变频调速交流感应电机

变频驱动器，也称为 VFD，是经济实惠、可靠的控制器，能够调整感应电机的速度以实现最佳性能。VFD 正在成为为风扇、泵、压缩机、钻机和许多其他应用中的小型到大型电机供电的标准设备。与立即将电机全速启动的定速控制器不同，VFD 可以通过逐渐将速度提高到所需水平来软启动电机。软启动消除了高启动扭矩和浪涌电流，减少了机械应力，并延长了设备寿命和可靠性。此外，由于负载的扭矩和功率分别随速度的平方和立方而变化，因此即使调整电机速度很小也可以节省大量能源。本视频将演示变频驱动器的配置及其在三相交流感应电动机控制中的应用。

交流感应电动机只有定子和转子两个主要部件，最常用的是三相交流电源。通过定子线圈的三相电流产生定子磁场，该磁场以与交流频率成正比的角速度旋转。该定子磁场使转子自旋。因此，电机速度与输入功率频率成正比。有关感应电动机运行的更多信息，请观看 JoVE 科学教育视频：交流感应电动机。如果电机直接连接到三相主电源，则它以固定速度运行，该速度由恒定的 60 赫兹线路频率决定。对于可调速度，必须由变频驱动器或 VFD 提供动力。VFD 通过设置输出频率和电压来调整电机速度。首先，整流器将 60 赫兹的交流输入转换为直流电源。然后，直流到交流逆变器使用脉宽调制以特定模式打开和关闭此直流电源。最后，低通滤波器将脉冲流转换为大致正弦波的形式，并在所选频率下产生交流输出功率，从而控制电机速度。正弦波形是必要的，因为大多数感应电机都设计为使用交流电源的电源。单相电机使用带有单相整流器和逆变器的 VFD，三相电机使用带有三相整流器和逆变器的 VFD。有关整流器和逆变器的更多信息，请观看 JoVE 科学教育视频：单相整流器和单相逆变器。高级 VFD 使用闭环或矢量控制，以实现速度或扭矩的良好调节。微处理器接收有关电机磁场和扭矩的反馈，并根据控制算法不断调整 VFD 功率。当电机在其额定电压或低于其额定电压时，大多数 VFD 使用开环控制来简单地输出恒定的驱动功率，而无需反馈或调整。通过开环控制，VFD 保持选定的电压频率比，该比大约与定子磁场成正比，因此也与电机速度成正比。例如，如果电机的额定电压为 208 伏和 60 赫兹，则电压频率比约为每赫兹 3.5 伏。为了降低电机速度，VFD 会降低频率，但也必须降低电压以保持恒定的电压频率比。因此，如果 VFD 以 30 赫兹而不是 60 赫兹的速度驱动电机，它会将电压从 208 伏按比例降低到 104 伏，电压频率比保持为每赫兹 3.5 伏。当电机运行高于其额定频率时，VFD 通常会将输出限制为额定电压。这种预防措施可避免超过绝缘层和线圈的电压或电流限制。例如，额定电压为 208 伏和 60 赫兹的电机的电压频率比为每赫兹 3.5 伏。通过将频率增加到 120 赫兹来提高该电机速度的 VFD 不会像恒定电压频率比那样将输出增加到 460 伏。相反，VFD 会将其输出限制为额定 208 伏特，以防止损坏电机。现在已经解释了 VFD 的基础知识，让我们检查一下连接到三相交流感应电动机的 VFD。在本实验中，VFD 在电机速度的开环控制和恒定的电压频率比下运行。

在三相电源关闭且 Variac 设置为 0% 的情况下，将感应电动机定子端子连接到 VFD 驱动输出。从 VFD 的正面看，驱动器输出连接器位于右侧。将 Variac 输入连接到工作台上的三相插座。将 Variac 的控制旋钮调整到 75% 并打开三相电源。使用此 Variac 设置时，线间电压约为 210 伏。现在 VFD 主屏幕应该亮起并显示 F 000。本地远程按钮允许用户选择频率选择方法。本地控制允许使用键盘作 VFD。当远程控制需要模拟或数字通信时，按一次本地遥控按钮可将驱动器置于本地模式。将 VFD 周长设置为表中所示的周长。为此，请使用箭头键设置电机速度，以访问主屏幕上的字母 F 频率菜单。然后将频率设置为 10 赫兹。要测量电机输入的电压，请选择显示 0.0v 的菜单。要测量驱动电机的电流，请向上滚动到显示 0.00A 的屏幕。要测量 VFD 频率，请滚动到频率测量屏幕。按下绿色的运行按钮启动电机。驱动器自动输出必要的电压，以保持恒定的电压频率比，该比预设为 3.47。滚动到电压、电流和频率的显示屏，并记录它们的值。如果驱动器过载或出现故障，请按下红色停止按钮，然后按下重置按钮。使用频闪灯测量电机转速。调整 course frequency 旋钮，直到轴看起来几乎静止，然后调整微调频率旋钮，直到轴看起来一动不动。对频率 25、45、60 和 70 赫兹重复此过程。绘制电机速度与频率的关系图，以获得变频驱动器控制下的电机行为图。

变频驱动器控制交流感应电动机的速度，可以减少机械应力，提高可靠性，并降低维护成本。此外，VFD 允许电机以最佳速度运行，以提高能源效率。由于这些优点，VFD 在许多应用中都很有用，例如调整风扇的速度。当集成到通风系统中时，像这样的风扇可以响应手动或自动控制，在温度高时提高风扇速度和空气流通，或在温度低时降低风扇速度。钻床、缝纫机、铣床和类似设备使用 VFD 来控制其电机。塑料需要低速加工以防止炭化或熔化，而钢等硬质金属可以耐受高速加工以加快工作速度。使用 VFD，加工设备更加通用，能够更好地处理各种情况。

您刚刚观看了 JoVE 的交流感应电机变频驱动器简介。您现在应该了解 VFD 的工作原理，以及输入功率频率如何决定电机速度。感谢观看！