Aplikace frekvenčních měničů v automatických systémech

Použití čidlo s permanentními magnety (PMSM) s frekvenčním řízením v chemickém vlákně a sklové průmyslu​

V 19. století byly k vytváření elektrických motorů používány permanentní magnety. Dnes, s rychlým pokrokem elektronické technologie, tvoří motory s permanentními magnety (PMSM) a frekvenční převodovky otevřené, vysokorychlostní, vysokopřesné systémy s frekvenčním řízením otáček. Tyto systémy jsou široce používány v různých průmyslových odvětvích, kde nahrazují tradiční systémy s frekvenčním řízením stejnosměrného proudu a systémy s elektromagnetickým klouzáním, což ukazuje na jejich silnou vitalitu.

Je známo, že otáčky PMSM jsou přísně proporcionální dodávané frekvenci. Pokud je zajištěna přesnost dodávané frekvence, je také zajištěna přesnost otáček motoru, což vede k lineárním mechanickým charakteristikám. Například v jedné firmě běžely dva nezávisle fungující synchronní systémy po několik měsíců nepřetržitě a kumulativní chyba otáček byla téměř nulová.

Jelikož přesnost výstupní frekvence frekvenčních převodovek dosahuje 1,0‰ - 0,1‰, nebo dokonce vyšší, je také zvýšena přesnost řídicího systému. Kromě toho má tento systém méně řídících komponent, což zjednodušuje jeho obvod oproti jakémukoli jinému typu systému s frekvenčním řízením otáček. Navíc PMSM mají výhody jako vysoký faktor výkonu, vysokou efektivitu, úsporu energie, kompaktní rozměry, bezčetnost a vysokou bezpečnost a spolehlivost. Proto je tento systém nyní rozsáhle a běžně používán v různých průmyslových odvětvích. Mezi příklady patří aplikace v chemickém vlákně, jako jsou navíjení, tažení, měření a godet válečky; a aplikace v skelném průmyslu, jako jsou vypalovací pec pro ploché sklo, míchání ve skleněné peci, okrajové válečky (nebo "táhnutí") a formační stroje pro láhve.

​Použití PMSM s frekvenčním řízením v chemickém vlákně​

Systémy s PMSM s frekvenčním řízením byly úspěšně implementovány v taveninových tkalcích pro chemické vlákno, jak je vidět na schématu systému (Obrázek 12-1). Motor pro pohon měřicího čerpadla v tkalcích využívá PMSM, které vyžadují přesný výstup otáček pro kontrolu kvantitativního dodávání roztoku chemického vlákna, aby splňovaly požadavky tkalcového procesu. Při změně druhu výrobku z vlákna stačí upravit otáčky motoru pro pohon měřicího čerpadla, aby byly splněny procesní požadavky.

Výkon hlavního měřicího čerpadla se obvykle pohybuje mezi 0,37 kW a 11 kW, s motory s 4 nebo 6 póly. Rozsah frekvenčních změn je 25 Hz až 150 Hz. Obvykle se pro pohon více motorů vybírá jeden frekvenční převodovka, i když jsou používány i speciální systémy (jeden převodovka na motor), každý s vlastními výhodami a nevýhodami.

Další zásadní procesy v tkalcích, jako jsou navíjení, tažení a godet válečky, vyžadují buď konstantní otáčky, nebo specifické poměry otáček mezi párovými válečky. Systém s frekvenčním řízením je ideální primární volbou, což bylo potvrzeno dlouhodobou praktickou operací. Po přijetí frekvenčního řízení otáček mohou rychlosti tkalcových linií dosáhnout 3 000 až 7 000 m/min. Tažné válečky s vnitřním ohřevem vyžadují provoz s konstantními otáčkami; doprovodné PMSM mají výkon od 0,2 kW do 7,5 kW, s výběrem vysokorychlostních dvoupólových motorů, s rozsahem nastavení frekvence 50 Hz až 250 Hz. Použití frekvenčního řízení poskytuje vysoký startovací moment, rychlé zrychlení a splňuje požadavky na náročné startovací podmínky (tvrdý start).

​Použití PMSM s frekvenčním řízením v sklovém průmyslu​

Systémy s frekvenčním řízením pro hlavní pohony vypalovacích pecí pro plovoucí sklo byly aplikovány na desítkách výrobních linií v Číně, kde nahradily původní stejnosměrné pohony a dosáhly uspokojivých ekonomických výsledků.

Výrobní linka pro plovoucí sklo zahrnuje vysokoteplotní tekuté sklo proudící z tavené pece, postupně se ochladí podél linky. Po ztvrdnutí podstupuje sklo tepelné zpracování v vypalovací peci, než pokračuje na studený konec pro řez, kontrolu, balení a další následné procesy. Proces v vypalovací peci klade striktní požadavky; po celé délce přibližně 200 metrů musí každý váleček pracovat nepřetržitě a rovnoměrně. Zastavení je naprosto nepřijatelné, protože by způsobilo značné ekonomické ztráty.

Pro tuto aplikaci byl vybrán trojfázový PMSM s vzácnými zeminy TYB100-8 spolu s frekvenčním převodovkou Fuji G5. Tento systém pracuje nepřetržitě a bezpečně tisíce hodin a získal uznání ze strany všech stran. Jeho hlavní výhody jsou:

1. ​Vysoká přesnost otáček (až 0,4%)​: Zajišťuje toleranci tloušťky produktu, ušetří suroviny a přináší zřetelné ekonomické výhody.
2. ​Vysoká spolehlivost: Sníží úsilí na údržbu.
3. ​Úspora energie: V důsledku menšího počtu komponent systému a vysoké efektivity motoru.
4. ​Kompaktní a lehký design: Zařízení je menší a lehčí.

Míchače ve skleněných tavených pecích dříve používaly pohon stejnosměrným proudem. Avšak s ohledem na vysokoteplotní prostředí a údržbové problémy, byly od roku 1995 adoptovány systémy s frekvenčním řízením otáček. Konkrétně jsou pro tento účel použity dva motory TYB400-8. Operační požadavky jsou následující:

Dva motory pohánějí své míchače, které míchají roztok skla v vysokoteplotní pece. Aby byla zajistěna rovnoměrná směs, nejsou v plavu pece povoleny "mrtvé zóny". Proto se pracovní oblasti obou míchačů musí mírně překrývat, ale musí být uspořádány tak, aby se rotující lopaty nesetkaly. Schéma pracovní oblasti je znázorněno na obrázku 12-2.

Pokud by se otáčky n1 a n2 lišily, jejich kumulativní efekt by nakonec mohl vést ke kolizím mezi lopatami míchačů. Dlouhodobá praktická aplikace tohoto systému ukázala, že nedochází k kolizím lopat, což potvrzuje, že přesnost otáček splňuje požadavky.

Aplikace frekvenčního řízení otáček na okrajových válečcích (nebo "táhnutí") také přinesla vynikající výsledky. Na výrobní lince skla, když tekuté sklo postupně přechází ze stavu kapaliny na plastický polotekutý stav, je třeba ho protáhnout a rovně rozprostřít. Okrajové válečky plní tuto klíčovou funkci. Jejich pohonné motory musí nabízet spojitě proměnnou, stupňovitou regulaci otáček. Rychlost každého motoru pro táhnutí by měla být přednastavena na základě faktorů jako je teplota pracovního bodu a typ skla. To vyžaduje vynikající výkonnost řídicího systému: široký rozsah otáček, vysokou přesnost otáček a dobré dynamické odezvy. Proto byl existující systém s řízením otáček DC motoru Z₂-12, 0,6 kW, 1500 ot./min nahrazen PMSM trojfázovými motory TYB500-6, 125 V, 50 Hz. Frekvenční převodovka funguje v rozmezí 10 Hz až 150 Hz, což poskytuje rozsah otáček motoru od 200 ot./min do 3000 ot./min. Nahrazení DC motorů synchronními motory nabízí výhody, jako je vyšší automatizace výroby, lepší kvalita, menší hmotnost a snadnější centralizované řízení.