Aplicação de Conversores de Frequência em Sistemas de Automação

Aplicação do Controlo de Velocidade Variável por Frequência do Motor Síncrono de Ímãs Permanentes (PMSM) nas Indústrias de Fibras Químicas e Vidro

No século XIX, ímãs permanentes eram usados para criar motores elétricos. Hoje, com o avanço rápido da tecnologia eletrônica, os Motores Síncronos de Ímãs Permanentes (PMSMs) e os conversores de frequência formam juntos sistemas de controlo de velocidade variável abertos, de alta velocidade e precisão. Estes sistemas têm sido amplamente aplicados em diversos setores industriais, substituindo os sistemas tradicionais de controlo de velocidade DC e sistemas de deslizamento eletromagnético, demonstrando forte vitalidade.

É bem conhecido que a velocidade de rotação de um PMSM é estritamente proporcional à frequência de alimentação. Garantida a precisão da frequência de alimentação, a precisão da velocidade de rotação do motor também é garantida, resultando em características mecânicas lineares. Por exemplo, numa empresa, dois sistemas síncronos operando independentemente funcionaram continuamente por vários meses, e o erro cumulativo de velocidade foi praticamente zero.

Como a precisão da frequência de saída dos conversores de frequência pode atingir 1,0‰ - 0,1‰, ou até mais, a precisão de velocidade do sistema de controlo também é melhorada. Além disso, o sistema tem menos componentes de controlo, tornando sua circuitaria mais simples do que qualquer outro tipo de sistema de controlo de velocidade. Adicionalmente, os PMSMs possuem vantagens como fator de potência elevado, alta eficiência, economia de energia, tamanho compacto, ausência de escovas, e oferecem alta segurança e confiabilidade. Consequentemente, este sistema é agora extensivamente e comumente utilizado em vários departamentos industriais. Exemplos incluem enrolamento, alongamento, medição e aplicações de rolos godet na indústria de fibras químicas; e aplicações em fornos de revenimento para vidro plano, agitação de fornos de vidro, rolos laterais (ou "puxadores") e máquinas de moldagem de garrafas na indústria do vidro.

Aplicação do Controlo de Velocidade Variável por Frequência do PMSM na Indústria de Fibras Químicas

Sistemas de controlo de velocidade variável por frequência do PMSM foram implementados com sucesso em máquinas de filatura de fusão para fibras químicas, conforme mostrado no diagrama do sistema (Figura 12-1). O motor de acionamento da bomba de medida na máquina de filatura emprega um PMSM, exigindo uma saída de velocidade precisa para controlar o fornecimento quantitativo da solução de fibra química, atendendo assim às demandas do processo de filatura. Ao mudar as variedades de produtos de fibra, basta ajustar a velocidade do motor de acionamento da bomba de medida para atender aos requisitos do processo.

A potência da bomba de medida principal geralmente varia de 0,37 kW a 11 kW, com motores de 4 ou 6 polos. A faixa de variação de frequência é de 25 Hz a 150 Hz. Geralmente, seleciona-se um conversor de frequência para acionar múltiplos motores, embora sistemas dedicados (um conversor por motor) também sejam utilizados, cada abordagem tendo suas próprias vantagens e desvantagens.

Outros processos essenciais na filatura, como enrolamento, alongamento e rolos godet, requerem velocidades rotativas constantes ou razões de velocidade específicas entre rolos emparelhados. O sistema de controlo de velocidade variável por frequência é a escolha ideal primária, fato confirmado pela operação prática de longo prazo. Após a adoção do controlo de velocidade variável, as velocidades de linha de filatura podem atingir 3.000 a 7.000 m/min. Rolos de alongamento incorporando elementos de aquecimento internos necessitam de operação em velocidade constante; a potência acompanhante do PMSM varia de 0,2 kW a 7,5 kW, com seleção de motores de alta velocidade de dois polos, apresentando uma faixa de ajuste de frequência de 50 Hz a 250 Hz. Utilizando o controlo variável de frequência, obtém-se torque de arranque elevado, aceleração rápida e atende-se aos requisitos de condições de arranque exigentes (arranque duro).

Aplicação do Controlo de Velocidade Variável por Frequência do PMSM na Indústria do Vidro

Sistemas de controlo de velocidade variável por frequência para os acionamentos principais de fornos de revenimento de vidro flutuante foram aplicados em dezenas de linhas de produção na China, substituindo os acionamentos DC originais e alcançando benefícios económicos satisfatórios.

Uma linha de produção de vidro flutuante envolve o fluxo de líquido de vidro de alta temperatura a partir do forno de fusão, resfriando gradualmente ao longo da linha. Após a solidificação, o vidro passa por tratamento térmico no forno de revenimento antes de prosseguir para o extremo frio para corte, inspeção, embalagem e outros processos downstream. O processo de revenimento impõe requisitos rigorosos; ao longo de seus aproximadamente 200 metros, cada rolo deve operar continuamente e uniformemente. Paragens são absolutamente inaceitáveis, pois causariam perdas económicas significativas.

Para esta aplicação, foi selecionado um PMSM trifásico de terras raras TYB100-8, emparelhado com um conversor de frequência Fuji G5. Este sistema operou continuamente e com segurança por dezenas de milhares de horas e recebeu elogios de todos os lados. Suas principais vantagens são:

1. Precisão de Alta Velocidade (até 0,4%): Garante tolerâncias de espessura do produto, economiza matérias-primas e gera benefícios económicos evidentes.
2. Alta Confiabilidade: Reduz a carga de manutenção.
3. Economia de Energia: Devido a menos componentes do sistema e a alta eficiência inerente do motor.
4. Design Compacto e Leve: O equipamento é menor e mais leve.

Agitadores dentro de fornos de fusão de vidro anteriormente usavam acionamentos DC. No entanto, considerando o ambiente de alta temperatura e os desafios de manutenção, desde 1995, sistemas de controlo de velocidade variável por frequência têm sido adotados. Especificamente, dois motores TYB400-8 são empregados para este propósito. Os requisitos operacionais são os seguintes:

Os dois motores acionam seus respectivos agitadores, agitando a solução de vidro dentro do forno de alta temperatura. Para garantir a uniformidade da mistura, não são permitidas "zonas mortas" dentro do banho do forno. Portanto, as áreas de trabalho dos dois agitadores devem se sobrepor ligeiramente, mas devem ser organizadas de modo que as pás rotativas não colidam. Um esquema da área de trabalho é mostrado na Figura 12-2.

Se as velocidades de rotação n1 e n2 diferirem, seu efeito cumulativo poderia eventualmente levar a colisões entre as pás dos agitadores. A aplicação prática de longo prazo deste sistema demonstrou que não houve colisões de pás, confirmando que a precisão de velocidade atende aos requisitos.

A aplicação do controlo de velocidade variável por frequência em rolos laterais (ou "puxadores") também produziu excelentes resultados. Na linha de produção de vidro, à medida que o vidro fundido se transforma gradualmente de um estado líquido para um estado plástico semi-sólido, precisa ser esticado e aplainado. Os rolos laterais realizam esta função crucial. Seus motores de acionamento devem oferecer controlo de velocidade contínuo e sem escalões. A velocidade de cada motor de puxador deve ser pré-definida com base em fatores como a temperatura do ponto de trabalho e o tipo de vidro. Isso exige excelente desempenho do sistema de controlo: faixa de velocidade ampla, alta precisão de velocidade e boa resposta dinâmica. Portanto, o sistema de controlo de velocidade do motor DC existente Z₂-12, 0,6 kW, 1500 r/min, foi substituído por PMSMs trifásicos TYB500-6, 125 V, 50 Hz. O conversor de frequência opera em uma faixa de 10 Hz a 150 Hz, fornecendo uma faixa de velocidade do motor de 200 r/min a 3000 r/min. A substituição de motores DC por motores síncronos oferece vantagens como maior automação de produção, qualidade superior, peso mais leve e controle centralizado mais fácil.