Einsatz von Servoantrieben in der Anlagenautomatisierung
Technologischer Fortschritt und Wettbewerb führen zu einem kontinuierlichen Produktivitätswachstum und einer Erhöhung des Automatisierungsgrades technologischer Anlagen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an verstellbare elektrische Antriebe hinsichtlich Parametern wie Drehzahlregelbereich, Positioniergenauigkeit und Überlastfähigkeit.
Um den Anforderungen gerecht zu werden, wurden Hightech-Geräte moderner Elektroantriebe – Servoantriebe – entwickelt. Hierbei handelt es sich um Antriebssysteme, die in einem weiten Bereich der Geschwindigkeitsregelung hochpräzise Bewegungsabläufe gewährleisten und deren gute Wiederholgenauigkeit realisieren. Servoantriebe sind die fortschrittlichste Stufe elektrischer Antriebe.
Gleichstrom zu Wechselstrom
Gleichstrommotoren wurden lange Zeit hauptsächlich in geregelten Antrieben eingesetzt. Dies liegt an der Einfachheit der Anwendung des Ankerspannungsregelgesetzes.Als Steuergeräte wurden Magnetverstärker, Thyristor- und Transistorregler und als Drehzahlrückführungssystem analoge Tachogeneratoren eingesetzt.
Der Thyristor-Elektroantrieb ist ein gesteuerter Thyristor-Umrichter, der Strom liefert Permanenter Motor… Der Stromkreis des Elektroantriebs besteht aus: einem passenden Transformator-TV; gesteuerter Gleichrichter aus 12 Thyristoren (V01 … V12), die in einer sechsphasigen Halbwellen-Parallelschaltung geschaltet sind; Strombegrenzer L1 und L2 und Gleichstrommotor M mit unabhängiger Erregung. Dreiphasentransformator Der Fernseher verfügt über zwei Versorgungsspulen und eine davon abgeschirmte Spule zur Versorgung von Steuerkreisen. Die Primärwicklung ist im Dreieck geschaltet, die Sekundärwicklung im Sechsphasenstern mit Neutralleiter.
Die Nachteile eines solchen Antriebs sind die Komplexität des Steuerungssystems, das Vorhandensein von Bürstenstromabnehmern, die die Zuverlässigkeit der Motoren verringern, sowie die hohen Kosten.
Fortschritte in der Elektronik und das Aufkommen neuer Elektromaterialien haben die Situation im Bereich der Servotechnik verändert. Jüngste Fortschritte ermöglichen es, die Komplexität der AC-Antriebssteuerung durch moderne Mikrocontroller und Hochgeschwindigkeits-Hochspannungs-Leistungstransistoren auszugleichen. Permanentmagnete, hergestellt aus Neodym-Eisen-Bor- und Samarium-Kobalt-Legierungen, verbesserten aufgrund ihrer hohen Energieintensität die Eigenschaften von Synchronmotoren mit Magneten am Rotor erheblich und reduzierten gleichzeitig deren Gewicht und Abmessungen. Dadurch wurden die dynamischen Eigenschaften des Antriebs verbessert und seine Abmessungen reduziert.Der Trend zu asynchronen und synchronen AC-Motoren macht sich insbesondere bei Servosystemen bemerkbar, die traditionell auf elektrischen Gleichstromantrieben basieren.
Asynchroner Servo
Der asynchrone Elektromotor ist aufgrund seines einfachen und zuverlässigen Aufbaus bei geringen Kosten der beliebteste in der Branche. Allerdings stellt dieser Motortyp im Hinblick auf die Drehmoment- und Drehzahlregelung ein komplexes Regelobjekt dar. Durch den Einsatz von Hochleistungs-Mikrocontrollern, die den Vektorregelalgorithmus implementieren, und hochauflösenden digitalen Drehzahlsensoren können der Drehzahlregelbereich und die Genauigkeitseigenschaften ermittelt werden eines asynchronen Elektroantriebs nicht schlechter als der eines synchronen Servoantriebs.
Frequenzgesteuerte Wechselstrom-Induktionsantriebe verändern die Drehzahl der Welle des Käfigläufer-Induktionsmotors mithilfe von Transistor- oder Thyristor-Frequenzumrichtern, die eine einphasige oder dreiphasige Spannung mit einer Frequenz von 50 Hz in eine dreiphasige Spannung mit variabler Frequenz umwandeln im Bereich von 0,2 bis 400 Hz.
Heute Frequenzumrichter ist ein Gerät kleiner Größe (viel kleiner als ein asynchroner Elektromotor ähnlicher Leistung) auf moderner Halbleiterbasis, gesteuert durch einen eingebauten Mikroprozessor. Variabler asynchroner Elektroantrieb ermöglicht die Lösung verschiedener Probleme der Produktionsautomatisierung und Energieeinsparung, insbesondere die stufenlose Regulierung der Drehzahl oder der Vorschubgeschwindigkeit technologischer Maschinen.
Kostentechnisch ist der asynchrone Servoantrieb bei hohen Leistungen unangefochten überlegen.
Synchronservo
Synchron-Servomotoren sind Drehstrom-Synchronmotoren mit Permanentmagneterregung und einem fotoelektrischen Rotorlagesensor. Sie verwenden Käfigläufer oder Permanentmagnetrotoren. Ihr Hauptvorteil ist das geringe Trägheitsmoment des Rotors im Vergleich zum entwickelten Drehmoment. Diese Motoren arbeiten in Kombination mit einem Servoverstärker bestehend aus einem Diodengleichrichter, einer Kondensatorbank und einem Wechselrichter auf Basis von Leistungstransistorschaltern. Um die Welligkeit der gleichgerichteten Spannung zu glätten, ist der Servoverstärker mit einem Kondensatorblock ausgestattet und um die in den Kondensatoren beim Bremsen angesammelte Energie umzuwandeln – mit einem Entladetransistor und einem Ballastwiderstand, der für eine effektive dynamische Bremsung sorgt.
Synchronservoantriebe mit variabler Frequenz reagieren schnell, funktionieren gut mit impulsprogrammierten Steuerungssystemen und können in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden, in denen die folgenden Antriebsqualitäten erforderlich sind:
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Positionierung der Arbeitskörper mit hoher Genauigkeit;
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Aufrechterhaltung des Drehmoments mit hoher Genauigkeit;
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Aufrechterhaltung der Bewegungsgeschwindigkeit oder Zuführung mit hoher Genauigkeit.
Die wichtigsten Hersteller von Synchron-Servomotoren und darauf basierenden variablen Antrieben sind Mitsubishi Electric (Japan) und Sew-Evrodrive (Deutschland).
Mitsubishi Electric stellt eine Reihe von Low-Power-Servoantrieben – Melservo-C – in fünf Größen mit einer Nennleistung von 30 bis 750 W, einer Nenndrehzahl von 3000 U/min und einem Nenndrehmoment von 0,095 bis 2,4 Nm her.
Das Unternehmen fertigt außerdem Gammafrequenz-Servoantriebe mittlerer Leistung mit einer Nennleistung von 0,5 bis 7,0 kW, einer Nenndrehzahl von 2000 U/min und einem Nenndrehmoment von 2,4 bis 33,4 Nm.
Die Servoantriebe der MR-C-Serie von Mitsubishi ersetzen erfolgreich Schrittmotoren, da ihre Steuerungssysteme vollständig kompatibel sind (Impulseingang), sie aber gleichzeitig frei von den mit Schrittmotoren verbundenen Nachteilen sind.
Die Servomotoren MR-J2 (S) unterscheiden sich von anderen durch den eingebauten Mikrocontroller mit erweitertem Speicher, der bis zu 12 Steuerprogramme enthält. Ein solcher Servoantrieb arbeitet über den gesamten Betriebsgeschwindigkeitsbereich ohne Genauigkeitsverlust. Einer der wesentlichen Vorteile des Geräts ist seine Fähigkeit, „akkumulierte Fehler“ zu kompensieren. Der Servoverstärker setzt den Servomotor einfach nach einer bestimmten Anzahl von Arbeitszyklen oder aufgrund eines Signals von einem Sensor auf „Null“ zurück.
Sew-Evrodrive liefert sowohl Einzelkomponenten als auch komplette Servoantriebe mit umfangreichem Zubehör. Hauptanwendungsgebiete dieser Geräte sind Aktoren und Hochgeschwindigkeitspositionierungssysteme für programmierte Werkzeugmaschinen.
Hier sind die Hauptmerkmale der Synchronservomotoren von Sew-Evrodrive:
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Anlaufdrehmoment – von 1 bis 68 Nm und bei Vorhandensein eines Lüfters zur Zwangskühlung – bis zu 95 Nm;
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Überlastfähigkeit – das Verhältnis von maximalem Drehmoment zu Anlaufdrehmoment – bis zum 3,6-fachen;
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hoher Schutzgrad (IP65);
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In die Statorwicklung eingebaute Thermistoren steuern die Erwärmung des Motors und schließen dessen Beschädigung bei Überlastung jeglicher Art aus.
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Impulslichtschranke 1024 Impulse/Umdrehung. bietet einen Geschwindigkeitsregelbereich von bis zu 1:5000
Lassen Sie uns Schlussfolgerungen ziehen:
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Im Bereich der einstellbaren Servoantriebe besteht die Tendenz, elektrische Gleichstromantriebe durch analoge Steuerungssysteme durch elektrische Wechselstromantriebe durch digitale Steuerungssysteme zu ersetzen.
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Regelbare asynchrone Elektroantriebe auf Basis moderner kleiner Frequenzumrichter ermöglichen die Lösung verschiedener Probleme der Produktionsautomatisierung und Energieeinsparung mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit und Effizienz. Es wird empfohlen, diese Antriebe zur stufenlosen Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit in Holzbearbeitungsmaschinen und -maschinen einzusetzen;
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asynchrone Servoantriebe haben bei hohen Leistungen und Drehmomenten über 29-30 N/m unbestreitbare Vorteile gegenüber synchronen (z. B. Spindeldrehantrieb in Schälmaschinen);
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Wenn eine hohe Geschwindigkeit erforderlich ist (die Dauer des automatischen Zyklus überschreitet nicht einige Sekunden) und der Wert der entwickelten Drehmomente bis zu 15–20 N/m beträgt, sollten einstellbare Servoantriebe auf Basis von Synchronmotoren mit unterschiedlichen Sensortypen verwendet werden , die es ermöglichen, die Drehzahl auf bis zu 6000 U/min einzustellen, ohne das Drehmoment zu reduzieren;
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Servoantriebe mit variabler Frequenz auf Basis von AC-Synchronmotoren ermöglichen die Erstellung schneller Positionierungssysteme ohne den Einsatz von CNC.
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