Application des convertisseurs de fréquence dans les systèmes d'automatisation

Application de la commande en vitesse variable par fréquence du moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) dans les industries de la fibre chimique et du verre

Au 19e siècle, des aimants permanents étaient utilisés pour créer des moteurs électriques. Aujourd'hui, avec l'avancement rapide de la technologie électronique, les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) et les convertisseurs de fréquence forment ensemble des systèmes de commande en vitesse variable ouverts, rapides et précis. Ces systèmes ont été largement appliqués dans divers secteurs industriels, remplaçant les systèmes de commande en vitesse à courant continu traditionnels et les systèmes de glissement électromagnétique, démontrant une grande vitalité.

Il est bien connu que la vitesse de rotation d'un PMSM est strictement proportionnelle à la fréquence d'alimentation. Si la précision de la fréquence d'alimentation est assurée, la précision de la vitesse de rotation du moteur est également garantie, ce qui donne des caractéristiques mécaniques linéaires. Par exemple, dans une entreprise, deux systèmes synchrones fonctionnant indépendamment ont tourné en continu pendant plusieurs mois, et l'erreur cumulée de vitesse était presque nulle.

Comme la précision de la fréquence de sortie des convertisseurs de fréquence peut atteindre 1,0 ‰ - 0,1 ‰, voire plus, la précision de vitesse du système de commande est également améliorée. De plus, le système a moins de composants de commande, rendant son circuit plus simple que tout autre type de système de commande en vitesse. En outre, les PMSM présentent des avantages tels qu'un facteur de puissance élevé, un rendement élevé, une économie d'énergie, une taille compacte, l'absence de balais, ainsi qu'une sécurité et une fiabilité élevées. Par conséquent, ce système est maintenant largement et couramment utilisé dans divers départements industriels. Des exemples incluent l'enroulement, l'étirage, le dosage et les godets dans l'industrie de la fibre chimique ; et les applications dans les fours de recuit pour le verre plat, le mélange dans les fours à verre, les rouleaux latéraux (ou "tireurs") et les machines de formage de bouteilles dans l'industrie du verre.

Application de la commande en vitesse variable par fréquence du PMSM dans l'industrie de la fibre chimique

Les systèmes de commande en vitesse variable par fréquence des PMSM ont été mis en œuvre avec succès dans les machines de filature par fusion pour les fibres chimiques, comme le montre le diagramme du système (Figure 12-1). Le moteur d'entraînement de la pompe doseuse dans la machine de filature utilise un PMSM, nécessitant une sortie de vitesse précise pour contrôler l'approvisionnement quantitatif de la solution de fibre chimique, répondant ainsi aux exigences du processus de filature. Lors du changement de variétés de produits de fibres, il suffit d'ajuster la vitesse du moteur d'entraînement de la pompe doseuse pour satisfaire les exigences du processus.

La puissance de la pompe doseuse principale varie généralement de 0,37 kW à 11 kW, avec des moteurs ayant 4 ou 6 pôles. La plage de variation de fréquence est de 25 Hz à 150 Hz. Généralement, un convertisseur de fréquence est sélectionné pour entraîner plusieurs moteurs, bien que des systèmes dédiés (un convertisseur par moteur) soient également utilisés, chaque approche ayant ses propres avantages et inconvénients.

D'autres processus essentiels dans la filature, tels que l'enroulement, l'étirage et les godets, nécessitent soit des vitesses de rotation constantes, soit des rapports de vitesse spécifiques entre les rouleaux appariés. Le système de commande en vitesse variable est le choix idéal, un fait confirmé par une longue pratique. Après l'adoption de la commande en vitesse variable, les vitesses de ligne de filature peuvent atteindre 3 000 à 7 000 m/min. Les rouleaux d'étirage incorporant des éléments chauffants internes nécessitent une opération à vitesse constante ; la puissance associée des PMSM varie de 0,2 kW à 7,5 kW, avec des moteurs à deux pôles haute vitesse sélectionnés, offrant une plage de réglage de fréquence de 50 Hz à 250 Hz. L'utilisation de la commande en vitesse variable fournit un couple de démarrage élevé, une accélération rapide et répond aux exigences de conditions de démarrage exigeantes (démarrage brutal).

Application de la commande en vitesse variable par fréquence du PMSM dans l'industrie du verre

Des systèmes de commande en vitesse variable pour les entraînements principaux des fours de recuit de verre flotté ont été appliqués sur des dizaines de lignes de production en Chine, remplaçant les entraînements à courant continu originaux et obtenant des bénéfices économiques satisfaisants.

Une ligne de production de verre flotté implique que le liquide de verre à haute température s'écoule depuis le four de fusion, se refroidissant progressivement le long de la ligne. Après solidification, le verre subit un traitement thermique dans le four de recuit avant de passer à l'extrémité froide pour être coupé, inspecté, emballé et soumis à d'autres processus en aval. Le processus de recuit impose des exigences strictes ; sur sa longueur d'environ 200 mètres, chaque rouleau doit fonctionner de manière continue et uniforme. Les arrêts sont absolument inacceptables, car ils causeraient des pertes économiques significatives.

Pour cette application, un PMSM triphasé rare-terre TYB100-8 couplé à un convertisseur de fréquence Fuji G5 a été sélectionné. Ce système a fonctionné de manière continue et sûre pendant des dizaines de milliers d'heures et a reçu des éloges de toutes parts. Ses principaux avantages sont :

1. Précision de vitesse élevée (jusqu'à 0,4 %) : Assure les tolérances d'épaisseur du produit, économise les matières premières et offre des bénéfices économiques évidents.
2. Haute fiabilité : Réduit la charge de maintenance.
3. Économie d'énergie : En raison de moins de composants du système et de l'efficacité intrinsèque du moteur.
4. Conception compacte et légère : L'équipement est plus petit et plus léger.

Les agitateurs dans les fours de fusion de verre utilisaient auparavant des entraînements à courant continu. Cependant, compte tenu de l'environnement à haute température et des défis de maintenance, des systèmes de commande en vitesse variable ont été adoptés depuis 1995. Spécifiquement, deux moteurs TYB400-8 sont utilisés à cet effet. Les exigences opérationnelles sont les suivantes :

Les deux moteurs entraînent leurs agitateurs respectifs, agitant la solution de verre à l'intérieur du four à haute température. Pour assurer l'uniformité du mélange, les "zones mortes" à l'intérieur du bain de four ne sont pas autorisées. Par conséquent, les zones de travail des deux agitateurs doivent se chevaucher légèrement, mais être disposées de manière à ce que les pales rotatives ne collident pas. Un schéma de la zone de travail est montré en Figure 12-2.

Si les vitesses de rotation n1 et n2 diffèrent, leur effet cumulatif pourrait finalement conduire à des collisions entre les pales des agitateurs. L'application pratique à long terme de ce système a démontré qu'il n'y avait pas de collisions de pales, confirmant que la précision de vitesse répond aux exigences.

L'application de la commande en vitesse variable sur les rouleaux latéraux (ou "tireurs") a également donné d'excellents résultats. Sur la ligne de production de verre, alors que le verre fondu passe progressivement de l'état liquide à un état semi-solide plastique, il doit être étiré et aplani en un plan. Les rouleaux latéraux effectuent cette fonction cruciale. Leurs moteurs d'entraînement doivent offrir un contrôle de vitesse variable continu et sans palier. La vitesse de chaque moteur tireur doit être prédéfinie en fonction de facteurs tels que la température du point de travail et le type de verre. Cela demande des performances excellentes du système de commande : une large plage de vitesse, une haute précision de vitesse et une bonne réponse dynamique. Par conséquent, le système de commande de vitesse existant Z₂-12, 0,6 kW, 1500 tr/min à courant continu a été remplacé par des PMSM triphasés TYB500-6, 125 V, 50 Hz. Le convertisseur de fréquence fonctionne sur une plage de 10 Hz à 150 Hz, fournissant une plage de vitesse du moteur de 200 tr/min à 3000 tr/min. Le remplacement des moteurs à courant continu par des moteurs synchrones offre des avantages tels qu'une automatisation de production plus élevée, une qualité supérieure, un poids plus léger et un contrôle centralisé plus facile.