Anbieter von energiesparenden Servobremssystemen weisen darauf hin, dass Servotreiber zur Ansteuerung von Servomotoren verwendet werden, die Schrittmotoren oder AC-Asynchronmotoren sein können. Sie dienen hauptsächlich der schnellen und präzisen Positionierung und werden häufig dort eingesetzt, wo hohe Genauigkeit bei Start-Stopp-Vorgängen erforderlich ist.
Ein Frequenzumrichter wandelt Wechselstrom in einen Strom um, der zur Drehzahlregelung eines Motors geeignet ist. Heutzutage können einige Frequenzumrichter auch Servomotoren ansteuern. Dennoch unterscheiden sich Servoantriebe und Frequenzumrichter. Worin besteht der Unterschied? Die Erklärung des Herausgebers finden Sie hier.
Zwei Definitionen
Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät zur Steuerung elektrischer Energie, das die Ein-/Ausschaltfunktion von Leistungshalbleiterbauelementen nutzt, um die Netzfrequenz in eine andere Frequenz umzuwandeln. Er ermöglicht Funktionen wie Sanftanlauf, Drehzahlregelung mit variabler Frequenz, Verbesserung der Betriebsgenauigkeit und Anpassung des Leistungsfaktors von Asynchronmotoren.
Der Frequenzumrichter kann sowohl variable Frequenzmotoren als auch normale Wechselstrommotoren ansteuern und dient hauptsächlich als Drehzahlregler.
Ein Frequenzumrichter besteht üblicherweise aus vier Teilen: Gleichrichtereinheit, Hochleistungskondensator, Wechselrichter und Steuerung.
Ein Servosystem ist ein automatisches Steuerungssystem, das es ermöglicht, die Ausgangsgrößen eines Objekts – wie Position, Ausrichtung und Zustand – an Änderungen des Eingangsziels (oder vorgegebenen Werts) anzupassen. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Leistung entsprechend den Anforderungen des Steuerbefehls zu verstärken, zu transformieren und zu regeln, wodurch die Regelung von Drehmoment, Drehzahl und Position des Antriebsgeräts sehr flexibel und komfortabel wird.
Ein Servosystem ist ein Regelungssystem, das einen Prozess präzise nachführt oder reproduziert. Es wird auch als Folgesystem bezeichnet. In vielen Fällen bezieht sich der Begriff Servosystem speziell auf ein Regelungssystem, bei dem die Regelgröße (Systemausgang) eine mechanische Auslenkung, eine Auslenkungsgeschwindigkeit oder eine Beschleunigung ist. Seine Funktion besteht darin, sicherzustellen, dass die Auslenkung (oder der Drehwinkel) am Ausgang der Auslenkung (oder dem Drehwinkel) am Eingang genau folgt. Der strukturelle Aufbau von Servosystemen unterscheidet sich im Wesentlichen nicht von anderen Regelungssystemen.
Servosysteme lassen sich je nach Art der verwendeten Antriebskomponenten in elektromechanische, hydraulische und pneumatische Servosysteme unterteilen. Das einfachste Servosystem besteht aus Servoantrieben (Motoren, Hydraulikzylindern), Rückkopplungskomponenten und Servotreibern. Für einen reibungslosen Betrieb sind zusätzlich eine übergeordnete Steuerung, eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) und spezielle Bewegungssteuerungskarten, industrielle Steuerungscomputer mit PCI-Karten zur Ansteuerung der Servotreiber erforderlich.
Funktionsprinzip beider
Das Drehzahlregelungsprinzip eines Frequenzumrichters wird im Wesentlichen durch vier Faktoren bestimmt: die Drehzahl n des Asynchronmotors, die Frequenz f des Asynchronmotors, den Schlupf s und die Polzahl p des Motors. Die Drehzahl n ist proportional zur Frequenz f, und eine Änderung der Frequenz f ermöglicht die Drehzahlregelung. Im Frequenzbereich von 0–50 Hz ist der Einstellbereich der Motordrehzahl sehr groß. Die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz erfolgt durch Änderung der Frequenz der Motorstromversorgung. Das gängigste Verfahren ist die AC-DC-AC-Umwandlung. Dabei wird die Netzfrequenz-Wechselstromversorgung zunächst mittels Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt und anschließend der Gleichstrom in Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz und Spannung für den Motor. Der Schaltkreis eines Frequenzumrichters besteht im Allgemeinen aus vier Teilen: Gleichrichter, Zwischenkreis, Wechselrichter und Steuerung. Der Gleichrichter ist ein dreiphasiger, ungesteuerter Brückengleichrichter, der Wechselrichter ein dreiphasiger IGBT-Brückenwechselrichter, und das Ausgangssignal ist ein PWM-Signal. Der Zwischenspeicher für Gleichstrom umfasst Filterung, Gleichstromspeicherung und Pufferung von Blindleistung.
Das Funktionsprinzip eines Servosystems basiert auf der Regelung eines AC/DC-Motors im offenen Regelkreis. Drehzahl- und Positionssignale werden über Drehgeber, Drehtransformatoren etc. an den Treiber zurückgeführt, der eine geschlossene PID-Regelung mit negativer Rückkopplung durchführt. Durch die im Treiber integrierte Stromregelung werden die Genauigkeit und das Ansprechverhalten des Motors auf den Sollwert durch diese drei Regelkreiseinstellungen deutlich verbessert. Das Servosystem ist ein dynamisches Folgesystem, und der erreichte stationäre Gleichgewichtszustand entspricht einem dynamischen Gleichgewicht.
Der Unterschied zwischen den beiden
Die Technologie der Wechselstrom-Servotechnik basiert auf der Frequenzumwandlung. Sie ahmt die Regelungsmethode von Gleichstrommotoren mittels Pulsweitenmodulation (PWM) nach. Das bedeutet, dass Wechselstrom-Servomotoren eine Frequenzumwandlung benötigen: Zunächst wird der 50- oder 60-Hz-Wechselstrom gleichgerichtet und anschließend mithilfe von steuerbaren Transistoren (IGBTs, IGCTs usw.) durch Anpassung der Trägerfrequenz und PWM in eine frequenzvariable Wellenform umgewandelt, die einem Sinus- oder Kosinusimpuls ähnelt. Durch die variable Frequenz lässt sich die Drehzahl des Wechselstrommotors einstellen (n = 60f/p, wobei n die Drehzahl, f die Frequenz und p die Polpaare sind).
1. Unterschiedliche Überlastkapazitäten
Servoantriebe verfügen im Allgemeinen über eine dreifache Überlastfähigkeit, die genutzt werden kann, um das Trägheitsmoment von Trägheitslasten beim Anlauf zu überwinden, während Frequenzumrichter im Allgemeinen eine 1,5-fache Überlastfähigkeit zulassen.
2. Regelgenauigkeit
Die Regelgenauigkeit von Servosystemen ist deutlich höher als die von Frequenzumrichtern, und die Regelgenauigkeit von Servomotoren wird üblicherweise durch den Drehgeber am hinteren Ende der Motorwelle sichergestellt. Einige Servosysteme erreichen sogar eine Regelgenauigkeit von 1:1000.
3. Verschiedene Anwendungsszenarien
Frequenzumrichterregelung und Servoregelung sind zwei Regelungsarten. Erstere gehört zur Getriebesteuerung, letztere zur Bewegungssteuerung. Die eine dient der Erfüllung der Anforderungen allgemeiner Industrieanwendungen mit geringen Leistungskennzahlen und dem Ziel niedriger Kosten. Die andere hingegen strebt hohe Präzision, hohe Leistung und schnelle Reaktionszeiten an.
4. Unterschiedliches Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten
Im Leerlauf beschleunigt der Servomotor innerhalb von maximal 20 ms von 0 auf 2000 U/min. Die Beschleunigungszeit hängt von der Trägheit der Motorwelle und der Last ab. Je größer die Trägheit, desto länger ist in der Regel die Beschleunigungszeit.
Marktwettbewerb zwischen Servo- und Frequenzumrichtern
Aufgrund der Unterschiede in Leistung und Funktionalität zwischen Frequenzumrichtern und Servos sind ihre Anwendungsbereiche nicht sehr ähnlich, und der Hauptwettbewerb konzentriert sich auf Folgendes:
1. Wettbewerb um technologische Inhalte
Im selben Bereich entscheiden sich Käufer mit hohen und komplexen technischen Anforderungen an Maschinen für Servosysteme. Andernfalls kommen Frequenzumrichter zum Einsatz. Hochtechnologische Maschinen wie CNC-Werkzeugmaschinen und elektronische Spezialgeräte nutzen Servosysteme.
2. Preiswettbewerb
Die meisten Käufer achten vor allem auf die Kosten und vernachlässigen dabei oft die Technologie zugunsten günstigerer Wechselrichter. Bekanntermaßen sind Servosysteme um ein Vielfaches teurer als Frequenzumrichter.
Obwohl Servosysteme, insbesondere inländische, noch nicht weit verbreitet sind und im Vergleich zu ausländischen Produkten selten zum Einsatz kommen, werden sie mit der fortschreitenden Industrialisierung zunehmend die Vorteile dieser Systeme erkennen und auch bei den Käufern Anklang finden. Die Entwicklung der inländischen Servotechnologie wird sich daher stetig fortsetzen, sei es aufgrund lukrativer Gewinnmöglichkeiten oder des Bewusstseins, einen Beitrag zur nationalen Entwicklung leisten zu müssen. Wir sind überzeugt, dass immer mehr Hersteller in die Forschung und Entwicklung von Servosystemen investieren werden. Dies wird den Höhepunkt der chinesischen Servoindustrie einläuten.