Jaka jest różnica między serwonapędem a falownikiem?

Spośród wielu rozwiązań w zakresie kontroli ruchu w zastosowaniach przemysłowych wyłaniają się głównie dwie metody sterowania: za pomocą falownika (VFD) lub serwonapędu. Ich różnica skupia się wokół wykorzystania w systemach ruchu oraz dokładności sterowania.

Falowniki (VFD)

Co to jest falownik?

Sterowanie silnikiem elektrycznym prądu przemiennego za pomocą falownika (lub też nazywanym przemiennikiem częstotliwości) stosowane jest głównie w aplikacjach ciągłego ruchu, gdzie nie są wymagane gwałtowne zmiany parametrów pracy, ani bardzo duża dokładność ruchu. Podstawowym zadaniem falownika jest zamiana prądu przemiennego (AC o częstotliwości 50 Hz) na prąd przemienny o zadanej częstotliwości. Dzięki temu możemy dokładnie sterować prędkością obrotową silnika i powoli rozpędzać go do zadanej prędkości/częstotliwości. Napęd podłączony bezpośrednio do prądu (bez falownika) nie dość, że spowoduje bardzo duży prąd rozruchu (nawet 10-krotność prądu znamionowego), to jeszcze zacznie pracować ze znamionową prędkością. Zmniejszyć prędkość będzie można jedynie ograniczając prąd, o prowadzi do dużych strat energii i szybszego zużycia silnika.  Falowniki Unitronics występują w zakresie mocy 0,4 kW do 110 kW.

Rodzaje falowników

Przemienniki częstotliwości występują w dwóch rodzajach: skalarne i wektorowe.

Skalarne wykorzystują stałą zależność U/f, a algorytmy sterowania są dobierane w oparciu o zależności stanu ustalonego. Zazwyczaj stosuje się je w prostszych systemach ruchu ponieważ odznaczają się mniejszą dokładnością regulacji prędkości obrotowej. Jednak ze względu na prostotę działania mogą sterować równocześnie kilkoma napędami. Dlatego znajdują zastosowanie w przemyśle logistycznym lub spożywczym jako źródło ruchu obrotowego dla transporterów i przenośników albo w branży wodno-kanalizacyjnej do zasilania pomp.

Natomiast falownik wektorowy pozwala na precyzyjną kontrolę prędkości obrotowej i momentu obrotowego tylko jednego silnika. Wynika to z bardziej zaawansowanego algorytmu sterowania, dzięki czemu można osiągnąć prędkość obrotową o wysokiej dokładności nawet do 0,01%. Ciekawostką jest, że każdy wektorowy przemiennik częstotliwości może pracować w trybie skalarnym. Niestety duże możliwości falowników wektorowych wiążą się z ich stosunkowo wyższą ceną w porównaniu do skalarnych, ale zastosowanie falownika do kontroli silnika elektrycznego pozwala na duże oszczędności energii oraz wydłużenie żywotności silnika m. in. przez zastosowanie soft startu. Pozwala to na stosunkowo szybką amortyzację systemu wzbogaconego o przemienniki częstotliwości.

Programowanie i konfiguracja falownika może odbywać się ręcznie za pomocą wbudowanego panelu sterowania lub zdalnie przy pomocy sterownika PLC, który umożliwia komunikację za pomocą Modbus’a RTU (RS485). Falowniki Unitronics odznaczają się intuicyjną obsługą i szybką integracją dzięki wbudowanym blokom funkcyjnym w programie UniLogic, który pozwala w jednym środowisku również na programowanie sterownika PLC.

Serwonapędy (kontrola pozycji, prędkości i momentu obrotowego)

Co to jest serwonapęd?

Serwonapęd to układ urządzeń służących do kontroli ruchu w systemach automatycznych. Składa się z następujących komponentów:

• Sterownika PLC,
• Serwosterownika,
• Serwosilnika.

Serwosilniki

Serwosilniki znajdują zastosowanie przy precyzyjnej kontroli ruchu gdzie parametrami sterowania jest pozycja, prędkość obrotowa lub moment obrotowy. Silnik pod względem budowy składa się z wirnika zabudowanego magnesami trwałymi, stojana posiadającego wiele zwojów, których zasilanie w odpowiednim porządku wprawiają w ruch wirnik. Ruch wirnika jest uzależniony od częstotliwości, fazy, polaryzacji i wartości prądu dostarczanej do uzwojeń stojana w odpowiednim czasie. Elementem nadzorującym utrzymanie odpowiednich parametrów przez silnik jest wbudowany enkoder, który dostarcza do serwosterownika sygnał realizując w ten sposób zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego.

Enkoder (niezbędnik zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego)

Enkodery mogą występować w dwóch rodzajach: inkrementalnym (20-bitowy) i absolutnym (23-bitowy). Główna różnica polega na tym, że enkoder absolutny mierzy bezwzględną pozycję serwosilnika, dzięki czemu nawet po utracie zasilania pozycja jest zapamiętana. Inkrementalne enkodery określają względną pozycję na podstawie zliczania impulsów w trakcie ruchu. Rozdzielczość enkodera (20/23 bitowa) określa ile różnych pozycji można rozróżnić. W przypadku enkodera absolutnego jest to aż 8,388,608 rozróżnialnych pozycji.

Serwosterowniki

Podstawowe zadanie serwosterownika jest podobne do falownika, tylko tutaj następuje konwersja prądu przemiennego sieciowego (AC o częstotliwości 50Hz) na odpowiednią wartość prądu przemiennego o zadanej częstotliwości (w przeciwieństwie do silników krokowych prądu stałego). Jednak do poprawnego działania wymagany jest wbudowany enkoder. Poprzez porównanie zadanych i wynikowych parametrów pracy dokonywana jest korekcja sterowania za pomocą zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. To właśnie zastosowanie sprzężenia zwrotnego pozwala na otrzymywanie tak wysokich dokładności w zakresie sterowania ruchem. Serwonapędy Unitronics występują w zakresie mocy od 0,05 do 5 kW, a komunikacja ze sterownikiem PLC może odbywać się za pomocą CANopen lub znacznie szybszego protokołu EtherCat. Tam gdzie następują gwałtowne zmiany parametrów ruchu i wymagana jest duża dokładność pozycjonowania, wartości prędkości obrotowej czy momentu obrotowego serwonapędy są idealnym kandydatem. Dlatego chętnie wykorzystuje się serwonapędy w branży spożywczej do dozowania, pakowania czy w przemyśle na liniach montażowych do wykonywania precyzyjnego pozycjonowania elementów.

Podsumowanie

Mimo z pozoru podobnego wyglądu falowniki i serwonapędy oferują zupełnie inne możliwości sterowania ruchem. W aplikacjach ruchu ciągłego gdzie wymagane są wysokie moce napędów lepsze zastosowanie znajdą przemienniki częstotliwości, które pozwolą na obniżenie kosztów dzięki temu na oszczędności energetycznej i wydłużeniu żywotności silnika. Przy systemach ruchu wymagających precyzji i częstych zmian parametrów pracy lepszym rozwiązaniem będzie użycie serwonapędów. Pozwalają one na wykonywanie gwałtownych zmian w profilu ruchu z jednoczesnym zachowaniem dokładności pozycjonowania dzięki zastosowaniu sprzężenia zwrotnego.

Akademia Serwonapędów

Dzięki temu artykułowi poznałeś różnicę między falownikiem a serwonapędem. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o naszych serwonapędach odwiedź Akademię Serwonapędów, a otrzymasz solidną dawkę wiedzy o:

• konfiguracji serwonapędów
• programowaniu serwonapędów w środowisku Unilogic
• zdalnej diagnostyce
• trybach pracy
• komunikacji EtherCat w serwonapędach

Zachęcamy również do zapoznania się z naszą ofertą serwonapędów Unitronics.