Jaka jest różnica między napędami VFD i serwonapędami?

Od XXI wieku, wraz z rozwojem Przemysłu 4.0 i Made in China 2025, często zadaje się takie pytanie: „Jaka jest różnica między serwomechanizmem a przetwornicą częstotliwości?” o kontroli przemysłowej. Następnie autor przedstawi następujące aspekty do porównania. Proszę o wybaczenie, jeśli wyjaśnienie jest niezrozumiałe.

Inwerter VS Serwonapęd

Rozumienie na podstawie definicji

Przede wszystkim, z definicji, falownik jest urządzeniem sterującym mocą, które przekształca źródło zasilania o częstotliwości sieciowej na inną częstotliwość za pomocą funkcji włączania/wyłączania urządzenia półprzewodnikowego mocy. Może realizować funkcje miękkiego startu, zmiennej regulacja prędkości częstotliwości, poprawa dokładności działania i zmiana współczynnika mocy silnika asynchronicznego prądu przemiennego.

Przetwornica częstotliwości może napędzać silnik o zmiennej częstotliwości i zwykły silnik prądu przemiennego, pełni głównie funkcję regulatora prędkości silnika.

System serwo to automatyczny system sterowania, który umożliwia kontrolowanej na wyjściu ilości obiektu podążanie za dowolną zmianą celu wejściowego (lub zadanej wartości). Głównym zadaniem jest powiększanie, przekształcanie i sterowanie mocą zgodnie z wymaganiami polecenia sterującego, tak aby sterowanie momentem, prędkością i położeniem urządzenia napędowego było bardzo elastyczne i wygodne.

System serwo

Serwosystem można podzielić na elektromechaniczny układ serwo, hydrauliczny układ serwo i pneumatyczny układ serwo w zależności od rodzaju zastosowanych elementów napędu. Najbardziej podstawowe systemy serwo obejmują siłowniki serwo (silniki, cylindry hydrauliczne), elementy sprzężenia zwrotnego i serwonapędy. Jeśli chcesz, aby serwosystem działał płynnie, potrzebujesz mechanizmu wyższego poziomu, sterownika PLC oraz specjalnej karty sterującej ruchem, komputera przemysłowego + karty PCI, aby wysyłać instrukcje do serwonapędu.

Ogólnie rzecz biorąc, różnice w definicjach między nimi można podsumować głównie w jednym zdaniu: falownik służy do kontroli prędkości, a serwomechanizm do kontroli położenia.

Przetwornica służy do kontroli prędkości, a serwomechanizm do kontroli położenia

Zrozumienie od silnika

Chociaż synchroniczny serwomotor prądu przemiennego jest bardziej skomplikowany niż silnik indukcyjny, jest prostszy niż silnik prądu stałego. Jego stojan, podobnie jak silnik indukcyjny, jest wyposażony w symetryczne uzwojenie trójfazowe na stojanie. Wirniki są inne. Według różnych konstrukcji wirników dzieli się je na dwa typy: elektromagnetyczne i nieelektromagnetyczne. Nieelektromagnetyczne dzielą się na histerezę magnetyczną, magnes trwały i reaktywny. Wśród nich typ histerezy i reaktywny silnik synchroniczny mają wady związane z niską wydajnością, słabym współczynnikiem mocy i małą zdolnością produkcyjną. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są często stosowane w obrabiarkach CNC. W porównaniu z typem elektromagnetycznym magnes trwały ma zalety prostej konstrukcji, niezawodnego działania i wysokiej wydajności; wadą jest to, że objętość jest duża, a charakterystyka początkowa nie jest dobra.

Jednak silnik synchroniczny z magnesami trwałymi wykorzystuje magnesy szczątkowe o wysokim magnesowaniu szczątkowym i magnesy ziem rzadkich o wysokiej koercji, które mogą być o około 1/2 mniejsze niż wielkość mocy elektrycznej prądu stałego, o 60% lżejsze, a bezwładność wirnika jest zmniejszona do 1/5 silnika prądu stałego.

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi w porównaniu z silnikiem asynchronicznym wykorzystuje wzbudzenie o dużym magnesie, aby wyeliminować utratę wzbudzenia i związaną z nią stratę rozproszenia, dzięki czemu wydajność jest wysoka. Co więcej, ponieważ w przypadku elektromagnetycznego silnika synchronicznego nie jest wymagany pierścień kolektora ani szczotka, niezawodność mechaniczna jest taka sama jak w przypadku silnika indukcyjnego (asynchronicznego), a współczynnik mocy jest znacznie wyższy niż w przypadku silnika asynchronicznego, dzięki czemu stosunek objętości silnika synchronicznego z magnesami trwałymi jest asynchroniczny. Silnik jest mniejszy. Dzieje się tak dlatego, że przy małych prędkościach silnik indukcyjny (asynchroniczny) ma znacznie wyższą moc pozorną niż moc pozorna, ponieważ współczynnik mocy jest niski, a moc wyjściowa tej samej mocy czynnej jest znacznie większa.

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi w porównaniu z silnikiem asynchronicznym

Aby wytworzyć w silniku okrągłe wirujące pole magnetyczne, wymagana jest różnica fazowa wynosząca 90 stopni pomiędzy napięciem wzbudzenia Uf i napięciem sterującym UK. Typowe metody to:

1. Wykorzystanie napięcia fazowego i napięcia sieciowego trójfazowego źródła zasilania w celu utworzenia przesunięcia fazowego o 90 stopni.
2. Używając dowolnego napięcia sieciowego trójfazowego źródła zasilania.
3. Sieć z przesuwaniem fazowym.
4. Kondensator szeregowy w fazie wzbudzenia.

Trójfazowy silnik asynchroniczny to typ silnika zasilany trójfazowym źródłem prądu przemiennego o napięciu 380 V (różnica faz 120 stopni). Ponieważ wirnik trójfazowego silnika asynchronicznego i wirujące pole magnetyczne stojana obracają się w tym samym kierunku i przy różnych prędkościach obrotowych, występuje współczynnik poślizgu.

Trójfazowy silnik asynchroniczny

Rozumienie na podstawie wskaźników technicznych

Jeśli chodzi o porównanie wskaźników technicznych, autor opiera się głównie na następujących sześciu punktach:

1. Różne możliwości przeciążenia

Serwonapęd ma zazwyczaj 3-krotną wytrzymałość na przeciążenia (a obecnie kilku producentów serwonapędów może to zrobić 3,5-krotnie), co można wykorzystać do pokonania momentu bezwładności obciążenia w momencie rozruchu, a ogólnie falownik pozwala na 1,5-krotne przeciążenie.

Serwonapęd ma zazwyczaj 3-krotną zdolność przeciążeniową

2. Kontroluj precyzję

Dokładność sterowania serwosystemu jest znacznie wyższa niż konwersja częstotliwości. Zazwyczaj precyzję sterowania serwosilnikiem gwarantuje enkoder umieszczony na tylnym końcu wału silnika. Powszechnie używanymi enkoderami na rynku są inkrementalne enkodery fotoelektryczne i fotoelektryczne enkodery wartości bezwzględnej.

Kontroluj precyzję

3. Różne zastosowania

Konwersja częstotliwości i serwo to dwie kategorie kontroli. Pierwsza należy do dziedziny sterowania przekładnią, a druga do dziedziny sterowania ruchem. Jednym z nich jest spełnienie wymagań ogólnych zastosowań przemysłowych, a wymagania aplikacyjne nie są wysokie i dążenie do niskich kosztów. Drugim jest dążenie do wysokiej precyzji, wysokiej wydajności i wysokiej reakcji.

Różne zastosowania

4. Różna wydajność przyspieszania i zwalniania

W warunkach bez obciążenia serwomotor jest obrabiany od zatrzymania do 2000 obr./min i czas ten nie przekracza 20 ms. Czas przyspieszania silnika jest powiązany z bezwładnością wału silnika i obciążeniem. Ogólnie rzecz biorąc, im większa bezwładność, tym dłuższy czas przyspieszania.

Różna wydajność przyspieszania i zwalniania

5. Charakterystyka dynamiczna

W zastosowaniach automatyki, ponieważ serwonapędy często muszą radzić sobie z większą precyzją sterowania i szybciej reagować na bardziej subtelne błędy, okres regulacji odpowiedzi musi być krótszy, zwykle w milisekundach lub nawet na poziomie mikrosekund. Wiele produktów serwo ma pasmo odpowiedzi prędkości, które może osiągnąć poziom kHz. W przeciwieństwie do zwykłych produktów z napędami o zmiennej częstotliwości, szerokość pasma przenoszenia często sięga setek Hz.

Charakterystyka dynamiczna

Ponieważ serwomechanizmy często spotykają się z zastosowaniami wymagającymi dużej precyzji i wysokiej dynamiki, całkowite obciążenie będzie stosunkowo niewielkie, a całkowita moc wyjściowa będzie na ogół w zakresie dziesiątek kilowatów, czyli lepiej niż moc przenoszenie. Układ napędowy o zmiennej częstotliwości jest znacznie mniejszy; a te wymagające zastosowania w sterowaniu pracą zwykle nie charakteryzują się nadmierną charakterystyką reakcji. Ogólnie rzecz biorąc, konwersja asynchroniczna może spełnić wymagania.

Zakres mocy

Zrozumienie rynku

Dzięki powyższym objaśnieniom musimy mieć pewne zrozumienie różnicy między falownikiem a serwomechanizmem na poziomie technicznym. Następnie autor zamierza omówić różnicę między nimi z punktu widzenia rynku.

Chociaż technologia serwo w naszym kraju rozpoczęła się późno, system serwo składający się z silnika serwo, urządzenia sprzężenia zwrotnego i sterownika ma dopiero 50 lat. Nie można jednak zaprzeczyć, że chiński przemysł wytwórczy stopniowo zdał sobie sprawę, że rola systemów serwo w poprawie konkurencyjności produktów rośnie. Zaczyna się pojawiać duży popyt rynkowy na systemy serwo. Wierzę, że w najbliższej przyszłości nowa runda rozwoju systemów serwo będzie nadal pisać historię kolejnego „chińskiego falownika”. Dlaczego tak mówimy? Główne powody analizy są następujące:

Po pierwsze, wraz z rozwojem ogólnej formy chińskiej gospodarki wiele gałęzi przemysłu o znaczeniu serwokrytycznym, takich jak obrabiarki, elektroniczny sprzęt specjalny, sprzęt medyczny, pojazdy hybrydowe i nowe gałęzie przemysłu energetycznego, odnotowało poprawę w większym stopniu niż ludzie& #39;oczekiwania wynikające ze względów ekonomicznych i politycznych. Rozwój tych branż bezpośrednio doprowadził do dużego popytu na rynku serwonapędów, co doprowadziło do powstania wielu krajowych marek serwonapędów. Wraz z przyspieszeniem procesu industrializacji, modernizacja przemysłu i substytucja importu również przyczyniły się do masowego wykorzystania produktów serwo, a skutki oszczędzania energii i wzrostu produkcji stają się coraz bardziej oczywiste. Warto wspomnieć, że początkowa dojrzałość technologii zastosowań serwo w branży energetyki wiatrowej oznacza, że możliwości biznesowe w zakresie oszczędzania energii i redukcji emisji dwutlenku węgla w przypadku serwonapędów są nie mniejsze niż możliwości, jakie stwarza oszczędność energii i redukcja emisji w przypadku falowników wysokiego napięcia.

Po drugie, w najwyższym sektorze najważniejsze czynniki, które użytkownicy cenią w procesie użytkowania, takie jak stabilność, szybkość reakcji i dokładność, są zaletami systemu serwo. W dzisiejszych coraz bardziej wymagających wymaganiach technicznych, kto ma najwyższą wydajność i kto może zyskać przychylność użytkowników, cena nie jest już decydującym czynnikiem utrudniającym rozwój serwomechanizmów. Najwyższy rynek niewątpliwie zajmują serwa. Falownik odgrywa rolę tylko w niektórych stosunkowo prostych obszarach.

Serwonapęd VEICHI

Według niepełnych statystyk w Chinach działa obecnie kilkudziesięciu producentów produktów serwo. Próg dostępu w polu serwo zawsze był wyższy niż w przypadku falowników niskiego napięcia. Wielu producentów rozwinęło się w oparciu o technologię inwerterową. Technologia konwersji częstotliwości została rozszerzona na technologię sterowania serwo i jest umiejętnie wykorzystywana. Spośród siedmiu strategicznych wschodzących branż przemysł maszynowy odpowiada za produkcję dwóch wysokiej klasy sprzętu i nowych pojazdów energetycznych, a pozostałych pięć strategicznych wschodzących gałęzi przemysłu również potrzebuje wsparcia przemysłu maszynowego. Z tego punktu widzenia rozwój produkcji przyniesie również nowe możliwości rozwoju serwonapędów.

Zrozumienie konkurencji rynkowej serwo i falownika

Ponieważ powyższe mówi o różnicy w warunkach rynkowych, na rynku musi istnieć pewna konkurencja. Pod pewnymi względami zastosowanie nie jest takie samo ze względu na różnicę w wydajności i funkcjonowaniu falownika i serwa. Główna konkurencja koncentruje się w dwóch punktach:

Konkurs dotyczący treści technicznych. W tej samej dziedzinie, jeśli nabywca ma wysokie wymagania techniczne i jest bardziej skomplikowany, zostanie wybrany system serwo. W przeciwnym razie zostanie wybrany produkt z falownikiem.

Konkurencja cenowa. Większość nabywców będzie zaniepokojona kosztami, często ignoruje technologię i woli tańszy falownik. Jak wszyscy wiemy, cena układu serwo jest prawie kilkakrotnie wyższa niż cena produktu z falownikiem.

Podsumowanie

Powyższe porównanie technologii serwo i konwersji częstotliwości opiera się na perspektywie produktu, a różnicę między nimi podsumowano w krótkim akapicie:

Moc falownika jest duża, a moc serwonapędu mała;

Przetwornica częstotliwości jest zazwyczaj wyrażana w mocy KW, a serwonapęd zazwyczaj kładzie nacisk na prędkość i moment obrotowy;

Przetwornica częstotliwości służy do kontroli prędkości, a serwomechanizm do kontroli położenia, a wykorzystywane w nich sceny są różne;

Różnica między falownikiem a serwonapędem

Podsumowując, w zastosowaniach przemysłowych wymagania dotyczące kontroli prędkości i momentu obrotowego nie są zbyt wysokie w przypadku falowników ogólnego przeznaczenia. W przypadku rygorystycznych wymagań dotyczących kontroli położenia, do realizacji szybkości reakcji serwomechanizmu wykorzystywane są inteligentne serwonapędy AC. Jest znacznie większy niż konwersja częstotliwości, a niektóre wymagania dotyczące precyzji prędkości i reakcji są również przydatne do sterowania serwonapędem AC. Oznacza to, że ruch regulatora o zmiennej częstotliwości można niemal zastąpić serwonapędem AC.

Serwonapęd AC to jedna z technologii wspomagających współczesną automatykę przemysłową i sterowanie ruchem. Ze względu na dużą kontrolę prędkości, szeroki zakres prędkości, właściwości dynamiczne i wysoką wydajność, serwonapęd AC jest szeroko stosowany w obrabiarkach, sprzęcie drukarskim, sprzęcie pakującym, sprzęcie tekstylnym, gumie i tworzywach sztucznych. Nowe źródła energii, takie jak sprzęt, półprzewodniki elektroniczne, energia wiatrowa/słoneczna, robotyka i zautomatyzowane linie produkcyjne.