выходит на заявленную динамику. Корень проблемы часто лежит в несоответствии динамических характеристик привода и нагрузки, которую он ведет, особенно если это гидравлический насос с высокой инерцией пуска.

От теории к цеху: где начинаются реальные сложности

Взять, к примеру, задачу замены старого дроссельного регулирования на насосной станции на сервоприводное. Цель — экономия энергии. Казалось бы, ставим частотник на асинхронный двигатель, приводящий шестеренный насос, и регулируем скорость. Но не все так просто. Обычный асинхронник с частотным преобразователем — это не истинный сервопривод. Точность поддержания момента и скорости у него ниже, реакция на изменение задания — с заметной задержкой. Для простых задач сгодится, но если нужно точно поддерживать давление в контуре, особенно при резком изменении расхода, начинаются проблемы: просадки давления, колебания, ?охота? системы.

Тут и вспоминаешь про сервоприводы в полном смысле слова — с обратной связью по положению, скорости и моменту. Но их внедрение упирается в совместимость с гидравлической частью. Самый болезненный момент — пусковой момент. Насос, особенно пластинчатый или плунжерный, в момент старта — это серьезная инерционная нагрузка плюс необходимость сразу преодолеть давление в системе. Слабый по моменту привод может просто не провернуть вал, упереться в ограничение по току и уйти в ошибку.

У нас был случай на испытаниях с одним из пластинчатых насосов серии V10. Двигатель подобран по номинальной мощности, но не учтен пиковый момент. В результате при попытке старта под давлением привод постоянно срабатывал на защите. Пришлось углубляться в настройки контура тока и подбирать двигатель с большим перегрузочным моментом. Это типичная ситуация, которую в каталогах часто не описывают.

Гидравлика и электрика: поиск точки сопряжения

Именно поэтому компании, которые глубоко работают с гидравликой, часто развивают и компетенции в области электропривода. Вот, к примеру, ООО 'Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо)'. На их сайте https://www.vickshyd.ru видно, что они оперируют не просто насосами, а целыми системами. Их линейка — это высоконапорные шестеренные насосы серии VG, инновационные ABT пластинчатые насосы, плунжерные серии A4VSO. Когда имеешь дело с таким спектром гидравлических компонентов, волей-неволей сталкиваешься с вопросом: а чем их оптимально приводить в движение?

Для шестеренных насосов серии VG, с их высокими оборотами до 4000 об/мин, нужен привод, способный стабильно работать в широком диапазоне скоростей без потери момента на высоких оборотах. Здесь классический асинхронник с частотником может не справиться — начнется просадка момента. Требуется либо специальный высокоскоростной двигатель, либо сервопривод с соответствующим контроллером, который может компенсировать этот спад.

Совсем другая история с плунжерными насосами A10VSO, которые часто используются в прецизионных системах с регулируемой подачей. Тут уже критична не только мощность, а динамика отклика. Задача сервопривода — мгновенно реагировать на сигнал от датчика давления, изменяя скорость или момент, чтобы подача насоса точно соответствовала потреблению. Малейшая задержка или колебание — и вся система регулирования идет вразнос. В таких случаях без полноценного сервопривода с жесткой обратной связью и правильно настроенными ПИД-регуляторами не обойтись.

Пластинчатые насосы ABT: пример синергии технологий

Особый интерес представляют их ABT пластинчатые насосы и моторы (серии T6, T7, V и т.д.). Заявлено как мировые инновации. Что это дает для электропривода? Как правило, такие насосы имеют высокий КПД и улучшенные характеристики по пульсации давления. Это, с одной стороны, облегчает жизнь приводу — нагрузка более плавная. Но с другой — система в целом становится более чувствительной к качеству управления. Плавная работа насоса позволяет раскрыть все преимущества точного электрического сервопривода по динамике и энергоэффективности.

На практике интеграция выглядит так: сервопривод не просто крутит насос с заданной скоростью. Он работает в контуре регулирования, получая сигнал, например, от датчика давления в гидросистеме. Задача — поддерживать это давление постоянным, независимо от того, сколько жидкости в данный момент потребляет исполнительный механизм. Это требует от привода постоянной готовности к резкому изменению момента. Он то работает почти вхолостую, то должен за доли секунды создать большой момент, чтобы насос преодолел возросшее сопротивление.

Провальная попытка, о которой редко пишут в успешных кейсах, была у нас с мотор-редуктором и насосом серии 35/36M. Решили сэкономить, поставили стандартный векторный частотный привод. В статике все работало. Но как только начались циклы с частым реверсом и изменением нагрузки, начался перегрев обмоток двигателя. Причина — постоянная работа в режиме перегрузки по моменту в переходных процессах. Частотник не успевал так быстро отрабатывать. Вывод: для насосов/моторов, работающих в динамичных режимах, экономия на приводе — ложный путь. Нужен именно сервопривод, рассчитанный на циклические нагрузки с высоким пиковым моментом.

Настройка и 'подводные камни' интеграции

Допустим, компоненты выбраны правильно: мощный серводвигатель, контроллер, насос от Vicks. Самая интересная часть начинается при настройке. Это не простая задача 'включить и работать'. Необходимо согласовать механические постоянные времени привода с гидравлическими постоянными времени системы. Инерция ротора, жесткость вала, момент трения — все это со стороны электрики. Со стороны гидравлики — упругость масла, инерция жидкости в трубопроводах, характеристика насоса.

Часто проблемной точкой становится обратная связь. В сервоприводе она своя, от энкодера. Но для регулирования давления или расхода нужен сигнал от гидравлического датчика. Эти два контура (положения/скорости двигателя и давления в системе) должны быть грамотно связаны в контроллере. Неправильные коэффициенты усиления — и система либо вяло реагирует на возмущения, либо начинает колебаться с раскачивающейся амплитудой.

Еще один нюанс — тепловой режим. Сервопривод в таком применении редко работает в номинальном установившемся режиме. Чаще это циклы с ускорением, торможением, работой на низких скоростях с высоким моментом. Все это ведет к повышенному нагреву двигателя. Стандартное воздушное охлаждение может не справиться. Приходится закладывать дополнительный запас по мощности или предусматривать принудительное охлаждение. Это та деталь, которую понимаешь только после нескольких недель испытаний на реальном стенде.

Итог: зачем это всё?

Так стоит ли овчина выделки? Заменять простой и дешевый асинхронный привод на сложный и дорогой электрический сервопривод? Ответ зависит от задачи. Если насос работает сутками на одной скорости, подавая жидкость в бак, — нет, не стоит. Но если речь идет о современной машине, где важна точность, динамика и, что немаловажно, энергопотребление, то инвестиции оправданы.

Сервоприводное регулирование насоса позволяет отказаться от дросселирования и клапанного регулирования с большими потерями. Насос подает ровно столько, сколько нужно в данный момент. Экономия энергии может достигать 30-50% и более. Кроме того, повышается точность управления технологическим процессом, снижается шум, уменьшается нагрев гидравлической жидкости.

Поэтому, когда видишь ассортимент компании, подобной Vicks, который включает в себя и высокооборотные шестеренные, и прецизионные пластинчатые, и плунжерные насосы, становится понятно, что разговор об электроприводе для них — не абстракция. Это насущный практический вопрос. Успех проекта лежит не в выборе 'самого лучшего' сервопривода или 'самого инновационного' насоса по отдельности, а в их грамотной и глубокой интеграции. И это как раз та работа, где теория из учебников встречается с практикой, полной компромиссов, неожиданных проблем и, в случае успеха, реальной эффективности.