Anwendung von Frequenzumrichtern in Automatisierungssystemen

Anwendung der Frequenzumrichtung von Permanentmagnetsynchronmotoren (PMSM) in der Chemiefaser- und Glasindustrie​

Im 19. Jahrhundert wurden Permanentmagnete verwendet, um Elektromotoren zu erstellen. Heute, mit dem raschen Fortschritt der Elektroniktechnologie, bilden Permanentmagnetsynchronmotoren (PMSM) und Frequenzumrichter zusammen offene, hochgeschwindige, hochpräzise Frequenzumrichtsysteme. Diese Systeme finden breite Anwendung in verschiedenen Industriezweigen, ersetzen traditionelle Gleichstrom-Geschwindigkeitsregelsysteme und elektromagnetische Gleitdrehzahlregelsysteme und zeigen starke Vitalität.

Es ist bekannt, dass die Drehzahl eines PMSM streng proportional zur Netzfrequenz ist. Ist die Präzision der Netzfrequenz gewährleistet, so ist auch die Drehzahlpräzision des Motors garantiert, was lineare mechanische Eigenschaften ergibt. So liefen beispielsweise in einem Unternehmen zwei unabhängig arbeitende Synchronsysteme über mehrere Monate kontinuierlich, und der kumulative Geschwindigkeitsfehler war nahezu Null.

Da die Ausgangsfrequenzpräzision von Frequenzumrichtern 1,0‰ - 0,1‰ oder sogar höher erreichen kann, wird auch die Geschwindigkeitspräzision des Regelungssystems verbessert. Darüber hinaus hat das System weniger Steuerelemente, wodurch seine Schaltkreise einfacher als bei jedem anderen Typ von Geschwindigkeitsregelsystem sind. Zudem bieten PMSM Vorteile wie hohen Leistungsfaktor, hohe Effizienz, Energieeinsparungen, kompakten Bau, Bürstenlosigkeit und hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit. Daher wird dieses System jetzt weit verbreitet und häufig in verschiedenen Industrieabteilungen eingesetzt. Beispiele dafür sind Wickel-, Dehn-, Mess- und Godetwalzanwendungen in der Chemiefaserindustrie; sowie Anwendungen in Glühöfen für Flachglas, Rührwerken in Glashütten, Randrollen (oder "Ziehern") und Flaschenformmaschinen in der Glasindustrie.

​Anwendung der Frequenzumrichtung von PMSM in der Chemiefaserindustrie​

Frequenzumrichtsysteme für PMSM wurden erfolgreich in Schmelzspinnmaschinen für Chemiefasern implementiert, wie in der Systemdiagramm (Abbildung 12-1) dargestellt. Der Antriebsmotor der Dosierpumpe in der Spinnmaschine verwendet einen PMSM, der eine präzise Drehzahl benötigt, um die quantitativ genaue Bereitstellung der Chemiefasersuspension zu steuern, um den Anforderungen des Spinnprozesses gerecht zu werden. Bei Änderungen der Faserprodukte reicht es aus, die Drehzahl des Antriebsmotors der Dosierpumpe anzupassen, um den Prozessanforderungen gerecht zu werden.

Die Leistung der Hauptdosierpumpe liegt in der Regel zwischen 0,37 kW und 11 kW, wobei Motoren mit 4 oder 6 Polen verwendet werden. Der Frequenzänderungsbereich beträgt 25 Hz bis 150 Hz. In der Regel wird ein Frequenzumrichter ausgewählt, um mehrere Motoren anzutreiben, obwohl dedizierte Systeme (ein Umrichter pro Motor) ebenfalls verwendet werden, wobei jeder Ansatz seine eigenen Vor- und Nachteile hat.

Weitere wesentliche Prozesse in der Spinnerei, wie Wickeln, Dehnen und Godetwalzen, erfordern entweder konstante Drehzahlen oder spezifische Drehzahlverhältnisse zwischen gepaarten Walzen. Das Frequenzumrichtsystem ist die ideale erste Wahl, was durch langjährige praktische Nutzung bestätigt wurde. Nach der Einführung der Frequenzumrichtung können die Spinnliniengeschwindigkeiten 3.000 bis 7.000 m/min erreichen. Dehnerwalzen mit integrierten Heizelementen erfordern eine konstante Drehzahl; die zugehörigen PMSM haben eine Leistung von 0,2 kW bis 7,5 kW, wobei Hochgeschwindigkeitszweipolmotoren ausgewählt werden, mit einer Frequenzanpassungsbreite von 50 Hz bis 250 Hz. Die Verwendung der Frequenzumrichtung bietet hohe Startdrehmomente, schnelle Beschleunigung und erfüllt die Anforderungen an anspruchsvolle Startbedingungen (hartes Starten).

​Anwendung der Frequenzumrichtung von PMSM in der Glasindustrie​

Frequenzumrichtsysteme für die Hauptantriebe von Flachglasschmelzöfen wurden in China auf Dutzenden Produktionslinien angewendet, ersetzen die ursprünglichen Gleichstromantriebe und erzielen zufriedenstellende wirtschaftliche Vorteile.

Eine Flachglasschmelzlinie beinhaltet flüssiges Glas, das aus dem Schmelzofen bei hohen Temperaturen fließt und entlang der Linie allmählich abkühlt. Nach dem Erstarren wird das Glas im Glühofen hitzebehandelt, bevor es zum kalten Ende weitergeleitet wird, wo es geschnitten, geprüft, verpackt und in weitere nachgelagerte Prozesse eingeführt wird. Der Glühofenprozess stellt strenge Anforderungen; über seine etwa 200 Meter Länge hinweg müssen alle Rollen kontinuierlich und gleichmäßig arbeiten. Stoppungen sind absolut unannehmbar, da sie zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führen würden.

Für diese Anwendung wurde ein TYB100-8 Drei-Phasen-Seltenerde-PMSM in Kombination mit einem Fuji G5 Frequenzumrichter ausgewählt. Dieses System hat sich über Tausende von Betriebsstunden ständig und sicher bewährt und Anerkennung von allen Seiten erhalten. Seine Hauptvorteile sind:

1. ​Hohe Geschwindigkeitspräzision (bis zu 0,4%)​: Garantiert Toleranzen der Produktdicke, spart Rohstoffe und bringt deutliche wirtschaftliche Vorteile.
2. ​Hohe Zuverlässigkeit: Reduziert Wartungsarbeit.
3. ​Energieeinsparung: Aufgrund weniger Systemkomponenten und der inhärenten hohen Effizienz des Motors.
4. ​Kompakte und leichte Konstruktion: Die Ausrüstung ist kleiner und leichter.

Rührer in Glastiegelöfen verwendeten früher Gleichstromantriebe. Allerdings, bedingt durch die hohe Temperatur und die Wartungsherausforderungen, wurden seit 1995 Frequenzumrichtsysteme eingesetzt. Speziell für diesen Zweck werden zwei TYB400-8 Motoren verwendet. Die Betriebsanforderungen lauten wie folgt:

Die beiden Motoren treiben ihre jeweiligen Rührer an, die die Glasherschmelzung im Hochtemperaturofen umrühren. Um eine gleichmäßige Mischung zu gewährleisten, sind "Tote Zonen" im Ofenbad nicht zulässig. Daher müssen die Arbeitsbereiche der beiden Rührer leicht überschneiden, jedoch so angeordnet sein, dass die rotierenden Paddel nicht kollidieren. Ein Schema des Arbeitsbereichs ist in Abbildung 12-2 dargestellt.

Wenn die Drehzahlen n1 und n2 unterschiedlich sind, könnte ihr kumulativer Effekt letztendlich zu Kollisionen der Rührerpaddel führen. Langjährige praktische Anwendung dieses Systems hat jedoch gezeigt, dass keine Paddelkollisionen auftreten, was die Erfüllung der Geschwindigkeitspräzisionsanforderungen bestätigt.

Auch die Anwendung der Frequenzumrichtung auf Randrollen (oder "Ziehern") hat hervorragende Ergebnisse gebracht. Auf der Glasschmelzlinie muss das flüssige Glas während seines Übergangs vom flüssigen Zustand in einen plastischen halbfesten Zustand gestreckt und in eine Ebene geglättet werden. Diese wichtige Funktion übernehmen die Randrollen. Ihre Antriebsmotoren müssen eine kontinuierlich variable, stufenlose Geschwindigkeitssteuerung bieten. Die Geschwindigkeit jedes Ziehernmotors sollte basierend auf Faktoren wie der Arbeitspunkttemperatur und der Glasart voreingestellt werden. Dies erfordert exzellente Regelungssystemleistung: weiten Geschwindigkeitsbereich, hohe Geschwindigkeitspräzision und gute dynamische Reaktion. Daher wurde das bestehende Z₂-12, 0,6 kW, 1500 U/min Gleichstrommotorgeschwindigkeitsregelsystem durch TYB500-6, 125 V, 50 Hz Drei-Phasen-PMSM ersetzt. Der Frequenzumrichter arbeitet im Bereich von 10 Hz bis 150 Hz, was einen Motordrehzahlbereich von 200 U/min bis 3000 U/min ermöglicht. Der Austausch von Gleichstrommotoren durch Synchronmotoren bietet Vorteile wie höhere Produktionsautomatisierung, bessere Qualität, geringeres Gewicht und einfachere zentrale Steuerung.