Uporaba frekvenčnih pretvornikov v sistemih avtomatizacije

Uporaba stalnega magnetnega sinhronnega motorja (PMSM) s spreminjanjem frekvence za vodenje hitrosti v industriji kemičnih vlaken in stekla

V 19. stoletju so stalni magneti uporabljali za ustvarjanje električnih motorjev. Danes, z hitrim napredkom elektronske tehnologije, stalni magnetni sinhronni motorji (PMSM) in pretvorniki frekvence skupaj oblikujejo odprte zanke, visoko hitrostne in natančne sisteme za vodenje hitrosti z uporabo spremembe frekvence. Ti sistemi so bili široko uporabljeni v različnih industrijskih sektorjih, kjer so nadomestili tradicionalne DC sisteme za vodenje hitrosti in sisteme za vodenje hitrosti z elektromagnetskim klizanjem, prikazujoci močno življenjsko zmogljivost.

Izvesno je, da je obratna hitrost PMSM strogo sorazmerna z oskrbovalno frekvenco. Če je zagotovljena natančnost oskrbovalne frekvence, je zagotovljena tudi natančnost obratne hitrosti motorja, kar prinaša linearno mehansko karakteristiko. Na primer, v eni podjetju sta dva samostojno delujoča sinhronna sistema delovala zvezno nekaj mesecev, in kumulativna napaka hitrosti je bila skoraj nič.

Ker lahko natančnost izhodne frekvence pretvornikov frekvence doseže 1,0‰ - 0,1‰, ali celo več, se natančnost kontrolovanja hitrosti tudi poveča. Poleg tega ima sistem manj komponent za vodenje, kar njegovo vezavo poenostavlja v primerjavi z drugimi tipi sistemov za vodenje hitrosti. Dodatno pa imajo PMSM prednosti, kot so visok faktor moči, visoka učinkovitost, energijska učinkovitost, kompaktnost, brez cepin, ter visoka varnost in zanesljivost. Zaradi tega je ta sistem danes široko in pogosto uporabljen v različnih industrijskih sektorjih. Primeri vključujejo navijanje, raztezanje, merjenje in godet valjkov v industriji kemičnih vlaken; ter uporabo v segrevalnicah za ravninsko steklo, mešanje v pečicah za steklo, robne valjke (ali "vlakne") in masni stroji v industriji stekla.

Uporaba PMSM s spreminjanjem frekvence za vodenje hitrosti v industriji kemičnih vlaken

Sistemi PMSM s spreminjanjem frekvence za vodenje hitrosti so bili uspešno implementirani v topilskih prepletenih strojih za kemična vlakna, kot je prikazano na shemi sistema (Slika 12-1). Motor za pogon meritvenega črpalka v prepletenem stroju uporablja PMSM, ki zahteva natančno izhodno hitrost, da bi kontroliral kvantitativno dobavo rešitve kemičnih vlaken, s tem zadovoljuje potrebe procesa prepletanja. Ko se spremenijo vrste proizvodov vlaken, je dovolj, da se prilagodi hitrost motora za pogon meritvenega črpalka, da se izpolnijo procesne zahteve.

Moč glavnega meritvenega črpalka običajno znaša med 0,37 kW in 11 kW, z motorji s 4 ali 6 poli. Frekvenčni obseg variacije je 25 Hz do 150 Hz. Običajno se izbere en pretvornik frekvence za pogon več motorjev, čeprav se uporabljajo tudi posvečeni sistemi (en pretvornik na motor), vsak pristop ima svoje prednosti in slabosti.

Drugi ključni postopki v prepletanju, kot so navijanje, raztezanje in godet valjkov, zahtevajo ali konstantne obratne hitrosti ali specifične razmerja hitrosti med paroma valjkov. Sistem s spreminjanjem frekvence za vodenje hitrosti je idealna prva izbira, to je potrdilo dolgoročno praktično delovanje. Po uporabi vodenja hitrosti z uporabo spremembe frekvence se hitrosti prepletenih črt lahko dosežejo 3.000 do 7.000 m/min. Raztezni valjki z notranjim segrevanjem zahtevajo delovanje z konstantno hitrostjo; pridružena moč PMSM znaša med 0,2 kW in 7,5 kW, z izbiro visokohitrostnih dvopolnih motorjev, z frekvenčnim prilagodljivostnim obsegom 50 Hz do 250 Hz. Uporaba vodenja hitrosti z uporabo spremembe frekvence prinaša visok začetni navor, hitro pospeševanje in zadovoljuje zahteve za zahtevne začetne pogoje (trdno začetek).

Uporaba PMSM s spreminjanjem frekvence za vodenje hitrosti v industriji stekla

Sistemi s spreminjanjem frekvence za glavne pogone segrevalnic za ohlajevanje plavajočega stekla so bili uporabljeni na desetih produkciskih linijah v Kitajski, kjer so nadomestili originalne DC pogone in dosegli zadovoljive gospodarske učinke.

Produkcijska linija za plavajoče steklo vključuje visokotemperaturen steklen tekočin, ki teče iz talilnice, in se postopoma ohlaja vzdolž linije. Po utrdenju gre steklo skozi segrevanje v segrevalnici, preden se nadaljuje na hladno stran za rezanje, pregled, pakiranje in druge nadaljnje procese. Postopek v segrevalnici zahteva stroge zahteve; na približno 200 metrov dolgi traci mora vsak valj delovati zvezno in enakomerno. Zaustavitve so popolnoma neprihvaležne, ker bi povzročile velike gospodarske izgube.

Za to uporabo je bil izbran tri-fazni redki zemeljski PMSM TYB100-8 skupaj s pretvornikom frekvence Fuji G5. Ta sistem je zvezno in varno deloval desetine tisoč ur in prejel hvale od vseh strani. Njegove glavne prednosti so:

1. Visoka natančnost hitrosti (do 0,4%): Zagotavlja toleranci debeline izdelka, štedi surovine in prinaša očitne gospodarske učinke.
2. Visoka zanesljivost: Zmanjša obremenitev vzdrževanja.
3. Štednja energije: Zaradi manjše število komponent v sistemu in samega motorja, ki ima visoko učinkovitost.
4. Kompaktna in lahka oblika: Oprema je manjša in lažja.

Mišice v talilnicah za steklo so prej uporabljale DC pogone. Vendar, glede na visokotemperaturno okolje in izzive vzdrževanja, so od leta 1995 uporabljani sistemi s spreminjanjem frekvence za vodenje hitrosti. Konkretno, za ta namen se uporabljata dva motorja TYB400-8. Operativne zahteve so naslednje:

Dva motorja pogonita svoje mišice, ki mešata stekleno tekočino v visokotemperaturni pečici. Za zagotavljanje enakomerne mešanice ni dovoljeno, da bi bili "mrtvi prostori" znotraj pečnice. Torej, delovna območja dveh mišic morata rahlo prekrivati, a organizirana, da se rotirajoči pale ne stuknejo. Shema delovnega območja je prikazana na Sliki 12-2.

Če se obratne hitrosti n1 in n2 razlikujeta, bi njun kumulativni učinek lahko zgodil, da bi došlo do stukov med palemi mišic. Dolgoročna praktična uporaba tega sistema je pokazala, da ni bilo stukov pale, kar potrjuje, da natančnost hitrosti zadošča zahtevam.

Uporaba vodenja hitrosti z uporabo spremembe frekvence na robnih valjkih (ali "vlaknih") je tudi prinesla odlične rezultate. Na produkciski liniji za steklo, ko se tekoč stekel postopoma pretvori iz tekočega stanja v plastično pol-trdno stanje, ga je potrebno raztegniti in poravnati v ravnino. Robni valjki opravljajo to ključno funkcijo. Motorji za njihov pogon morajo omogočati zvezno variabilno, stopnjevo vodenje hitrosti. Hitrost vsakega motorja za vlakne bi morala biti prednastavljena glede na dejavnike, kot so temperatura delovnega točka in vrsta stekla. To zahteva odlično delovanje kontrolovalnega sistema: širok obseg hitrosti, visoka natančnost hitrosti in dober dinamični odziv. Zato je bila obstoječa DC motorjska sistema za vodenje hitrosti Z₂-12, 0,6 kW, 1500 obr./min, zamenjana z tri-faznimi PMSM TYB500-6, 125 V, 50 Hz. Pretvornik frekvence deluje v obsegu 10 Hz do 150 Hz, kar prinaša obseg hitrosti motorja od 200 obr./min do 3000 obr./min. Zamenjava DC motorjev s sinhronnimi motorji prinaša prednosti, kot so višja avtomatizacija proizvodnje, boljša kakovost, lažja teža in lažje centralizirano vodenje.