주파수 변환기의 자동화 시스템에서의 응용

화학 섬유 및 유리 산업에서 영구자석 동기 전동기(PMSM) 변주파 속도 제어의 적용

19세기에 영구 자석은 전동기를 만들기 위해 사용되었습니다. 오늘날 전자 기술의 빠른 발전으로 영구자석 동기 전동기(PMSM)와 주파수 변환기는 개방형 고속 고정밀 변주파 속도 제어 시스템을 형성합니다. 이러한 시스템은 다양한 산업 분야에서 널리 적용되어 전통적인 직류 속도 제어 시스템과 전자자기 슬립 속도 제어 시스템을 대체하며 강력한 생명력을 보여줍니다.

眾所周知，永磁同步電機的轉速與供電頻率嚴格成正比。只要確保供電頻率的精度，就能保證電機的轉速精度，從而實現線性的機械特性。例如，在某企業中，兩個獨立運行的同步系統連續運行了幾個月，累積的速度誤差幾乎為零。

PMSM의 회전 속도는 공급 주파수와 엄격히 비례함이 잘 알려져 있습니다. 공급 주파수의 정밀성이 확보되면, 모터의 회전 속도 정밀성도 보장되며, 결과적으로 선형적인 기계적 특성을 나타냅니다. 예를 들어, 한 기업에서 두 개의 독립적으로 작동하는 동기 시스템이 몇 개월 동안 연속적으로 작동했으며, 누적 속도 오차는 거의 0에 가까웠습니다.

주파수 변환기의 출력 주파수 정밀성이 1.0‰ - 0.1‰ 또는 그 이상에 달하기 때문에, 제어 시스템의 속도 정밀성도 향상됩니다. 또한, 이 시스템은 제어 구성 요소가 적어 다른 모든 종류의 속도 제어 시스템보다 회로가 더 간단합니다. 더욱이 PMSM은 높은 전력 인자, 높은 효율, 에너지 절약, 소형, 브러시 없는 구조, 높은 안전성 및 신뢰성을 갖추고 있어, 이 시스템은 현재 다양한 산업 부문에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 화학 섬유 산업에서는 감사, 스트레칭, 측정, 고데 롤러 등의 응용 분야에서, 유리 산업에서는 플랫 글라스 애닐링 가마, 유리 가마 교반, 엣지 롤러(또는 "풀러"), 병 성형기 등에서 활용되고 있습니다.

​화학 섬유 산업에서 PMSM 변주파 속도 제어의 적용

화학 섬유용 용융 스핀닝 기계에 PMSM 변주파 속도 제어 시스템이 성공적으로 도입되었습니다(도 12-1 참조). 스핀닝 기계의 계량 펌프 구동 모터는 정확한 속도 출력을 요구하는 PMSM을 사용하여, 화학 섬유 용액의 정량 공급을 제어하고, 스핀닝 공정의 요구 사항을 충족합니다. 섬유 제품 종류를 변경할 때, 단순히 계량 펌프 구동 모터의 속도를 조정하면 공정 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

주요 계량 펌프의 전력은 일반적으로 0.37 kW부터 11 kW까지이며, 모터는 4극 또는 6극입니다. 주파수 변동 범위는 25 Hz부터 150 Hz까지입니다. 일반적으로 하나의 주파수 변환기가 여러 모터를 구동하도록 선택되지만, 전용 시스템(각 모터당 하나의 변환기)도 사용되며, 각 방식에는 장점과 단점이 있습니다.

스핀닝의 다른 필수 공정인 감사, 스트레칭, 고데 롤러는 일정한 회전 속도 또는 짝을 이루는 롤러 사이의 특정 속도 비율을 필요로 합니다. 변주파 속도 제어 시스템은 이상적인 첫 번째 선택이며, 장기간의 실제 운영으로 확인되었습니다. 변주파 속도 제어를 채택한 후, 스핀닝 라인 속도는 3,000 m/min에서 7,000 m/min에 이를 수 있습니다. 내부 가열 요소를 갖춘 스트레칭 롤러는 일정한 속도로 작동해야 하며, 함께 사용되는 PMSM의 전력은 0.2 kW부터 7.5 kW까지이며, 고속 2극 모터가 선택되며, 주파수 조정 범위는 50 Hz부터 250 Hz입니다. 변주파 제어를 사용하면 높은 시작 토크, 빠른 가속, 그리고 까다로운 시작 조건(강한 시작) 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

​유리 산업에서 PMSM 변주파 속도 제어의 적용

플랫 글라스 애닐링 가마의 주 구동을 위한 변주파 속도 제어 시스템은 중국의 수십 개 생산 라인에서 원래의 직류 구동을 대체하여 만족스러운 경제적 효과를 달성하였습니다.

플랫 글라스 생산 라인에서는 고온의 유리 액체가 용융 가마에서 흘러나와 라인을 따라 서서히 냉각되며, 굳은 후 애닐링 가마에서 열 처리를 거쳐 차가운 끝에서 절단, 검사, 포장 등 후속 공정으로 진행됩니다. 애닐링 가마 공정은 매우 엄격한 요구 사항을 가지며, 약 200미터 길이의 모든 롤러는 지속적이고 균일하게 작동해야 합니다. 중단은 절대적으로 허용되지 않으며, 그러한 경우 상당한 경제적 손실을 초래합니다.

이 응용 분야에서는 TYB100-8 3상 희토류 PMSM과 Fuji G5 주파수 변환기가 선택되었습니다. 이 시스템은 수만 시간 동안 안전하게 연속적으로 운전되었으며, 각계에서 찬사를 받았습니다. 주요 장점은 다음과 같습니다:

1. ​높은 속도 정밀성(최대 0.4%): 제품 두께 허용 오차를 보장하며, 원자재를 절약하고 뚜렷한 경제적 이익을 제공합니다.
2. ​높은 신뢰성: 유지 보수 작업을 줄입니다.
3. ​에너지 절약: 시스템 구성 요소가 적고, 모터 자체의 높은 효율성 때문입니다.
4. ​소형 및 경량 설계: 장비가 더 작고 가볍습니다.

유리 용융 가마 내의 교반기는 과거 DC 구동을 사용했습니다. 그러나 고온 환경과 유지 보수의 어려움을 고려하여, 1995년 이후 변주파 속도 제어 시스템이 채택되었습니다. 특히, 이 목적을 위해 두 개의 TYB400-8 모터가 사용되었습니다. 운영 요구 사항은 다음과 같습니다:

두 모터는 각각 고온 가마 내의 유리 용액을 교반하는 교반기를 구동합니다. 혼합의 균일성을 보장하기 위해, 가마 욕조 내부의 "죽은 구역"은 허용되지 않습니다. 따라서 두 교반기의 작업 영역은 약간 겹쳐야 하지만, 회전 패들이 충돌하지 않도록 배열되어야 합니다. 작업 영역의 도면은 도 12-2에 표시되어 있습니다.

만약 회전 속도 n1과 n2가 다르다면, 그들의 누적 효과로 결국 교반기 패들 사이의 충돌이 발생할 수 있습니다. 이 시스템의 장기적인 실제 응용은 패들 충돌이 없음을 확인하였으며, 속도 정밀성이 요구 사항을 충족함을 입증하였습니다.

엣지 롤러(또는 "풀러")에 대한 변주파 속도 제어의 적용도 우수한 결과를 가져왔습니다. 유리 생산 라인에서, 용융 유리는 점진적으로 액체 상태에서 플라스틱 반고체 상태로 변하면서, 평면으로 늘어나고 평탄화되어야 합니다. 엣지 롤러는 이 중요한 역할을 수행합니다. 그들의 구동 모터는 연속적으로 무단으로 속도를 제어할 수 있어야 합니다. 각 풀러 모터의 속도는 작업점 온도, 유리 종류 등의 요인에 따라 미리 설정되어야 합니다. 이는 넓은 속도 범위, 높은 속도 정밀성, 그리고 좋은 동적 응답을 요구하는 우수한 제어 시스템 성능을 필요로 합니다. 따라서 기존의 Z₂-12, 0.6 kW, 1500 r/min DC 모터 속도 제어 시스템은 TYB500-6, 125 V, 50 Hz 3상 PMSM으로 교체되었습니다. 주파수 변환기는 10 Hz부터 150 Hz 범위에서 작동하여, 모터 속도 범위는 200 r/min부터 3000 r/min입니다. DC 모터를 동기 모터로 교체함으로써, 더 높은 생산 자동화, 우수한 품질, 가벼운 무게, 그리고 더 쉬운 집중 제어 등의 장점을 얻을 수 있습니다.