Taajuusmuunnosten soveltaminen automaatiojärjestelmissä

Pysyvän magneetin synkronimoottorin (PMSM) muuttuva taajuus nopeuden säädössä kemianviljely- ja lasiteollisuudessa​

1800-luvulla pysyviä magneetteja käytettiin sähkömoottoreiden luomiseen. Nykyään elektronisten teknologioiden nopean kehityksen myötä Pysyvän Magneetin Synkronimoottorit (PMSM) ja taajuussiirtimet yhdessä muodostavat avoimet, nopeat, tarkat järjestelmät, jotka kykenevät muuttamaan taajuutta nopeuden säädössä. Nämä järjestelmät on laajasti otettu käyttöön eri teollisuuden aloilla, korvaamassa perinteisiä suoran virtauksen nopeuden säädösjärjestelmiä ja sähkömagneettisia liukumisperäisitä nopeuden säädösjärjestelmiä, osoittaen vahvaa elinkelpoisuutta.

On tunnetusti tiedossa, että PMSM:n kiertonopeus on tiukasti verrannollinen tarjotun sähkövirran taajuuteen. Kun sähkövirran taajuuden tarkkuus on varmistettu, moottorin kiertonopeuden tarkkuus on myös taattu, mikä johtaa lineaarisiin mekaanisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi yhdessä yrityksessä kaksi itsenäisesti toimivaa synkronijärjestelmää toimivat jatkuvasti useita kuukausia, ja kertynyt nopeuserro oli lähes nolla.

Koska taajuussiirtojen ulostulotaajuuden tarkkuus voi saavuttaa 1,0 ‰ - 0,1 ‰ tai jopa enemmän, nopeuden säädösjärjestelmän tarkkuus paranee myös. Lisäksi järjestelmässä on vähemmän ohjauskomponentteja, mikä tekee sen piiristä yksinkertaisemman kuin minkään muun nopeuden säädösjärjestelmän. Lisäksi PMSM-moottorilla on etuja, kuten korkea tehokkuusaste, korkeampi tehokkuus, energiansäästö, kompaktisuus, pensaiden puuttuminen ja korkea turvallisuus ja luotettavuus. Tämän vuoksi tätä järjestelmää käytetään nyt laajasti ja yleisesti eri teollisuuden aloilla. Esimerkkejä ovat rullien, venyttämisen, mitoitus- ja godet-rullien sovellukset kemianviljelyteollisuudessa; ja levylasi-annealoissa, lasipuolen sekoittamisessa, reunarullien (tai "veturien") ja pullomuovaimien sovellukset lasiteollisuudessa.

​PMSM:n muuttuva taajuus nopeuden säädössä kemianviljelyteollisuudessa​

PMSM:n muuttuva taajuus nopeuden säädössä on onnistuneesti toteutettu kemianviljelyn sulaman peittelemismoottoreissa, kuten näkyy järjestelmäkaaviossa (Kuva 12-1). Peittelemismoottorin mittauspumpun ajastamoottori käyttää PMSM:ää, joka vaatii tarkan nopeuden tuotannon hallitsemaan kemianviljelyn ratkaisun määrällistä tarjontaa, täten vastaamaan peittelemisprosessin vaatimuksiin. Kun vaihdetaan viljanlajia, riittää vain säätää mittauspumpun ajastamoottorin nopeutta täyttääksesi prosessivaatimukset.

Päämittauspumpun teho on yleensä 0,37 kW:sta 11 kW:een, moottorit sisältävät 4 tai 6 pohjoin. Taajuuden vaihtelualue on 25 Hz:stä 150 Hz:iin. Yleensä valitaan yksi taajuussiirto ajoittamaan useita moottoreita, vaikka dedikoituja järjestelmiä (yksi siirto per moottori) käytetään myös, jokaisella lähestymistavalla on omat etu- ja haittapuolensa.

Muut tärkeät prosessit peittelemisessä, kuten rullien kiertäminen, venyttäminen ja godet-rullit, vaativat joko vakio-nopeutta tai tiettyä nopeusraatiota parillisten rullien välillä. Muuttuva taajuus nopeuden säädössä on ideaali ensisijaista valintaa, mikä on vahvistettu pitkäaikaiseen käytännön toimintaan. Muuttuvan taajuuden nopeuden säädön käyttöönoton jälkeen peittelemisnopeudet voivat saavuttaa 3 000–7 000 m/min. Venyttämisrullit sisäisillä lämmityselementeillä edellyttävät vakionopeuden toimintaa; liittyvän PMSM:n teho on 0,2 kW:sta 7,5 kW:aan, nopean kaksipoleisen moottorin valinnalla, jolla on taajuuden säätöalue 50 Hz:stä 250 Hz:iin. Muuttuva taajuusohjaus tarjoaa korkean aloitusmomentin, nopean kiihdytyksen ja vastaa vaativien aloitusolojen (kovien aloitusten) vaatimuksia.

​PMSM:n muuttuva taajuus nopeuden säädössä lasiteollisuudessa​

Lasiteollisuuden päärullien muuttuva taajuus nopeuden säädösjärjestelmä on otettu käyttöön kymmenissä tuotantolinjoissa Kiinassa, korvaamalla alkuperäiset suoran virtauksen ajastimet ja saavuttaen tyydyttäviä taloudellisia hyötyjä.

Lasilinjassa korkealämpöinen lasiliuoki virtaa sulamisupputimesta, jäähtyen hitaasti linjan pituudessa. Jäykistettyä lasia käsitellään annealoissa ennen kuluttajan loppuprosesseja, kuten leikkausta, tarkastusta, pakkausta ja muita. Annealo-prosessi asettaa tiukat vaatimukset; sen noin 200 metrin pituudessa jokainen rulli on toimittava jatkuvasti ja tasaisesti. Pysäytys on ehdottomasti kielletty, sillä se aiheuttaisi merkittäviä taloudellisia tappioita.

Tälle sovellukselle valittiin TYB100-8 kolmifasinen maaperäalttainen PMSM yhdessä Fujin G5 taajuussiirron kanssa. Tämä järjestelmä on toiminut jatkuvasti ja turvallisesti kymmeniä tuhat tuntia ja on saanut kiitosta kaikilta. Sen päätavoitteet ovat:

1. ​Korkea nopeudentarkkuus (jopa 0,4%)​: Varmistaa tuotteen paksuuden toleranssit, säästää raaka-aineita ja tuottaa ilmeisiä taloudellisia etuja.
2. ​Korkea luotettavuus: Vähentää huoltotyömäärää.
3. ​Energiansäästö: Vähemmän järjestelmän komponentteja ja moottorin oma korkea tehokkuus.
4. ​Kompakti ja kevyt suunnittelu: Laite on pienempi ja kevyempi.

Lasiluopuurien sekoittimet käyttivät aiemmin suoran virtauksen ajastimia. Kuitenkin korkean lämpötilan ympäristön ja huollon haasteiden vuoksi muuttuva taajuus nopeuden säädösjärjestelmä on otettu käyttöön vuodesta 1995. Tarkemmin sanottuna käytetään kaksi TYB400-8 moottoria tähän tarkoitukseen. Toimintovaatimukset ovat seuraavat:

Kaksi moottoria ajastaa heidän omia sekoittimiaan, sekoittaen lasiliuoken korkealämpöisessä uuniessa. Sekoittamisen tasaisuuden varmistamiseksi "kuolleet alueet" uunissa eivät ole sallittuja. Siksi kahden sekoittimen työalueiden on oltava hieman ylikkäisiä, mutta niiden on oltava järjestetty siten, etteivät pyörivät terät törmää. Työalueen esikuva on näkyvissä kuvassa 12-2.

Jos pyörimisnopeudet n1 ja n2 eroavat, niiden yhteisvaikutus voisi lopulta johtaa sekoittimien terien törmäämiseen. Pitkäaikainen käytännön soveltaminen on osoittanut, että ei ole tapahtunut terien törmäämistä, mikä vahvistaa, että nopeudentarkkuus vastaa vaatimuksia.

Reunarullien (tai "veturien") muuttuva taajuus nopeuden säädössä on myös tuottanut erinomaisia tuloksia. Lasituotantolinjalla, kun nesteeseen muuttunut lasi muuttuu hitaasti muoviseksi puolijäykäksi, sitä on venytettävä ja tasoitettava tasoon. Reunarullit suorittavat tämän tärkeän tehtävän. Niiden ajastamoottorien on tarjottava jatkuva, astevapaa nopeuden säädö. Jokaisen veturimoottorin nopeuden on oltava ennakkosäännöstetty tekijöihin, kuten työpisteen lämpötilaan ja lasityyppeihin. Tämä vaatii erinomaista ohjausjärjestelmän suorituskykyä: laaja nopeuden alue, korkea nopeudentarkkuus ja hyvä dynaaminen reaktio. Siksi nykyisen Z₂-12, 0,6 kW, 1500 kierros/min suoran virtauksen moottorin nopeuden säädösjärjestelmä on korvattu TYB500-6, 125 V, 50 Hz kolmifaseisilla PMSM:llä. Taajuussiirto toimii 10 Hz:stä 150 Hz:iin, tarjoten moottorille nopeuden alueen 200 kierros/min:stä 3000 kierros/min:ään. Suoran virtauksen moottorien korvaaminen synkronimoottoreilla tarjoaa etuja, kuten korkeampaa tuotantoautomatisointia, parempaa laatua, kevyempää painoa ja helpompaa keskitettyä ohjausta.