Applicazione dei convertitori di frequenza nei sistemi di automazione

Applicazione del controllo della velocità variabile a frequenza di motori sincroni a magnete permanente (PMSM) nell'industria delle fibre chimiche e del vetro

Nel XIX secolo, i magneti permanenti venivano utilizzati per creare motori elettrici. Oggi, con l'avanzamento rapido della tecnologia elettronica, i motori sincroni a magnete permanente (PMSM) e i convertitori di frequenza formano insieme sistemi di controllo della velocità variabile a frequenza aperti, ad alta velocità e alta precisione. Questi sistemi sono stati ampiamente applicati in vari settori industriali, sostituendo i tradizionali sistemi di controllo della velocità a corrente continua e i sistemi di controllo della velocità a scivolamento elettromagnetico, dimostrando una forte vitalità.

È noto che la velocità di rotazione di un PMSM è strettamente proporzionale alla frequenza di alimentazione. Se si garantisce la precisione della frequenza di alimentazione, si garantisce anche la precisione della velocità di rotazione del motore, risultando in caratteristiche meccaniche lineari. Ad esempio, in un'azienda, due sistemi sincroni indipendenti hanno funzionato ininterrottamente per diversi mesi, e l'errore cumulativo di velocità era quasi zero.

Dato che la precisione della frequenza di uscita dei convertitori di frequenza può raggiungere 1,0‰ - 0,1‰, o addirittura superiore, la precisione della velocità del sistema di controllo viene migliorata. Inoltre, il sistema ha meno componenti di controllo, rendendo la circuitazione più semplice rispetto ad altri tipi di sistemi di controllo della velocità. Inoltre, i PMSM possiedono vantaggi come fattore di potenza elevato, alta efficienza, risparmio energetico, dimensioni compatte, assenza di spazzole, e offrono alta sicurezza e affidabilità. Di conseguenza, questo sistema è ora estensivamente e comunemente utilizzato in vari dipartimenti industriali. Esempi includono le applicazioni di avvolgimento, stiratura, misurazione e rulli godet nell'industria delle fibre chimiche; e applicazioni in forni di annealing per vetro piano, agitazione di forni di vetro, rulli laterali (o "tiratori") e macchine per la formatura di bottiglie nell'industria del vetro.

Applicazione del controllo della velocità variabile a frequenza di PMSM nell'industria delle fibre chimiche

I sistemi di controllo della velocità variabile a frequenza di PMSM sono stati implementati con successo nelle macchine per la filatura a fusione per fibre chimiche, come mostrato nella diagramma del sistema (Figura 12-1). Il motore di trazione della pompa dosatrice nella macchina di filatura utilizza un PMSM, richiedendo un'uscita di velocità precisa per controllare l'approvvigionamento quantitativo della soluzione di fibre chimiche, soddisfacendo così le esigenze del processo di filatura. Quando si cambiano le varietà di prodotti in fibra, basta regolare la velocità del motore di trazione della pompa dosatrice per soddisfare le esigenze del processo.

La potenza della pompa dosatrice principale varia tipicamente da 0,37 kW a 11 kW, con motori a 4 o 6 poli. La gamma di variazione della frequenza è da 25 Hz a 150 Hz. Solitamente, si seleziona un convertitore di frequenza per guidare più motori, sebbene siano utilizzati anche sistemi dedicati (un convertitore per ogni motore), ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi.

Altre fasi essenziali nella filatura, come l'avvolgimento, la stiratura e i rulli godet, richiedono velocità rotazionali costanti o rapporti di velocità specifici tra rulli accoppiati. Il sistema di controllo della velocità variabile a frequenza è la scelta primaria ideale, un fatto confermato dall'operazione pratica a lungo termine. Dopo aver adottato il controllo della velocità variabile a frequenza, le velocità di linea di filatura possono raggiungere 3.000 a 7.000 m/min. I rulli di stiratura dotati di elementi di riscaldamento interni richiedono un'operazione a velocità costante; la potenza associata ai PMSM varia da 0,2 kW a 7,5 kW, con motori a due poli ad alta velocità selezionati, con una gamma di regolazione della frequenza da 50 Hz a 250 Hz. L'utilizzo del controllo a frequenza variabile offre un'alta coppia di partenza, un'accelerazione rapida e soddisfa le esigenze per condizioni di partenza impegnative (partenza dura).

Applicazione del controllo della velocità variabile a frequenza di PMSM nell'industria del vetro

I sistemi di controllo della velocità variabile a frequenza per le trazioni principali dei forni di annealing per vetro float sono stati applicati su decine di linee di produzione in Cina, sostituendo le originali trazioni a corrente continua e ottenendo benefici economici soddisfacenti.

Una linea di produzione di vetro float implica che il liquido di vetro ad alta temperatura fluisca dal forno di fusione, raffreddandosi gradualmente lungo la linea. Dopo la solidificazione, il vetro subisce un trattamento termico nel forno di annealing prima di passare alla parte fredda per taglio, ispezione, imballaggio e altre fasi a valle. Il processo di annealing impone requisiti rigorosi; lungo i circa 200 metri di lunghezza, ogni rullo deve operare in modo continuo e uniforme. Le interruzioni sono assolutamente inaccettabili, poiché causerebbero perdite economiche significative.

Per questa applicazione, è stato selezionato un PMSM trifase a terra rare TYB100-8 abbinato a un convertitore di frequenza Fuji G5. Questo sistema ha funzionato in modo continuo e sicuro per decine di migliaia di ore e ha ricevuto elogi da tutte le parti. I suoi principali vantaggi sono:

1. Alta precisione di velocità (fino al 0,4%): Garantisce tolleranze di spessore del prodotto, risparmia materie prime e produce evidenti benefici economici.
2. Alta affidabilità: Riduce il carico di manutenzione.
3. Risparmio energetico: A causa di meno componenti del sistema e dell'alta efficienza intrinseca del motore.
4. Progettazione compatta e leggera: L'attrezzatura è più piccola e leggera.

Gli agitatori all'interno dei forni di fusione del vetro utilizzavano precedentemente trazioni a corrente continua. Tuttavia, considerando l'ambiente ad alta temperatura e le sfide di manutenzione, dai 1995 sono stati adottati sistemi di controllo della velocità variabile a frequenza. Specificamente, per questo scopo sono impiegati due motori TYB400-8. I requisiti operativi sono i seguenti:

I due motori azionano rispettivamente i loro agitatori, mescolando la soluzione di vetro all'interno del forno ad alta temperatura. Per garantire l'uniformità del mescolamento, non sono permessi "zona morta" all'interno del bagno del forno. Pertanto, le aree operative dei due agitatori devono sovrapporsi leggermente, ma devono essere disposti in modo che le pale rotanti non collidano. Uno schema dell'area di lavoro è mostrato nella Figura 12-2.

Se le velocità di rotazione n1 e n2 differiscono, il loro effetto cumulativo potrebbe eventualmente portare a collisioni tra le pale degli agitatori. L'applicazione pratica a lungo termine di questo sistema ha dimostrato che non ci sono state collisioni tra le pale, confermando che la precisione della velocità soddisfa i requisiti.

L'applicazione del controllo della velocità variabile a frequenza sui rulli laterali (o "tiratori") ha prodotto risultati eccellenti. Sulla linea di produzione del vetro, mentre il vetro fuso si trasforma gradualmente da uno stato liquido a uno semisolido plastico, deve essere stirato e appiattito in un piano. I rulli laterali svolgono questa funzione cruciale. I motori di trazione devono offrire un controllo della velocità continuo e senza gradini. La velocità di ciascun motore tiratore dovrebbe essere preimpostata in base a fattori come la temperatura del punto di lavoro e il tipo di vetro. Ciò richiede un'eccellente performance del sistema di controllo: ampia gamma di velocità, alta precisione di velocità e buona risposta dinamica. Pertanto, il sistema di controllo della velocità a corrente continua Z₂-12, 0,6 kW, 1500 giri/min è stato sostituito con PMSM trifase TYB500-6, 125 V, 50 Hz. Il convertitore di frequenza opera in una gamma di 10 Hz a 150 Hz, fornendo una gamma di velocità del motore da 200 giri/min a 3000 giri/min. Sostituire i motori a corrente continua con motori sincroni offre vantaggi come maggiore automazione della produzione, qualità superiore, peso ridotto e facilità di controllo centralizzato.