Ứng dụng của Bộ Chuyển Tần Số trong Hệ Thống Tự Động Hóa

Ứng dụng của Điều khiển Tần số Biến đổi Động cơ Đồng bộ Dùng nam châm vĩnh cửu (PMSM) trong Ngành sợi hóa học và Ngành kính​

Vào thế kỷ 19, nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng để tạo ra động cơ điện. Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử, Động cơ Đồng bộ Dùng nam châm vĩnh cửu (PMSM) và bộ chuyển đổi tần số cùng nhau tạo thành hệ thống điều khiển tốc độ biến tần mở, tốc độ cao, chính xác. Những hệ thống này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, thay thế cho các hệ thống điều khiển tốc độ DC truyền thống và hệ thống điều khiển tốc độ trượt điện từ, thể hiện sức sống mạnh mẽ.

Như mọi người đều biết, tốc độ quay của PMSM tỷ lệ nghiêm ngặt với tần số nguồn cung cấp. Nếu đảm bảo được độ chính xác của tần số nguồn, thì độ chính xác về tốc độ quay của động cơ cũng được đảm bảo, dẫn đến đặc tính cơ khí tuyến tính. Ví dụ, tại một doanh nghiệp, hai hệ thống đồng bộ hoạt động độc lập đã chạy liên tục trong vài tháng và tổng sai số tốc độ gần như bằng không.

Vì độ chính xác tần số đầu ra của bộ chuyển đổi tần số có thể đạt 1,0‰ - 0,1‰, hoặc thậm chí cao hơn, nên độ chính xác về tốc độ của hệ thống điều khiển cũng được nâng cao. Hơn nữa, hệ thống có ít thành phần điều khiển, làm cho mạch điện đơn giản hơn so với bất kỳ loại hệ thống điều khiển tốc độ nào khác. Ngoài ra, PMSM có những ưu điểm như hệ số công suất cao, hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng, kích thước nhỏ gọn, không cần chổi than, và an toàn và đáng tin cậy. Do đó, hệ thống này hiện đang được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp. Các ví dụ bao gồm ứng dụng cuộn, kéo, đo lường và godet roller trong ngành sợi hóa học; và ứng dụng trong lò hàn phẳng kính, khuấy lò kính, bánh xe cạnh (hoặc "pullers"), và máy tạo hình chai trong ngành công nghiệp kính.

​Ứng dụng của Điều khiển Tần số Biến đổi PMSM trong Ngành sợi hóa học​

Hệ thống điều khiển tần số biến đổi PMSM đã được triển khai thành công trong máy đúc chảy sợi hóa học, như được thể hiện trong sơ đồ hệ thống (Hình 12-1). Động cơ điều khiển bơm định lượng trong máy đúc yêu cầu tốc độ quay chính xác để kiểm soát việc cung cấp định lượng dung dịch sợi hóa học, từ đó đáp ứng yêu cầu của quá trình đúc. Khi thay đổi loại sản phẩm sợi, chỉ cần điều chỉnh tốc độ của động cơ điều khiển bơm định lượng là đủ để đáp ứng yêu cầu công nghệ.

Công suất của bơm định lượng chính thường nằm trong khoảng từ 0,37 kW đến 11 kW, với động cơ có 4 hoặc 6 cực. Phạm vi biến đổi tần số là 25 Hz đến 150 Hz. Thông thường, một bộ chuyển đổi tần số được chọn để điều khiển nhiều động cơ, mặc dù cũng có hệ thống chuyên dụng (một bộ chuyển đổi cho mỗi động cơ), mỗi cách tiếp cận có ưu điểm và nhược điểm riêng.

Các quy trình khác thiết yếu trong quá trình đúc, như cuộn, kéo, và godet roller, yêu cầu tốc độ quay ổn định hoặc tỷ lệ tốc độ cụ thể giữa các cặp roller. Hệ thống điều khiển tần số biến đổi là lựa chọn lý tưởng hàng đầu, điều này đã được xác nhận qua thực tế vận hành lâu dài. Sau khi áp dụng điều khiển tần số biến đổi, tốc độ đường dây đúc có thể đạt 3.000 đến 7.000 m/phút. Roller kéo có bộ phận gia nhiệt bên trong đòi hỏi phải hoạt động ở tốc độ ổn định; công suất PMSM đi kèm nằm trong khoảng từ 0,2 kW đến 7,5 kW, với động cơ hai cực tốc độ cao được chọn, có phạm vi điều chỉnh tần số từ 50 Hz đến 250 Hz. Sử dụng điều khiển tần số biến đổi cung cấp mô-men khởi động cao, tăng tốc nhanh, và đáp ứng yêu cầu cho các điều kiện khởi động khó khăn (khởi động cứng).

​Ứng dụng của Điều khiển Tần số Biến đổi PMSM trong Ngành công nghiệp Kính​

Hệ thống điều khiển tần số biến đổi cho động cơ chính của lò hàn phẳng kính đã được áp dụng trên hàng chục dây chuyền sản xuất ở Trung Quốc, thay thế cho hệ thống điều khiển DC ban đầu và đạt được hiệu quả kinh tế hài lòng.

Một dây chuyền sản xuất kính phẳng bao gồm chất lỏng kính ở nhiệt độ cao chảy từ lò nấu, dần dần làm mát dọc theo dây chuyền. Sau khi đông cứng, kính trải qua xử lý nhiệt trong lò hàn trước khi tiếp tục đến cuối lạnh để cắt, kiểm tra, đóng gói, và các quy trình sau. Quá trình lò hàn đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt; trong suốt chiều dài khoảng 200 mét, mỗi roller phải hoạt động liên tục và đồng đều. Việc dừng lại là hoàn toàn không thể chấp nhận, vì nó sẽ gây ra tổn thất kinh tế lớn.

Đối với ứng dụng này, một TYB100-8 động cơ ba pha nam châm vĩnh cửu hiếm đất kết hợp với bộ chuyển đổi tần số Fuji G5 đã được chọn. Hệ thống này đã hoạt động liên tục và an toàn trong hàng chục nghìn giờ và nhận được sự tán dương từ mọi phía. Các ưu điểm chính là:

1. ​Độ chính xác tốc độ cao (lên đến 0,4%)​: Đảm bảo dung sai độ dày sản phẩm, tiết kiệm nguyên liệu, và mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt.
2. ​Độ tin cậy cao: Giảm khối lượng công việc bảo trì.
3. ​Tiết kiệm năng lượng: Do ít thành phần hệ thống và hiệu suất cao tự nhiên của động cơ.
4. ​Thiết kế nhỏ gọn và nhẹ: Thiết bị nhỏ gọn và nhẹ hơn.

Trước đây, các khuấy trong lò nấu kính sử dụng hệ thống điều khiển DC. Tuy nhiên, do môi trường nhiệt độ cao và khó khăn trong bảo dưỡng, kể từ năm 1995, hệ thống điều khiển tần số biến đổi đã được áp dụng. Cụ thể, hai động cơ TYB400-8 được sử dụng cho mục đích này. Yêu cầu vận hành là như sau:

Hai động cơ điều khiển các khuấy tương ứng, khuấy chất lỏng kính trong lò nhiệt độ cao. Để đảm bảo sự đồng đều trong khuấy, "vùng chết" bên trong bể lò không được phép. Do đó, các khu vực làm việc của hai khuấy phải chồng lên nhau một chút, nhưng phải được sắp xếp sao cho các cánh khuấy không va chạm. Sơ đồ khu vực làm việc được hiển thị trong Hình 12-2.

Nếu tốc độ quay n1 và n2 khác nhau, tác động tích lũy cuối cùng có thể dẫn đến va chạm giữa các cánh khuấy. Sự áp dụng thực tế lâu dài của hệ thống này đã chứng minh rằng không có va chạm cánh khuấy, xác nhận rằng độ chính xác về tốc độ đáp ứng yêu cầu.

Ứng dụng của điều khiển tần số biến đổi trên bánh xe cạnh (hoặc "pullers") cũng đã mang lại kết quả tuyệt vời. Trên dây chuyền sản xuất kính, khi chất lỏng kính dần chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái bán rắn dẻo, nó cần được kéo và làm phẳng thành mặt phẳng. Bánh xe cạnh thực hiện chức năng quan trọng này. Động cơ điều khiển của chúng phải cung cấp điều khiển tốc độ liên tục, không gián đoạn. Tốc độ của mỗi động cơ puller nên được đặt trước dựa trên các yếu tố như nhiệt độ điểm làm việc và loại kính. Điều này đòi hỏi hiệu suất hệ thống điều khiển tốt: phạm vi tốc độ rộng, độ chính xác tốc độ cao, và phản hồi động tốt. Do đó, hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC Z₂-12, 0,6 kW, 1500 vòng/phút hiện có đã được thay thế bằng động cơ PMSM ba pha TYB500-6, 125 V, 50 Hz. Bộ chuyển đổi tần số hoạt động trong phạm vi 10 Hz đến 150 Hz, cung cấp phạm vi tốc độ động cơ từ 200 vòng/phút đến 3000 vòng/phút. Việc thay thế động cơ DC bằng động cơ đồng bộ mang lại các ưu điểm như tự động hóa sản xuất cao hơn, chất lượng tốt hơn, nhẹ hơn, và dễ dàng điều khiển tập trung hơn.