Aplicació de convertidors de freqüència en sistemes d'automatització

Aplicació del control de velocitat variable de freqüència del motor síncron d'imat permanent (PMSM) en les indústries de fibres químiques i vidre

Al segle XIX, s'utilitzaven imans permanents per crear motors elèctrics. Avui, amb l'avanç ràpid de la tecnologia electrònica, els motors síncrons d'imat permanent (PMSM) i els convertidors de freqüència formen conjuntament sistemes de control de velocitat variable de freqüència oberts, d'alta velocitat i precisió. Aquests sistemes s'han aplicat ampliament en diversos sectors industrials, reemplaçant els sistemes de control de velocitat DC tradicionals i els sistemes de control de velocitat per deslizament electromagnètic, demostrant una forta vitalitat.

Es sap que la velocitat de rotació d'un PMSM és estrictament proporcional a la freqüència d'alimentació. Si es garanteix la precisió de la freqüència d'alimentació, també es garanteix la precisió de la velocitat del motor, resultant en característiques mecàniques lineals. Per exemple, en una empresa, dos sistemes sincrònics independents van funcionar de manera contínua durant diversos mesos, i l'error acumulat de velocitat va ser gairebé zero.

Com que la precisió de la freqüència de sortida dels convertidors de freqüència pot arribar al 1,0‰ - 0,1‰, o fins i tot més, la precisió de velocitat del sistema de control també es veu millorada. A més, el sistema té menys components de control, fent que la seva circuitària sigui més simple que la de qualsevol altre tipus de sistema de control de velocitat. A més, els PMSM tenen avantatges com un factor de potència elevat, alta eficiència, estalvi d'energia, petita mida, no porten escoves i oferixen alta seguretat i fiabilitat. En conseqüència, aquest sistema s'utilitza extensament i de manera generalitzada en diversos departaments industrials. Exemples inclouen l'enrotllament, l'estirament, la mesura i els rodetes godet en la indústria de fibres químiques; i aplicacions en forns de reveniment de vidre pla, agitadors de forns de vidre, rodetes lateral (o "tractors") i màquines formadores de botelles en la indústria del vidre.

Aplicació del control de velocitat variable de freqüència del PMSM en la indústria de fibres químiques

Els sistemes de control de velocitat variable de freqüència del PMSM s'han implementat amb èxit en màquines de filatura de fusió de fibres químiques, tal com es mostra en el diagrama del sistema (Figura 12-1). El motor d'impulsió de la bomba de mesura en la màquina de filatura utilitza un PMSM, requereixent una sortida de velocitat precisa per controlar l'aportació quantitativa de la solució de fibra química, satisfent així les exigències del procés de filatura. Quan es canvia el tipus de producte de fibra, simplement ajustant la velocitat del motor d'impulsió de la bomba de mesura compleix les exigències del procés.

La potència de la bomba de mesura principal normalment varia entre 0,37 kW i 11 kW, amb motors de 4 o 6 pols. El rang de variació de freqüència és de 25 Hz a 150 Hz. Normalment, s'escull un convertidor de freqüència per impulsar diversos motors, encara que també s'utilitzen sistemes dedicats (un convertidor per motor), cadascun amb els seus pròpis avantatges i inconvenients.

Altres processos essencials en la filatura, com l'enrotllament, l'estirament i els rodetes godet, requereixen velocitats de rotació constants o relacions de velocitat específiques entre rodetes parellades. El sistema de control de velocitat variable de freqüència és l'elecció ideal principal, un fet confirmat per la operació pràctica a llarg termini. Després d'adoptar el control de velocitat variable, les velocitats de línia de filatura poden arribar a 3.000 a 7.000 m/min. Els rodetes d'estirament que incorporen elements de càlida interna necessiten operar a velocitat constant; la potència associada del PMSM varia de 0,2 kW a 7,5 kW, amb motors de dues poles d'alta velocitat seleccionats, amb un rang d'ajust de freqüència de 50 Hz a 250 Hz. Utilitzar el control de freqüència variable proporciona un moment d'arrancada elevat, acceleració ràpida i compleix les exigències per a condicions d'arrancada demanants (arrancada dura).

Aplicació del control de velocitat variable de freqüència del PMSM en la indústria del vidre

Els sistemes de control de velocitat variable de freqüència per als impulsors principals dels forns de reveniment de vidre flotat s'han aplicat en dezenes de línies de producció a la Xina, reemplaçant els impulsos DC originals i assolint beneficis econòmics satisfactoris.

Una línia de producció de vidre flotat implica que el líquid de vidre a alta temperatura flueix des del forn de fusió, refredant-se gradualment a través de la línia. Un cop solidificat, el vidre passa per un tractament tèrmic en el forn de reveniment abans de procedir a l'extrem fred per a tallar, inspeccionar, embal·lar i altres processos a valenci. El procés del forn de reveniment imposa exigències estrigtes; al llarg dels seus aproximadament 200 metres, cada rodet ha de funcionar de manera contínua i uniforme. Les parades són totalment inacceptables, ja que causarien pèrdues econòmiques significatives.

Per a aquesta aplicació, s'ha triat un PMSM trifàsic d'imat permanent de terres rares TYB100-8 juntament amb un convertidor de freqüència Fuji G5. Aquest sistema ha operat de manera contínua i segura durant deutes de milers d'hores i ha rebut aclamatció de totes parts. Els seus avantatges principals són:

1. Alta precisió de velocitat (fins al 0,4%): Assegura toleràncies d'espessor del producte, estalvia matèries primeres i produeix beneficis econòmics evidents.
2. Alta fiabilitat: Redueix la càrrega de manteniment.
3. Estalvi d'energia: Degut a menys components del sistema i l'alta eficiència inherent del motor.
4. Disseny compacte i lleuger: L'equipament és més petit i més lleuger.

Els agitadors dins dels forns de fusió de vidre anteriorment utilitzaven impulsos DC. No obstant això, considerant l'ambient d'alta temperatura i els reptes de manteniment, des del 1995 s'han adoptat sistemes de control de velocitat variable de freqüència. Específicament, es fan servir dos motors TYB400-8 per a aquest propòsit. Les exigències operatives són les següents:

Els dos motors impulsen els seus respectius agitadors, barrejant la solució de vidre dins del forn d'alta temperatura. Per assegurar la homogeneïtat del barreig, no es permeten "zones mortes" dins de la banyera del forn. Per tant, les àrees de treball dels dos agitadors han de superposar-se lleugerament, però han de disposar-se de manera que les paletes rotatives no col·lidin. Un esquema de l'àrea de treball es mostra a la Figura 12-2.

Si les velocitats de rotació n1 i n2 difereixen, el seu efecte acumulatiu podria acabar provocant col·lisions entre les paletes dels agitadors. La aplicació pràctica a llarg termini d'aquest sistema ha demostrat que no hi ha col·lisions de paletes, confirmant que la precisió de velocitat compleix les exigències.

L'aplicació del control de velocitat variable en els rodetes lateral (o "tractors") també ha donat excel·lents resultats. A la línia de producció de vidre, a mesura que el vidre fonit es transforma gradualment d'un estat líquid a un estat semisòlid plàstic, cal estirar-lo i aplanar-lo en un pla. Això ho fan els rodetes lateral. Els motors d'impulsió d'aquests rodetes han de oferir un control de velocitat continu i sense escalons. La velocitat de cada motor tractor ha de ser preestablerta en funció de factors com la temperatura del punt de treball i el tipus de vidre. Això exigeix un rendiment excel·lent del sistema de control: ample rang de velocitat, alta precisió de velocitat i bona resposta dinàmica. Per tant, s'ha reemplaçat el sistema de control de velocitat del motor DC Z₂-12, 0,6 kW, 1500 r/min existent amb motors PMSM trifàsics TYB500-6, 125 V, 50 Hz. El convertidor de freqüència opera en un rang de 10 Hz a 150 Hz, proporcionant un rang de velocitat del motor de 200 r/min a 3000 r/min. Reemplaçar els motors DC amb motors síncrons ofereix avantatges com una major automatització de la producció, millor qualitat, menor pes i més fàcil control centralitzat.