Pourquoi choisir un servomoteur plutôt qu'un VFD ?

Les servo drives et les VFD sont tous deux utilisés dans les machines pour entraîner les moteurs et contrôler le mouvement. Ils semblent faire la même chose, alors pourquoi choisir un servomoteur plutôt qu'un VFD ?

Quelques informations sur les servomoteurs et les variateurs de vitesse

Traditionnellement, les servocommandes fonctionnent avec des moteurs à aimant permanent et sont utilisées dans des applications qui nécessitent une précision élevée. vélocité ou position contrôle. L'une des caractéristiques des systèmes servo est qu'ils utilisent la rétroaction pour atteindre la précision et l'exactitude. Les systèmes d'entraînement servo sont capables d'accélérer et de décélérer rapidement et peuvent suivre des trajectoires de mouvement exactes, que ce soit point par point ou avec des contours définis.

Les VFD, quant à eux, sont associés à des moteurs à induction et sont utilisés dans des applications qui nécessitent un contrôle de la vitesse. L'une des caractéristiques des systèmes VFD est qu'ils peuvent contrôler la vitesse en ajustant la fréquence de la tension qu'ils envoient au moteur. C'est d'ailleurs de là que vient leur nom : VFD (Variable Frequency Drive). Un autre point important est qu'ils n'utilisent pas de rétroaction sur le moteur, de sorte que le contrôle de la vitesse est en boucle ouverte. Cela signifie que les VFD ne compensent pas s'il y a un décrochage ou si la charge change, ce qui entraîne un contrôle de la vitesse qui n'est pas aussi précis qu'avec les servos. Les VFD peuvent être réglés pour monter en puissance jusqu'à une vitesse donnée, puis fonctionner à cette même vitesse pendant de longues périodes.

Servomoteur typique monté sur panneau avec boîtier noir et connecteurs verts pour comparaison avec le VFD.

Un servomoteur typique

VFD gris générique avec des boutons pour la comparaison avec un servomoteur.

Un variateur de fréquence typique

Comme pour de nombreuses décisions d'ingénierie, il n'y a pas de règle absolue et il existe de nombreux exemples où les servomoteurs et les variateurs de vitesse ont des capacités qui dépassent leurs rôles traditionnels. Par exemple, en raison de l'amélioration des technologies et de la nécessité toujours présente d'offrir davantage de fonctionnalités, il n'est pas difficile aujourd'hui de trouver des servovariateurs qui peuvent alimenter des moteurs à induction - avec ou sans rétroaction. Dans le même ordre d'idées, il existe de nombreux VFD qui peuvent également alimenter des moteurs à induction avec rétroaction (un moteur à induction avec rétroaction est communément appelé moteur vectoriel à boucle fermée ou CLV).

Le résultat est qu'il y a des zones où les capacités se chevauchent entre les servomoteurs et les VFD.

Bras de robot fixe jaune dans le réglage d'usine

Dans les applications qui nécessitent un contrôle précis du mouvement, les servovariateurs sont de loin supérieurs aux VFD.

Quand choisir un servomoteur ou un VFD ?

Dans la plupart des cas, la décision est évidente pour savoir lequel choisir en fonction des besoins de l'application, mais le choix peut devenir incertain lorsque les deux peuvent faire l'affaire. Nous allons d'abord aborder les situations simples, puis nous verrons ce qui se passe lorsque les deux conviennent.

Les servocommandes constituent le choix idéal pour les applications telles que les bras de robot, lorsqu'un mouvement coordonné est nécessaire entre plusieurs axes. Ou lorsqu'une accélération et une décélération rapides sont nécessaires, par exemple avec des portiques de prise et de mise en place. Ou encore lorsqu'un contrôle précis de la vitesse est nécessaire pour faire croître un lingot de silicium, ou lorsqu'un positionnement précis de l'ordre du sous-micromètre est nécessaire pour les applications de semi-conducteurs.

Les VFD sont le choix évident pour les bandes transporteuses lorsque la vitesse doit être réglée sur une certaine valeur. Ou pour les pompes hydrauliques et les souffleurs d'air. Ou encore avec certains véhicules électriques pour lesquels un contrôle précis n'est pas nécessaire.

Le juste milieu, c'est quand les deux peuvent faire le travail. Par exemple, les applications en mode vitesse et en mode position où la précision serait considérée comme un peu faible pour un servo, mais dans la capacité d'un VFD.

conteneurs rouges se déplaçant sur un système de convoyeur à rouleaux dans une installation de stockage

Dans un système de convoyage, un VFD est un meilleur choix qu'un servomoteur tant qu'il n'est pas constamment en train de démarrer/arrêter ou de changer de direction.

Systèmes de convoyage en sont un bon exemple. D'une part, une simple application de convoyeur pourrait simplement être mise en marche le matin et fonctionner toute la journée à la même vitesse. Un VFD serait un excellent choix pour cela. D'autre part, un système de convoyeur plus exigeant qui doit fréquemment démarrer, s'arrêter, avancer, reculer, s'adapter à la vitesse d'un autre convoyeur et plus encore serait un meilleur choix pour un système servo.

Dans le grand schéma des choses, il y a toute une gamme de systèmes de convoyage avec des exigences différentes, dont certaines tombent dans les capacités de chevauchement des servos et des VFD. Lorsque le choix n'est pas clair, l'analyse se résume à ce qui suit performances, caractéristiques et prix. Bien que, pour être juste, toutes les analyses techniques se résument aux performances, aux caractéristiques et au prix, mais en général...

Performances et caractéristiques

Femme décidant entre VFD et moteur à induction et Servo Drive et Servo Motor en considérant les coûts, les caractéristiques et les performances.

Le choix d'un système peut se résumer à mettre en balance le coût inférieur d'un système VFD et les caractéristiques et performances supérieures d'un système de servocommande.

Considérez les systèmes qui possèdent les caractéristiques que vous besoin de ou veulent vraiment. Quel mouvement le système doit-il accomplir et quelles caractéristiques rendront le produit final meilleur ou plus pratique ?

Coût

Une fois que vous avez réduit votre sélection de candidats en fonction des performances, examinez les coûts. Les systèmes servo coûtent généralement plus cher que les systèmes VFD car une grande partie du coût provient du servomoteur. Les servomoteurs utilisent des aimants permanents qui augmentent les coûts de matériaux et de fabrication par rapport aux moteurs à induction. En outre, les servomoteurs coûtent souvent plus cher que les VFD parce que ils ont plus de fonctionnalités. Une fois que vous en êtes là, il s'agit littéralement d'un compromis entre le coût et les performances.

Un autre exemple est véhicules électriques et mobilité électrique. Dans ce cas, il y a quelques autres considérations dont nous n'avons pas encore parlé : efficacité, taille et puissance. Les véhicules électriques et les applications de mobilité électrique peuvent couvrir tous les domaines, de l'exécution des commandes où les robots tirent les produits d'un entrepôt et les préparent pour l'expédition, aux robots de service dans les hôpitaux, aux chariots élévateurs automatisés, aux transporteurs d'usine qui déplacent les moteurs et les voitures, jusqu'aux très grandes machines qui déplacent des charges de plusieurs tonnes. L'efficacité, la taille et la puissance deviennent des facteurs décisifs pour nombre de ces types d'applications, en plus des capacités de contrôle de la vitesse et de la position évoquées précédemment.

Efficacité

Plusieurs robots orange dans un entrepôt avec des icônes de batterie indiquant le niveau de charge

Dans les applications mobiles, l'efficacité est particulièrement importante pour préserver l'autonomie des batteries afin qu'elles puissent fonctionner plus longtemps entre deux recharges. C'est là que les servomoteurs ont un avantage sur les VFD.

De nombreuses applications mobiles sont alimentées par des batteries, car elles ne peuvent pas être branchées au mur. Lorsque les batteries sont la source d'alimentation, l'efficacité devient une préoccupation majeure pour les concepteurs de systèmes. En effet, l'amélioration de l'efficacité permet aux machines de fonctionner plus longtemps entre deux charges, ce qui augmente la durée de fonctionnement du système.

Rappelons que les servos utilisent des moteurs à aimant permanent tandis que les VFD utilisent des moteurs à induction. Il s'avère que les moteurs à aimant permanent sont beaucoup plus efficaces que les moteurs à induction, donc lorsque l'efficacité est nécessaire, les systèmes servo ont un net avantage.

Main de robot tenant une petite unité d'entraînement servo montée sur PCB

Les servocommandes peuvent être beaucoup plus compactes et plus étroitement intégrées que les VFD.

Taille

Pour les petites applications mobiles, la taille des composants commence à devenir une considération importante pour deux raisons. Tout d'abord, des pièces plus petites facilitent l'intégration des composants par les concepteurs de systèmes dans leur conception. Ensuite, les composants plus petits pèsent moins lourd, ce qui réduit le poids total de la machine. Avec moins de poids, il y a moins de masse à pousser, ce qui signifie de meilleures performances d'accélération et une plus grande autonomie de la batterie. Comme pour l'efficacité, il existe un avantage certain en termes de taille entre les servomoteurs et les variateurs de vitesse. Pour la même quantité de puissance, un servomoteur sera plus petit qu'un moteur à induction. De plus, les derniers modèles de servomoteurs ont été miniaturisés et optimisés pour les applications mobiles. Pour ces raisons, les servos sont les gagnants lorsque des tailles plus petites sont nécessaires.

Gros moteur à induction à courant alternatif faisant partie du système de pompage

Les moteurs à induction à courant alternatif peuvent être construits beaucoup plus grands que les servomoteurs, de sorte que les VFD sont le choix par défaut pour les systèmes de très haute puissance.

Puissance

La puissance est importante pour les très grandes machines. Les systèmes servo peuvent être dimensionnés jusqu'à quelques centaines de kilowatts, mais les systèmes à induction peuvent atteindre les mégawatts.

Au fur et à mesure que les besoins en puissance augmentent, les systèmes servo finissent par ne plus être en concurrence avec les moteurs à induction et les VFD, bien que cette transition se fasse à un niveau de puissance beaucoup plus élevé que celui requis par la plupart des applications.

Servo Drive vs VFD Référence rapide

CatégorieSystème de servocommandeSystème VFDCommentaires
CoûtLes moteurs à induction coûtent moins cher à fabriquer que les servomoteurs, c'est pourquoi les systèmes VFD sont généralement moins chers que les systèmes servo.
PuissanceLes VFD peuvent fonctionner à des puissances beaucoup plus élevées, jusqu'au mégawatt.
Contrôle de la vélocitéLes servos et les VFD ont tous deux un excellent contrôle de la vitesse, selon les besoins. Les servocommandes sont supérieures en raison de la rétroaction, mais les VFD ont leur place dans de nombreuses applications.
Contrôle de positionLes servocommandes ont un contrôle de position supérieur grâce à l'utilisation de la rétroaction. Ils sont spécifiquement adaptés aux applications de positionnement
Contrôle du mouvementLes servomoteurs sont le seul moyen de réaliser des mouvements coordonnés et des profils de mouvement rapides.
CaractéristiquesLes systèmes servo ont plus de caractéristiques car ils sont utilisés dans un plus grand nombre d'industries et d'applications.
Petite tailleIl existe des servos optimisés pour les petites applications.
EfficacitéLes aimants permanents des servomoteurs rendent les systèmes servo plus efficaces que les VFD.

Conclusion

Dans la plupart des cas, le choix entre un servomoteur et un VFD est assez simple. Les servocommandes ont l'avantage en termes de performances et de fonctionnalités, tandis que les VFD ont un avantage en termes de coût. Parfois, le choix se situe dans une zone de chevauchement où l'un ou l'autre peut fonctionner. Dans ce cas, il faut un peu plus de réflexion pour trouver le meilleur système pour vos besoins.

 

par René Ymzon, responsable marketing

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