Застосування частотних перетворювачів у системах автоматизації

Застосування частотного регулювання швидкості синхронних двигунів з постійними магнітами (PMSM) у хімічній та склодобувній промисловості

У 19 столітті постійні магніти використовувалися для створення електродвигунів. Сьогодні, зі швидким розвитком електронних технологій, синхронні двигуни з постійними магнітами (PMSM) разом із частотними перетворювачами формують відкриті системи частотного регулювання швидкості з високою швидкістю та точністю. Ці системи широко застосовуються в різних галузях промисловості, замінюючи традиційні системи регулювання швидкості постійного струму та системи регулювання швидкості з електромагнітним прослизанням, демонструючи сильну життєздатність.

Відомо, що обертові швидкості PMSM строго пропорційні частоті живлення. Якщо забезпечена точність частоти живлення, гарантована і точність обертальної швидкості двигуна, що призводить до лінійних механічних характеристик. Наприклад, в одному підприємстві дві незалежно працюючі синхронні системи працювали безперервно кілька місяців, а накопичена помилка швидкості була практично нульовою.

Оскільки точність вихідної частоти частотних перетворювачів може досягати 1,0‰ - 0,1‰, або навіть вище, точність системи регулювання швидкості також підвищується. Крім того, система має менше керуючих компонентів, що робить її схему простішою, ніж будь-яка інша система регулювання швидкості. Окрім цього, PMSM мають переваги, такі як високий коефіцієнт потужності, висока ефективність, економія енергії, компактність, відсутність щіток, а також висока надійність та безпека. В результаті, ця система широко і поширено використовується в різних відділах промисловості. Наприклад, намотка, розтягування, дозування та рольові валки в хімічній промисловості; та застосування в печі для відпалу плоского скла, перемішування скляної печі, крайові ролики (або "виводники") та машини для формування бутелей в склодобувній промисловості.

Застосування частотного регулювання швидкості PMSM у хімічній промисловості

Системи частотного регулювання швидкості PMSM успішно реалізовані в машині для плавлення хімічних волокон, як показано на системній діаграмі (Рисунок 12-1). Драйвер насоса дозування в машині для плавлення використовує PMSM, що потребує точного виведення швидкості для контролювання кількісної подачі розчину хімічного волокна, що задовольняє вимоги процесу плавлення. При зміні видів продукції волокон, достатньо просто налаштувати швидкість драйвера насоса дозування, щоб задовольнити вимоги процесу.

Потужність основного насоса дозування зазвичай коливається від 0,37 кВт до 11 кВт, з двигунами, які мають 4 або 6 полюсів. Диапазон зміни частоти становить 25 Гц до 150 Гц. Зазвичай, вибирається один частотний перетворювач для приводу кількох двигунів, хоча використовуються й спеціалізовані системи (по одному перетворювачу на двигун), кожен з яких має свої переваги та недоліки.

Інші важливі процеси в плавленні, такі як намотка, розтягування та рольові валки, потребують або сталі обертальні швидкості, або конкретні співвідношення швидкостей між парними роликами. Система частотного регулювання швидкості є ідеальним основним вибором, що підтверджено довготривалим практичним застосуванням. Після впровадження частотного регулювання швидкості, швидкості ліній плавлення можуть досягати 3 000-7 000 м/хв. Розтяжні ролики з внутрішніми нагрівальними елементами потребують сталого режиму роботи; супроводжуючі PMSM мають потужність від 0,2 кВт до 7,5 кВт, вибираються високоскоростні двополюсові двигуни з діапазоном регулювання частоти 50 Гц до 250 Гц. Використання частотного регулювання надає високий стартовий момент, швидке прискорення та задовольняє вимоги до вимогливих умов запуску (твердий запуск).

Застосування частотного регулювання швидкості PMSM у склодобувній промисловості

Системи частотного регулювання швидкості головних приводів печей для відпалу плоского скла були впроваджені на десятках виробничих ліній в Китаї, замінюючи оригінальні приводи постійного струму і досягаючи задовільних економічних результатів.

Лінія виробництва плоского скла передбачає високотемпературну рідинну скло, яка втекає з плавильної печі, поступово охолоджується вздовж лінії. Після затвердівання, скло піддається термічній обробці в печі для відпалу, а потім переходить до холодного кінця для різання, перевірки, упаковки та інших процесів. Процес відпалу вимагає строгих умов; протягом приблизно 200 метрів кожен ролик повинен працювати неперервно та рівномірно. Зупинки абсолютно неприпустимі, оскільки вони призведуть до значних економічних втрат.

Для цього застосування було вибрано трифазний рідкісноземельний PMSM TYB100-8 разом із частотним перетворювачем Fuji G5. Ця система працює неперервно та безпечно десятки тисяч годин і отримала позитивні відгуки з усіх сторін. Її основні переваги:

1. Висока точність швидкості (до 0,4%): Забезпечує допуски на товщину продукції, економить сировину, дає очевидні економічні переваги.
2. Висока надійність: Зменшує обсяг ремонтних робіт.
3. Економія енергії: Через меншу кількість компонентів системи та високу ефективність двигуна.
4. Компактність та легкість конструкції: Обладнання менше та легше.

Перемішувачі в скляних плавильних печах раніше використовували приводи постійного струму. Однак, враховуючи високотемпературну середовище та проблеми з ремонтом, з 1995 року використовуються системи частотного регулювання швидкості. Конкретно, для цього використовуються два двигуни TYB400-8. Операційні вимоги такі:

Два двигуни приводять свої відповідні перемішувачі, перемішуючи скляний розчин у високотемпературній печі. Для забезпечення рівномірності перемішування, не допускаються "мертві зони" всередині ванни печі. Тому, робочі області двох перемішувачів мають трохи перетинатися, але повинні бути розташовані так, щоб обертові лопатки не зіткнулися. Схема робочої області показана на рисунку 12-2.

Якщо обертальні швидкості n1 та n2 відрізняються, їх кумулятивний ефект може врешті-решт призвести до зіткнень лопаток перемішувачів. Довготривалий практичний досвід застосування цієї системи показав, що зіткнень лопаток не відбувається, що підтверджує, що точність швидкості відповідає вимогам.

Застосування частотного регулювання швидкості на крайових роликах (або "виводниках") також дало відмінні результати. На виробничій лінії скла, коли рідке скло поступово перетворюється з рідкого стану в пластичний напівтвір, його потрібно розтягнути та розгладити у площину. Крайові ролики виконують цю важливу функцію. Приводні двигуни повинні надавати неперервне, безступінчасте регулювання швидкості. Швидкість кожного двигуна виводника повинна бути попередньо налаштована з урахуванням таких факторів, як температура робочої точки та тип скла. Це вимагає відмінних характеристик системи керування: широкий діапазон швидкості, висока точність швидкості та хороша динамічна відповідь. Тому, існуючу систему регулювання швидкості DC-двигуна Z₂-12, 0,6 кВт, 1500 об/хв було замінено на трифазні PMSM TYB500-6, 125 В, 50 Гц. Частотний перетворювач працює в діапазоні 10 Гц до 150 Гц, забезпечуючи діапазон швидкості двигуна від 200 об/хв до 3000 об/хв. Заміна DC-двигунів на синхронні двигуни має переваги, включаючи високу автоматизацію виробництва, вищу якість, меншу вагу та легший централізований контроль.