P

omijajàc dêwigi hydrauliczne i dêwigi
z przestarza∏ym, stycznikowym nap´-

dem 2-biegowego silnika pràdu zmienne-
go, na ca∏ym Êwiecie stosuje si´ obecnie
dwa rodzaje rozwiàzaƒ nap´dów:

■

falowniki cz´stotliwoÊciowe,

■

pó∏przewodnikowe, sterowane uk∏ady
prostowania – tzw. SCR.

Falowniki
cz´stotliwoÊciowe

Falowniki cz´stotliwoÊciowe s∏u˝à do bez-
stopniowej, p∏ynnej regulacji obrotami
asynchronicznego, klatkowego silnika prà-
du zmiennego. W bran˝y dêwigowej zna-
ne sà one jako tzw. systemy VVVF (ang.

variable voltage, variable frequency

– zmien-

ne napi´cie, zmienna cz´stotliwoÊç). W na-
p´dach dêwigów mo˝na je podzieliç na
dwa rodzaje:

■

falowniki inwertorowe

■

falowniki wektorowe

Falowniki inwertorowe posiadajà praktycz-
nà mo˝liwoÊç regulacji w zakresie od 10%
obrotów nominalnych wzwy˝ i nie dajàcych
100% momentu obrotowego poni˝ej 10%
obrotów. Majà one zastosowanie w uk∏a-
dach dêwigowych o pr´dkoÊci jazdy do 0,6
m/s, lub przy zastosowaniu sprz´˝enia
zwrotnego do maksimum 0,7 m/s.

Falowniki wektorowe zapewniajà regu-

lacj´ obrotów w zakresie od 0 do max
obr./min i 100% momentu przy zerowej
pr´dkoÊci, co jest wa˝ne dla komfortu jaz-
dy dêwigów elektrycznych. Majà zastoso-
wanie przy pr´dkoÊci jazdy do 2 m/s. Przy
takim zakresie pr´dkoÊci system ten jest
znacznie taƒszy ni˝ rozwiàzania z zastoso-
waniem silnika pràdu sta∏ego.

Obydwa systemy falowników, inwerto-

rowy i wektorowy, posiadajà ten sam spo-
sób wytwarzania i sterowania cz´stotliwo-
Êcià napi´cia sinusoidalnego dostarczane-
go do silnika 3-fazowego pràdu zmienne-
go. W uproszczeniu, pràd zmienny 3-fazo-
wy dostarczany z sieci jest prostowany
i kierowany do obwodu g∏ównego pràdu
sta∏ego falownika. Nast´pnie obwody blo-
ku tzw. PWM (

Puls Width Modulation

–

modulowanie szerokoÊci impulsów) wy-
twarzajà impulsy o regulowanej zmiennej
cz´stotliwoÊci, których szerokoÊç jest od-
powiednio modulowana i w ten sposób sil-
nik otrzymuje symulowanà, zsyntetyzowa-
nà form´ sinusoidalnà napi´cia z dowol-
nie regulowanà cz´stotliwoÊcià.

Obwody falownika wektorowego sà

bardziej z∏o˝one i wymagajà znacznie
wi´cej informacji o silniku. Nazwa „fa-
lownik wektorowy” pochodzi od matema-
tycznej analizy linii si∏ pola magnetyczne-
go silnika, kalkulujàcej wektory si∏ pola,
a nie ich wypadkowe. Analiza ta i w kon-
sekwencji opracowanie w∏asnego mate-
matycznego algorytmu, da∏o baz´ nowej
technologii nazwanej „

Flux Vector

” (Wek-

tor Strumienia Pola Magnetycznego). Na
jej podstawie zaprojektowane zosta∏y
uk∏ady i obwody elektroniczne kontrolu-
jàce i sterujàce osiàgami silnika pràdu
zmiennego.

Poprzez ciàg∏e monitorowanie wzgl´d-

nego po∏o˝enia kàtowego wirnika w sto-
sunku do stojana, uk∏ad mo˝e okreÊliç, jaka
cz´Êç dostarczanego do stojana pràdu zo-
stanie przetworzona na moment obrotowy,
a jaka zostanie wytracona w postaci ciep∏a.

Precyzyjne okreÊlenie po∏o˝enia uzys-

kane jest poprzez monitorowanie wirnika
sprz´˝onego zwrotnie z obwodami falow-
nika. Do tego celu s∏u˝y najcz´Êciej enko-
der optyczny, zainstalowany bezpoÊrednio
na wale silnika i generujàcy (w tym przy-
padku) 1024 pulsy na 1 obrót wa∏u. Po-
przez zastosowanie opisanego sprz´˝enia
zwrotnego osiàga si´ regulacj´ pr´dkoÊci
w zakresie 0,1% za∏o˝onej pr´dkoÊci.

Generalnie falownik wektorowy jest

3-fazowym uk∏adem sterujàcym wielko-
Êcià napi´cia, cz´stotliwoÊci i sk∏adowych
pràdu zmiennego dostarczanych do silni-
ka asynchronicznego, klatkowego. W od-
ró˝nieniu od inwertora, uk∏ad wektorowy
precyzyjnie steruje wielkoÊcià sk∏adowych
pràdu podawanego na silnik, zapewniajàc
du˝o mniejsze nagrzewanie si´ uzwojeƒ
i w wyniku tego – sta∏y moment obrotowy.
Wspomniana wczeÊniej technologia „Flux
Vector” polega na wykorzystaniu infor-
macji z enkodera do analizy i kontrolowa-
nia wielkoÊci dwóch sk∏adowych pràdu
silnika:

■

prostopad∏ej, która jest strumieniem

pola magnetycznego, powodujàcym
wzbudzenie,

■

stycznej, która „produkuje” moment

obrotowy.

Uk∏ad analizuje niezale˝nie strumieƒ po-
la magnetycznego (Flux) oraz elementy
wytwarzajàce moment. Elementy te sà re-
gulowane oddzielnie i dodawane wekto-
rowo, tak aby utrzymaç kàt 90° w stosun-
ku do siebie. Taka analiza i synteza po-
zwala na osiàganie maksymalnego mo-
mentu w zakresie od maksymalnej pr´d-
koÊci do zera.

Cz´stotliwoÊç jest wyliczana na pod-

stawie poÊlizgu i aktualnych obrotów wir-
nika. Zapewnia to ciàg∏à regulacj´ napi´-
cia i nat´˝enia pràdu w odpowiedzi na in-
formacje o silniku dostarczane przez en-
koder optyczny. PoÊlizg jest wprost pro-
porcjonalny do stosunku sk∏adowej mo-
mentu i sk∏adowej strumienia pola ma-
gnetycznego. Dodawany jest do cz´stotli-
woÊci wirnika, w celu okreÊlenia cz´sto-
tliwoÊci napi´cia i nat´˝enia. Cz´stotli-
woÊç ta jest u˝yta tak˝e do analizy pràdu
zmiennego, na jego dwie, brane pod uwa-
g´, sk∏adowe i do syntezy sk∏adowych na-
pi´cia na napi´cie dostarczane silnikowi.

Falownik mo˝e byç skonfigurowany ja-

ko regulator pr´dkoÊci lub jako regulator
momentu. Wektor strumienia pola jest

Nr 4 99

56

Sterowania nap´dem
dêwigów i dêwignic

Dobry

nap´d dêwigu oznacza
komfort jazdy, nieodczuwal-
ne przyspieszenia, dok∏ad-
noÊç zatrzymywania si´ na
przystankach i oszcz´d-
noÊç energii elektrycznej.

Maciej Lubaszka

T E C H N I K A I T E C H N O L O G I A

utrzymywany jako wartoÊç sta∏a w zakresie
od 0 do obrotów synchronicznych. Powy-
˝ej obrotów synchronicznych wartoÊç wek-
tora strumienia jest redukowana w miar´
przyrostu pr´dkoÊci. Moment obrotowy
jest proporcjonalny do b∏´du pr´dkoÊci,
kiedy falownik pracuje jako regulator
pr´dkoÊci lub proporcjonalny do sygna∏u
wejÊciowego, kiedy falownik jest regulato-
rem momentu. Powy˝ej obrotów synchro-
nicznych uk∏ad zamiast sta∏ego momentu
zapewnia prac´ przy zachowaniu sta∏ej
mocy i sta∏ej pr´dkoÊci.

Wszystkie kalkulacje i obliczenia sà

wykonywane zgodnie z za∏o˝onym algo-
rytmem na podstawie informacji wejÊcio-
wych przez mikroprocesor i jako decyzje
logiczne w formie wyjÊç wyprowadzone
do odpowiednich bloków uk∏adu.

SCR – pó∏przewodnikowy,
sterowany uk∏ad prostowania

Najstarszym i do dziÊ pracujàcym na
dêwigach nap´dzanych silnikiem pràdu
sta∏ego jest uk∏ad Ward-Leonarda, pole-
gajàcy na po∏àczeniu równoleg∏ym wirni-
ka silnika pràdu sta∏ego z wirnikiem pràd-
nicy i jednoczesnym w∏àczeniu przeciw-
sobnie w ten obwód uzwojenia szerego-
wego pràdnicy.

Regulacja obrotów silnika pràdu sta∏e-

go polega na sterowaniu napi´ciem do-
starczanym na stojan pràdnicy. Natomiast
utrzymanie sta∏ej pr´dkoÊci w kierunku

Góra

i

Dó∏

, przy ró˝nym obcià˝eniu, pole-

ga na r´cznej regulacji wartoÊci opornoÊci
uzwojenia bocznikowego stojana pràdnicy
co pewien czas.

Wszystkie wi´ksze firmy dêwigowe na

swój sposób urozmaica∏y ten obwód w ce-
lu uzyskania równych pr´dkoÊci, mi´kkie-
go zatrzymania, uzyskania ma∏ych i rów-
nych pr´dkoÊci dojazdowych. A przede
wszystkim w celu uniemo˝liwienia samo-
istnego ruchu silnika przy zamkni´tym
hamulcu i otwartych drzwiach, wskutek
niew∏aÊciwej regulacji, zu˝ycia szczotek
lub nawet wadliwie dzia∏ajàcych pewnych
styczników. Ten niezamierzony i niebez-
pieczny ruch mo˝e byç spowodowany
równie˝ magnetyzmem szczàtkowym, ró˝-
nym dla ró˝nych silników.

W miar´ rozwoju technologii pó∏prze-

wodnikowej pojawia∏y si´ ró˝ne uspraw-
nienia tego systemu. Pod koniec lat 80. fir-
ma IPC Automation z USA opracowa∏a
pó∏przewodnikowy regulator, dowolnie
kszta∏tujàcy sygna∏ wejÊciowy i wzmacnia-

jàcy go do wartoÊci napi´cia dostarczanego
na stojan pràdnicy w uk∏adzie sprz´˝enia
zwrotnego z pràdniczkà tachometrycznà.
Regulator ten zapewni∏ systemowi stabil-
noÊç i bezpieczeƒstwo.

Prawdziwy przewrót, a w∏aÊciwie elimi-

nacj´ uk∏adu Ward-Leonarda, spowodo-
wa∏o opracowanie systemu pó∏przewodni-
kowego opartego na komponencie SCR
(

Silicon Controlled Rectified

– Silikonowy

Prostownik Sterowany). Od jego nazwy
przyj´∏a si´ w terminologii technicznej
USA nazwa SCR, jako okreÊlenie ca∏ego
sterowania silnikiem pràdu sta∏ego z wy-
eliminowaniem z uk∏adu pràdnica – silnik
pràdu zmiennego.

Najbardziej niezawodne obecnie syste-

my SCR projektuje i produkuje amerykaƒ-
ska firma „Baldor Motors & Drives”, za-
równo w wersji analogowej jak i cyfrowej.

SCR jako komponent

SCR nale˝y do rodziny tyrystorów i jest
prostownikiem, który mo˝e byç sterowa-
ny. Je˝eli sta∏y sygna∏ napi´cia DC jest do-
starczony do bramki SCR-u, b´dzie si´ on
zachowywa∏ jak normalny prostownik tak
d∏ugo, dopóki wartoÊç pràdu nie spadnie
do zera.

W∏àczenie i wy∏àczenie SCR nie jest

zbyt skomplikowane, pod warunkiem spe∏-
nienia pewnych wymogów. SCR w∏àcza si´
je˝eli jest dostarczone tzw. napi´cie prze-
wodzenia i bramka SCR-u jest otwarta.
SCR nie wy∏àczy si´ pod warunkiem, ˝e
pràd wzroÊnie do wartoÊci tzw. pràdu trzy-
mania (znamionowego). Je˝eli wartoÊç
pràdu nie osiàgnie wartoÊci trzymania

przed zdj´ciem sygna∏u z bramki, SCR zo-
stanie wy∏àczony. Stabilizacj´ pràdu trzy-
mania zapewnia tzw. uk∏ad trzymania (sieç
oporników i kondensatorów) w∏àczonych
równolegle na wyjÊcie mocy uk∏adu; SCR
wy∏àczy si´, gdy wartoÊç pràdu osiàga zero,
a sygna∏ napi´cia przewodzàcego nie jest
ponownie dostarczony w tzw. czasie wy∏à-
czenia SCR.

SCR jako uk∏ad
sterujàcy silnikiem

SCR jest 3-fazowym, 2-po∏ówkowym,
2-kierunkowym systemem sterowania prà-
du i napi´cia podawanego na wirnik silni-
ka pràdu sta∏ego w sposób bezstopniowy,
zgodnie z kszta∏towanym i wzmacnianym
sygna∏em wejÊciowym za∏o˝onej krzywej
ruchu dêwigu.

System pracuje w uk∏adzie sprz´˝enia

zwrotnego, pochodzàcego od enkodera
optycznego, zamontowanego na wale silni-
ka, z regulacjà pr´dkoÊci w zakresie 0,1%
lub tacho-generatora przy u˝yciu analogo-
wego SCR-u.

Jest to uk∏ad regenerujàcy, tzn. ener-

gia oddawana jest do sieci. I tylko z po-
wodu oddawanych do sieci w czasie rege-
neracji zniekszta∏ceƒ harmonicznych, za-
lecane jest u˝ycie transformatorów izola-
cyjnych pomi´dzy linià zasilajàcà i wej-
Êciem do SCR-u.

Mostki prostownicze SCR-ów prostujà

dostarczany pràd zmienny na kontrolowa-
ny pràd sta∏y. To samo napi´cie u˝yte jest
przez transformator podajàcy napi´cie na
zasilacze. Impulsy sterujàce sà dostarcza-
ne do bramek SCR-ów poprzez wzmacnia-

Nr 4 99

57

T E C H N I K A I T E C H N O L O G I A

Wektorowy falownik cz´stotliwoÊciowy

oparty na technologii cyfrowej moêe

sterowaç obrotami kaêdego silnika

asynchronicznego pràdu zmiennego

cze i transformatory. Napi´cie stojana sil-
nika jest sterowane równie˝ przez SCR
i posiada ono zazwyczaj 3 wartoÊci:

■

wartoÊç ja∏owà (dêwig nie jest w ruchu),

■

wartoÊç ruchowà (dêwig jedzie ze sta∏à

pr´dkoÊcià),

■

wartoÊç maksymalnà (w czasie przyspie-

szania, zwalniania i w trakcie pr´dkoÊci
dojazdowej).

Diagnostyka
i bezpieczeƒstwo eksploatacji

Falowniki i SCR-y wyposa˝one sà w pro-
gramator po∏àczony z mikroprocesorem
poprzez z∏àcze RS232. Przy pomocy pro-
gramatora u˝ytkownik mo˝e wprowadzaç
i zmieniaç dane dotyczàce silnika, progra-
mowaç pewne wejÊcia i wyjÊcia, zmieniaç
lub ustawiaç funkcje operacyjne, monito-
rowaç pràd, napi´cie i obroty silnika oraz
u˝ywajàc systemów diagnostycznych mieç
wglàd do wszystkich ewentualnych uste-
rek funkcjonowania.

Falowniki i SCR-y dêwigowe wyposa˝o-

ne sà w szereg obwodów bezpieczeƒstwa
i obwodów wykrywajàcych nieprawid∏owo-
Êci, mogàce doprowadziç do zagro˝enia
eksploatacji czy nieprawid∏owoÊci ruchu.
Usterki sà wykrywane, wpisywane do pa-
mi´ci mikroprocesora i sygnalizowane na
ekranie programatora po przywo∏aniu je-
go funkcji diagnostycznej. U˝ytkownik ma
wybór, co do iloÊci wykrytych nieprawid∏o-
woÊci w czasie jednej godziny, po których
SCR jest unieruchomiony, a˝ do urucho-
mienia go manualnie (reset) lub pozosta-
wienia tej funkcji mikroprocesorowi g∏ów-
nemu, tablicy sterowej. Uk∏ad wybiera

usterki niebezpieczne (nie pozwala wów-
czas na ponowne automatyczne urucho-
mienie) i usterki chwilowe, po których sys-
tem mo˝e byç uruchomiony automatycz-
nie.

I na koniec kilka s∏ów o mo˝liwoÊciach

komunikowania si´ dêwigów ze Êwiatem
zewn´trznym. Funkcje te nie majà wp∏ywu
na prac´ dêwigu, ale mogà bardzo u∏atwiç
˝ycie. Ka˝dy wysokiej klasy sterownik
posiada mo˝liwoÊci komunikowania si´
z komputerem PC wg swojego w∏asnego
protoko∏u komunikacyjnego. Protoko∏y te
sà udost´pniane przez producentów ste-
rowników i nic ju˝ nie stoi na przeszko-
dzie, aby program komputerowy prze-
kszta∏ci∏ dane pobrane z procesora sterow-
nika w dowolny kszta∏t i tekst.

Monitorowanie i diagnostyka
ruchu dêwigów

Monitorowanie i diagnostyka przy u˝yciu
komputera osobistego polegajà na pobie-
raniu danych z mikroprocesora g∏ównego,
przetwarzaniu ich na kszta∏t graficzny
i tekstowy oraz wyÊwietlaniu ich na ekra-
nie monitora. Samodzielny program kom-
puterowy wspó∏pracuje ze sterownikiem
wyposa˝onym w dodatkowe z∏àcze RS322
lub RS422. Program sterownika rozpozna-
je wszystkie usterki i nieprawid∏owoÊci
dzia∏ania dêwigu lub dêwigów, które sà
przewidziane do wykrycia. Znaczy to, ˝e
do programu ciàgle mo˝na wprowadzaç
nowe sytuacje, które u˝ytkownik chcia∏by
rozpoznaç i odczytaç na ekranie.

Program komputerowy, opierajàc si´

na konkretnym protokole komunikacyj-

nym danego typu mikroprocesora, odczy-
tuje te dane i wyÊwietla w swoim formacie
na ekranie. W systemie monitorowania
i diagnostyki, program komputerowy od-
czytuje jedynie dane z programu mikro-
procesora bez ˝adnej ingerencji w funkcje
sterowania.

W celu obni˝enia kosztów system wy-

korzystuje typowy komputer osobisty PC,
poczàwszy ju˝ od 486DX/ 80 MHz, z kolo-
rowym lub nawet czarno-bia∏ym monito-
rem. System jest ∏atwo adaptowany i regu-
lowany do dowolnego uk∏adu dêwigów
(bez potrzeby zmiany oprogramowania,
do 6 dêwigów w grupie i 32 pi´ter z dowol-
nà kombinacjà przednich i tylnych drzwi
szybowych na dowolnych pi´trach).

Monitory mogà byç umieszczone

w maszynowni oraz/lub w oddalonych do
500 m pomieszczeniach biurowych lub
w g∏ównym hallu. System pokazuje na
ekranie komputera pozycj´ ka˝dego dêwi-
gu w grupie, kierunek jazdy, po∏o˝enie
drzwi, jazd´ lub postój, przydzia∏ i zmian´
przydzia∏u wezwaƒ do poszczególnych
dêwigów, otwarcie lub zamkni´cie drzwi
oraz aktualny stan operacji. W sposób
graficzny pokazany jest status wejÊç
i wyjÊç wraz z opisami. System wyÊwietla
status poszczególnych, wybranych przez
u˝ytkownika bloków programu, stany ele-
mentów czasowych oraz stany liczników
w programie, które mogà byç ustawiane
i regulowane równie˝ zewn´trznie z tabli-
cà sterowà. System ma mo˝liwoÊç wykry-
wania usterek, których opis wyÊwietlany
jest na monitorze.

Przy po∏àczeniu modemem dêwigu

z komputerem, umieszczonym w oddalo-
nej firmie dêwigowej, ju˝ przed wyjazdem
na miejsce awarii konserwator dowiaduje
si´ co jest uszkodzone i jakie cz´Êci powi-
nien zabraç ze sobà.

Sterowany z klawiatury komputera sys-

tem umo˝liwia wy∏àczenie lub w∏àczenie
poszczególnych pi´ter do ruchu w zakresie
wezwaƒ i dyspozycji, w celu uniemo˝liwie-
nia jazdy dêwigiem do poszczególnych
pi´ter osobom nieupowa˝nionym. System
wyposa˝ony jest kod, który uniemo˝liwia
operowanie dêwigiem przez osoby nieupo-
wa˝nione. Program mo˝na zainstalowaç
na typowym komputerze PC w pomiesz-
czeniu biurowym.

Opisane systemy sà ju˝ dost´pne na ryn-

ku dêwigowym w rodzimym wykonaniu i co
wa˝ne, potrafià komunikowaç si´ z u˝yt-
kownikiem w j´zyku polskim.

■

Nr 4 99

58

T E C H N I K A I T E C H N O L O G I A

SCR – wymiennik

uk∏adu Ward-Leonarda

Cyfrowy SCR