Anvendelse af frekvenskonvertere i automationsystemer

Anvendelse af permanentmagnetisk synkronmotor (PMSM) variabelhastighedsstyring i kemiske fiber- og glasindustrier​

I det 19. århundrede blev permanente magneter anvendt til at oprette elektriske motorer. I dag, med den hurtige udvikling inden for elektronikteknologi, danner permanente magnetiske synkronmotorer (PMSM) og frekvenskonvertere sammen åbne løkker, højhastighed, højpræcision variabelhastighedsstyringssystemer. Disse systemer er blevet bredt anvendt i forskellige industrielle sektorer, ved at erstatte traditionelle DC-hastighedsstyringssystemer og elektromagnetiske slip-hastighedsstyringssystemer, og viser stærk vitalitet.

Det er kendt, at rotationshastigheden for en PMSM er strengt proportional med strømfrekvensen. Når præcisionen af strømfrekvensen er sikret, er også motorhastighedens præcision garanteret, hvilket resulterer i lineære mekaniske egenskaber. For eksempel har to uafhængigt driftende synkronsystemer i et virksomhed løbet kontinuerligt i flere måneder, og den akkumulerede hastighedsfejl var næsten nul.

Eftersom outputfrekvenspræcisionen af frekvenskonvertere kan nå 1,0‰ - 0,1‰, eller endda højere, er præcisionen af styresystemet også forbedret. Desuden har systemet færre styreeksemplarer, hvilket gør dens kredsløb enklere end enhver anden type hastighedsstyringssystem. Yderligere har PMSM fordele som høj effektfaktor, høj effektivitet, energibesparelse, kompakt størrelse, uden børster, samt høj sikkerhed og pålidelighed. Derfor er dette system nu bredt og almindeligt anvendt i forskellige industrielle afdelinger. Eksempler herpå inkluderer opvinding, strækning, måling og godet rulleapplikationer i kemiske fiberindustrien; og applikationer i annealingovne for fladglas, glasovnestirring, kantroller (eller "pullers") og flaskedannelsesmaskiner inden for glasindustrien.

​Anvendelse af PMSM variabelhastighedsstyring i kemiske fiberindustrien​

PMSM variabelhastighedsstyringssystemer er blevet succesfuldt implementeret i smeltspinningsmaskiner for kemiske fibere, som vist i systemdiagrammet (Figur 12-1). Drivmotoren for mætningspumpen i spinningsmaskinen anvender en PMSM, der kræver præcis hastighedsoutput for at kontrollere kvantitativ levering af kemiske fibersolution, dermed opfylder kravene til spinningsprocessen. Når man skifter mellem fiberprodukter, kan man blot justere hastigheden på drivmotoren for mætningspumpen for at opfylde processkravene.

Kraften af hovedmætningspumpen ligger typisk mellem 0,37 kW og 11 kW, med motorer med 4 eller 6 poler. Frekvensvariationen ligger mellem 25 Hz og 150 Hz. Normalt vælges en frekvenskonverter for at drage flere motorer, selvom dedikerede systemer (en konverter per motor) også bruges, hver metode har sine fordele og ulemper.

Andre afgørende processer i spinning, såsom opvinding, strækning og godet ruller, kræver enten konstante rotationshastigheder eller specifikke hastighedsforhold mellem parrede ruller. Variabelhastighedsstyringssystemet er den ideale primære valg, en fakt, bekræftet af langvarig praktisk drift. Efter at have adopteret variabelhastighedsstyring, kan spinninger nå liniehastigheder på 3.000 til 7.000 m/min. Strækningsruller, der inkluderer interne opvarmningskomponenter, kræver konstant hastighedsdrift; de tilhørende PMSM effekter ligger mellem 0,2 kW og 7,5 kW, med højhastighed to-pole motorer valgt, med en frekvensjustering område fra 50 Hz til 250 Hz. Ved at bruge variabelhastighedsstyring giver det høj startmoment, hurtig acceleration og opfylder kravene til krævende startforhold (hard start).

​Anvendelse af PMSM variabelhastighedsstyring i glasindustrien​

Variabelhastighedsstyringssystemer til hoveddriv i flydende glas annealingovne er blevet anvendt på flere produktionlinjer i Kina, ved at erstatte de originale DC-driv og opnå tilfredsstillende økonomiske fordele.

En flydende glasproduktionslinje involverer højt tempereret glasvæske, der flyder fra smeltovnen, gradvis køles ned langs linjen. Efter solidificering undergår glas heatbehandling i annealingovnen, før det går videre til den kolde ende til skæring, inspektion, pakning og andre nedefterprocesser. Annealingovneprocessen stiller strenge krav; over sin ca. 200 meter lange længde skal hver rulle fungere kontinuerligt og ensartet. Stopninger er absolut uacceptabel, da de ville forårsage betydelige økonomiske tab.

Til denne anvendelse blev en TYB100-8 tre-fase jordbaseret PMSM kombineret med en Fuji G5 frekvenskonverter valgt. Dette system har fungeret kontinuerligt og sikkert i titusinder af timer og modtaget ros fra alle sider. Dets hovedfordele er:

1. ​Høj hastighedspræcision (op til 0,4%)​: Sikrer produkttykkelse tolerancer, sparer råmaterialer, og giver tydelige økonomiske fordele.
2. ​Høj pålidelighed: Reducerer vedligeholdelsesarbejde.
3. ​Energibesparelse: På grund af færre systemkomponenter og motorens inbyggede høje effektivitet.
4. ​Kompakt og let design: Udstyret er mindre og lettere.

Stirrere inden for glas smeltovner brugte tidligere DC-driv. Men med hensyn til den højt tempererede miljø og vedligeholdelsesudfordringer, er variabelhastighedsstyringssystemer blevet anvendt siden 1995. Specifikt anvendes to TYB400-8 motorer til dette formål. Driftskravene er følgende:

De to motorer driver deres respektive stirrere, der rører glasvæsken i den højt tempererede ovn. For at sikre homogenitet er "døde zoner" inden for ovnbade ikke tilladt. Derfor skal arbejdsområderne for de to stirrere overlappe let, men være arrangeret, så roterende paddler ikke kolliderer. Et skematisk diagram af arbejdsområdet vises i figur 12-2.

Hvis rotationshastighederne n1 og n2 adskiller sig, kunne deres kumulative effekt sidestille med kollisioner mellem stirrepaddler. Langtidspraktisk anvendelse af dette system har vist ingen paddlekollisioner, hvilket bekræfter, at hastighedspræcisionen opfylder kravene.

Anvendelsen af variabelhastighedsstyring på kantroller (eller "pullers") har også givet fremragende resultater. På glasproduktionslinjen, når det smeltede glas gradvist transformeres fra en væsketilstand til en plastisk halvfast tilstand, skal det strækkes og flader ud til en plan. Kantroller udfører denne afgørende funktion. Deres drivmotorer skal give kontinuerlig, trinløs hastighedsstyring. Hastigheden for hver puller-motor skal forudindstilles baseret på faktorer som arbejdspunkttemperatur og glastype. Dette kræver fremragende styresystemperformance: bred hastighedsområde, høj hastighedspræcision og god dynamisk respons. Derfor blev det eksisterende Z₂-12, 0,6 kW, 1500 omdr./min DC-motorhastighedsstyringssystem erstattet med TYB500-6, 125 V, 50 Hz tre-fase PMSM. Frekvenskonverteren opererer i et område fra 10 Hz til 150 Hz, hvilket giver en motorhastighedsområde fra 200 omdr./min til 3000 omdr./min. At erstatte DC-motorer med synkronmotorer byder på fordele som højere produktionsautomatisering, bedre kvalitet, lettere vægt og nemmere centraliseret kontrol.