Aplicación de conversores de frecuencia en sistemas de automatización

Aplicación do control de velocidade variábel de frecuencia do motor síncrono de imán permanente (PMSM) nas industrias de fibras químicas e vidro​

No século XIX, utilizábanse imáns permanentes para crear motores eléctricos. Hoje, co rápido adianto da tecnoloxía electrónica, os motores síncronos de imán permanente (PMSMs) e os conversores de frecuencia forman xuntos sistemas de control de velocidade variábel de frecuencia abertos, de alta velocidade e precisión. Estes sistemas foron amplamente aplicados en diversos sectores industriais, substituíndo os sistemas de control de velocidade de corrente directa tradicionais e os sistemas de deslizamento electromagnético, demostrando unha forte vitalidade.

É ben coñecido que a velocidade de rotación dun PMSM é estritamente proporcional á frecuencia de alimentación. Se se asegura a precisión da frecuencia de alimentación, tamén está garantida a precisión da velocidade de rotación do motor, resultando en características mecánicas lineares. Por exemplo, nunha empresa, dous sistemas sincrónicos que funcionaban de forma independente operaron continuamente durante varios meses, e o erro acumulado de velocidade foi case cero.

Dado que a precisión da frecuencia de saída dos conversores de frecuencia pode chegar ao 1,0‰ - 0,1‰, ou incluso máis, a precisión da velocidade do sistema de control tamén aumenta. Ademais, o sistema ten menos compoñentes de control, facendo que a súa circuitaría sexa máis simple que a de calquera outro tipo de sistema de control de velocidade. Ademais, os PMSMs posúen vantaxes como factor de potencia alto, alta eficiencia, aforro enerxético, tamaño compacto, ausencia de escovas, e ofrecen alta seguridade e fiabilidade. En consecuencia, este sistema está agora amplamente e comúnmente utilizado en diversos departamentos industriais. Exemplos inclúen enrolamento, estiramento, medida e rodillos godet na industria de fibras químicas; e aplicacións en fornos de revenido para vidro plano, agitación de fornos de vidro, rodillos de bordo (ou "tracción") e máquinas de formación de botellas dentro da industria do vidro.

​Aplicación do control de velocidade variábel de frecuencia do PMSM na industria de fibras químicas​

Os sistemas de control de velocidade variábel de frecuencia do PMSM foron implementados con éxito en máquinas de fusión de fibras químicas, como se mostra no diagrama do sistema (Figura 12-1). O motor de tracción da bomba de medida na máquina de fusión emprega un PMSM, requirindo unha saída de velocidade precisa para controlar o suministro cuantitativo da solución de fibra química, satisfacendo así as necesidades do proceso de fusión. Ao cambiar as variedades de produtos de fibra, simplemente axustando a velocidade do motor de tracción da bomba de medida cumpren as condicións do proceso.

A potencia da bomba de medida principal xeralmente varía entre 0,37 kW e 11 kW, con motores de 4 ou 6 polos. A gama de variación de frecuencia é de 25 Hz a 150 Hz. Xeralmente, seleccionase un conversor de frecuencia para impulsar varios motores, aínda que tamén se usan sistemas dedicados (un conversor por motor), cada enfoque ten as súas propias vantaxes e desvantaxes.

Outros procesos esenciais en fusión, como o enrolamento, estiramento e rodillos godet, requiren velocidades de rotación constantes ou razóns de velocidade específicas entre rodillos emparellados. O sistema de control de velocidade variábel de frecuencia é a primeira opción ideal, un feito confirmado polo funcionamento práctico a longo prazo. Despois de adoptar o control de velocidade variábel de frecuencia, as velocidades de liña de fusión poden alcanzar 3.000 a 7.000 m/min. Os rodillos de estiramento que incorporan elementos de calefacción internos requiriren operación a velocidade constante; a potencia asociada do PMSM varía entre 0,2 kW e 7,5 kW, seleccionándose motores de dúas poles de alta velocidade, cun rango de ajuste de frecuencia de 50 Hz a 250 Hz. Utilizando o control de frecuencia variábel proporciona un alto par de arranque, aceleración rápida e cumple cos requisitos para condicións de arranque exigentes (arranque duro).

​Aplicación do control de velocidade variábel de frecuencia do PMSM na industria do vidro​

Os sistemas de control de velocidade variábel de frecuencia para as traccións principais dos fornos de revenido de vidro flotante foron aplicados en decenas de liñas de produción en China, substituíndo as traccións de corrente directa orixinais e logrando beneficios económicos satisfactorios.

Unha liña de produción de vidro flotante implica que o líquido de vidro a alta temperatura flue do forno de fusión, arrefriándose gradualmente ao longo da liña. Despois de solidificarse, o vidro sofre un tratamento térmico no forno de revenido antes de pasar ao extremo frío para cortar, inspeccionar, embalar e outros procesos a montante. O proceso de revenido impón requisitos estrictos; ao longo dos seus aproximadamente 200 metros, cada rodillo debe operar de forma continua e uniforme. As paradas son absolutamente inaceptables, xa que causarián perdas económicas significativas.

Para esta aplicación, seleccionouse un PMSM de tres fases raro-terreño TYB100-8 xunto cun conversor de frecuencia Fuji G5. Este sistema operou de forma continua e segura durante decenas de miles de horas e recibiu elogios de todos os lados. As súas principais vantaxes son:

1. ​Precisión de alta velocidade (hasta 0,4%)​: Garante tolerancias de espesor do produto, aforra materias primas e produce beneficios económicos evidentes.
2. ​Alta fiabilidade: Reduce a carga de manutención.
3. ​Aforro de enerxía: Debido a menos compoñentes do sistema e a alta eficiencia intrínseca do motor.
4. ​Deseño compacto e lixeiro: O equipo é máis pequeno e máis lixeiro.

Os agitadores dentro dos fornos de fusión de vidro usaban anteriormente traccións de corrente directa. No entanto, tendo en conta o ambiente de alta temperatura e os desafíos de manutención, desde 1995 adoptáronse sistemas de control de velocidade variábel de frecuencia. Específicamente, empregáronse dous motores TYB400-8 para este propósito. Os requisitos operativos son os seguintes:

Os dous motores impulsan os seus respectivos agitadores, mezclando a solución de vidro dentro do forno de alta temperatura. Para asegurar a uniformidade da mezcla, non se permiten "zonas mortas" dentro do baño do forno. Polo tanto, as áreas de traballo dos dous agitadores deben superporse ligeramente, pero deben estar dispostos de tal xeito que as pás non colidan. Un esquema da área de traballo amóstrase na Figura 12-2.

Se as velocidades de rotación n1 e n2 difiren, o seu efecto acumulativo podería levar eventualmente a colisións entre as pás dos agitadores. A aplicación práctica a longo prazo deste sistema demostrou que non houbo colisións entre as pás, confirmando que a precisión da velocidade cumpre coas condicións.

A aplicación do control de velocidade variábel de frecuencia nos rodillos de bordo (ou "tracción") tamén produciu excelentes resultados. Na liña de produción de vidro, a medida que o vidro fundido se transforma gradualmente dun estado líquido a un semisólido plástico, necesita estirarse e aplanarse nun plano. Os rodillos de bordo realizan esta función crucial. Os motores de tracción deben ofertar un control de velocidade continuo e sin interrupción. A velocidade de cada motor de tracción debe ser preestablecida en función de factores como a temperatura do punto de traballo e o tipo de vidro. Isto exixe un excelente rendemento do sistema de control: amplo rango de velocidade, alta precisión de velocidade e boa resposta dinámica. Polo tanto, o sistema de control de velocidade existente Z₂-12, 0,6 kW, 1500 r/min, de corrente directa, foi substituído por PMSMs de tres fases TYB500-6, 125 V, 50 Hz. O conversor de frecuencia opera nun rango de 10 Hz a 150 Hz, proporcionando un rango de velocidade do motor de 200 r/min a 3000 r/min. Substituír motores de corrente directa por motores síncronos ofrece vantaxes como maior automatización de produción, mellor calidade, menor peso e control centralizado máis fácil.