Tillämpning av frekvensomvandlare i automatiseringssystem

Användning av permanentmagnetisk synkronmotor (PMSM) med variabel frekvenshastighet i kemiska fiber- och glasindustrin​

I det 19:e århundradet användes permanenta magneter för att skapa elektriska motorer. Idag, med den snabba utvecklingen av elektronikteknologi, bildar Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs) tillsammans med frekvensomvandlare öppna snurringsystem med hög hastighet och hög precision. Dessa system har fått bred användning inom olika industriella sektorer, där de ersätter traditionella likströmsnivåreglersystem och elektromagnetiska slippningsnivåreglersystem, vilket visar på stark livskraft.

Det är väl känt att rotationshastigheten hos en PMSM är strikt proportionell mot försörjningsfrekvensen. Om precisionen i strömfrekvensen säkerställs, garanteras även motorhastighetens precision, vilket resulterar i linjära mekaniska egenskaper. Till exempel, i ett företag, körde två oberoende synkroniserade system kontinuerligt i flera månader, och den ackumulerade hastighetsfelet var nästan noll.

Eftersom frekvensomvandlarnas utdatafrekvensprecision kan nå 1,0‰ - 0,1‰, eller ännu högre, förbättras också kontrollsystemets hastighetsprecision. Dessutom har systemet färre kontrollkomponenter, vilket gör dess kretsar enklare än något annat typ av hastighetskontrollsystem. Utöver detta har PMSM fördelar som hög effektivitet, energibesparing, kompakt design, bröstlös konstruktion samt hög säkerhet och tillförlitlighet. Därför används detta system nu omfattande och vanligt inom olika industriella avdelningar. Exempel inkluderar uppvindning, sträckning, mätning och godet-rullar i kemiska fiberindustrin; och tillämpningar i annealingugnar för platta glas, rörande i glasugnar, kantrullar (eller "pullers") och flaskformningsmaskiner inom glasindustrin.

​Användning av PMSM med variabel frekvenshastighet i kemiska fiberindustrin​

PMSM-system med variabel frekvenshastighet har framgångsrikt implementerats i smältspinnarmaskiner för kemiska fibrer, enligt systemdiagrammet (Figur 12-1). Drivmotorn för mätningsspumpen i spinnarmaskinen använder en PMSM, vilket kräver exakt hastighetsutmatning för att styra kvantitativ försörjning av kemiska fibersolutionen, så att kraven för spinningsprocessen uppfylls. När man byter fiberproduktsort, räcker det med att justera mätningsspumpens drivmotors hastighet för att uppfylla processkraven.

Huvudmätningsspumpens effekt ligger normalt mellan 0,37 kW och 11 kW, med motorer som har 4 eller 6 poler. Frekvensvariationen ligger mellan 25 Hz och 150 Hz. Vanligtvis väljs en frekvensomvandlare för att driva flera motorer, men dedikerade system (en omvandlare per motor) används också, varje metod har sina egna fördelar och nackdelar.

Andra viktiga processer i spinning, som uppvindning, sträckning och godet-rullar, kräver antingen konstanta rotationshastigheter eller specifika hastighetsförhållanden mellan parvisa rullar. Variabel frekvenshastighetskontrollsystem är den idealiska primära valet, en faktor bekräftad av långsiktig praktisk drift. Efter införandet av variabel frekvenshastighet kan spinninglinjernas hastigheter nå 3 000 till 7 000 m/min. Sträckrullar med inbyggda värmeelement kräver konstant hastighet; de medföljande PMSM-motorerna har en effekt mellan 0,2 kW och 7,5 kW, med höghastighetstvåpoliga motorer valda, med en frekvensjusteringsomfattning från 50 Hz till 250 Hz. Användningen av variabel frekvenskontroll ger hög startmoment, snabb acceleration och uppfyller kraven för krävande startvillkor (hård start).

​Användning av PMSM med variabel frekvenshastighet i glasindustrin​

Variabel frekvenshastighetskontrollsystem för huvuddrivning i annealingugnar för flytglass har applicerats på tiotal produktionslinjer i Kina, där de ersatt de ursprungliga likströmsdrivningarna och uppnått tillfredsställande ekonomiska resultat.

En flytglassproduktionsserie involverar högtemperaturglassvätska som flödar från smältugnen, gradvis svalnar längs linjen. Efter solidifiering genomgår glaset värmebehandling i annealingugnen innan det fortsätter till kallslutet för skärning, inspektion, förpackning och andra efterföljande processer. Annealingugnprocessen ställer stränga krav; över sin ungefär 200 meter långa sträcka måste varje rulle fungera kontinuerligt och jämnt. Stopp är absolut otillåtna, eftersom de skulle orsaka betydande ekonomiska förluster.

För denna tillämpning valdes en TYB100-8 trefasig jordmagnets-PMSM tillsammans med en Fuji G5-frekvensomvandlare. Detta system har kört kontinuerligt och säkert under tiotusentals timmar och fått beröm från alla håll. Dess huvudsakliga fördelar är:

1. ​Hög hastighetsprecision (upp till 0,4%)​: Garanterar produkttjockleksolerans, sparar råmaterial och ger uppenbara ekonomiska fördelar.
2. ​Hög tillförlitlighet: Minskar underhållsarbetet.
3. ​Energibesparing: På grund av färre systemkomponenter och motorernas inbyggda höga effektivitet.
4. ​Kompakt och lätt design: Utrustningen är mindre och lättare.

Rörare inuti glasugnar använde tidigare likströmsdrivning. Men, med tanke på den högtempererade miljön och underhållsutmaningarna, har variabel frekvenshastighetskontrollsystem använts sedan 1995. Specifikt används två TYB400-8-motorer för detta ändamål. De operativa kraven är följande:

De två motorerna driver sina respektive rörare, vilka blandar glassvätskan i den högtempererade ugnen. För att säkerställa blandingens jämnhet är "döda zoner" inuti ugnens bad inte tillåtna. Därför måste arbetets områden för de två rörarna överlappa något, men vara arrangerade så att de roterande paddlarna inte kolliderar. En skiss av arbetets område visas i figur 12-2.

Om rotationshastigheterna n1 och n2 skiljer sig åt, kan deras sammanlagda effekt till slut leda till kollisioner mellan rörarpaddlarna. Långsiktig praktisk användning av detta system har visat att det inte finns några paddlarkollisioner, vilket bekräftar att hastighetsprecisionen uppfyller kraven.

Användningen av variabel frekvenshastighetskontroll på kantrullar (eller "pullers") har också gett utmärkta resultat. På glasproduktionsserien, när smältglaset gradvis övergår från flytande till plastisk halvhård form, behöver det sträckas och planeras. Kantrullar utför denna viktiga funktion. Deras drivmotorer måste erbjuda kontinuerlig, trappvis hastighetskontroll. Varje pullermotors hastighet bör förinställas beroende på faktorer som arbetspunktstemperatur och glastyp. Detta kräver utmärkt kontrollsystemprestanda: bred hastighetsomfattning, hög hastighetsprecision och bra dynamisk respons. Därför ersattes det befintliga Z₂-12, 0,6 kW, 1500 varv/min likströmsmotorhastighetskontrollsystemet med TYB500-6, 125 V, 50 Hz trefasiga PMSM. Frekvensomvandlaren fungerar inom ett område från 10 Hz till 150 Hz, vilket ger en motorhastighetsomfattning från 200 varv/min till 3000 varv/min. Att ersätta likströmsmotorer med synkronmotorer ger fördelar som högre produktionautomatisering, bättre kvalitet, lägre vikt och enklare centralstyrning.