Zastosowanie konwerterów częstotliwości w systemach automatyzacji

Zastosowanie sterowania prędkością zmiennoprzecinkowym w silnikach synchronicznych z magnesem trwałym (PMSM) w przemyśle włókienniczym i szklarskim

W XIX wieku magnesy stałe były wykorzystywane do tworzenia silników elektrycznych. Dziś, dzięki szybkiemu rozwojowi technologii elektronicznej, silniki synchroniczne z magnesem trwałym (PMSM) i konwertery częstotliwości tworzą systemy sterowania prędkością o otwartym obwodzie, wysokiej prędkości i precyzji. Te systemy są szeroko stosowane w różnych sektorach przemysłowych, zastępując tradycyjne systemy sterowania prędkością prądu stałego i systemy sterowania prędkością ze ślizgiem elektromagnetycznym, pokazując dużą żywotność.

Wiadomo, że prędkość obrotowa PMSM jest ściśle proporcjonalna do częstotliwości zasilania. Jeśli zapewniona jest precyzja częstotliwości zasilania, gwarantowana jest również precyzja prędkości obrotowej silnika, co prowadzi do liniowych charakterystyk mechanicznych. Na przykład, w jednym przedsiębiorstwie dwa niezależnie działające układy synchroniczne pracowały przez kilka miesięcy, a skumulowany błąd prędkości był niemal zerowy.

Ponieważ precyzja częstotliwości wyjściowej konwerterów częstotliwości może wynosić 1,0‰ - 0,1‰, a nawet więcej, precyzja prędkości systemu sterowania jest również zwiększona. Ponadto system ma mniej elementów sterujących, co sprawia, że jego obwód jest prostszy niż jakikolwiek inny typ systemu sterowania prędkością. Dodatkowo, PMSM mają zalety takie jak wysoki współczynnik mocy, wysoka wydajność, oszczędność energii, kompaktowe wymiary, brak szczotek oraz wysoką bezpieczeństwo i niezawodność. W związku z tym ten system jest teraz szeroko i powszechnie stosowany w różnych działach przemysłu. Przykłady obejmują nawijanie, rozciąganie, miarowanie i zastosowania w rolkach godet w przemyśle włókienniczym; oraz zastosowania w piecach wytopowych dla płaskiego szkła, mieszaniu w piecu szklarskim, rolkach krawędziowych (lub "ciągnikach") i maszynach formujących butelki w przemyśle szklarskim.

Zastosowanie sterowania prędkością zmiennoprzecinkowym PMSM w przemyśle włókienniczym

Systemy sterowania prędkością zmiennoprzecinkową PMSM zostały pomyślnie zaimplementowane w maszynach do wiązania włókien ciekłych, jak pokazano na schemacie systemu (Rysunek 12-1). Silnik napędzający pompę mierniczą w maszynie do wiązania jest PMSM, wymagającym precyzyjnego wyjścia prędkości, aby kontrolować ilościowe dostarczanie roztworu włókien chemicznych, zaspokajając tym samym potrzeby procesu wiązania. Podczas zmiany rodzaju produktów włóknistych wystarczy dostosować prędkość silnika napędzającego pompę mierniczą, aby spełnić wymagania procesowe.

Moc głównej pompy mierniczej zwykle mieści się w zakresie od 0,37 kW do 11 kW, z silnikami o 4 lub 6 polach. Zakres zmiany częstotliwości wynosi 25 Hz do 150 Hz. Zwykle wybierany jest jeden konwerter częstotliwości do napędzania wielu silników, choć stosowane są także dedykowane systemy (jeden konwerter na silnik), każdy z nich ma swoje zalety i wady.

Inne kluczowe procesy w wiązaniu, takie jak nawijanie, rozciąganie i rolki godet, wymagają albo stałe prędkości obrotowe, albo określone proporcje prędkości między parami rolkami. System sterowania prędkością zmiennoprzecinkową jest idealnym podstawowym wyborem, co potwierdzono w długoterminowej praktyce. Po wprowadzeniu sterowania prędkością zmiennoprzecinkowego, prędkości linii wiązania mogą osiągać 3000 do 7000 m/min. Rolki rozciągające z wewnętrznymi elementami grzewczymi wymagają pracy przy stałej prędkości; towarzysząca moc PMSM mieści się w zakresie od 0,2 kW do 7,5 kW, z wyboru wysokoprężnych silników dwupolowych, o zakresie regulacji częstotliwości 50 Hz do 250 Hz. Wykorzystanie sterowania zmiennoprzecinkowego zapewnia wysoki moment startowy, szybkie przyspieszenie i spełnia wymagania dotyczące trudnych warunków startu (twardy start).

Zastosowanie sterowania prędkością zmiennoprzecinkowym PMSM w przemyśle szklarskim

Systemy sterowania prędkością zmiennoprzecinkową dla głównych napędów pieców wytopowych szkła pływającego zostały zastosowane na kilkudziesięciu liniach produkcyjnych w Chinach, zastępując oryginalne napędy prądem stałym i osiągając zadowalające efekty ekonomiczne.

Linia produkcyjna szkła pływającego obejmuje płynny szkło o wysokiej temperaturze płynący z pieca wytopowego, stopniowo stygnący wzdłuż linii. Po zastygnięciu, szkło podlega obróbce termicznej w piecu wytopowym, po czym przechodzi do końca zimnego, gdzie następuje cięcie, kontrole, pakowanie i inne procesy dalszego przetwarzania. Proces w piecu wytopowym narzuca surowe wymagania; na około 200-metrowej długości, każda rolka musi działać ciągle i jednostajnie. Zatrzymanie jest absolutnie niedopuszczalne, ponieważ spowodowałoby znaczne straty ekonomiczne.

Do tego zastosowania wybrano trójfazowy rzadkoziemski PMSM model TYB100-8 w parze z konwerterem częstotliwości Fuji G5. Ten system działał bezpiecznie i ciągle przez dziesiątki tysięcy godzin i zdobył uznanie ze wszystkich stron. Jego główne zalety to:

1. Wysoka precyzja prędkości (do 0,4%): Zapewnia tolerancje grubości produktu, oszczędza surowce i przynosi widoczne korzyści ekonomiczne.
2. Wysoka niezawodność: Redukuje obciążenie utrzymaniem.
3. Oszczędność energii: Ze względu na mniejszą liczbę elementów systemu i naturalną wysoką wydajność silnika.
4. Kompaktowy i lekki design: Urządzenie jest mniejsze i lżejsze.

Mieszadze w piecach wytopowych szkła wcześniej używali napędów prądem stałym. Jednakże, biorąc pod uwagę wysokotemperaturowe środowisko i trudności utrzymania, od 1995 roku zastosowano systemy sterowania prędkością zmiennoprzecinkową. Dokładnie, do tego celu wykorzystano dwa silniki modelu TYB400-8. Wymagania operacyjne są następujące:

Dwa silniki napędzają swoje odpowiednie mieszadze, mieszając roztwór szkła w wysokotemperaturowym piecu. Aby zapewnić jednorodność mieszania, nie są dozwolone "strefy martwe" w wannie pieca. Dlatego obszary robocze dwóch mieszadłów muszą częściowo się nakładać, ale być tak ułożone, aby obracające się łopatki nie zderzały się. Schemat obszaru roboczego przedstawiono na Rysunku 12-2.

Jeśli prędkości obrotowe n1 i n2 różnią się, ich skumulowany wpływ mógłby ostatecznie doprowadzić do zderzeń łopatek mieszadłów. Długoterminowe praktyczne zastosowanie tego systemu pokazało, że nie ma zderzeń łopatek, co potwierdza, że precyzja prędkości spełnia wymagania.

Zastosowanie sterowania prędkością zmiennoprzecinkowym w rolkach krawędziowych (lub "ciągnikach") również dało doskonałe rezultaty. Na linii produkcyjnej szkła, gdy płynne szkło stopniowo przekształca się z stanu ciekłego w plastyczny stan półstały, musi być rozciągnięte i wyrównane do płaszczyzny. Rolkami krawędziowymi wykonuje się tę kluczową funkcję. Ich silniki napędowe muszą oferować ciągłe, bezstopniowe sterowanie prędkością. Prędkość każdego silnika ciągnika powinna być ustawiona z góry w zależności od czynników takich jak temperatura punktu pracy i rodzaj szkła. To wymaga doskonałych właściwości systemu sterowania: szeroki zakres prędkości, wysoka precyzja prędkości i dobra odpowiedź dynamiczna. W związku z tym istniejący system sterowania prędkością DC motor Z₂-12, 0,6 kW, 1500 r/min został zastąpiony trójfazowymi PMSM modelu TYB500-6, 125 V, 50 Hz. Konwerter częstotliwości działa w zakresie 10 Hz do 150 Hz, zapewniając zakres prędkości silnika od 200 r/min do 3000 r/min. Zastąpienie silników DC silnikami synchronicznymi oferuje zalety, takie jak wyższa automatyzacja produkcji, lepsza jakość, mniejsza waga i łatwiejsza centralna kontrola.