Jak zabezpieczyć siłownik elektryczny?

• Bezpieczne użytkowanie siłownika elektrycznego
• Dlaczego trzeba zabezpieczać siłowniki
• Zabezpieczenie siłownika – metody
• Jak dobrać bezpiecznik do siłownika
• Jak dobrać elektroniczne zabezpieczenie siłownika
• Moduł przeciążeniowy – działanie po napotkaniu i usunięciu przeszkody
• Zabezpieczenie siłownika – podsumowanie

Bezpieczne użytkowanie siłownika elektrycznego

Siłowniki elektryczne są bardzo chętnie wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu oraz w gospodarstwach domowych. W przemyśle mogą poruszać ramionami robotów, prasami, klapami, zasuwami, podnosić ciężkie elementy maszyn, poruszać dźwigniami, itp. W gospodarstwach domowych mogą obsługiwać bramy, drzwi, klapy i włazy na strych lub do piwnicy. Mogą otwierać drzwiczki mebli i wysuwać projektor lub telewizor. A jak ktoś bardzo chce, to siłownik może też wysuwać ze ściany lub podłogi ukryty przed żoną barek 😊. Zastosowań jest całe mnóstwo!

Powszechność ich stosowania wynika głównie z tego, że sterowanie nimi jest bardzo proste zarówno do zaprojektowania, jak i wykonania. Sterowanie siłownikiem elektrycznym jest też o wiele tańsze od systemów pneumatycznych lub hydraulicznych. Jednocześnie jest od nich także o wiele bardziej bezawaryjne.

Ale żeby system działający w oparciu o siłownik elektryczny mógł działać długo, bezawaryjnie oraz bezpiecznie, konieczne jest odpowiednie zabezpieczenie siłownika.

Dlaczego trzeba zabezpieczać siłowniki

Mówiąc najprościej: żeby nie uszkodzić siłownika lub użytkownika 😊

Ale wniknijmy głębiej w temat.

Po pierwsze: siłownik. Można kupić taniochę – jednorazówkę. Wtedy jeśli ulegnie uszkodzeniu, to najczęściej nie będzie tragedii. Ale dobre siłowniki nie są tanie, dlatego raczej nie bylibyśmy szczęśliwi, gdyby w naszym urządzeniu taki droższy siłownik się uszkodził. A może się tak wydarzyć, ponieważ zawsze istnieje możliwość wystąpienia sytuacji, w której coś zablokuje ruch siłownika. Jeśli sterownik tego nie wykryje i nie odłączy zasilania od siłownika, to uszkodzeniu może ulec przekładnia lub silnik. Naprawa może być kosztowna, a czasami nawet niemożliwa do zrobienia. W takim przypadku konieczny będzie zakup nowego siłownika.

Po drugie: użytkownik. Nawet „największy koksu” klęknie, jak się do niego przyłoży odpowiednio dużą siłę 😊. A ponieważ większość zwykłych ludzi „koksem” nie jest, to tym łatwiej zrobić komuś takiemu krzywdę. Siłowniki elektryczne potrafią wytwarzać naprawdę spore siły. Właśnie dlatego trzeba liczyć się z tym, że ktoś mógłby np. podłożyć rękę pod zamykającą się klapę. Może to wyrządzić poważną krzywdę takiemu użytkownikowi systemu. Dlatego koniecznie trzeba przewidywać takie sytuacje i brać je pod uwagę podczas projektowania systemu sterowania siłownikiem.

Odpowiednie zabezpieczenie siłownika jest więc poniekąd sprawą „życia i śmierci” – siłownika lub użytkownika systemu.

Zabezpieczenie siłownika – metody

Takim sytuacjom można zapobiegać budując układ sterowania siłownikiem mogący wykryć nadmierny wzrost obciążenia siłownika i odpowiednio zareagować. Najprościej można to osiągnąć dwoma metodami: stosując bezpiecznik topikowy lub elektroniczny układ zabezpieczający.

Zabezpieczenie siłownika za pomocą bezpiecznika jest najprostszą i najtańszą formą ochrony, ale nie jest pozbawione wad. Bezpiecznik topikowy to naprawdę tani element (bezpiecznik 5×20 mm kosztuje kilkadziesiąt groszy) i jest skutecznym rozwiązaniem, ale niestety jest jednorazowy. Jeśli się przepali, to oczywiście ochroni siłownik, ale bezpiecznik trzeba wyrzucić i zastąpić nowym. NIE NAPRAWIA SIĘ BEZPIECZNIKÓW ŻADNYMI DRUCIKAMI!!! 😉 Poza tym bezpieczniki topikowe są produkowane na określone prądy nominalne. Nie mamy więc możliwości dobrania bezpiecznika idealnie pod daną sztukę i dane obciążenie siłownika. Musimy wybrać jakąś jedną spośród typowych wartości prądów. To sprawia, że siłownik zawsze będzie nieco bardziej obciążony w awaryjnej sytuacji, niż byśmy tego chcieli. No ale pamiętajmy, że mówimy o prościutkim elemencie za kilkadziesiąt groszy… 😉

Zupełnie inaczej sytuacja się przedstawia w wypadku modułów elektronicznych. Czasami określa się je mianem „bezpieczników elektronicznych” i mogą one działać według różnych scenariuszy.

Podstawową cechą wspólną takich modułów elektronicznych jest to, że najczęściej dają one możliwość płynnej regulacji progu zadziałania (potencjometrem lub cyfrowo). Dzięki temu możemy dowolnie ustalić punkt zadziałania zabezpieczenia siłownika, dopasowując go idealnie do danej sztuki i obciążenia. Dzięki temu mamy pewność, że system nie zadziała na przeszkodę z siłą większą niż chcemy. Układy elektroniczne nie są także „jednorazówkami” jak bezpieczniki topikowe. Po zadziałaniu zabezpieczenia elektronicznego nie ma potrzeby wymiany żadnych elementów. Wystarczy usunąć przeszkodę i ponownie wyzwolić pracę siłownika.

Ponadto elektroniczne układy przeciążeniowe mogą zawierać wyjścia zapewniające dodatkową funkcjonalność. Na przykład można je wykorzystać do informowania „mądrzejszego” układu sterującego o wystąpieniu przeciążenia. To może z kolei wyzwolić podjęcie dodatkowych działań jeśli są konieczne.

Jak dobrać bezpiecznik do siłownika

Żeby prawidłowo dobrać bezpiecznik, trzeba wiedzieć, jaki prąd pobiera siłownik podczas normalnej pracy w zaprojektowanym urządzeniu. Taką informację zdobędziemy mierząc prąd pobierany przez siłownik w docelowym układzie jego pracy pod jego normalnym obciążeniem (np. po zamontowaniu go przy klapie). Oczywiście nic go dodatkowo nie może w tym czasie blokować. Najprościej jest włączyć amperomierz szeregowo z siłownikiem, tak jak to przedstawia poniższy schemat:

Amperomierz zmierzy wprost prąd płynący przez siłownik i dzięki temu wiemy, w jaki bezpiecznik należy celować. Czasami prąd pobierany przez siłownik będzie się zmieniał w zależności od jego ułożenia względem poruszanego przedmiotu (np. zmieniający się kąt otwieranej klapy). Wtedy musimy wziąć pod uwagę ten największy prąd, który może pobrać siłownik w danym układzie.

Następnie dobieramy taki bezpiecznik, którego prąd nominalny będzie miał jak najbliższą większą wartość od wskazania amperomierza. Przy zabezpieczaniu siłowników w taki właśnie sposób, najczęściej będzie trzeba stosować bezpieczniki o charakterystyce zwłocznej. Pozwolą one na przepływ zwiększonego prądu podczas rozruchu siłownika pod obciążeniem.

Jeśli nie dysponujemy amperomierzem (lub multimetrem), to można się także posiłkować wykresem charakterystyki prądowej w funkcji siły (wykres na grafice poniżej).

Z reguły taka charakterystyka będzie dostępna w dokumentacji siłownika. Jest to jednak sposób mało dokładny i wymaga od nas znajomości siły, z jaką siłownik musi oddziaływać na poruszany przedmiot. Mała dokładność będzie wynikać głównie z tego, że charakterystyka jest uśredniona, a konkretna sztuka siłownika może nieznacznie od niej odbiegać. Mało kiedy też jesteśmy w stanie bardzo dokładnie obliczyć siłę, potrzebną do poruszania tego, czym siłownik ma poruszać. Dlatego może się okazać, że jednak bezpiecznik wytypowany na podstawie takiej charakterystyki nie od razu będzie odpowiedni. Wtedy będzie trzeba zastosować bezpiecznik na nieco większy lub mniejszy prąd.

Niemniej jednak kiedy już dobierzemy odpowiedni bezpiecznik, to sam układ zabezpieczający jest banalny. Wystarczy bezpiecznik włączyć szeregowo z siłownikiem, jak na schemacie poniżej i zabezpieczenie siłownika jest gotowe!

Jak dobrać elektroniczne zabezpieczenie siłownika

Dobieranie elektroniki zabezpieczającej jest o wiele prostsze, niż w przypadku bezpieczników topikowych. Nie musimy mierzyć prądu, jaki pobiera nasz siłownik. Wystarczy nam wiedza o maksymalnym prądzie, który siłownik może pobierać ze źródła zasilania, aby prawidłowo dobrać zabezpieczenie siłownika. Taką informację bez problemu znajdziemy w karcie katalogowej użytego w projekcie siłownika.

Kiedy wiemy już ile maksymalnie prądu potrzebuje nasz siłownik, wystarczy znaleźć (lub zaprojektować) elektronikę zabezpieczającą, która potrafi taki prąd obsłużyć. Moduły elektroniczne będą miały regulację czułości (potencjometrem lub cyfrowo), co pozwoli na jej precyzyjne dostrojenie do użytego siłownika. Porządnie zaprojektowany moduł zabezpieczający będzie też „pomijać” pik prądu pobieranego przez siłownik przy rozruchu. Sam proces regulacji czułości nie jest skomplikowany. Sprowadza się jedynie do takiego jej ustawienia, aby siłownik nie wyłączał się podczas normalnej pracy. Musi natomiast wyłączyć się po zablokowaniu poruszanego elementu przy użyciu wystarczająco dużej siły zewnętrznej. Regulując czułość działania elektroniki, regulujemy de facto wielkość siły potrzebnej do zadziałania zabezpieczenia.

Kilku słów komentarza wymaga sposób włączenia w układ sterujący takiej elektroniki. Najczęściej elektroniczny moduł zabezpieczający ma wejście zasilania prądem stałym (DC) i należy to napięcie podłączyć pilnując prawidłowej polaryzacji +/-. Powoduje to, że nie można takiego modułu włączyć pomiędzy układem sterującym a siłownikiem, ponieważ uszkodzi to moduł zabezpieczenia. Układ sterujący zamienia polaryzację zasilania siłownika, aby mógł on zmieniać kierunek swojej pracy. Dlatego elektronika zabezpieczająca musi być włączona w takim miejscu układu, w którym polaryzacja napięcia wejściowego będzie niezmienna. Dlatego moduł zabezpieczający włączamy pomiędzy zasilaczem, a układem odwracającym polaryzację napięcia zasilania siłownika. Schematycznie zostało to przedstawione poniżej:

Moduł przeciążeniowy – działanie po napotkaniu i usunięciu przeszkody

Jeśli chodzi o dobór elektroniki zabezpieczającej, ważne jest jeszcze to, w jaki sposób ma ona zareagować na przeciążenie siłownika. Bez wchodzenia w jakieś zawiłe szczegóły można powiedzieć, że mamy do wyboru główne dwie opcje:

• Elektronika sama całkowicie odetnie (lub ograniczy) prąd płynący przez siłownik, powodując jego całkowite zatrzymanie (lub zmniejszenie siły wyjściowej). W takim przypadku może być potrzebny ręczny reset modułu zabezpieczającego po usunięciu przeszkody. W taki właśnie sposób działa moduł PP-U dostępny w naszej ofercie. Czasami elektronika może mieć też funkcję automatycznego resetu po upływie określonego czasu. Oznacza to, że po spadku prądu pobieranego przez siłownik, moduł samoczynnie będzie próbował podać zasilanie dalej do układu sterującego siłownikiem. Wybór jednego czy drugiego sposobu resetowania modułu należy starannie rozważyć, ponieważ ze względów bezpieczeństwa nie zawsze automatyczny reset będzie wskazany.
• Elektronika zabezpieczająca nie odetnie ani nie ograniczy prądu płynącego przez siłownik, ale poda sygnał do układu sterującego o wystąpieniu przeciążenia. Wtedy właśnie do układu sterującego będzie należało podjęcie dalszych działań. Na tej zasadzie będzie działać moduł PP-30. Elektronika zabezpieczająca będzie w takim przypadku pełnić jedynie rolę miernika prądu pobieranego przez siłownik. Po przekroczeniu ustalonego progu poda informację dalej (np. zewrze styk przekaźnika wyjściowego). Sposób wznowienia pracy siłownika będzie w tym przypadku zależał od konstrukcji układu sterującego.

Zabezpieczenie siłownika – podsumowanie

Mądrze zaprojektowany układ sterowania siłownikiem powinien uwzględniać sytuacje awaryjne, takie jak np. zablokowanie możliwości ruchu siłownika poprzez jakąś przeszkodę.

Siłowniki mogą posiadać niektóre wbudowane zabezpieczenia (np. termiczne) chroniące siłownik przed uszkodzeniem (np. przed przegrzaniem silnika). Jednak nie są one wystarczające do wykrycia takich sytuacji awaryjnych, jakie rozpatrujemy w tym artykule. Dlatego KONIECZNIE trzeba stosować dodatkowe zabezpieczenia.

Bezpieczniki topikowe są dobrą, prostą i tanią metodą na zabezpieczenie siłownika. Dobór właściwego bezpiecznika (odpowiedni prąd wyłączenia) może jednak nie być taki prosty, jeśli nie mamy odpowiednich urządzeń pod ręką. Poza tym bezpieczniki nie są produkowane na dowolne prądy, dlatego czasami możemy być „skazani” na dosyć znaczną niedokładność działania układu. Innymi słowy siłownik zadziała na przeszkodę na pewno nie mniejszą siłą, niż byśmy chcieli, zanim bezpiecznik się przepali.

Wady tej są pozbawione elektroniczne moduły zabezpieczające, w których prąd możemy prawie dowolnie wyregulować. Dzięki temu możemy precyzyjnie dostroić układ do siłownika i dzięki temu wykrywać już niewielkie przeciążenia, wyzwalając odpowiednią reakcję układu sterującego. Dołóżmy do tego dodatkowe funkcje, które często takie moduły oferują (np. regulacja prędkości pracy siłownika). Od razu widać ich wielką przewagę nad bezpiecznikami. Coś takiego właśnie potrafi nasz moduł PP-U.

Niemniej jednak w niektórych zastosowaniach samo wykrywanie przeszkody poprzez pomiar prądu płynącego przez siłownik może być niewystarczające aby zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa obsługi urządzenia. Wtedy należy zastosować dodatkowe zabezpieczenia, tworzące wokół siłownika i poruszanego nim elementu odpowiednią strefę bezpieczeństwa (np. fotokomórki, itp.).

Tak czy inaczej „przezorny zawsze ubezpieczony”. Dlatego nie pozostawiaj nigdy przypadkowi tego, czy coś się stanie złego siłownikowi lub użytkownikowi systemu, który zbudowałeś. A po siłowniki i elektroniczne układy zabezpieczające zapraszamy do naszego sklepu internetowego na www.elektrobim.pl

Obejrzyj także film o tym, jak dobierać zabezpieczenia do siłownika: