Aplicación de convertidores de frecuencia en sistemas de automatización

Aplicación del control de velocidad de frecuencia variable del motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) en las industrias de fibras químicas y vidrio

En el siglo XIX, los imanes permanentes se utilizaron para crear motores eléctricos. Hoy, con el rápido avance de la tecnología electrónica, los Motores Síncronos de Imanes Permanentes (PMSM) y los convertidores de frecuencia forman juntos sistemas de control de velocidad de frecuencia variable de bucle abierto, de alta velocidad y alta precisión. Estos sistemas se han aplicado ampliamente en diversos sectores industriales, reemplazando a los sistemas de control de velocidad de corriente continua tradicionales y a los sistemas de control de deslizamiento electromagnético, demostrando una fuerte vitalidad.

Es bien sabido que la velocidad de rotación de un PMSM es estrictamente proporcional a la frecuencia de alimentación. Si se asegura la precisión de la frecuencia de alimentación, también se garantiza la precisión de la velocidad de rotación del motor, resultando en características mecánicas lineales. Por ejemplo, en una empresa, dos sistemas sincrónicos operativos independientes funcionaron continuamente durante varios meses, y el error acumulado de velocidad fue casi cero.

Dado que la precisión de la frecuencia de salida de los convertidores de frecuencia puede alcanzar 1.0‰ - 0.1‰, o incluso más, la precisión de velocidad del sistema de control también se mejora. Además, el sistema tiene menos componentes de control, lo que hace que su circuito sea más simple que cualquier otro tipo de sistema de control de velocidad. Además, los PMSM tienen ventajas como factor de potencia alto, alta eficiencia, ahorro de energía, tamaño compacto, ausencia de cepillos, y ofrecen alta seguridad y confiabilidad. En consecuencia, este sistema se utiliza ahora extensamente y comúnmente en diversos departamentos industriales. Ejemplos incluyen aplicaciones de bobinado, estirado, medición y rodillos godet en la industria de fibras químicas; y aplicaciones en hornos de temple de vidrio plano, agitación de hornos de vidrio, rodillos laterales (o "tiradores") y máquinas de formación de botellas dentro de la industria del vidrio.

Aplicación del control de velocidad de frecuencia variable del PMSM en la industria de fibras químicas

Los sistemas de control de velocidad de frecuencia variable del PMSM se han implementado con éxito en máquinas de hilatura por fusión para fibras químicas, como se muestra en el diagrama del sistema (Figura 12-1). El motor de accionamiento de la bomba de medición en la máquina de hilatura emplea un PMSM, requiriendo una salida de velocidad precisa para controlar el suministro cuantitativo de la solución de fibra química, cumpliendo así con los requisitos del proceso de hilatura. Al cambiar las variedades de productos de fibra, simplemente ajustando la velocidad del motor de accionamiento de la bomba de medición se cumplen los requisitos del proceso.

La potencia de la bomba de medición principal generalmente oscila entre 0.37 kW y 11 kW, con motores de 4 o 6 polos. El rango de variación de frecuencia es de 25 Hz a 150 Hz. Generalmente, se selecciona un convertidor de frecuencia para conducir múltiples motores, aunque también se utilizan sistemas dedicados (un convertidor por motor), cada enfoque tiene sus propias ventajas y desventajas.

Otros procesos esenciales en la hilatura, como el bobinado, el estirado y los rodillos godet, requieren velocidades de rotación constantes o relaciones de velocidad específicas entre rodillos emparejados. El sistema de control de velocidad de frecuencia variable es la elección primaria ideal, un hecho confirmado por la operación práctica a largo plazo. Después de adoptar el control de velocidad de frecuencia variable, las velocidades de línea de hilatura pueden alcanzar 3,000 a 7,000 m/min. Los rodillos de estirado que incorporan elementos de calentamiento interno requieren operación a velocidad constante; la potencia del PMSM asociado oscila entre 0.2 kW y 7.5 kW, seleccionándose motores de alta velocidad de dos polos, con un rango de ajuste de frecuencia de 50 Hz a 250 Hz. Utilizando el control de frecuencia variable se proporciona un par de arranque alto, aceleración rápida y cumple con los requisitos de condiciones de arranque exigentes (arranque duro).

Aplicación del control de velocidad de frecuencia variable del PMSM en la industria del vidrio

Los sistemas de control de velocidad de frecuencia variable para los accionamientos principales de los hornos de temple de vidrio flotado se han aplicado en docenas de líneas de producción en China, reemplazando a los accionamientos de corriente continua originales y logrando beneficios económicos satisfactorios.

Una línea de producción de vidrio flotado implica que el líquido de vidrio a alta temperatura fluye desde el horno de fusión, enfriándose gradualmente a lo largo de la línea. Después de solidificarse, el vidrio pasa por un tratamiento térmico en el horno de temple antes de proceder al extremo frío para cortar, inspeccionar, empacar y otros procesos posteriores. El proceso de horno de temple impone requisitos estrictos; a lo largo de su longitud aproximada de 200 metros, cada rodillo debe operar de manera continua y uniforme. Las paradas son absolutamente inaceptables, ya que causarían pérdidas económicas significativas.

Para esta aplicación, se seleccionó un PMSM trifásico de tierras raras TYB100-8 junto con un convertidor de frecuencia Fuji G5. Este sistema ha operado de manera continua y segura durante decenas de miles de horas y ha recibido elogios de todas partes. Sus principales ventajas son:

1. Precisión de velocidad alta (hasta 0.4%): Asegura tolerancias de espesor del producto, ahorra materias primas y genera beneficios económicos evidentes.
2. Alta confiabilidad: Reduce la carga de mantenimiento.
3. Ahorro de energía: Debido a menos componentes del sistema y la alta eficiencia inherente del motor.
4. Diseño compacto y ligero: El equipo es más pequeño y ligero.

Los agitadores dentro de los hornos de fusión de vidrio anteriormente utilizaban accionamientos de corriente continua. Sin embargo, considerando el entorno de alta temperatura y los desafíos de mantenimiento, desde 1995 se han adoptado sistemas de control de velocidad de frecuencia variable. Específicamente, se emplean dos motores TYB400-8 para este propósito. Los requisitos operativos son los siguientes:

Los dos motores impulsan sus respectivos agitadores, mezclando la solución de vidrio dentro del horno de alta temperatura. Para garantizar la uniformidad de la mezcla, no se permiten "zonas muertas" dentro del baño del horno. Por lo tanto, las áreas de trabajo de los dos agitadores deben superponerse ligeramente, pero deben estar dispuestos de tal manera que las paletas giratorias no colisionen. Un esquema del área de trabajo se muestra en la Figura 12-2.

Si las velocidades de rotación n1 y n2 difieren, su efecto acumulativo podría eventualmente llevar a colisiones entre las paletas de los agitadores. La aplicación práctica a largo plazo de este sistema ha demostrado que no hay colisiones de paletas, confirmando que la precisión de velocidad cumple con los requisitos.

La aplicación del control de velocidad de frecuencia variable en los rodillos laterales (o "tiradores") también ha dado excelentes resultados. En la línea de producción de vidrio, a medida que el vidrio fundido se transforma gradualmente de un estado líquido a un estado semisólido plástico, necesita ser estirado y aplanado en un plano. Los rodillos laterales realizan esta función crucial. Los motores de accionamiento deben ofrecer un control de velocidad variable continuo y sin escalones. La velocidad de cada motor tirador debe preajustarse según factores como la temperatura del punto de trabajo y el tipo de vidrio. Esto exige un excelente rendimiento del sistema de control: un rango de velocidad amplio, alta precisión de velocidad y buena respuesta dinámica. Por lo tanto, el sistema de control de velocidad del motor de corriente continua Z₂-12, 0.6 kW, 1500 r/min existente se reemplazó con PMSM trifásicos TYB500-6, 125 V, 50 Hz. El convertidor de frecuencia opera en un rango de 10 Hz a 150 Hz, proporcionando un rango de velocidad del motor de 200 r/min a 3000 r/min. Reemplazar los motores de corriente continua con motores síncronos ofrece ventajas como mayor automatización de la producción, mejor calidad, menor peso y control centralizado más fácil.