יישום של מרתים בתדר במערכות אוטומציה

יישום של בקרת מהירות עם תדר משתנה של מנוע סינכרוני עם מגנטים קבועים (PMSM) בתעשיית החומרים הכימיים והזכוכית

במאה ה-19, מגנטים קבועים נוצלו לייצור מנועים חשמליים. כיום, עם התקדמותה המהירה של הטכנולוגיה האלקטרונית, מערכות של מנועי PMSM ומדחפים בתדר משתנה יוצרים יחדיו מערכות של בקרת מהירות עם תדר משתנה פתוח, מהיר ומדויק. מערכות אלו מצאו שימוש רחב במגוון אזורים תעשייתיים, מחליפות מערכות של בקרת מהירות DC מסורתיות ומערכות של החלק הנע בשכבה, ומראות יכולת חזקה.

ידוע כי מהירות הסיבוב של מנוע PMSM היא בעלת יחס ישר לתדר ההספק. אם ניתן להבטיח את דיוק תדר ההספק, גם דיוק מהירות הסיבוב של המנוע מובטח, מה שנותן מאפיינים מכניים ליניאריים. לדוגמה, בחברה אחת, שתי מערכות סינכרוניות עצמאיות עבדו ברציפות לכמה חודשים, והשגיאה המצטברת במהירות הייתה כמעט אפס.

מאחר שהדיוק בתדר ההספק של מדחפים יכול להגיע ל-1.0‰ - 0.1‰ או אפילו גבוה יותר, דיוק המערכת בבקרה על המהירות גם הוא מוגבר. בנוסף, למערכת יש פחות רכיבי בקרה, מה שגורם למעגל שלה להיות פשוט יותר מכל סוג אחר של מערכת של בקרת מהירות. בנוסף, ל-Motors PMSM יש יתרונות כמו מקדם כוח גבוה, יעילות גבוהה, חיסכון באנרגיה, גודל קטן, ללא מרפק, ואיכות בטיחות ואמינות גבוהות. לכן, מערכת זו היא עכשיו בשימוש רחב ובנפוץ במגוון מחלקות תעשייתיות. דוגמאות לכלכלת החומרים הכימיים כוללות פישוט, מתיחה, מדידה, ומשטחי גודט; והתעשייה הזכוכית כוללת תהליך של תנורים להאצה של זכוכית שטוחה, ערבוב בתנור הזכוכית, גלגלים צדדיים (או "משיכים"), ומכונות יצירת בקבוקים.

יישום של בקרת מהירות עם תדר משתנה של PMSM בתעשיית החומרים הכימיים

מערכות של בקרת מהירות עם תדר משתנה של PMSM הוכחו בהצלחה במכונות טיפוס עבור חומרים כימיים, כפי שמוצג בתרשים המערכת (איור 12-1). מנוע המניע של משאבת המדידה במכונה משתמש ב-PMSM, ודורש פלט מהירות מדויק כדי לשלוט בהספקה כמותית של محلול החומרים הכימיים, כך שיגיב לצרכי התהליך של הטיפוס. כאשר מחליפים את סוג המוצר של החומר הכימי, ניתן להגביר את מהירות מנוע המניע של משאבת המדידה כדי לקיים את הצרכים של התהליך.

הכוח של משאבת המדידה הראשית בדרך כלל נע בין 0.37 kW ל-11 kW, עם מנועים בעלי 4 או 6 קטבים. טווח השינוי בתדר הוא 25 Hz עד 150 Hz. בדרך כלל, בוחרים מדחף אחד כדי לנהל מספר מנועים, אך מערכות מיועדות (מדחף לכל מנוע) גם בשימוש, כל גישה עם יתרונות וחסרונות משלה.

תהליכים אחרים חשובים בטיפוס, כגון פישוט, מתיחה, ומשטחי גודט, דורשים מהירויות סיבוב קבועות או יחסי מהירויות סיבוב מסוימים בין גלגלים זוגיים. מערכת הבקרה על מהירות עם תדר משתנה היא הבחירה הראשונה והידיעה, כפי שנאמת לאורך זמן בפעולה מעשית. לאחר אימוץ של בקרת מהירות עם תדר משתנה, מהירויות קו טיפוס יכולות להגיע ל-3,000 עד 7,000 מ'/דקה. גלגלים מתיחים הכוללים אלמנטים חימום פנימיים דורשים פעולה במהירות קבועה; כוח PMSM המלווה נע בין 0.2 kW ל-7.5 kW, עם בחירת מנועים דו-קטביים מהירים, בעלי טווח התאמה בתדר של 50 Hz עד 250 Hz. שימוש בבקרה על מהירות עם תדר משתנה מספק מומנט תחילתי גבוה, תאוצה מהירה, ומקיים את הצרכים לתנאי תחילת פעולה קשים (התחלת פעולה קשה).

יישום של בקרת מהירות עם תדר משתנה של PMSM בתעשיית הזכוכית

מערכות של בקרת מהירות עם תדר משתנה לדחפים העיקריים של תנורי האצה של זכוכית שטוחה כבר נמצאות בשימוש על עשרות קווי יצור בסין, מחליפות את הדחפים DC המקוריים ומגיבות להישגים כלכליים מספקים.

קו יצור של זכוכית שטוחה כולל זרימת זכוכית נוזלית בטמפרטורה גבוהה מהתנור המתכת, מתקררת בהדרגה לאורך הקו. לאחר הקפאה, הזכוכית עוברת טיפול חום בתנור האצה לפני שהיא מתקדמת לקצה הקרה לעיבודים נוספים כגון חיתוך, בדיקה, אריזה ועוד. תהליך התנור האצה דורש תנאים מחמירים; לאורך אורך של כ-200 מטר, על כל גלגל לפעול באופן רציף וסימטרי. עצירת הקו היא בלתי אפשרית לחלוטין, שכן היא תגרום לאבדות כלכליות משמעותיות.

עבור יישום זה, נבחר מנוע PMSM נדיר של שלושה פאזה TYB100-8 עם מדחף Fuji G5. מערכת זו פעלה באופן רציף ובטוח במשך אלפי שעות והייתה משבחת מכל הצדדים. היתרונות העיקריים שלה הם:

1. דיוק מהירות גבוה (עד 0.4%): מבטיח סובלנות עובי מוצר, חוסך חומרים גולמיים ויוצר תוצאות כלכליות ברורות.
2. אמינות גבוהה: מפחית את עומס החזקת המערכת.
3. חסכון באנרגיה: בשל מספר מופחת של רכיבי המערכת והיעילות הגבוהה של המנוע.
4. עיצוב קומפקטי וקל משקל: הציוד קטן וקל יותר.

בבעבר, מערבבים בתנורי זכוכית השתמשו בדחפים DC. עם זאת, בהתחשב בסביבת הטמפרטורה הגבוהה ובחזקת המערכת, מאז 1995 מערכות של בקרת מהירות עם תדר משתנה כבר נמצאות בשימוש. ספציפית, שני מנועים TYB400-8 נמצאים בשימוש עבור מטרה זו. הדרישות התפעוליות הן:

שני המנועים מפעילים את המערבבים שלהם, מערבבים את محلול הזכוכית בתוך התנור בטמפרטורה גבוהה. כדי להבטיח אחידות בערבוב, אזורים "נדחים" בתוך מרחץ התנור אינם מותר. לכן, אזור העבודה של שני המערבבים חייב להתנגש קצת, אבל צריך להיות ממוקם כך שהמזלגות הסובבות לא יתנגשו. סקיצה של אזור העבודה מוצגת באיור 12-2.

אם מהירויות הסיבוב n1 ו-n2 שונות, השפעתם המצטברת יכולה בסופו של דבר לגרום להתנגשות בין המזלגות של המערבבים. שימוש מעשי ארוך טווח במערכת זו הוכיח שאין התנגשויות בין המזלגות, מה שמביא למסקנה שהדיוק במהירות עומד בדרישות.

יישום של בקרת מהירות עם תדר משתנה על גלגלים צדדיים (או "משיכים") גם הביא תוצאות מצוינות. בקו יצור הזכוכית, ככל שהזכוכית נוזלית הולכת ומתקנת למצב חצי מוצק, היא צריכה להתמתח ולהפוך למישור. גלגלים צדדיים מבצעים תפקיד זה. מנועי הנעה שלהם צריכים לספק בקרה על מהירות משתנה ורציפה. המהירות של כל מנוע משיכה צריכה להיות מוגדרת מראש בהתאם לפקטור כמו טמפרטורת נקודת עבודה וסוג הזכוכית. זה דורש ביצועי מערכת בקרה מצוינים: טווח מהירויות רחב, דיוק מהירות גבוה, והגיבה דינמית טובה. לכן, מערכת בקרה של מנוע DC קיים Z₂-12, 0.6 kW, 1500 סיבוב לדקה הוחלפה במנועי PMSM של שלושה פאזה TYB500-6, 125 V, 50 Hz. מדחף פועל על טווח של 10 Hz עד 150 Hz, מספק טווח מהירות מנוע של 200 סיבוב לדקה עד 3000 סיבוב לדקה. החלפת מנועים DC במנועים סינכרונים מציעה יתרונות כולל אוטומציה גבוהה יותר בייצור, איכות טובה יותר, משקל קל יותר, ובקרה מרכזית קלה יותר.