Frekvensomformer i automasjonssystemer

Anvendelse av permanentmagnetisk synkronmotor (PMSM) med variabel frekvenshastighet i syntetiske fiber- og glassindustrien​

I det 19. århundre ble permanente magneter brukt til å lage elektriske motorer. I dag, med den raske utviklingen av elektronikkteknologi, danner permanente magnetiske synkronmotorer (PMSM) og frekvensomformere sammen åpne løkker, høyhastighets, høypræsise variabel frekvenshastighetskontrollsystemer. Disse systemene har blitt bredt anvendt på ulike industrielle sektorer, ved å erstatte tradisjonelle DC-hastighetskontrollsystemer og elektromagnetiske slipphastighetskontrollsystemer, og viser sterk vitalitet.

Det er velkjent at roteringshastigheten til en PMSM er strengt proporsjonal med forsyningsfrekvensen. Når nøyaktigheten av strømfrekvensen er sikret, er også motorhastighetens nøyaktighet garantert, noe som resulterer i lineære mekaniske egenskaper. For eksempel, i et bedrift, kjørte to uavhengig opererende synkronte systemer kontinuerlig i flere måneder, og den akkumulerte hastighetsfeilen var nesten null.

Siden frekvensomformernes utdatafrekvensnøyaktighet kan nå 1,0‰ - 0,1‰, eller enda høyere, blir også kontrollsystemets hastighetsnøyaktighet forbedret. I tillegg har systemet færre kontrolelementer, noe som gjør kretsen enklere enn enhver annen type hastighetskontrollsystem. I tillegg har PMSM fordeler som høy effektivitetsfaktor, høy effektivitet, energibesparelse, kompakt størrelse, strømløs, og høy sikkerhet og pålitelighet. Dermed er dette systemet nå vidt og vanlig anvendt i ulike industrielle afdelinger. Eksempler inkluderer vindings-, strekkings-, målings- og godet-rulleanvendelser i syntetiske fiberindustrien; og anvendelser i annealingovner for flatglass, rørings av glassovner, kantruller (eller "trekkere"), og flaskemaskiner innen glassindustrien.

​Anvendelse av PMSM med variabel frekvenshastighet i syntetiske fiberindustrien​

PMSM-systemer med variabel frekvenshastighet har blitt vellykket implementert i smeltspinnmaskiner for syntetiske fiber, som vist i systemdiagrammet (Figur 12-1). Drivmotoren for målepumpen i spinnmaskinen bruker en PMSM, som krever nøyaktig hastighetsutdata for å kontrollere den kvantitative leveringen av syntetiske fibervæske, dermed møter behovene i spinnprosessen. Når man bytter mellom forskjellige typer fiberprodukter, kan man bare justere hastigheten på drivmotoren for målepumpen for å oppfylle prosesskravene.

Kraften til hovedmålepumpen ligger typisk mellom 0,37 kW og 11 kW, med motorer med 4 eller 6 poler. Frekvensvariasjonsområdet er 25 Hz til 150 Hz. Vanligvis velges en frekvensomformer for å drive flere motorer, selv om dedikerte systemer (en omformer per motor) også brukes, hver tilnærming har sine egne fordele og ulemper.

Andre essensielle prosesser i spinning, som vindning, strekking og godet-ruller, krever enten konstante roteringshastigheter eller spesifikke hastighetsforhold mellom parrede ruller. Variabel frekvenshastighetskontrollsystemet er den ideelle primære valget, noe som er bekreftet av langtids praksis. Etter å ha tatt i bruk variabel frekvenshastighetskontroll, kan spinninglinjehastigheter nå 3 000 til 7 000 m/min. Strekkruller med interne varmeelementer krever konstant hastighet drift; de følgende PMSM-kraftene ligger mellom 0,2 kW og 7,5 kW, med høyhastighet to-poler motorer valgt, med en frekvensjusteringsområde fra 50 Hz til 250 Hz. Bruk av variabel frekvenskontroll gir høy startmoment, rask akselerasjon, og møter kravene for krevende startbetingelser (hard start).

​Anvendelse av PMSM med variabel frekvenshastighet i glassindustrien​

Variabel frekvenshastighetskontrollsystemer for hoveddrivere i annealingovner for floatglass har blitt anvendt på flere produksjonslinjer i Kina, og har erstattet de originale DC-drivene og oppnådd tilfredsstillende økonomiske gevinster.

En floatglassproduksjonslinje innebærer høytemperatur glasvæske som flyter fra smelteovnen, gradvis kjøles ned langs linjen. Etter solidifisering undergår glasset varmebehandling i annealingovnen før det fortsetter til kalde enden for skjæring, inspeksjon, pakking og andre nedstrømsprosesser. Annealingovnprosessen stiller strenge krav; over sin omtrent 200 meter lange lengde, må hver rulle fungere kontinuerlig og uniformt. Stopp er absolutt uakseptable, da de ville forårsake betydelige økonomiske tap.

Til denne anvendelsen ble en TYB100-8 trefase seldimagnetisk PMSM kombinert med en Fuji G5 frekvensomformer valgt. Dette systemet har operert kontinuerlig og sikkert i titusener av timer og har mottatt ros fra alle sider. De hovedfordelene er:

1. ​Høy hastighetsnøyaktighet (opp til 0,4%)​: Sikrer produkttykkelsestoleranser, sparer råmaterialer, og gir klare økonomiske gevinster.
2. ​Høy pålitelighet: Reduserer vedlikeholdsarbeidet.
3. ​Energibesparelse: På grunn av færre systemkomponenter og motorens innebygd høyeffektivitet.
4. ​Kompakt og lett design: Utrustningen er mindre og lettere.

Rørere i glasssmelteovner brukte tidligere DC-drev. Men, med tanke på høytemperaturmiljøet og vedlikeholdsutfordringer, har variabel frekvenshastighetskontrollsystemer blitt tatt i bruk siden 1995. Spesifikt, to TYB400-8 motorer er benyttet til dette formål. Operasjonskravene er som følger:

De to motorer driver sine respektive rørere, rører glasvæsken i høytemperaturovnen. For å sikre blandingens jevnhet, er det ikke tillatt med "døde zoner" inni ovnbassenget. Derfor må arbeidsområdene til de to rørerne overlappe litt, men være arrangert slik at de roterende paddene ikke kolliderer. En skisse av arbeidsområdet er vist i figur 12-2.

Hvis roteringshastighetene n1 og n2 er forskjellige, kunne deres samlede effekt til slutt føre til kollisjoner mellom rørerpaddene. Langtids praktisk bruk av dette systemet har vist ingen paddlekollisjoner, noe som bekrefter at hastighetsnøyaktigheten oppfyller kravene.

Anvendelsen av variabel frekvenshastighetskontroll på kantruller (eller "trekkere") har også gitt fremragende resultater. På glassproduksjonslinjen, når smeltet glas gradvis transformerer seg fra væsketilstand til plastisk halvfast tilstand, må det strækkes og flattes ut til en plan. Kantruller utfører denne viktige funksjonen. Deres drivmotorer må tilby kontinuerlig, trinnløs hastighetskontroll. Hastigheten for hver trekkermotor bør forhåndsinnstilles basert på faktorer som arbeidspunktstemperaturen og glastype. Dette krever fremragende kontrollsystemytelse: bred hastighetsområde, høy hastighetsnøyaktighet, og god dynamisk respons. Derfor ble det eksisterende Z₂-12, 0,6 kW, 1500 omd./min DC-motorhastighetskontrollsystemet erstattet med TYB500-6, 125 V, 50 Hz trefase PMSM. Frekvensomformeren opererer i et område fra 10 Hz til 150 Hz, noe som gir en motorhastighetsområde fra 200 omd./min til 3000 omd./min. Erstatning av DC-motorer med synkronmotorer gir fordeler som høyere produksjonsautomatisering, bedre kvalitet, mindre vekt, og enklere sentralisert kontroll.