Применение на честотни преобразуватели в системи за автоматизация

Приложение на вариращото се с постоянната магнитна синхронна машина (PMSM) с променлива честота за контрол на скоростта в химичната и стъкларската индустрия​

През 19 век постоянни магнити се използваха за създаване на електрически машини. Днес, с бързото развитие на електронните технологии, Постоянно Магнитни Синхронни Мотори (PMSMs) и преобразуватели на честота заедно формират отворени, високоскоростни, високоточни системи за контрол на скоростта с променлива честота. Тези системи са широко приложени в различни индустриални сектори, замествайки традиционните DC системи за контрол на скоростта и системи за контрол на скоростта с електромагнитно проскаляване, демонстрирайки силна жизнеспособност.

Е добре известно, че скоростта на завъртане на PMSM е строго пропорционална на честотата на захранването. Ако е осигурена точността на честотата на захранването, точността на скоростта на мотора също е гарантирана, резултирайки в линейни механични характеристики. Например, в едно предприятие, две независимо работещи синхронни системи работиха непрекъснато в продължение на няколко месеца, а кумулативната грешка в скоростта беше почти нула.

Тъй като точността на изходната честота на преобразувателите на честота може да достигне 1,0‰ - 0,1‰, или дори по-висока, точността на скоростта на контролната система също се подобрява. Освен това системата има по-малко компоненти за управление, правейки схемата й по-проста от всякакъв друг тип система за контрол на скоростта. Освен това PMSMs разполагат с предимства като висок фактор на мощност, висока ефективност, спестяване на енергия, компактен размер, без щетки и висока безопасност и надеждност. Ето защо тази система днес е широко и обикновено използвана в различни индустриални отделения. Примери включват намотване, протегане, мерене и godet ролки в химичната индустрия; и приложения в охлаждащи печове за плоско стъкло, разбъркване на стъклени пещи, периферни ролки (или "тягачи") и машини за формиране на бутилки в стъкларската индустрия.

​Приложение на PMSM с променлива честота за контрол на скоростта в химичната индустрия​

Системите за контрол на скоростта с PMSM с променлива честота са успешно приложени в машини за топене за химични влакна, както е показано в системния диаграм (Фигура 12-1). Водещият мотор за насоса за мерене в машината за топене използва PMSM, изискващ прецизен изход на скоростта, за да контролира количественото доставяне на химичното влакно, удовлетворявайки нуждите на процеса на топене. При промяна на видовете продукти от влакна, просто регулирайки скоростта на водещия мотор за насоса за мерене, се удовлетворяват изискванията на процеса.

Мощността на главния насос за мерене обикновено е между 0,37 kW и 11 kW, с мотори с 4 или 6 полюса. Диапазонът на промяна на честотата е 25 Hz до 150 Hz. Обикновено се избира един преобразувател на честота, за да задвижи множество мотори, макар че се използват и специализирани системи (един преобразувател за всеки мотор), всяка от които има свои предимства и недостатъци.

Други важни процеси в топенето, такива като намотване, протегане и godet ролки, изискват или постоянни скорости на завъртане, или специфични отношения на скорост между двойките ролки. Системата за контрол на скоростта с променлива честота е идеалният основен избор, факт, потвърден от дългосрочно практически приложение. След прилагането на контрол на скоростта с променлива честота, скоростите на линии за топене могат да достигнат 3000 до 7000 m/min. Ролките за протегане, включващи вградени нагревателни елементи, изискват работа с постоянна скорост; придружаващата мощност на PMSM е между 0,2 kW и 7,5 kW, с избор на високоскоростни мотори с два полюса, с диапазон на регулировка на честотата от 50 Hz до 250 Hz. Използването на контрол на скоростта с променлива честота предоставя висок начален момент, бързо ускорение и удовлетворява изискванията за трудни условия на стартиране (жестоко стартиране).

​Приложение на PMSM с променлива честота за контрол на скоростта в стъкларската индустрия​

Системите за контрол на скоростта с променлива честота за основните двигатели на печове за охлаждане на плоско стъкло са приложени на десетки производствени линии в Китай, замествайки оригиналните DC двигатели и постигайки удовлетворителни икономически резултати.

Производствената линия за плоско стъкло включва високотемпературна стъклена течност, която тече от топилната пещ, постепенно охлажда се по линията. След затвърдяване, стъклото подлежи на термична обработка в печ за охлаждане, преди да се прехвърли към студения край за режане, проверка, опаковка и други последващи процеси. Процесът в печ за охлаждане налага строги изисквания; през около 200-метровата му дължина, всеки ролк трябва да работи непрекъснато и равномерно. Спиранията са абсолютно неприемливи, тъй като биха причинили значителни икономически загуби.

За това приложение е избран трифазен рядком земен PMSM TYB100-8 с преобразувател на честота Fuji G5. Тази система работи непрекъснато и безопасно за десетки хиляди часове и получи одобрение от всички страни. Нейните основни предимства са:

1. ​Висока точност на скорост (до 0,4%)​: Гарантира допуските за дебелина на продукта, спестява суровини и дава очевидни икономически предимства.
2. ​Висока надеждност: Намалява работата по поддръжка.
3. ​Спестяване на енергия: Заради по-малко компоненти в системата и вродената висока ефективност на мотора.
4. ​Компактен и лек дизайн: Оборудването е по-малко и по-леко.

Разбърквачите в топилните пещи за стъкло преди използваха DC двигатели. Но, като се има предвид високотемпературната среда и трудностите в поддръжката, от 1995 г. се използват системи за контрол на скоростта с променлива честота. По-специално, за тази цел се използват два мотора TYB400-8. Изискванията за работа са следните:

Двата мотора задвижват съответните разбърквачи, разбърквайки стъклената течност във високотемпературната пещ. За да се гарантира равномерното разбъркване, "мертвите зони" във ваната на пещта не са позволени. Следователно, работните области на двата разбърквача трябва да се пресичат леко, но да са подредени така, че въртящите се лопати да не се блъскат. Схема на работната област е показана на Фигура 12-2.

Ако скоростите n1 и n2 се различават, техният кумулативен ефект в крайна сметка може да доведе до сблъсък между лопатите на разбърквачите. Дългосрочното практически приложение на тази система показва, че няма сблъсъци между лопатите, потвърждавайки, че точността на скоростта отговаря на изискванията.

Приложението на контрол на скоростта с променлива честота на периферните ролки (или "тягачи") също дава отлични резултати. На производствената линия за стъкло, докато разтопеното стъкло постепенно се превръща от течно състояние в пластично полутечно състояние, то трябва да бъде протегнато и изравнено в равнина. Периферните ролки изпълняват тази ключова функция. Двигателите, които ги задвижват, трябва да предлагат непрекъснато променливо, безстъпково управление на скоростта. Скоростта на всеки тегличен мотор трябва да бъде предварително зададена в зависимост от фактори като температурата на работната точка и типа стъкло. Това изисква отлична производителност на контролната система: широк диапазон на скорост, висока точност на скорост и добра динамична реакция. Следователно, съществуващата DC система за контрол на скоростта Z₂-12, 0,6 kW, 1500 r/min беше заменена с трифазни PMSMs TYB500-6, 125 V, 50 Hz. Преобразувателят на честота работи в диапазон от 10 Hz до 150 Hz, предоставяйки диапазон на скоростта на мотора от 200 r/min до 3000 r/min. Замяната на DC двигатели със синхронни двигатели предлага предимства, включително по-висока автоматизация на производството, по-високо качество, по-малко тегло и по-лесно централизирано управление.