由VFD供电的交流感应电机
来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。
变频驱动器（VFD）是一种调速驱动装置，正逐渐成为驱动大多数交流感应电动机的标准设备。VFD广泛应用于工业和自动化领域，通常可在速度、转矩或位置模式下对电动机实现可靠的控制。本实验中测试和仿真的VFD主要采用恒定电压与频率比（…
1. 确保三相断开开关处于关闭状态。
2. 检查可变电压调节器（VARIAC）是否处于0%。
3. 在机器和可变变压器端子处进行以下连接：
- 将感应电机定子端子连接至驱动器输出端（从驱动器正面观察时位于右侧连接器）。
- 将驱动器输入端（从驱动器正面观察时位于左侧连接器组）连接至调压器（VARIAC）输出端。
- 将调压器（VARIAC）输入端连接至实验台上的三相插座。
- 在通电前，将调压器（VARIAC）的旋钮调至75%位置，以便在后续实验中使驱动器初始线电压约为210 V（线间电压）。
- 合上三相断路开关，变频器（VFD）主屏幕应点亮并显示“F000”。
4. 按下“Lo/Re”按钮一次，使驱动器进入本地模式——该按钮上的红灯应亮起。
- “本地/远程”按钮允许用户在本地（Lo）频率设置与远程（Re）频率设置之间进行选择。
- 用户可更改频率 (f)，驱动器将自动设置相应的电压 (V)，以保持恒定的 V/f 比值。
5. 检查驱动参数是否与表1所示一致。
6. 进行基本电压、电流和频率测量：
- 在菜单中循环切换，找到后面带有“0.0u”的显示项——该项显示的是供给电机的电压测量值。
- 接着向上滚动一次，进入显示“0.00A”的屏幕——该项显示驱动器运行时的电流测量值。
- 再向上一屏显示为“0.00”——这是频率测量值。
7. 由于电机转速与电频率成正比，因此通过设置不同的输出频率即可设定不同的电机转速：
- 返回主界面并搜索字母 F。
- 通过按回车键，然后使用上下箭头调整数值，以更改频率。
- 使用 >（向右箭头/重置）按钮在数值列之间切换。
- 按回车键确认所做的更改。
- 按“Esc”键取消更改，并继续以当前频率运行。
8. 将频率设置为 10 Hz。
- 按下绿色的“运行”按钮。
- 滚动至电压、电流和频率读数处，并记录其数值。
- 对以下频率重复上述步骤：25、45、60 和 70 Hz。
- 请注意，系统可能已设置最大频率限制，以防止用户超过 60 Hz，因此需通过“E2”菜单调整最大频率限制。
9. 注意，如果驱动器过载或出现故障：请按下红色的“停止”按钮，然后按下 >（向右箭头/复位）按钮。
表 1：主变频器设置
变频驱动器（Variable-frequency drives，简称VFD）是一种价格适中、可靠性高的控制器，能够调节感应电动机的转速以实现最佳性能。目前，VFD正逐渐成为驱动风机、泵、压缩机、钻机以及许多其他应用中从小型到大型电动机的标准设备。与直接将电机瞬间启动至全速的固定转速控制器不同，VFD可通过逐步提升转速至设定值，实现电机的软启动。软启动可消除高启动力矩和浪涌电流，降低机械应力，从而延长设备寿命并提高运行可靠性。此外，由于负载的力矩和功率分别随转速的平方和立方变化，因此即使对电机转速进行小幅调节，也能显著节约能源。本视频将演示变频驱动器的配置方法，以及其在三相交流感应电机控制中的应用。
交流感应电机仅包含两个主要部分：定子和转子，最常使用三相交流电源。通过定子线圈的三相电流产生一个定子磁场，该磁场以与交流电频率成正比的角速度旋转。此旋转的定子磁场带动转子转动。因此，电机转速与输入电源频率成正比。有关感应电机工作原理的更多信息，请观看 JoVE 科学教育视频：交流感应电机。若电机直接连接至三相市电电源，则其以固定转速运行，该转速由恒定的 60 赫兹线路频率决定。若需调节转速，则必须使用变频驱动器（VFD）供电。VFD 通过设定输出频率和电压来调节电机转速。首先，整流器将 60 赫兹的交流输入转换为直流电。然后，直流-交流逆变器采用脉宽调制技术，按特定模式周期性地接通和关断该直流电。最后，低通滤波器将脉冲序列转换为近似正弦波形，并在选定频率下生成交流输出功率，从而控制电机转速。正弦波形是必要的，因为大多数感应电机设计为使用市电交流电源。单相电机使用配备单相整流器和逆变器的 VFD，而三相电机则使用配备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。先进的 VFD 采用闭环或矢量控制，以实现对转速或转矩的良好调节。微处理器接收来自电机磁场和转矩的反馈信息，并根据控制算法持续调整 VFD 的输出功率。在电机额定电压及以下运行时，大多数 VFD 采用开环控制，即无反馈或调节地输出恒定驱动功率。在开环控制下，VFD 维持一个选定的电压与频率比值，该比值大致与定子磁场成正比，因而也与电机转速成正比。例如，若某电机额定值为 208 伏特和 60 赫兹，则其电压与频率比约为每赫兹 3.5 伏特。为降低电机转速，VFD 需降低频率，但同时也必须降低电压，以维持恒定的电压与频率比。因此，若 VFD 将电机驱动频率从 60 赫兹降至 30 赫兹，则电压也需按比例从 208 伏特降至 104 伏特，使电压与频率比仍保持为每赫兹 3.5 伏特。当电机在高于其额定频率下运行时，VFD 通常将输出电压限制在额定电压水平。此措施可避免绝缘材料和线圈承受过高的电压或电流。例如，额定值为 208 伏特和 60 赫兹的电机，其电压与频率比为每赫兹 3.5 伏特。若 VFD 通过将频率提升至 120 赫兹来提高该电机转速，它不会将输出电压相应提升至维持恒定电压频率比所需的 460 伏特；相反，VFD 会将其输出限制在额定的 208 伏特，以防止电机损坏。在已解释 VFD 基本原理后，接下来我们考察一个连接至三相交流感应电机的 VFD。本实验中，VFD 采用开环控制调节电机转速，并维持恒定的电压与频率比。
在三相电源关闭且调压器（Variac）设置为0%的情况下，将感应电动机的定子端子连接至变频驱动器（VFD）的输出端。从变频驱动器正面观察时，驱动输出连接器位于右侧。将调压器输入端连接至实验台上的三相插座。将调压器控制旋钮调节至75%，然后开启三相电源。在此调压器设置下，线间电压约为210伏。此时变频驱动器的主屏幕应亮起并显示F 000。本地/远程按钮允许用户选择频率控制方式：本地控制可通过按键操作变频驱动器，而远程控制则需通过模拟或数字通信实现。按下本地/远程按钮一次，使驱动器进入本地模式。将变频驱动器参数设置为表中所示数值。具体操作如下：使用方向键进入主屏幕上的频率菜单（字母F），然后将频率设置为10赫兹。为测量输入电动机的电压，请选择显示0.0V的菜单；为测量驱动电动机的电流，请向上滚动至显示0.00A的屏幕；为测量变频驱动器输出频率，请滚动至频率测量界面。按下绿色运行按钮以启动电动机。驱动器将自动输出所需电压，以维持预设为3.47的恒定电压/频率比。依次滚动查看电压、电流和频率的显示值，并记录其数值。若驱动器发生过载或故障，应先按下红色停止按钮，再按下复位按钮。使用频闪仪测量电动机的旋转速度：先调节粗调频率旋钮，使转轴看起来几乎静止，再调节细调频率旋钮，直至转轴看似完全静止。重复此过程，分别在25、45、60和70赫兹频率下进行测量。绘制电动机转速随频率变化的曲线图，以获得变频驱动器控制下电动机运行特性的图表。
变频驱动器可控制交流感应电动机的转速，能够降低机械应力，提高可靠性，并减少维护成本。此外，变频驱动器可使电动机在最佳转速下运行，从而提高能源效率。由于这些优势，变频驱动器在许多应用中都非常有用，例如调节风扇的转速。当集成到通风系统中时，此类风扇可根据手动或自动控制，在温度较高时提高风扇转速和空气流通，在温度较低时降低风扇转速。钻床、车床、铣床及类似设备均使用变频驱动器来控制其电动机。塑料加工需要低速切削，以防止烧焦或熔化，而钢铁等硬质金属则可承受高速切削，以提高工作效率。通过使用变频驱动器，加工设备更加多功能，能够更好地应对各种不同的工况。
您刚刚观看了 JoVE 关于交流感应电动机变频驱动器的介绍视频。现在，您应该了解了变频驱动器的工作原理，以及输入电源频率如何决定电机转速。感谢观看！
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Q1: How does a variable frequency drive control AC induction motor speed?
A VFD controls motor speed by adjusting the output frequency and voltage supplied to the motor. The drive converts 60 hertz AC input to DC power using a rectifier, then uses a DC to AC inverter with pulse width modulation to generate AC output at the desired frequency. Since motor speed is proportional to input power frequency, changing the frequency directly controls motor speed.
Q2: What is the voltage to frequency ratio and why is it important in VFD operation?
The voltage to frequency ratio, or V/f ratio, is the relationship between output voltage and frequency maintained by a VFD. This ratio is approximately proportional to the stator magnetic field and motor speed. By maintaining a constant V/f ratio, VFDs preserve motor performance and efficiency. For example, a motor rated at 208 volts and 60 hertz has a V/f ratio of 3.5 volts per hertz that must be maintained during speed adjustments.
Q3: What are the advantages of soft starting a motor with a VFD?
Soft starting gradually increases motor speed to the desired level instead of instantly turning it on to full speed. This eliminates high starting torques and surge currents, reducing mechanical stresses on equipment. Soft starts increase equipment life and reliability while decreasing maintenance costs. Additionally, adjusting motor speed even slightly can save considerable energy since load torque and power vary with the square and cube of speed respectively.
Q4: How does open loop control differ from closed loop vector control in VFDs?
Open loop control outputs constant drive power without feedback or adjustments, maintaining a preset V/f ratio for speed regulation. Closed loop, or vector control, uses a microprocessor that receives feedback about the motor's magnetic field and torque, then continually adjusts VFD power according to a control algorithm. Most VFDs use open loop control when operating motors at or below rated voltage for simplicity and cost-effectiveness.
Q5: What happens when a VFD operates a motor above its rated frequency?
When operating above rated frequency, VFDs restrict output to the motor's rated voltage to prevent damage. This precaution avoids exceeding voltage or current limits of the motor's insulation and coils. For example, a motor rated at 208 volts and 60 hertz would not receive 460 volts when frequency increases to 120 hertz; instead, the VFD limits output to the rated 208 volts while maintaining safe operating conditions.
Q6: What are common industrial applications of variable frequency drives?
VFDs are used in fans, pumps, compressors, drills, and machining equipment like drill presses, lathes, and milling machines. In ventilation systems, VFDs allow fans to respond to temperature controls by increasing speed when temperatures are high or decreasing speed when temperatures are low. For machining, VFDs enable equipment versatility by allowing low-speed operations for plastics to prevent charring and high-speed operations for hard metals like steel.
Q7: How does pulse width modulation in a VFD generate AC output power?
A DC to AC inverter uses pulse width modulation to switch DC power on and off in a specific pattern. A low pass filter then transforms this pulse stream into a roughly sinusoidal waveform, generating AC output power at the chosen frequency. The sinusoidal waveform is necessary because most induction motors are designed to operate with power from AC mains, requiring smooth AC output rather than pulsed DC.