Toepassing van frequentieomvormers in automatiseringssystemen
Toepassing van frequentieregeling met permanente magneet synchrone motoren (PMSM) in de chemische vezel- en glasindustrie
In de 19e eeuw werden permanente magneten gebruikt om elektromotoren te maken. Tegenwoordig, met de snelle vooruitgang van de elektronische technologie, vormen permanente magneet synchrone motoren (PMSM's) en frequentieomvormers samen openlus, hoge snelheid, hoge precisie variabele frequentiesnelheidsregelingsystemen. Deze systemen worden breed toegepast in verschillende industriële sectoren, waarbij traditionele gelijkstroom snelheidsregelingsystemen en elektromagnetische glijdregelingsystemen worden vervangen, wat sterke levenskracht aantoont.
Het is bekend dat de rotatiesnelheid van een PMSM strikt evenredig is met de voedingsspanningsfrequentie. Mocht de precisie van de voedingsspanningsfrequentie gegarandeerd zijn, dan is ook de rotatiesnelheidsprecisie van de motor gegarandeerd, wat resulteert in lineaire mechanische eigenschappen. Bijvoorbeeld, in één bedrijf liepen twee onafhankelijk opererende synchrone systemen meerdere maanden doorlopend, en de cumulatieve snelheidsfout was bijna nul.
Aangezien de uitvoerfrequentieprecisie van frequentieomvormers kan bereiken 1,0‰ - 0,1‰, of zelfs hoger, wordt de snelheidsprecisie van het regelsysteem ook verhoogd. Bovendien heeft het systeem minder regelcomponenten, waardoor de schakeling eenvoudiger is dan bij elk ander type snelheidsregelingsysteem. Daarnaast hebben PMSM's voordelen zoals hoge cosinus phi, hoge efficiëntie, energiebesparing, compacte afmetingen, geen borstels, en hoge veiligheid en betrouwbaarheid. Daarom wordt dit systeem nu wijdverspreid en algemeen gebruikt in verschillende industriële afdelingen. Voorbeelden hiervan zijn spoelen, strekken, meten en godetrollers in de chemische vezelindustrie; en toepassingen in annealingovens voor platglas, roeren in glasovens, randrollers (of "trekkers") en flessenvormmachines binnen de glasindustrie.
Toepassing van PMSM variabele frequentiesnelheidsregeling in de chemische vezelindustrie
PMSM variabele frequentiesnelheidsregelingsystemen zijn succesvol geïmplementeerd in smeltspinde machines voor chemische vezels, zoals getoond in het systeemdiagram (figuur 12-1). De metering pomp aandrijfmotor in de spindelmachine maakt gebruik van een PMSM, die een nauwkeurige snelheidsuitvoer vereist om de kwantitatieve levering van de chemische vezoplossing te controleren, waardoor de eisen van het spindeproces worden voldaan. Wanneer de soorten vezelproducten worden gewijzigd, kan eenvoudigweg de snelheid van de metering pomp aandrijfmotor worden aangepast om aan de procesvereisten te voldoen.
De vermogen van de hoofdmetering pomp ligt meestal tussen 0,37 kW en 11 kW, met motoren met 4 of 6 polen. Het frequentieveranderingsbereik is 25 Hz tot 150 Hz. Meestal wordt één frequentieomvormer geselecteerd om meerdere motoren te drijven, hoewel ook specifieke systemen (één omvormer per motor) worden gebruikt, waarbij elke benadering zijn eigen voordelen en nadelen heeft.
Andere essentiële processen in spinnen, zoals spoelen, strekken en godetrollers, vereisen constante rotatiesnelheden of specifieke snelheidsverhoudingen tussen gekoppelde rollers. Het variabele frequentiesnelheidsregelingsysteem is de ideale primaire keuze, wat bevestigd is door langdurige praktijkoperatie. Na het gebruik van variabele frequentiesnelheidsregeling kunnen spinsnelheden bereiken 3.000 tot 7.000 m/min. Strekrollers met interne verwarmingselementen vereisen constante snelheidsbedrijfsvoering; de bijbehorende PMSM-vermogens liggen tussen 0,2 kW en 7,5 kW, met hoge snelheid tweepoolmotoren geselecteerd, met een frequentieaansluitbereik van 50 Hz tot 250 Hz. Het gebruik van variabele frequentieregeling biedt hoge startkoppel, snelle versnelling en voldoet aan de eisen voor zware startcondities (harde start).
Toepassing van PMSM variabele frequentiesnelheidsregeling in de glasindustrie
Variabele frequentiesnelheidsregelingsystemen voor de hoofdaandrijvingen van floatglas annealingovens zijn toegepast op tientallen productielijnen in China, waarbij de oorspronkelijke gelijkstrooms aandrijvingen werden vervangen en bevredigende economische voordelen werden behaald.
Een floatglas productielijn omvat hoge temperatuur glasvloeistof die van de smeltoven stroomt, geleidelijk afkoelt langs de lijn. Na verharding ondergaat het glas warmtebehandeling in de annealingoven alvorens naar de koude zijde te gaan voor snijden, inspectie, verpakking en andere downstreamprocessen. Het annealingovenproces stelt strenge eisen; over de ongeveer 200 meter lengte moeten alle rollers continu en uniform werken. Stoppingen zijn absoluut onaanvaardbaar, omdat ze aanzienlijke economische verliezen zouden veroorzaken.
Voor deze toepassing werd een TYB100-8 driefase zeldzame aarde PMSM gekoppeld aan een Fuji G5 frequentieomvormer geselecteerd. Dit systeem heeft tienduizenden uren continu en veilig gewerkt en lof ontvangen van alle kanten. De belangrijkste voordelen zijn:
- Hoge snelheidsprecisie (tot 0,4%): Zorgt voor dikte-toleranties van het product, bespaart grondstoffen en levert duidelijke economische voordelen.
- Hoge betrouwbaarheid: Vermindert het onderhoudswerklast.
- Energiebesparing: Vanwege minder systeemcomponenten en de intrinsieke hoge efficiëntie van de motor.
- Compact en licht ontwerp: Het apparaat is kleiner en lichter.
Roerders in glas smeltovens maakten eerder gebruik van gelijkstroom aandrijvingen. Echter, rekening houdend met de hoge temperatuur omgeving en onderhoudsproblemen, zijn sinds 1995 variabele frequentiesnelheidsregelingsystemen ingevoerd. Specifiek, twee TYB400-8 motoren worden hiervoor gebruikt. De bedrijfsvereisten zijn als volgt:
De twee motoren drijven hun respectieve roerders, die de glasoplossing in de hoge temperatuur oven mengen. Om een uniform mengsel te garanderen, zijn "dode zones" binnen de ovenbad niet toegestaan. Daarom moeten de werkgebieden van de twee roerders elkaar licht overlappen, maar zo gerangschikt dat de draaiende paletten niet botsen. Een schematische weergave van het werkgebied is getoond in figuur 12-2.
Als de rotatiesnelheden n1 en n2 verschillen, kan hun cumulatief effect uiteindelijk leiden tot botsingen tussen de roerpaletten. Lange termijn praktijktoepassing van dit systeem heeft aangetoond dat er geen paletbotsingen zijn, wat bevestigt dat de snelheidsprecisie aan de eisen voldoet.
De toepassing van variabele frequentiesnelheidsregeling op randrollers (of "trekkers") heeft ook uitstekende resultaten opgeleverd. Op de glasproductielijn, terwijl gesmolten glas geleidelijk van een vloeibare staat naar een plastische halfvaste staat verandert, moet het worden gestrekt en gevlat. Randrollers vervullen deze cruciale functie. Hun aandrijfmotoren moeten continue, trapteloze snelheidsregeling bieden. De snelheid van elke trekkermotor zou moeten worden vooraf ingesteld op basis van factoren zoals de werktemperatuur en het glastype. Dit vereist uitstekende regelsysteemprestaties: breed snelheidsbereik, hoge snelheidsprecisie en goede dynamische respons. Daarom werd het bestaande Z₂-12, 0,6 kW, 1500 r/min gelijkstroom motor snelheidsregelsysteem vervangen door TYB500-6, 125 V, 50 Hz driefase PMSM's. De frequentieomvormer werkt over een bereik van 10 Hz tot 150 Hz, wat een motorgesnelheidsbereik van 200 r/min tot 3000 r/min oplevert. Het vervangen van gelijkstroommotoren door synchrone motoren biedt voordelen zoals hogere productieautomatisering, superieure kwaliteit, lichtere gewichten en gemakkelijker centrale controle.
