Εφαρμογή των μετατροπέων συχνότητας σε συστήματα αυτοματισμού

Εφαρμογή της Μεταβλητής Συχνότητας Ελέγχου Ταχύτητας Συνδυασμένων Μόνιμων Μαγνήτων (PMSM) στις Βιομηχανίες Χημικών Υφάσματος και Γυάλινου

Το 19ο αιώνα, οι μόνιμοι μαγνήτες χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία ηλεκτρομοτόρων. Σήμερα, με την ταχεία πρόοδο της ηλεκτρονικής τεχνολογίας, οι Μόνιμοι Μαγνητικοί Συνδυασμένοι Μοτέρ (PMSM) και οι μετατροπείς συχνότητας μαζί σχηματίζουν ανοικτά, υψηλής ταχύτητας, υψηλής ακρίβειας συστήματα ελέγχου ταχύτητας μεταβλητής συχνότητας. Αυτά τα συστήματα έχουν ευρεία εφαρμογή σε διάφορους βιομηχανικούς τομείς, αντικαθιστώντας τα παραδοσιακά συστήματα ελέγχου ταχύτητας με ήπια ρεύμα και τα συστήματα ελέγχου ταχύτητας με ηλεκτρομαγνητική λιποταχύτητα, δείχνοντας ισχυρή ζωτικότητα.

Είναι γνωστό ότι η ταχύτητα περιστροφής ενός PMSM είναι αυστηρά ανάλογη με τη συχνότητα της εφοδιασμού. Με την εγγύηση της ακρίβειας της συχνότητας της εφοδιασμού, εγγυάται επίσης η ακρίβεια της ταχύτητας περιστροφής του μοτέρ, αποδίδοντας γραμμικές μηχανικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, σε μια επιχείρηση, δύο ανεξάρτητα λειτουργούντα συνδυασμένα συστήματα λειτούργησαν συνεχώς για μερικούς μήνες, και η συσσωρευμένη λάθος ταχύτητας ήταν σχεδόν μηδενική.

Αφού η ακρίβεια της εξόδου συχνότητας των μετατροπέων συχνότητας μπορεί να φτάσει το 1,0‰ - 0,1‰, ή ακόμη και υψηλότερη, η ακρίβεια ταχύτητας του συστήματος ελέγχου ενισχύεται επίσης. Επιπλέον, το σύστημα έχει λιγότερα συστατικά ελέγχου, κάνοντας την κατασκευή του απλούστερη από οποιοδήποτε άλλο τύπο συστήματος ελέγχου ταχύτητας. Επιπλέον, τα PMSM έχουν πλεονεκτήματα όπως υψηλός συντελεστής δύναμης, υψηλή απόδοση, εξοικονόμηση ενέργειας, μικρές διαστάσεις, απουσία σκούρων, και υψηλή ασφάλεια και αξιοπιστία. Συνεπώς, αυτό το σύστημα είναι τώρα ευρέως και κοινά χρησιμοποιούμενο σε διάφορους βιομηχανικούς τομείς. Παραδείγματα περιλαμβάνουν την εφαρμογή σε μεταφορικά, εκτεταμένα, μετρητικά και godet roller στη βιομηχανία των χημικών υφάσματος, και εφαρμογές σε ανάλυση κάμινων για επίπεδο γυάλι, ανακατεμένες κάμινες γυάλι, edge rollers (ή "pullers") και μηχανές πλάστησης φιαλών στη βιομηχανία του γυάλινου.

Εφαρμογή του Ελέγχου Ταχύτητας Μεταβλητής Συχνότητας PMSM στη Βιομηχανία Χημικών Υφάσματος

Τα συστήματα ελέγχου ταχύτητας μεταβλητής συχνότητας PMSM έχουν επιτυχώς εφαρμοστεί σε μηχανές μετατροπής χημικών υφάσματος, όπως φαίνεται στο σχηματικό του συστήματος (Σχήμα 12-1). Ο ηλεκτρομοτέρ του οδηγού μετρητή πουπάνου στη μηχανή μετατροπής χημικών υφάσματος χρησιμοποιεί ένα PMSM, απαιτώντας ακριβή εξαγωγή ταχύτητας για τον έλεγχο της ποσοτικής παροχής της λύσης χημικών υφάσματος, ικανοποιώντας έτσι τις απαιτήσεις της διαδικασίας μετατροπής. Κατά την αλλαγή των ειδών προϊόντων χημικών υφάσματος, αρκεί η προσαρμογή της ταχύτητας του ηλεκτρομοτέρ του οδηγού μετρητή πουπάνου για την ικανοποίηση των απαιτήσεων της διαδικασίας.

Η ισχύς του κύριου μετρητή πουπάνου συνήθως κυμαίνεται από 0,37 kW έως 11 kW, με μοτέρ που διαθέτουν 4 ή 6 πόλους. Το εύρος μεταβολής της συχνότητας είναι 25 Hz έως 150 Hz. Συνήθως, επιλέγεται ένας μετατροπέας συχνότητας για την οδήγηση πολλαπλών μοτέρ, αν και χρησιμοποιούνται επίσης ειδικά συστήματα (ένας μετατροπέας ανά μοτέρ), κάθε προσέγγιση έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Άλλες βασικές διαδικασίες στη μετατροπή, όπως η μεταφορά, η εκτάση και οι godet rollers, απαιτούν είτε σταθερές ταχύτητες περιστροφής είτε συγκεκριμένες λόγους ταχύτητας μεταξύ ζευγών rollers. Το σύστημα ελέγχου ταχύτητας μεταβλητής συχνότητας είναι η ιδανική πρωτεύουσα επιλογή, γεγονός που επιβεβαιώνεται από μακροχρόνια πρακτική λειτουργία. Μετά την έναρξη λειτουργίας μεταβλητής συχνότητας, οι ταχύτητες γραμμής μετατροπής μπορούν να φτάσουν 3.000 έως 7.000 m/min. Οι rollers εκτάσεως που περιέχουν εσωτερικά θερμαντικά στοιχεία απαιτούν σταθερή λειτουργία ταχύτητας, η ισχύς του συνοδευτικού PMSM κυμαίνεται από 0,2 kW έως 7,5 kW, με επιλογή υψηλόταχων μοτέρ δύο πόλων, με εύρος προσαρμογής συχνότητας 50 Hz έως 250 Hz. Η χρήση μεταβλητής συχνότητας παρέχει υψηλή αρχική ροπή, γρήγορη επιτάχυνση, και ικανοποιεί τις απαιτήσεις για απαιτητικές συνθήκες έναρξης (σκληρή έναρξη).

Εφαρμογή του Ελέγχου Ταχύτητας Μεταβλητής Συχνότητας PMSM στη Βιομηχανία Γυάλινου

Τα συστήματα ελέγχου ταχύτητας μεταβλητής συχνότητας για τους κύριους οδηγούς αναλυτικών καμίνων επιπεδού γυάλινου έχουν εφαρμοστεί σε δεκάδες παραγωγικές γραμμές στην Κίνα, αντικαθιστώντας τους προηγούμενους οδηγούς ήπιου ρεύματος και επιτυγχάνοντας ικανοποιητικά οικονομικά οφέλη.

Μια παραγωγική γραμμή επιπεδού γυάλινου περιλαμβάνει την ροή υψηλής θερμοκρασίας γυάλινης υγρής από την κάμινο απολύμανσης, που σταδιακά καταψύχεται κατά μήκος της γραμμής. Μετά τη στερεοποίηση, το γυάλινο υποκείται σε θερμική μεταχείριση στον αναλυτικό κάμινο πριν προχωρήσει στο κρύο άκρο για κοπή, ελέγχους, συσκευασία και άλλες προσωπικές διαδικασίες. Η διαδικασία του αναλυτικού καμίνου επιβάλλει αυστηρές απαιτήσεις, κατά τα περίπου 200 μέτρα της, κάθε roller πρέπει να λειτουργεί συνεχώς και ομοιόμορφα. Οι παύσεις είναι απολύτως απαράδεκτες, καθώς θα προκαλούσαν σημαντικές οικονομικές απώλειες.

Για αυτή την εφαρμογή, επιλέχθηκε ένας TYB100-8 τριφασικός PMSM με σπάνιους γηινούς μαγνήτες σε συνδυασμό με έναν Fuji G5 μετατροπέα συχνότητας. Αυτό το σύστημα έχει λειτουργήσει συνεχώς και ασφαλώς για δεκάδες χιλιάδες ώρες και έχει λάβει θετική ανατροφοδότηση από όλες τις πλευρές. Τα κύρια πλεονεκτήματά του είναι:

1. Υψηλή Ακρίβεια Ταχύτητας (έως 0,4%): Εγγυάται την ακρίβεια της πάχους του προϊόντος, εξοικονομεί πρώτες ύλες και παρέχει ορατά οικονομικά οφέλη.
2. Υψηλή Αξιοπιστία: Μειώνει το φόρτο συντήρησης.
3. Εξοικονόμηση Ενέργειας: Λόγω των λιγότερων συστατικών του συστήματος και της φυσικής υψηλής απόδοσης του μοτέρ.
4. Συμπαγής και Έλαφρος Σχεδιασμός: Το εξοπλισμό είναι μικρότερος και ελαφρύτερος.

Οι ανακατεμένες κάμινες γυάλινου προηγουμένως χρησιμοποιούσαν οδηγούς ήπιου ρεύματος. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη το περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας και τις προκλήσεις συντήρησης, από το 1995 έχουν εισαχθεί συστήματα ελέγχου ταχύτητας μεταβλητής συχνότητας. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται δύο TYB400-8 μοτέρ για αυτό το σκοπό. Οι λειτουργικές απαιτήσεις είναι οι εξής:

Τα δύο μοτέρ οδηγούν τους αντίστοιχους ανακατεμένους, ανακατεύοντας τη γυάλινη υγρή μέσα στην κάμινο υψηλής θερμοκρασίας. Για να εξασφαλιστεί η ομοιόμορφη ανακατεμένη, δεν επιτρέπονται "νεκρές ζώνες" μέσα στην κάμινο. Συνεπώς, οι εργασιακές περιοχές των δύο ανακατεμένων πρέπει να επικαλύπτονται ελαφρώς, αλλά να είναι τακτοποιημένες ώστε οι περιστρεφόμενες παλάμες να μην συγκροτούν. Ένα σχηματικό της εργασιακής περιοχής εμφανίζεται στο Σχήμα 12-2.

Αν οι ταχύτητες n1 και n2 διαφέρουν, ο συνδυασμός τους μπορεί στο τέλος να οδηγήσει σε συγκροτήματα μεταξύ των παλάμων των ανακατεμένων. Η μακροχρόνια πρακτική εφαρμογή αυτού του συστήματος έχει αποδείξει ότι δεν υπάρχουν συγκροτήματα παλάμων, επιβεβαιώνοντας ότι η ακρίβεια ταχύτητας πληροί τις απαιτήσεις.

Η εφαρμογή του ελέγχου ταχύτητας μεταβλητής συχνότητας σε edge rollers (ή "pullers") έχει επίσης οδηγήσει σε εξαιρετικά αποτελέσματα. Στην παραγωγική γραμμή γυάλινου, καθώς η υγρή γυάλινη σταδιακά μετατρέπεται από υγρή σε πλαστική μισο-στερεή, χρειάζεται να εκταθεί και να επιπλανηθεί σε επίπεδο. Οι edge rollers εκτελούν αυτή τη βασική λειτουργία. Οι οδηγοί τους πρέπει να παρέχουν συνεχή, ανεπικίνδυνη ελευθερία ελέγχου ταχύτητας. Η ταχύτητα κάθε puller motor πρέπει να προσαρμοστεί προηγουμένως με βάση παράγοντες όπως η θερμοκρασία εργασίας και το είδος γυάλινου. Αυτό απαιτεί εξαιρετική απόδοση του συστήματος ελέγχου: ευρύ εύρος ταχύτητας, υψηλή ακρίβεια ταχύτητας και καλή δυναμική απόκριση. Συνεπώς, το υπάρχον σύστημα ελέγχου ταχύτητας Z₂-12, 0,6 kW, 1500 r/min DC motor αντικαταστάθηκε με τριφασικά PMSM TYB500-6, 125 V, 50 Hz. Ο μετατροπέας συχνότητας λειτουργεί σε εύρος 10 Hz έως 150 Hz, παρέχοντας εύρος ταχύτητας μοτέρ 200 r/min έως 3000 r/min. Η αντικατάσταση των DC motors με συνδυασμένα μοτέρ παρέχει πλεονεκτήματα όπως υψηλότερη αυτοματοποίηση παραγωγής, υψηλότερη ποιότητα, ελαφρύτερο βάρος και ευκολότερο ομαδικός έλεγχος.