Frekvenciaátalakítók alkalmazása az automatizálási rendszerekben

Állandó mágneses szinkronmotor (PMSM) frekvencia-változós sebességirányítás alkalmazása a kémiai fonal- és üvegiparban

A 19. században az állandó mágneseket használták elektromos motorok készítésére. Ma, a gyors fejlődésével az elektronikai technológiával együtt, az Állandó Mágneses Szinkron Motorok (PMSM) és a frekvenciaátalakítók együtt nyitott hurokú, nagysebességű, nagypontosságú frekvencia-változós sebességirányítási rendszereket alkotnak. Ezek a rendszerek szerteágazó ipari ágakban találják alkalmazásukat, helyettesítve a hagyományos DC sebességirányítási rendszereket és elektromágneses csúszási sebességirányítási rendszereket, megmutatva erős élett erejüket.

Ismert, hogy a PMSM forgástempo szigorúan arányos a tápegység frekvenciájával. Ha a tápegység frekvenciájának pontossága biztosított, akkor a motor forgástempoja is garantált, ami lineáris mechanikai jellemzőket eredményez. Például, egy vállalatban két függetlenül működő szinkron rendszer több hónapig folyamatosan működött, és a kumulált sebesség-hiba majdnem nulla volt.

Mivel a frekvenciaátalakítók kimeneti frekvencia-pontossága elérheti a 1,0‰ - 0,1‰, vagy még magasabb értékeket, a vezérlőrendszer sebességpontossága is javul. Továbbá, a rendszer kevesebb vezérlőelemmel rendelkezik, ami egyszerűbbé teszi a környezetét bármely más típusú sebességirányítási rendszernél. Emellett a PMSM-knek vannak előnyeik, mint például a magas teljesítményfok, a nagy hatékonyság, az energiamegtakarítás, a kompakt méret, a nincs kecske, valamint a magas biztonság és megbízhatóság. Ezért ez a rendszer ma szerteágazóan és széles körben használatban van a különböző ipari ágakban. Például a kémiai fonaliparban a tekercselés, a húzódás, a mérések, és a godet tollak esetén, illetve az üvegiparban a lapos üveg hegyezi tüzében, az üvegtüzben a keverés, az élhenger (vagy "húzó") és a pohárformáló gépek esetén.

PMSM frekvencia-változós sebességirányítás alkalmazása a kémiai fonaliparban

A PMSM frekvencia-változós sebességirányítási rendszereket sikeresen alkalmazták a kémiai fonalek olvasztószálító gépeiben, ahogy a rendszerdiagramon (12-1. ábra) látható. A szálító gép mérőgéppumpájának meghajtó motora PMSM, amely pontos sebességkimenetet igényel a kémiai fonaloldat mennyiségi szállításának irányításához, így kielégítve a szálítási folyamat követelményeit. Amikor változtatják a fonaltermék típusát, egyszerűen a mérőgéppumpa meghajtó motorának sebességének beállításával teljesíthető a folyamat követelményei.

A fő mérőgéppumpa teljesítménye általában 0,37 kW és 11 kW között van, a motorok 4 vagy 6 pólosak. A frekvencia-változási tartomány 25 Hz és 150 Hz között van. Általában egy frekvenciaátalakítót választanak több motor meghajtására, bár dedikált rendszereket (egy átalakító egy motorhoz) is használnak, mindegyik megoldásnak vannak előnyei és hátrányai.

A szálítás más fontos folyamatai, mint a tekercselés, a húzódás és a godet tollak, állandó forgástempót vagy specifikus sebességi arányt igényelnek párosított tollak között. A frekvencia-változós sebességirányítási rendszer az ideális elsődleges választás, amit a hosszú távú gyakorlat is igazolt. A frekvencia-változós sebességirányítás bevezetése után a szálítási sor sebessége elérheti a 3000–7000 m/perc értékeket. A belső fűtésű húzódási tollak konstans sebességű működést igényelnek; a hozzájuk tartozó PMSM teljesítménye 0,2 kW és 7,5 kW között van, magas sebességű, két pólos motorokat választanak, aminek a frekvencia-beállítási tartománya 50 Hz és 250 Hz között van. A frekvencia-változós irányítás alkalmazása nagy indítóerőt, gyors gyorsulást és a kívánt indítási feltételeket (nehéz indítás) biztosítja.

PMSM frekvencia-változós sebességirányítás alkalmazása az üvegiparban

A fő meghajtók frekvencia-változós sebességirányítási rendszerei a lebegő üveg hegyezi tüzében már számos termelővonalon vannak alkalmazva Kínában, helyettesítve az eredeti DC meghajtókat, és elégedettgömbölyű gazdasági eredményeket értek el.

Egy lebegő üveg termelővonalon a magas hőmérsékletű üveg folyadék a forraló tüzemből áramlik, és a vonalon haladva lassan hűl le. Megszilárdult után az üveg a hegyezi tüzében jár át hőműködésen, majd a hideg végére kerül, ahol vágásra, ellenőrzésre, csomagolásra és más további folyamatokra kerül. A hegyezi tüzének folyamata szigorú követelményeket támaszt, a kb. 200 méter hosszúságú vonalon minden toll folyamatosan és egyenletesen kell működnie. A leállás elfogadhatatlan, hiszen jelentős gazdasági veszteségeket okozna.

Ehhez az alkalmazáshoz egy TYB100-8 háromfázisú ritka-földi PMSM-t és egy Fuji G5 frekvenciaátalakítót választottak. Ez a rendszer tízezres órákig folyamatosan és biztonságosan működött, és minden oldaltól dicséretet kapott. Főbb előnyei:

1. Nagy sebességpontosság (akár 0,4%): Biztosítja a termék vastagság toleranciáját, mentesíti anyagokat, és jelentős gazdasági előnyöket hoz.
2. Nagy megbízhatóság: Csökkenti a karbantartási munkaterhelést.
3. Energiamegtakarítás: Kevesebb rendszerkomponens és a motor saját magas hatékonysága miatt.
4. Kompakt és könnyű tervezés: A berendezés kisebb és könnyebb.

Az üvegforraló tüzembeli keverők korábban DC meghajtást használtak. Azonban, figyelembe véve a magas hőmérsékletű környezetet és a karbantartási nehézségeket, 1995 óta alkalmazzák a frekvencia-változós sebességirányítási rendszereket. Konkrétan, két TYB400-8 motort használnak ebben a célban. A működési követelmények a következők:

A két motor meghajtja a saját keverőit, agytatva a magas hőmérsékletű tüzemban lévő üveg folyadékot. A keverés egyenletességének biztosítása érdekében a tüzembad "halott zónái" nem engedélyezettek. Tehát a két keverő működési területei kissé átfedhetnek egymást, de úgy kell elrendezni őket, hogy a forgó szárnyak ne ütközhessenek. A működési terület sémája látható a 12-2. ábrán.

Ha a forgástempo n1 és n2 eltér, idővel ez végül ütközéshez vezethet a keverő szárnyak között. A rendszer hosszú távú gyakorlati alkalmazása azt mutatta, hogy nincsenek szárnyütközések, ami alátámasztja, hogy a sebességpontosság megfelel a követelményeknek.

A frekvencia-változós sebességirányítás alkalmazása az élhengerek (vagy "húzók") esetén is kiváló eredményeket hozott. Az üveg termelővonalon, ahogy a forró üveg folyadék fokozatosan átalakul vízcseppek állapotából rugalmas félig szilárd állapotba, húzandó és laposítandó. Az élhengerek ezt a kulcsfontosságú funkciót ellátják. A hajtómotoroknak folyamatosan változtatható, lépcsőmentes sebességirányítást kell biztosítaniuk. Minden húzó motor sebessége előre be kell legyen állítva a működési pont hőmérséklete, az üvegtípus és egyéb tényezők alapján. Ez kiváló vezérlőrendszer teljesítményt igényel: széles sebesség-tartomány, nagy sebességpontosság, és jó dinamikai reakció. Így, a meglévő Z₂-12, 0,6 kW, 1500 ford/min DC motor sebességirányítási rendszert TYB500-6, 125 V, 50 Hz háromfázisú PMSM-ekkel helyettesítették. A frekvenciaátalakító 10 Hz és 150 Hz közötti tartományban működik, ami a motor 200 ford/min és 3000 ford/min közötti sebesség-tartományát biztosítja. A DC motorok helyettesítése szinkron motorokkal előnyöket hoz, mint például a magasabb termelési automatizáció, a jobb minőség, a könnyebb súly, és a centralizált irányítás könnyebb megvalósítása.