Servoantriebe und VFDs werden beide in Maschinen verwendet, um Motoren anzutreiben und Bewegungen zu steuern. Sie scheinen dasselbe zu tun, warum also einen Servoantrieb im Vergleich zu einem Frequenzumrichter wählen?
Einige Hintergrundinformationen zu Servoantrieben und Frequenzumrichtern
Traditionell arbeiten Servoantriebe mit Permanentmagnetmotoren und werden in Anwendungen eingesetzt, die Präzision erfordern Geschwindigkeit oder Position Kontrolle. Ein charakteristisches Merkmal von Servosystemen ist, dass sie Feedback verwenden, um Präzision und Genauigkeit zu erreichen. Servoantriebssysteme sind in der Lage, schnell zu beschleunigen und zu verzögern und können exakten Bewegungspfaden folgen, ob Punkt-zu-Punkt oder mit definierten Konturen.
VFDs hingegen sind mit Induktionsmotoren gekoppelt und werden in Anwendungen eingesetzt, die eine Geschwindigkeitsregelung erfordern. Ein charakteristisches Merkmal von VFD-Systemen ist, dass sie die Geschwindigkeit steuern können, indem sie die Frequenz der Spannung anpassen, die sie an den Motor senden. Davon haben sie übrigens auch ihren Namen – VFD steht für Variable Frequency Drive. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass sie keine Rückkopplung auf den Motor verwenden, sodass die Geschwindigkeitsregelung offen ist. Dies bedeutet, dass VFDs nicht kompensieren, wenn es zu einem Stall kommt oder wenn sich die Last ändert, was zu einer Geschwindigkeitssteuerung führt, die nicht so präzise ist wie mit Servos. VFDs können so eingestellt werden, dass sie auf eine bestimmte Geschwindigkeit hochfahren und dann für lange Zeit mit derselben Geschwindigkeit fahren.
Ein typischer Servoantrieb
Ein typischer Antrieb mit variabler Frequenz
Wie bei vielen technischen Entscheidungen gibt es keine festen Regeln und es gibt viele Beispiele, bei denen Servoantriebe und VFDs über Fähigkeiten verfügen, die über ihre traditionellen Rollen hinausgehen. Beispielsweise ist es aufgrund von technologischen Verbesserungen und der ständigen Notwendigkeit, mehr Funktionen bereitzustellen, heutzutage nicht schwer, Servoantriebe zu finden, die Induktionsmotoren antreiben können – sowohl mit als auch ohne Feedback. Ebenso gibt es viele VFDs, die auch Induktionsmotoren mit Feedback antreiben können (ein Induktionsmotor mit Feedback wird allgemein als Closed Loop Vector Motor oder CLV bezeichnet).
Das Ergebnis ist, dass es Bereiche gibt, in denen sich die Fähigkeiten von Servoantrieben und Frequenzumrichtern überschneiden.
In Anwendungen, die eine präzise Bewegungssteuerung erfordern, sind Servoantriebe Frequenzumrichtern weit überlegen.
Wann sollte man sich für einen Servoantrieb oder einen VFD entscheiden?
In den meisten Fällen ist die Entscheidung basierend auf den Anforderungen der Anwendung offensichtlich, aber die Wahl kann ungewiss werden, wenn beide die Aufgabe erfüllen können. Wir werden zuerst die einfachen Situationen behandeln und dann besprechen, was passiert, wenn beide geeignet sind.
Servoantriebe sind definitiv die erste Wahl in Anwendungen wie Roboterarmen, wenn eine koordinierte Bewegung zwischen mehreren Achsen erforderlich ist. Oder wenn schnelles Beschleunigen und Abbremsen gefragt ist, zum Beispiel bei Pick-and-Place-Portalen. Oder wenn eine präzise Geschwindigkeitssteuerung erforderlich ist, um einen Silizium-Ingot zu züchten, oder wenn eine genaue Positionierung im Submikrometerbereich für Halbleiteranwendungen erforderlich ist.
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VFDs sind die offensichtliche Wahl für Förderbänder, wenn die Geschwindigkeit auf eine bestimmte Geschwindigkeit eingestellt werden muss. Oder mit Hydraulikpumpen und Luftgebläsen. Oder bei einigen Elektrofahrzeugen, bei denen eine präzise Steuerung nicht erforderlich ist.
Der Mittelweg ist, wenn beide die Arbeit erledigen können. Zum Beispiel Geschwindigkeitsmodus- und Positionsmodus-Anwendungen, bei denen die Präzision für einen Servo als etwas locker angesehen wird, aber innerhalb der Möglichkeiten eines VFD liegt.
In einem Fördersystem ist ein Frequenzumrichter die bessere Wahl als ein Servoantrieb, solange er nicht ständig startet/stoppt oder die Richtung ändert.
Fördersysteme sind ein gutes Beispiel. Einerseits muss eine einfache Förderbandanwendung möglicherweise nur morgens eingeschaltet werden und dann den ganzen Tag mit derselben Geschwindigkeit laufen. Ein VFD wäre dafür eine ausgezeichnete Wahl. Andererseits wäre ein anspruchsvolleres Fördersystem, das häufig starten, stoppen, vorwärts und rückwärts fahren, die Geschwindigkeit mit einem anderen Förderband abgleichen und mehr müsste, eine bessere Wahl für ein Servosystem.
Im Großen und Ganzen gibt es ein ganzes Spektrum von Fördersystemen mit unterschiedlichen Anforderungen, von denen einige in die sich überschneidenden Fähigkeiten von Servos und VFDs fallen. Wenn die Wahl nicht klar ist, kommt es auf die Analyse an Leistung, Ausstattung und Preis. Um fair zu sein, alle technischen Analysen laufen auf Leistung, Funktionen und Preis hinaus, aber im Allgemeinen ...
Leistung und Funktionen
Die Wahl eines Systems kann darauf hinauslaufen, die niedrigeren Kosten eines VFD-Systems gegen die überlegenen Funktionen und die Leistung eines Servoantriebssystems abzuwägen.
Betrachten Sie Systeme mit den Funktionen, die Sie benötigen müssen oder wirklich wollen. Welche Bewegung muss das System ausführen und welche Funktionen machen das Endprodukt besser oder bequemer?
Kosten
Nachdem Sie Ihre Kandidatenauswahl anhand der Leistung eingegrenzt haben, werfen Sie einen Blick auf die Kosten. Servosysteme kosten im Allgemeinen mehr als VFD-Systeme, da ein Großteil der Kosten vom Servomotor herrührt. Servomotoren verwenden Permanentmagnete, die die Material- und Herstellungskosten gegenüber Induktionsmotoren erhöhen. Außerdem kosten die Servoantriebe oft mehr als VFDs, weil Sie haben mehr Funktionen. Sobald Sie an diesem Punkt sind, ist es buchstäblich ein Kompromiss zwischen Kosten und Leistung.
Ein weiteres Beispiel ist Elektrofahrzeuge und Elektromobilität. In diesem Fall gibt es noch ein paar weitere Überlegungen, über die wir noch nicht gesprochen haben: Effizienz, Größe und Leistung. Elektrofahrzeuge und Elektromobilitätsanwendungen können alles abdecken, von der Auftragsabwicklung, bei der Roboter Produkte aus einem Lager holen und für den Versand vorbereiten, über Serviceroboter in Krankenhäusern, automatisierte Gabelstapler, Werkstransporter, die Motoren und Autos bewegen, bis hin zu sehr großen Maschinen, die sich bewegen Lasten, die mehrere Tonnen wiegen. Effizienz, Größe und Leistung werden zu entscheidenden Faktoren für viele dieser Arten von Anwendungen, zusätzlich zu den bereits erwähnten Fähigkeiten zur Geschwindigkeits- und Positionssteuerung.
Effizienz
Bei mobilen Anwendungen ist die Effizienz besonders wichtig, um die Batterielebensdauer zu erhalten, damit sie zwischen den Ladevorgängen länger laufen können. Hier haben Servoantriebe einen Vorteil gegenüber Frequenzumrichtern.
Viele mobile Anwendungen sind für ihre Stromversorgung auf Batterien angewiesen, da sie nicht an eine Steckdose angeschlossen werden können. Wenn Batterien die Energiequelle sind, wird die Effizienz zu einem der wichtigsten Anliegen für Systemdesigner. Dies liegt daran, dass die Erhöhung der Effizienz es den Maschinen ermöglicht, zwischen den Ladevorgängen länger zu laufen, wodurch die Betriebszeit des Systems erhöht wird.
Denken Sie daran, dass Servos Permanentmagnetmotoren verwenden, während VFDs Induktionsmotoren verwenden. Es stellt sich heraus, dass Permanentmagnetmotoren viel effizienter sind als Induktionsmotoren, sodass Servosysteme einen klaren Vorteil haben, wenn Effizienz erforderlich ist.
Servoantriebe können viel kompakter und enger integriert sein als VFDs.
Größe
Für kleinere mobile Anwendungen beginnt die Größe der Komponenten aus zwei Gründen eine wichtige Überlegung zu werden. Erste kleinere Teile erleichtern es Systemdesignern, die Komponenten in ihr Design zu integrieren. Zweitens wiegen kleinere Komponenten weniger, was das Gesamtgewicht der Maschine reduziert. Mit weniger Gewicht muss weniger Masse herumgeschoben werden, was eine bessere Beschleunigungsleistung und längere Batterielebensdauer bedeutet. Wie bei der Effizienz gibt es bei Servoantrieben gegenüber Frequenzumrichtern einen deutlichen Vorteil in Bezug auf die Größe. Bei gleicher Leistung ist ein Servomotor kleiner als ein Induktionsmotor. Auch die neuesten Servodesigns wurden miniaturisiert und für mobile Anwendungen optimiert. Aus diesen Gründen sind Servos die Gewinner, wenn kleinere Größen benötigt werden.
AC-Induktionsmotoren können viel größer gebaut werden als Servomotoren, daher sind VFDs standardmäßig die Wahl für Systeme mit sehr hoher Leistung.
Leistung
Leistung ist wichtig für sehr große Maschinen. Servosysteme können bis zu einigen hundert Kilowatt dimensioniert werden, aber Induktionssysteme können bis zu Megawatt erreichen.
Wenn die Leistungsanforderungen steigen, fallen Servosysteme schließlich aus dem Wettbewerb und hinterlassen Induktionsmotoren und VFDs, obwohl dieser Übergang auf einem viel höheren Leistungsniveau stattfindet, als die meisten Anwendungen erfordern.
Servoantrieb vs. VFD-Schnellreferenz
| Kategorie | Servo-Antriebssystem | VFD-System | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Kosten | ✓ | Induktionsmotoren sind in der Herstellung kostengünstiger als Servomotoren, daher sind VFD-Systeme in der Regel preiswerter als Servosysteme. | |
| Leistung | ✓ | VFDs können in viel höheren Leistungsbereichen arbeiten - bis in den Megawattbereich | |
| Geschwindigkeitssteuerung | ✓ | ✓ | Sowohl Servos als auch VFDs bieten je nach Bedarf eine hervorragende Geschwindigkeitsregelung. Servoantriebe sind wegen der Rückkopplung überlegen, aber VFDs haben ihren Platz in vielen Anwendungen |
| Positionskontrolle | ✓ | Servoantriebe verfügen über eine überlegene Lageregelung, da sie eine Rückführung nutzen. Sie sind speziell für Positionieranwendungen geeignet | |
| Bewegungskontrolle | ✓ | Servoantriebe sind die einzige Möglichkeit, koordinierte Bewegungen und schnelle Bewegungsprofile zu realisieren. | |
| Merkmale | ✓ | Servosysteme verfügen über mehr Funktionen, da sie in einem breiteren Spektrum von Branchen und Anwendungen eingesetzt werden | |
| Kleine Größe | ✓ | Es sind Servos erhältlich, die für kleine Anwendungen optimiert wurden | |
| Effizienz | ✓ | Die Permanentmagnete der Servomotoren machen Servosysteme effizienter als VFDs |
Fazit
Zum größten Teil ist die Wahl zwischen einem Servoantrieb und einem VFD ziemlich einfach. Servoantriebe sind in Bezug auf Leistung und Funktionen im Vorteil, während VFDs bei den Kosten im Vorteil sind. Manchmal fällt die Wahl in einen Überschneidungsbereich, in dem beide funktionieren können. An dieser Stelle ist etwas mehr Überlegung erforderlich, um das beste System für Ihre Anforderungen zu finden.
von Rene Ymzon, Marketingleiter
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