Primjena frekvencijskih pretvarača u sustavima automatizacije

Primjena promjenjive frekvencijske kontrole brzine stalno magnetskog sinhronnog motora (PMSM) u industriji hemijskih vlakana i stakla

U 19. stoljeću, stalni magneti koristili su se za izradu električnih motora. Danas, uz brzi napredak elektroničke tehnologije, stalni magnetski sinhronni motori (PMSM) i frekvencijski pretvarači zajedno čine otvorene petlje, visokobrzinske, visoko precizne sustave promjenjive frekvencijske kontrole brzine. Ovi sustavi široko se primjenjuju u različitim industrijskim sektorima, zamjenjujući tradicionalne DC sustave kontrole brzine i sustave kontrole brzine s elektromagnetskim klizanjem, pokazivajući snažnu vitalnost.

Dobro je poznato da se brzina rotacije PMSM strogo proporcionalno odnosi na snabdijevajuću frekvenciju. Ukoliko je osigurana preciznost frekvencije snabdevanja, osigurana je i preciznost brzine rotacije motora, što rezultira linearnim mehaničkim karakteristikama. Na primjer, u jednoj tvrtki, dva neovisno radna sinhronna sustava neprekidno su radili mjesecima, a kumulativna greška brzine bila je gotovo nula.

Budući da preciznost izlazne frekvencije frekvencijskih pretvarača može dosegnuti 1,0‰ - 0,1‰, ili čak više, preciznost brzine kontrolnog sustava također se povećava. Nadalje, sustav ima manje komponente upravljanja, čime je njegova shema jednostavnija od svake druge vrste sustava kontrole brzine. Također, PMSM-ovi imaju prednosti poput visokog faktora snage, visoke učinkovitosti, uštede energije, kompaktnosti, bezčetkastosti i visoke sigurnosti i pouzdanosti. Stoga se ovaj sustav sada široko i opće koristi u različitim industrijskim odjeljcima. Primjeri uključuju navijanje, vlačenje, merenje i godet valjci u industriji hemijskih vlakana; te primjene u topnicama za otkljucavanje ravne staklene ploče, miješanje u staklenim pećima, rubni valjci (ili "vlaknjaci") i mašine za formiranje boca u industriji stakla.

Primjena promjenjive frekvencijske kontrole brzine PMSM-a u industriji hemijskih vlakana

Promjenjivi frekvencijski sustavi kontrole brzine PMSM-a uspješno su implementirani u mašinama za tapanje vlakana, kao što je prikazano na dijagramu sustava (Slika 12-1). Motor pogona dozirnog pumpa u mašini za tapanje koristi PMSM, zahtijevajući točnu izlaznu brzinu kako bi se kontrolirala kvantitativna dobava rastvora hemijskih vlakana, time ispunjavajući zahtjeve procesa tapanja. Kada se mijenja sorta proizvoda vlakana, jednostavno prilagođavanjem brzine motora pogona dozirne pompe ispunjene su zahtjevi procesa.

Napetost glavnog dozirnog pumpa obično se kreće od 0,37 kW do 11 kW, s motorima koji imaju 4 ili 6 polova. Frekvencijski raspon varira od 25 Hz do 150 Hz. Obično se birá jedan frekvencijski pretvarač za pogon više motora, iako se koriste i posve specifični sustavi (jedan pretvarač po motoru), s obzirom na prednosti i nedostatke svakog pristupa.

Ostali bitni procesi u tapanju, poput navijanja, vlačenja i godet valjci, zahtijevaju konstantne brzine rotacije ili specifične omjere brzina između parovanih valjkova. Promjenjivi frekvencijski sustav kontrole brzine idealan je primarni izbor, što je potvrđeno dugotrajnim praktičnim radom. Nakon usvajanja promjenjive frekvencijske kontrole, brzine linija tapanja mogu dosegnuti 3.000 do 7.000 m/min. Valjci za vlačenje sa unutrašnjim zagrijavajućim elementima zahtijevaju rad na konstantnoj brzini; prateći PMSM-ovi imaju snagu od 0,2 kW do 7,5 kW, s visokobrzinskim dvopolnim motorima, s frekvencijskim rasponom od 50 Hz do 250 Hz. Koristeći promjenjivu frekvencijsku kontrolu, osigurana je visoka početna vrtljačka sila, brzo ubrzavanje i ispunjeni su zahtjevi za zahtjevnim uvjetima pokretanja (tvrdim pokretanjem).

Primjena promjenjive frekvencijske kontrole brzine PMSM-a u industriji stakla

Promjenjivi frekvencijski sustavi kontrole brzine za glavne pogone topnice za otkljucavanje plivajućeg stakla primijenjeni su na desecima proizvodnih linija u Kini, zamjenjujući originalne DC pogone i ostvarujući zadovoljavajuće ekonomske učinke.

Proizvodna linija plivajućeg stakla uključuje visokotemperaturnu staklonu tekućinu koja teče iz topnice za tapnje, postepeno hladneći duž linije. Nakon solidifikacije, staklo podvrgnuto je toplinskoj obradi u topnici za otkljucavanje prije nastavka na hladni kraj za rezanje, pregled, pakiranje i druge dolazne procese. Proces u topnici za otkljucavanje stavlja stroge zahtjeve; duž približno 200 metara, svaki valjak mora neprekidno i uniformno raditi. Zaustavljanja su apsolutno neprihvatljiva, jer bi to dovelo do značajnih ekonomskih gubitaka.

Za ovu primjenu odabrana je kombinacija trofaznog rijetkokozovinskog PMSM-a TYB100-8 i Fuji G5 frekvencijskog pretvarača. Ovaj sustav neprekidno i sigurno radi desetine tisuća sati i dobio je priznanje sva strana. Njegove glavne prednosti su:

1. Visoka preciznost brzine (do 0,4%): Osigurava tolerancije debljine proizvoda, štedi sirovine i donosi očite ekonomske učinke.
2. Visoka pouzdanost: Smanjuje teret održavanja.
3. Štednja energije: Zbog manjeg broja komponenti sustava i prirodnih visokih učinkovitosti motora.
4. Kompaktan i lagani dizajn: Oprema je manja i lagana.

Miješalice u topnicama za tapnje stakla prethodno su koristile DC pogone. Međutim, uzimajući u obzir visokotemperaturno okruženje i izazove održavanja, od 1995. godine koriste se promjenjivi frekvencijski sustavi kontrole brzine. Konkretno, za tu svrhu koriste se dva motora TYB400-8. Operativni zahtjevi su sljedeći:

Dva motora pokreću svoje miješalice, miješajući staklonu tekućinu unutar visokotemperaturne topnice. Da bi se osigurala uniformnost miješanja, "mrtve zone" unutar topnice nisu dopuštene. Stoga se radni područja dve miješalice trebaju malo preklapati, ali tako da se vrteći lopati ne sudaraju. Shematski prikaz radnog područja prikazan je na Slici 12-2.

Ako se brzine n1 i n2 razlikuju, njihov kumulativni učinak bi eventualno doveli do sudara lopata miješalice. Dugotrajna praktična primjena ovog sustava pokazala je da nema sudara lopata, potvrđujući da preciznost brzine ispunjava zahtjeve.

Primjena promjenjive frekvencijske kontrole na rubnim valjcima (ili "vlaknjacima") također je dala odlične rezultate. Na proizvodnoj liniji stakla, dok se rasplinute staklo postepeno transformira iz tekućeg stanja u plastično polutvrdo stanje, potrebno ga je vlačiti i ravnomjerito raspodeliti u ravan. Rubni valjci obavljaju ovu ključnu funkciju. Motori pogona moraju nuditi kontinuirano promjenjivu, bezstepenicu kontrolu brzine. Brzina svakog motora za vlaknjac treba biti unaprijed postavljena ovisno o faktorima poput temperature radne točke i vrste stakla. To zahtijeva odlične performanse kontrolnog sustava: širok raspon brzine, visoku preciznost brzine i dobru dinamičku odgovornost. Stoga je postojeći DC motorni sustav kontrole brzine Z₂-12, 0,6 kW, 1500 obr./min zamijenjen sa trofaznim PMSM-ovima TYB500-6, 125 V, 50 Hz. Frekvencijski pretvarač operira u rasponu od 10 Hz do 150 Hz, pružajući raspon brzine motora od 200 obr./min do 3000 obr./min. Zamjena DC motora sa sinhronnim motorima donosi prednosti poput veće automatizacije proizvodnje, bolje kvalitete, manje težine i lakšeg centraliziranog upravljanja.