Was sind Motorsteuerungen?
Motorsteuerungen und Antriebe sind elektrische oder elektronische Geräte, die die Drehzahl, das Drehmoment und die Positionsausgänge des Motors regeln. Der Antrieb modifiziert die Stromzufuhr zum Motor, um den gewünschten Ausgang zu erreichen. Die Steuerkreise sind üblicherweise mit den Antriebskreisen als eine eigenständige Einheit integriert, daher werden die Begriffe Motorantrieb und Motorsteuerung häufig synonym verwendet. Es gibt vier grundlegende Arten von Motorsteuerungen und -antrieben: Wechselstrom, Gleichstrom, Servoantriebe und Schrittmotoren, wobei jede eine Eingangsleistungstypen modifiziert, um die gewünschte Ausgangsfunktion zu erfüllen und mit einer Anwendung kompatibel zu sein.
AC-Servomotor, ein bürstenloser Gleichstrommotor und ein Schrittmotor, elektrische Maschinen Antriebe und Energiesysteme
Von links nach rechts: ein AC-Servomotor, ein bürstenloser Gleichstrommotor und ein Schrittmotor.
Bildnachweis: similis/Shutterstock.com
Motorsteuerung und Antriebsarten
AC
AC-Motorsteuerungen und -Antriebe sind elektronische Geräte, die die Eingangsspannung für Motoren modifizieren, indem sie typischerweise die Frequenz der Versorgung für den Motor anpassen, um die Ausgangsgeschwindigkeit und das Drehmoment zu regeln. Wichtige Spezifikationen umfassen die vorgesehene Anwendung, den Betriebsmodus des Antriebs, Motortyp, Invertertyp, Spannungsklassifizierung des Regelkreissystems, Leistungsbewertung, Kommunikationsschnittstelle sowie elektrische Eingangs- und Ausgangsspezifikationen.
AC-Motorsteuerungen und -Antriebe werden hauptsächlich in Prozessanwendungen eingesetzt, um die Geschwindigkeit von Pumpen, Ventilatoren, Gebläsen usw. zu steuern. Sie sind bekannt als Frequenzumrichter, Drehzahlregler oder AC-Inverter. Der Steuerung, die üblicherweise mit den Antriebsschaltungen integriert ist, liefert die Steuersignale an den Antrieb.
DC
Gleichstrommotorsteuerungen und -antriebe sind elektrische Geräte, die die Eingangsspannung durch Anpassung der Gleich- oder Wechselstromquelle auf eine gepulste, Gleichstromausgabe mit variabler Pulslänge oder Frequenz modifizieren. Wichtige Spezifikationen umfassen die beabsichtigte Anwendung, den Betriebsmodus des Antriebs, den Motortyp, das Regelungssystem, die Spannungsklassifizierung, die Leistungsbewertung, den Ausgangssignaltyp, die Kommunikationsschnittstelle sowie die Eingangs- und Ausgangselektrik. Gleichstrommotorsteuerungen und -antriebe werden hauptsächlich verwendet, um Motordrehzahlen und -momente für Werkzeugmaschinen, elektrische Fahrzeuge, Pumpen usw. zu steuern. Der Controller, der üblicherweise mit den Antriebsschaltungen integriert ist, liefert die Steuersignale an den Antrieb.
Servomotor
Servomotorsteuerungen und -antriebe sind elektronische Geräte, die die Eingangsspannung modifizieren, indem sie die Gleich- oder Wechselstromquelle auf eine gepulste Stromausgabe mit variabler Pulsdauer oder Frequenz einstellen. Wichtige Spezifikationen umfassen die vorgesehene Anwendung, Motortyp, Betriebsmodus des Antriebs, Schleifensystem, Leistungsaufnahme, Ausgangssignaltyp, Kommunikationsschnittstelle sowie elektrische Spezifikationen. Servomotorsteuerungen und -antriebe werden hauptsächlich in der Bewegungssteuerung in Fertigungs- und Bauumgebungen eingesetzt, unter anderem zur Steuerung von Motordrehzahlen, Drehmomenten und Positionen, und können mit Wechsel- oder Gleichstrom betrieben werden. Servomotoren werden in vielen Anwendungen eingesetzt, darunter Werkzeugmaschinen, Mikropositionierung und Robotik, sowie in vielen anderen Maschinentypen wie Förderbändern oder Spindelantriebssystemen. Der Controller, der üblicherweise mit den Antriebsschaltungen integriert ist, liefert die Steuersignale an den Antrieb. Servoantriebe sind auch bekannt als Servomotorverstärker.
Schrittmotor
Schrittmotorsteuerungen und -antriebe sind elektronische Geräte, die die Eingangsspannung verändern, indem sie die Gleich- oder Wechselstromquelle auf eine gepulste oder „gestufte“ Stromausgabe anpassen.
Wichtige Spezifikationen umfassen die beabsichtigte Anwendung, Motortyp, Betriebsmodus des Antriebs, Schleifensystem, Leistungsaufnahme, Ausgangssignaltyp, Kommunikationsschnittstelle sowie elektrische Spezifikationen.
Schrittmotorsteuerungen und -antriebe werden hauptsächlich in der Bewegungssteuerung in Fertigungs- und Bauumgebungen eingesetzt, unter anderem zur Steuerung von Motordrehzahlen, Drehmomenten und Positionen. Sie werden in vielen Anwendungen verwendet, einschließlich Werkzeugmaschinen, Mikropositionierung und Robotik, sowie in vielen anderen Maschinentypen wie Förderbändern oder OEM-Ausrüstung. Der Controller, der üblicherweise mit den Antriebsschaltungen integriert ist, liefert die Steuersignale an den Antrieb. Schrittmotorantriebe sind auch bekannt als Pulsantriebe und Schrittverstärker. Schrittmotorsteuerungen sind auch bekannt als Motor-Indexer.
Motorsteuerungen und Antriebe — Anwendungen und Branchen
Im Gegensatz zu Servomotoren und Schrittmotoren benötigen die meisten Wechselstrom- und Gleichstrommotoren keine Steuerungen oder Antriebe, außer den einfachsten Motorschaltern und ähnlichen Schutzvorrichtungen. Wechselstrommotorensteuerungen werden verwendet, wenn eine Geschwindigkeitsregelung eines Wechselstrommotors gewünscht ist, da die Steuerung der Geschwindigkeit bei einem Wechselstrom-Induktionsmotor normalerweise nicht erfolgt – sobald ein Motor festgelegt wurde (durch die Anzahl der Pole), ist die Betriebsdrehzahl auf dem Typenschild angegeben. Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind hingegen grundsätzlich durch einfaches Variieren der Spannung, die an den Motorläufer und das Feld angelegt wird, steuerbar. Dies kann mit einem einfachen Rheostat erreicht werden; kein Steuergerät oder Antrieb ist erforderlich. Neuere bürstenlose Gleichstrommotoren sind nicht mechanisch kommutiert und benötigen daher Steuerungen und Antriebe, um das magnetische Feld elektronisch zu kommutieren. Servomotoren und Schrittmotoren, da sie Positionierungsgeräte im Gegensatz zu Drehbewegungsmaschinen sind, benötigen ebenfalls Steuerungen und Treiber für ihren Betrieb.
AC-Motorantriebe werden verwendet, um die Geschwindigkeiten von Motoren zu steuern, die Pumpen, Ventilatoren usw. antreiben, wo sonst herkömmliche Ventile oder Klappen zum Drosseln des Durchflusses eingesetzt werden könnten. AC-Motorantriebe werden eingesetzt, um die Effizienz zu steigern, indem die Geschwindigkeit von Pumpe, Ventilator usw. genau an die Anforderungen angepasst wird.
DC-Motorantriebe werden verwendet, um Permanentmagnet-Gleichstrommotoren zu steuern, die von Wechselstromquellen betrieben werden. Gleichstrommotoren haben ein sehr gutes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten, was sie besonders geeignet macht für Winden, Kräne usw., bei denen Lasten ohne „Anlauf“ gehoben werden müssen. Vor der Einführung elektronischer Gleichstromsteuerungen wurden Gleichstrommotoren häufig als Motor-Generatoren-Gruppen gekoppelt, um Gleichstrom mittels Wechselstrom-Induktionsmotoren zu erzeugen.
Servomotorsteuerungen und -antriebe basieren auf Rückmeldung von den Servomotoren, um Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung usw. zu steuern. Servomotorhersteller liefern in der Regel Antriebe, die mit ihren Motoren kompatibel sind. Während Schrittmotoren keinen Rückkopplungsschleife benötigen, verwenden einige eine. Schrittmotorhersteller liefern ebenfalls meist Antriebe für ihre spezifischen Motoren. Die meisten Hersteller von Servomotoren und Schrittmotoren stellen Diagramme als Leitfäden bereit, welche Motoren mit welchen Antrieben funktionieren.
Überlegungen
Die Auswahl von Motorsteuerungen und Antrieben beginnt mit der Kenntnis des Motortyps. Entsprechende Unterkategorien richten sich dann nach diesen Grundinformationen.
Die Entscheidung, Wechselstromantriebe für Induktionsmotoren zu verwenden, ist oft eine wirtschaftliche Entscheidung basierend auf den Betriebsmerkmalen bei bestimmten Anlagen: wie häufig die Pumpe oder der Ventilator gegen gedrosselte Ventile oder Lamellenkanäle läuft. Mindestens ein Hersteller bietet einen Rechner (siehe unten) an, um die Energieeinsparungen von Wechselstromantrieben basierend auf spezifischen Betriebsszenarien zu bestimmen. Für den Einsatz mit variabler Drehzahl ausgelegte Motoren sind typischerweise für den Umrichterbetrieb ausgelegt.
Ein weiterer Aspekt bei Wechselstromantrieben ist die Art der Anwendung, wobei konstantes Drehmoment und variables Drehmoment die Hauptkategorien sind. Für Anwendungen mit variablem Drehmoment, wie z.B. Zentrifuglüfter, variieren die Drehmomentanforderungen mit der Motordrehzahl. Für Anwendungen mit konstantem Drehmoment, wie Förderbänder, sind die Drehmomentanforderungen unabhängig von der Motordrehzahl gleich. Wechselstromantriebe sind in der Regel für entweder variable oder konstante Drehzahl-Anwendungen ausgelegt.
Gebürstete Gleichstrommotoren, die mit Wechselstrom betrieben werden, werden meist mit thyristorbasierten Brücken-Gleichrichtern betrieben, die den Wechselstrom nur in eine Richtung zum Motor fließen lassen und so eine Gleichstromquelle nachbilden. Weitere Informationen finden sich in den unten genannten Referenzen. Anbieter wie Baldor bieten Gleichstromsteuerungen für Einweg- und Regenerationsanwendungen für Gleichstrommotoren bis zu 5 PS an, und durch das Mutterunternehmen (ABB) werden Gleichstromantriebe bis zu 3000 HP angeboten. Einweg-Antriebe benötigen in der Regel eine Bremse zum Anhalten des Motors, während regenerative Antriebe den Motor in beide Richtungen laufen lassen können und so Bremskraft durch Umkehrung bereitstellen. Die erzeugte Energie wird in der Regel durch Umkehrwiderstände abgeführt.
Gebürstete Gleichstrommotoren, die auf Gleichstromsystemen wie bei elektrischen Palettenhubwagen laufen, verwenden ebenfalls Steuerungen für Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen. Bürstenlose Gleichstrom- oder Permanentmagnetmotoren benötigen ebenfalls Steuerungen, um ihre Magnetfelder elektronisch zu kommutieren.
Servomotoren können vom AC- oder DC-Typ sein, wobei DC als Bürsten- und Bürstenlose-Typen erhältlich ist. In allen Fällen benötigen sie Steuerungen, da sie Rückkopplungsgeräte sind. Linearmotoren sind in der Regel servobasiert und benötigen ebenfalls Steuerungen.
Schrittmotoren benötigen in der Regel kein Feedback, müssen aber beim Einschalten „gehome“ werden, damit der Motor weiß, wo er sich befindet. Von dort aus zählt er Schritte, um die Position zu verfolgen. Einige Schrittmotoren bauen ihre Antriebe direkt auf den Motorrahmen auf.
Wichtige Attribute
Halbleiterbauelement
Im Allgemeinen werden IGBTs und SCRs für Mittel- und Hochspannungsgeräte verwendet, während MOSFETs in Niederspannungsanwendungen eingesetzt werden.
Motoreingangsphase
Motoren sind im Allgemeinen Ein- oder Dreiphasenmaschinen, was die Phase des Wechselstroms betrifft, der sie versorgt. Schrittmotoren sind in dieser Hinsicht eine Ausnahme, da sich die Phase auf die Architektur des Schrittmotors selbst bezieht, die allgemein als Zwei- oder Fünf-Phasen beschrieben wird. Oriental Motors hat eine schöne Beschreibung, die den Unterschied erklärt, siehe unten.
Gehäuse
Elektrische Gehäuse werden gemäß NEMA- oder IEC-Kriterien für Umwelt- und Schutzarten spezifiziert.
Betriebsmodus des Antriebs
Wie oben besprochen, sind Wechselstromantriebe in der Regel entweder für konstantes Drehmoment oder variables Drehmoment ausgelegt, abhängig von der Anwendung.
XTJ ist ein führender OEM-Hersteller, der sich der Bereitstellung von Komplettlösungen für die Fertigung von CNC-Bearbeitung von 6061-Aluminium vom Prototyp bis zur Produktion widmet. Wir sind stolz darauf, ein nach ISO 9001 zertifiziertes System für Qualitätsmanagement zu sein, und wir sind entschlossen, in jeder Kundenbeziehung Mehrwert zu schaffen. Das tun wir durch Zusammenarbeit, Innovation, Prozessverbesserungen und außergewöhnliche Handwerkskunst.
