Применение частотных преобразователей в системах автоматизации

Применение системы управления частотой вращения синхронного двигателя с постоянными магнитами (PMSM) в химической и стекольной промышленности

В XIX веке постоянные магниты использовались для создания электродвигателей. Сегодня, с быстрым развитием электронных технологий, синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) и преобразователи частоты вместе образуют открытые, высокоскоростные, высокоточные системы управления частотой вращения. Эти системы широко применяются в различных отраслях промышленности, заменяя традиционные системы управления скоростью на постоянном токе и системы управления скольжением, демонстрируя высокую жизнеспособность.

Известно, что скорость вращения PMSM строго пропорциональна частоте питания. Если обеспечена точность частоты питания, то и точность скорости вращения двигателя также гарантируется, что приводит к линейным механическим характеристикам. Например, в одном предприятии две независимо работающие синхронные системы работали непрерывно в течение нескольких месяцев, и суммарная ошибка скорости была почти нулевой.

Поскольку точность выходной частоты преобразователей частоты может достигать 1,0‰ - 0,1‰ или даже выше, точность скорости системы управления также повышается. Кроме того, система имеет меньше управляющих компонентов, что делает её схему проще, чем у любой другой системы управления скоростью. Также PMSM обладают преимуществами, такими как высокий коэффициент мощности, высокая эффективность, экономия энергии, компактность, отсутствие щеток, а также высокая безопасность и надежность. В результате эта система теперь широко и повсеместно используется в различных отраслях промышленности. Примеры включают намотку, растяжение, дозирование и использование godet-валиков в химической промышленности; и применение в печах для отжига плоского стекла, перемешивание в стекловаренных печах, боковые валики (или "тягачи") и машины для формования бутылок в стекольной промышленности.

Применение системы управления частотой вращения PMSM в химической промышленности

Системы управления частотой вращения PMSM успешно внедрены в машинах для расплав-прядения химических волокон, как показано на системной схеме (Рисунок 12-1). Двигатель, приводящий в действие насос дозатора в машине для прядения, использует PMSM, требующий точной скорости для контроля количественной подачи раствора химического волокна, что удовлетворяет требованиям процесса прядения. При изменении видов продукции из химических волокон достаточно просто изменить скорость двигателя, приводящего в действие насос дозатора, чтобы выполнить технологические требования.

Мощность основного насоса-дозатора обычно составляет от 0,37 кВт до 11 кВт, с двигателями, имеющими 4 или 6 полюсов. Диапазон изменения частоты составляет от 25 Гц до 150 Гц. Обычно выбирается один преобразователь частоты для привода нескольких двигателей, хотя используются и специализированные системы (один преобразователь на двигатель), каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Другие важные процессы в прядении, такие как намотка, растяжение и godet-валики, требуют либо постоянных скоростей вращения, либо определенного соотношения скоростей между парами валиков. Система управления частотой вращения является идеальным первым выбором, что подтверждается долгосрочной практической эксплуатацией. После внедрения управления частотой вращения скорость линии прядения может достигать 3000-7000 м/мин. Растягивающие валики, оснащенные внутренними нагревательными элементами, требуют постоянной скорости вращения; мощность сопровождающего PMSM составляет от 0,2 кВт до 7,5 кВт, с выбором высокоскоростных двухполюсных двигателей, имеющих диапазон регулирования частоты от 50 Гц до 250 Гц. Использование управления частотой вращения обеспечивает высокий пусковой момент, быстрое ускорение и соответствует требованиям при сложных условиях запуска (жесткий запуск).

Применение системы управления частотой вращения PMSM в стекольной промышленности

Системы управления частотой вращения для главных приводов печей для отжига плавленого стекла были внедрены на десятках производственных линий в Китае, заменив оригинальные приводы постоянного тока и достигнув удовлетворительных экономических результатов.

Производственная линия по производству плавленого стекла включает в себя высокотемпературную жидкость стекла, текущую из плавильной печи, которая постепенно охлаждается вдоль линии. После затвердевания стекло подвергается тепловой обработке в печи для отжига, прежде чем перейти к холодному концу для резки, проверки, упаковки и других последующих процессов. Процесс в печи для отжига предъявляет строгие требования; на протяжении примерно 200 метров каждый валик должен работать непрерывно и равномерно. Остановки абсолютно недопустимы, так как они приведут к значительным经济损失。请注意，最后一句似乎没有完全翻译，并且出现了中文文本。以下是完整的翻译：

Процесс в печи для отжига предъявляет строгие требования; на протяжении примерно 200 метров каждый валик должен работать непрерывно и равномерно. Остановки абсолютно недопустимы, так как они приведут к значительным экономическим потерям.

Для этого применения был выбран трехфазный редкоземельный PMSM TYB100-8 с преобразователем частоты Fuji G5. Эта система работает непрерывно и безопасно на протяжении десятков тысяч часов и получила признание со всех сторон. Её основные преимущества:

1. Высокая точность скорости (до 0,4%): Обеспечивает допуски по толщине продукта, экономит сырье и приносит явные экономические выгоды.
2. Высокая надежность: Снижает объем обслуживания.
3. Экономия энергии: Благодаря меньшему количеству компонентов системы и высокой эффективности двигателя.
4. Компактность и легкость конструкции: Оборудование меньше и легче.

В стекловаренных печах ранее использовались приводы постоянного тока для перемешивающих устройств. Однако, учитывая высокотемпературную среду и сложности обслуживания, с 1995 года стали применяться системы управления частотой вращения. Конкретно, для этой цели используются два двигателя TYB400-8. Требования к работе следующие:

Два двигателя приводят в движение свои перемешивающие устройства, взбалтывая раствор стекла в высокотемпературной печи. Для обеспечения равномерности смешивания не допускаются "мертвые зоны" внутри ванны печи. Поэтому рабочие области двух перемешивающих устройств должны немного перекрываться, но быть расположены таким образом, чтобы вращающиеся лопасти не сталкивались. Схема рабочей области показана на рисунке 12-2.

Если скорости вращения n1 и n2 различаются, их совокупное воздействие в конечном итоге может привести к столкновению лопастей перемешивающих устройств. Долгосрочное практическое применение этой системы показало, что столкновений лопастей не происходит, что подтверждает соответствие точности скорости требованиям.

Применение системы управления частотой вращения на боковых валиках (или "тягачах") также дало отличные результаты. На производственной линии по производству стекла, когда расплавленное стекло постепенно переходит из жидкого состояния в пластическое полутвердое состояние, его необходимо растянуть и разровнять в плоскость. Боковые валики выполняют эту важную функцию. Двигатели, приводящие в движение эти валики, должны обеспечивать непрерывное, плавное управление скоростью. Скорость каждого двигателя-тягача должна предварительно устанавливаться в зависимости от таких факторов, как температура точки работы и тип стекла. Это требует отличной производительности системы управления: широкий диапазон скоростей, высокая точность скорости и хорошая динамическая реакция. Поэтому существующую систему управления скоростью постоянного тока Z₂-12, 0,6 кВт, 1500 об/мин заменили на трехфазные PMSM TYB500-6, 125 В, 50 Гц. Преобразователь частоты работает в диапазоне от 10 Гц до 150 Гц, обеспечивая диапазон скоростей двигателя от 200 об/мин до 3000 об/мин. Замена двигателей постоянного тока на синхронные двигатели предоставляет преимущества, такие как более высокая автоматизация производства, лучшее качество, меньший вес и более простое централизованное управление.