I servoazionamenti e i VFD sono entrambi utilizzati nelle macchine per guidare i motori e controllare il movimento. Sembra che facciano la stessa cosa, quindi perché scegliere un servoazionamento contro un VFD?
Alcuni retroscena sui servoazionamenti e i VFD
Tradizionalmente, i servoazionamenti lavorano con motori a magneti permanenti e sono utilizzati in applicazioni che hanno bisogno di precisione velocità o posizione controllo. Una caratteristica distintiva dei sistemi servo è che usano il feedback per ottenere precisione e accuratezza. I sistemi di servoazionamento sono in grado di accelerare e decelerare rapidamente e possono seguire percorsi di movimento esatti, da punto a punto o con contorni definiti.
I VFD d'altra parte sono accoppiati con motori a induzione e sono utilizzati in applicazioni che hanno bisogno di controllo della velocità. Una caratteristica distintiva dei sistemi VFD è che possono controllare la velocità regolando la frequenza della tensione che inviano al motore. È da qui che deriva il loro nome, a proposito - VFD sta per Variable Frequency Drive. Un altro punto importante è che non usano feedback sul motore, quindi il controllo della velocità è ad anello aperto. Questo significa che i VFD non compensano se c'è uno stallo o se il carico cambia, con un conseguente controllo della velocità che non è preciso come con i servo. I VFD possono essere impostati per accelerare fino a una data velocità e poi guidare a quella stessa velocità per lunghe durate.
Un tipico servoazionamento
Un tipico azionamento a frequenza variabile
Come per molte decisioni ingegneristiche, non ci sono regole rigide e veloci e ci sono molti esempi in cui i servoazionamenti e i VFD hanno capacità che vanno oltre il loro ruolo tradizionale. Per esempio, a causa dei miglioramenti nelle tecnologie e la necessità sempre presente di fornire più funzioni, oggi non è difficile trovare servoazionamenti che possono alimentare motori a induzione - sia con che senza feedback. Allo stesso modo, ci sono molti VFD che possono anche alimentare motori a induzione con feedback (un motore a induzione con feedback è comunemente chiamato motore vettoriale ad anello chiuso o CLV).
Il risultato è che ci sono aree in cui le capacità si sovrappongono tra servoazionamenti e VFD.
Nelle applicazioni che richiedono un controllo preciso del movimento, i servoazionamenti sono di gran lunga superiori ai VFD.
Quando scegliere un servoazionamento rispetto a un VFD
Nella maggior parte dei casi la decisione è ovvia per quale scegliere in base alle esigenze dell'applicazione, ma la scelta può diventare incerta quando entrambi possono fare il lavoro. Prima copriremo le situazioni semplici, poi andremo a vedere cosa succede quando entrambi sono adatti.
I servoazionamenti sono sicuramente la scelta in applicazioni come i bracci dei robot quando è necessario un movimento coordinato tra più assi. O quando sono necessarie accelerazioni e decelerazioni rapide, per esempio con i gantry pick-and-place. O quando è necessario un controllo preciso della velocità per far crescere un lingotto di silicio, o quando è necessario un esatto posizionamento sub-micrometrico per le applicazioni dei semiconduttori.
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I VFD sono la scelta ovvia per i nastri trasportatori quando la velocità deve essere impostata a una certa velocità. O con pompe idrauliche e soffianti d'aria. O con alcuni veicoli elettrici dove il controllo preciso non è un requisito.
La via di mezzo è quando entrambi possono fare il lavoro. Per esempio le applicazioni in modalità di velocità e posizione dove la precisione sarebbe considerata un po' debole per un servo, ma all'interno della capacità di un VFD.
In un sistema di trasporto, un VFD è una scelta migliore di un servoazionamento, purché non si avvii/arresti costantemente o cambi direzione.
Sistemi di trasporto sono un buon esempio. Da un lato, una semplice applicazione di trasporto potrebbe aver bisogno di accendersi al mattino e poi funzionare tutto il giorno alla stessa velocità. Un VFD sarebbe una scelta eccellente per questo. D'altra parte, un sistema di trasporto più esigente che ha bisogno di avviare, fermare, andare avanti, indietro, abbinare la velocità con un altro trasportatore e altro ancora, sarebbe una scelta migliore per un sistema servo.
Nel grande schema delle cose c'è un intero spettro di sistemi di trasporto con diversi requisiti, alcuni dei quali rientrano nelle capacità sovrapposte sia dei servo che dei VFD. Quando la scelta non è chiara, l'analisi si riduce a prestazioni, caratteristiche e prezzo. Anche se, ad essere onesti, tutte le analisi ingegneristiche si basano su prestazioni, caratteristiche e prezzo, ma in generale...
Prestazioni e caratteristiche
La scelta di un sistema può arrivare a pesare il costo inferiore di un sistema VFD contro le caratteristiche e le prestazioni superiori di un sistema di servoazionamento.
Considerate i sistemi che hanno le caratteristiche che voi bisogno di o desiderare veramente. Quale movimento deve compiere il sistema e quali caratteristiche renderanno il prodotto finale migliore o più conveniente?
Costo
Una volta che avete ristretto la vostra selezione di candidati in base alle prestazioni, date un'occhiata ai costi. I sistemi servo generalmente costano di più dei sistemi VFD perché gran parte del costo deriva dal servomotore. I servomotori usano magneti permanenti che aumentano il materiale e i costi di produzione rispetto ai motori a induzione. Inoltre i servoazionamenti spesso costano più dei VFD perché hanno più caratteristiche. Una volta che sei a questo punto è letteralmente un compromesso tra costo e prestazioni.
Un altro esempio è veicoli elettrici e mobilità elettrica. In questo caso ci sono alcune considerazioni in più di cui non abbiamo ancora parlato: efficienza, dimensioni e potenza. I veicoli elettrici e le applicazioni di mobilità elettrica possono coprire qualsiasi cosa, dall'evasione degli ordini in cui i robot tirano i prodotti da un magazzino e li preparano per la spedizione, ai robot di servizio negli ospedali, ai carrelli elevatori automatizzati, ai trasportatori di fabbrica che spostano motori e automobili, alle macchine molto grandi che spostano carichi che pesano più tonnellate. Efficienza, dimensioni e potenza diventano fattori decisivi per molti di questi tipi di applicazioni, oltre alle capacità di controllo della velocità e della posizione discusse in precedenza.
Efficienza
Nelle applicazioni mobili, l'efficienza è particolarmente importante per preservare la durata della batteria in modo che possa funzionare più a lungo tra le ricariche. È qui che i servoazionamenti hanno un vantaggio rispetto ai VFD.
Molte applicazioni mobili si affidano alle batterie per la loro alimentazione, poiché non possono essere collegate al muro. Quando le batterie sono la fonte di alimentazione, allora l'efficienza diventa una delle principali preoccupazioni per i progettisti di sistemi. Questo perché aumentare l'efficienza permette alle macchine di funzionare per periodi più lunghi tra una carica e l'altra, aumentando così il tempo di attività del sistema.
Ricordiamo che i servi usano motori a magneti permanenti mentre i VFD usano motori a induzione. Si è scoperto che i motori a magneti permanenti sono molto più efficienti dei motori a induzione, quindi quando l'efficienza è necessaria, i sistemi servo hanno un chiaro vantaggio.
I servoazionamenti possono essere molto più compatti e più strettamente integrati dei VFD.
Dimensione
Per le applicazioni mobili più piccole la dimensione dei componenti inizia a diventare una considerazione importante per due motivi. In primo luogo, le parti più piccole rendono più facile per i progettisti di sistemi integrare i componenti nel loro progetto. In secondo luogo, i componenti più piccoli pesano meno, il che riduce il peso complessivo della macchina. Con meno peso c'è meno massa da spingere in giro, il che significa migliori prestazioni di accelerazione e una maggiore durata della batteria. Come per l'efficienza, c'è un netto vantaggio quando si tratta di dimensioni con i servoazionamenti rispetto ai VFD. Per la stessa quantità di potenza, un servomotore sarà più piccolo di un motore a induzione. Inoltre gli ultimi progetti di servo sono stati miniaturizzati e ottimizzati per le applicazioni mobili. Per queste ragioni i servo sono i vincitori quando sono necessarie dimensioni più piccole.
I motori a induzione AC possono essere costruiti molto più grandi dei servomotori, quindi i VFD sono la scelta di default per i sistemi di potenza molto alta.
Potenza
La potenza è importante per le macchine molto grandi. I sistemi servo possono essere dimensionati fino a qualche centinaio di kilowatt, ma i sistemi a induzione possono arrivare fino ai megawatt.
Man mano che i requisiti di potenza salgono, i servosistemi alla fine escono di scena lasciando i motori a induzione e i VFD, anche se questa transizione avviene a un livello di potenza molto più alto di quello richiesto dalla maggior parte delle applicazioni.
Servoazionamento vs VFD Riferimento rapido
| Categoria | Sistema di servoazionamento | Sistema VFD | Commenti |
|---|---|---|---|
| Costo | ✓ | I motori a induzione costano meno dei servomotori, quindi i sistemi VFD sono in genere meno costosi dei sistemi servo | |
| Potenza | ✓ | I VFD possono funzionare a intervalli di potenza molto più alti - nella dimensione megawatt | |
| Controllo della velocità | ✓ | ✓ | Sia i servo che i VFD hanno un ottimo controllo della velocità a seconda delle esigenze. I servoazionamenti sono superiori a causa del feedback, ma i VFD hanno il loro posto in molte applicazioni |
| Controllo della posizione | ✓ | I servoazionamenti hanno un controllo di posizione superiore grazie all'uso del feedback. Sono specificamente adattati alle applicazioni di posizionamento | |
| Controllo del movimento | ✓ | I servoazionamenti sono l'unico modo per ottenere un movimento coordinato e profili di movimento rapido | |
| Caratteristiche | ✓ | I servo sistemi hanno più caratteristiche poiché sono utilizzati in una gamma più ampia di industrie e applicazioni | |
| Dimensioni ridotte | ✓ | Sono disponibili servi che sono stati ottimizzati per piccole applicazioni | |
| Efficienza | ✓ | I magneti permanenti sui servomotori rendono i sistemi servo più efficienti dei VFD |
Conclusione
Per la maggior parte, la scelta tra un servoazionamento e un VFD è abbastanza semplice. I servoazionamenti hanno il vantaggio quando si tratta di prestazioni e caratteristiche, mentre i VFD hanno un vantaggio con il costo. A volte la scelta cade in un'area di sovrapposizione dove entrambi possono funzionare, a questo punto ci vuole un po' più di considerazione per trovare il sistema migliore per le vostre esigenze.
da René Ymzon, responsabile marketing
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