کاربرد تبدیل‌کننده‌های فرکانس در سیستم‌های اتوماسیون
کاربرد کنترل سرعت متغیر فرکانسی موتور سنکرون دایم‌ماند (PMSM) در صنایع لیف شیمیایی و شیشه
در قرن نوزدهم، مغناطیس‌های دائم برای ایجاد موتورهای الکتریکی استفاده می‌شد. امروزه با پیشرفت سریع تکنولوژی الکترونیک، موتورهای سنکرون دایم‌ماند (PMSM) و تبدیل‌کننده‌های فرکانسی به طور مشترک سیستم‌های کنترل سرعت متغیر فرکانسی با حلقه باز، سریع و دقیق را تشکیل می‌دهند. این سیستم‌ها در بخش‌های مختلف صنعتی گسترده استفاده می‌شوند و سیستم‌های کنترل سرعت مستقیم جریان مستقیم و سیستم‌های کنترل لغزش الکترومغناطیسی را جایگزین می‌کنند و نشان‌دهنده حیاتی بودن قوی هستند.
به خوبی شناخته شده است که سرعت چرخش یک PMSM به طور دقیق با فرکانس تغذیه متناسب است. اگر دقت فرکانس تغذیه تضمین شود، دقت سرعت موتور نیز تضمین می‌شود که منجر به ویژگی‌های مکانیکی خطی می‌گردد. به عنوان مثال، در یک شرکت، دو سیستم سنکرون مستقل به طور مداوم برای چند ماه اجرا شدند و خطای تجمعی سرعت تقریباً صفر بود.
از آنجا که دقت خروجی فرکانس تبدیل‌کننده‌های فرکانسی می‌تواند به ۱٫۰‰ - ۰٫۱‰ یا حتی بالاتر برسد، دقت سیستم کنترل سرعت نیز افزایش می‌یابد. علاوه بر این، سیستم تعداد کمتری از اجزای کنترلی دارد که مدار آن ساده‌تر از هر نوع سیستم کنترل سرعت دیگری است. علاوه بر این، PMSMs مزایایی مانند عامل توان بالا، کارایی بالا، صرفه‌جویی در انرژی، اندازه کوچک، بدون فرش و ارائه ایمنی و قابلیت اطمینان بالا دارند. بنابراین، این سیستم حالا به طور گسترده و معمول در بخش‌های مختلف صنعتی استفاده می‌شود. مثلاً در کاربردهای پیچش، کشش، متریال‌سازی و گرداننده‌های گودت در صنعت لیف شیمیایی؛ و کاربردهای در فرآیندهای فرآوری شیشه مانند فرنهای زنگاری شیشه صفحه‌ای، آرام‌سازی درون فرنهای شیشه، گرداننده‌های لبه (یا "کشندگان") و ماشین‌های شکل‌دهی به فلاکون در صنعت شیشه.
کاربرد کنترل سرعت متغیر فرکانسی PMSM در صنعت لیف شیمیایی
سیستم‌های کنترل سرعت متغیر فرکانسی PMSM به طور موفقیت‌آمیز در ماشین‌های ریسیدن لیف شیمیایی پیاده‌سازی شده‌اند، همان‌طور که در نمودار سیستم (شکل ۱۲-۱) نشان داده شده است. موتور محرک پمپ متریال در ماشین ریسیدن از یک PMSM استفاده می‌کند که نیاز به خروجی سرعت دقیق برای کنترل تأمین کمیتی محلول لیف شیمیایی دارد تا نیازهای فرآیند ریسیدن را برآورده کند. وقتی نوع محصول لیف تغییر می‌کند، تنها با تعدیل سرعت موتور محرک پمپ متریال، نیازهای فرآیند برآورده می‌شود.
قدرت پمپ متریال اصلی معمولاً بین ۰٫۳۷ کیلووات تا ۱۱ کیلووات متغیر است، با موتورهای ۴ یا ۶ قطبی. محدوده تغییرات فرکانس بین ۲۵ هرتز تا ۱۵۰ هرتز است. معمولاً یک تبدیل‌کننده فرکانسی برای محرک چندین موتور انتخاب می‌شود، اگرچه سیستم‌های اختصاصی (یک تبدیل‌کننده برای هر موتور) نیز استفاده می‌شوند، هر دو روش مزایا و معایب خاص خود را دارند.
فرآیندهای دیگر ضروری در ریسیدن، مانند پیچش، کشش و گرداننده‌های گودت، نیاز به سرعت‌های چرخشی ثابت یا نسبت‌های سرعت خاص بین گرداننده‌های جفت شده دارند. سیستم کنترل سرعت متغیر فرکانسی انتخاب ایده‌آل اولیه است که توسط عملکرد بلندمدت تأیید شده است. پس از استفاده از کنترل سرعت متغیر فرکانسی، سرعت خطوط ریسیدن می‌تواند به ۳۰۰۰ تا ۷۰۰۰ متر در دقیقه برسد. گرداننده‌های کشش که شامل المان‌های گرمکن داخلی هستند نیاز به عملکرد با سرعت ثابت دارند؛ قدرت موتور PMSM همراه معمولاً بین ۰٫۲ کیلووات تا ۷٫۵ کیلووات متغیر است، با انتخاب موتورهای دو قطبی با سرعت بالا با محدوده تنظیم فرکانس بین ۵۰ هرتز تا ۲۵۰ هرتز. استفاده از کنترل فرکانس متغیر ارائه گشتاور آغازی بالا، شتاب سریع و تامین نیازهای شروع سخت (شروع سخت) را فراهم می‌کند.
کاربرد کنترل سرعت متغیر فرکانسی PMSM در صنعت شیشه
سیستم‌های کنترل سرعت متغیر فرکانسی برای محرک‌های اصلی فرنهای زنگاری شیشه صفحه‌ای در ده‌ها خط تولید در چین استفاده شده‌اند و محرک‌های DC اصلی را جایگزین کرده‌اند و بهره‌وری اقتصادی رضایت‌بخشی را به دست آورده‌اند.
یک خط تولید شیشه صفحه‌ای شامل جریان شیشه مایع با دما بالا از فرن ذوب، که به تدریج در طول خط سرد می‌شود. پس از تверد، شیشه در فرن زنگاری تحت درمان حرارتی قرار می‌گیرد و سپس به سمت پایین سرد برای برش، بازرسی، بسته‌بندی و فرآیندهای پایین‌دستی دیگر می‌رود. فرآیند فرن زنگاری الزامات سختگیرانه‌ای دارد؛ در طول حدود ۲۰۰ متر، هر گرداننده باید به طور مداوم و یکنواخت عمل کند. توقف کاملاً غیرقابل قبول است، زیرا موجب خسارات اقتصادی قابل توجه می‌شود.
برای این کاربرد، یک PMSM سه‌فاز مغناطیس دائمی TYB100-8 با یک تبدیل‌کننده فرکانسی Fuji G5 انتخاب شده است. این سیستم به طور مداوم و ایمن برای ده‌ها هزار ساعت عمل کرده و ستایش از سوی تمام طرف‌ها دریافت کرده است. مزایای اصلی آن عبارتند از:
- دقت سرعت بالا (تا ۰٫۴٪): تضمین دقت ضخامت محصول، صرفه‌جویی در مواد اولیه و بهره‌وری اقتصادی واضح.
- قابلیت اطمینان بالا: کاهش بار کاری نگهداری.
- صرفه‌جویی در انرژی: به دلیل کمتر بودن اجزای سیستم و کارایی ذاتی بالای موتور.
- طراحی فشرده و سبک وزن: تجهیزات کوچک‌تر و سبک‌تر هستند.
آرام‌سازها در فرنهای ذوب شیشه قبلاً از محرک‌های DC استفاده می‌کردند. با این حال، با توجه به محیط دما بالا و چالش‌های نگهداری، از سال ۱۹۹۵ سیستم‌های کنترل سرعت متغیر فرکانسی استفاده شده‌اند. به طور خاص، دو موتور TYB400-8 برای این منظور استفاده می‌شوند. الزامات عملیاتی به شرح زیر است:
دو موتور محرک آرام‌سازهای خود را می‌رانند و محلول شیشه را در فرن دما بالا آرام می‌کنند. برای تضمین یکنواختی مخلوط، "ناحیه مرده" در داخل حمام فرن مجاز نیست. بنابراین، نواحی کاری دو آرام‌ساز باید به طور نسبی همپوشانی داشته باشند، اما به گونه‌ای تنظیم شوند که پره‌های چرخان با یکدیگر برخورد نکنند. نموداری از ناحیه کاری در شکل ۱۲-۲ نشان داده شده است.
اگر سرعت‌های n1 و n2 متفاوت باشند، تأثیر تجمعی آن‌ها می‌تواند به طور نهایی منجر به برخورد پره‌های آرام‌ساز شود. کاربرد بلندمدت این سیستم نشان داده است که هیچ برخورد پره وجود ندارد که تأیید می‌کند دقت سرعت الزامات را برآورده می‌کند.
کاربرد کنترل سرعت متغیر فرکانسی در گرداننده‌های لبه (یا "کشندگان") نیز نتایج عالی به دست داده است. در خط تولید شیشه، در حالی که شیشه مایع به تدریج به حالت نیمه‌جامد پلاستیکی تبدیل می‌شود، نیاز است که کشیده و تخت شود. گرداننده‌های لبه این وظیفه مهم را انجام می‌دهند. موتورهای محرک آن‌ها باید کنترل سرعت متغیر و بدون مرحله‌ای داشته باشند. سرعت هر موتور کشندگان باید بر اساس عواملی مانند دمای نقطه کار و نوع شیشه پیش‌تنظیم شود. این الزامات عملکرد عالی سیستم کنترل را می‌طلبد: محدوده سرعت گسترده، دقت سرعت بالا و پاسخ دینامیکی خوب. بنابراین، سیستم کنترل سرعت موتور DC موجود Z₂-12، ۰٫۶ کیلووات، ۱۵۰۰ دور در دقیقه با PMSM سه‌فاز ۱۲۵ ولت، ۵۰ هرتز TYB500-6 جایگزین شده است. تبدیل‌کننده فرکانسی در محدوده ۱۰ هرتز تا ۱۵۰ هرتز عمل می‌کند و محدوده سرعت موتور را از ۲۰۰ دور در دقیقه تا ۳۰۰۰ دور در دقیقه فراهم می‌کند. جایگزینی موتورهای DC با موتورهای سنکرون مزایایی مانند اتوماتیک‌سازی تولید بالاتر، کیفیت بهتر، وزن کمتر و کنترل متمرکز آسان‌تر را فراهم می‌کند.
