Umrichtergespeiste Drehstrom-Induktionsmaschinen

Frequenzumrichter, auch VFDs genannt, sind erschwingliche, zuverlässige Steuerungen mit der Möglichkeit, die Drehzahl von Induktionsmotoren für eine optimale Leistung anzupassen. Frequenzumrichter werden zur Standardausrüstung für den Antrieb kleiner bis großer Motoren in Lüftern, Pumpen, Kompressoren, Bohrmaschinen und vielen anderen Anwendungen. Im Gegensatz zu Reglern mit fester Drehzahl, die einen Motor sofort auf volle Drehzahl einschalten, können Frequenzumrichter einen Motor sanft starten, indem sie die Drehzahl allmählich auf das gewünschte Niveau erhöhen. Sanftanläufe eliminieren hohe Anlaufdrehmomente und Stoßströme, reduzieren mechanische Belastungen und erhöhen die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Ausrüstung. Da das Drehmoment und die Leistung der Lasten mit dem Quadrat bzw. dem Würfel der Drehzahl variieren, kann durch die Anpassung der Motordrehzahl selbst um einen kleinen Betrag erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden. In diesem Video wird die Konfiguration eines Frequenzumrichters und seine Verwendung bei der Steuerung eines Drehstrom-Induktionsmotors demonstriert.

Ein Wechselstrom-Induktionsmotor besteht nur aus zwei Hauptteilen, dem Stator und dem Rotor, und verwendet am häufigsten dreiphasige Wechselstrom. Der Drehstrom durch die Statorspulen erzeugt ein Statormagnetfeld, das sich mit einer Winkelgeschwindigkeit proportional zur Wechselfrequenz dreht. Dieses Statormagnetfeld dreht den Rotor. Infolgedessen ist die Motordrehzahl proportional zur Eingangsleistungsfrequenz. Weitere Informationen zum Betrieb des Induktionsmotors finden Sie im JoVE Science Education-Video: AC-Induktionsmotoren. Wird der Motor direkt an das Drehstromnetz angeschlossen, arbeitet er mit einer festen Drehzahl, die durch die konstante Netzfrequenz von 60 Hertz bestimmt wird. Für die einstellbare Drehzahl muss ein Frequenzumrichter (VFD) die Leistung bereitstellen. Frequenzumrichter passen die Motordrehzahl an, indem sie die Ausgangsfrequenz und -spannung einstellen. Zunächst wandelt ein Gleichrichter den 60-Hertz-AC-Eingang in Gleichstrom um. Dann verwendet ein DC-AC-Wechselrichter eine Pulsweitenmodulation, um diesen Gleichstrom in einem bestimmten Muster ein- und auszuschalten. Schließlich wandelt ein Tiefpassfilter den Impulsstrom in eine annähernd sinusförmige Wellenform um und erzeugt Wechselstrom-Ausgangsleistung bei der gewählten Frequenz, die die Motordrehzahl bestimmt. Eine sinusförmige Wellenform ist notwendig, da die meisten Induktionsmotoren für die Verwendung von Strom aus dem Wechselstromnetz ausgelegt sind. Einphasige Motoren verwenden Frequenzumrichter mit einphasigen Gleichrichtern und Wechselrichtern, und dreiphasige Motoren verwenden Frequenzumrichter mit dreiphasigen Gleichrichtern und Wechselrichtern. Weitere Informationen zu Gleichrichtern und Wechselrichtern finden Sie in den JoVE Science Education-Videos: Einphasige Gleichrichter und einphasige Wechselrichter. Fortschrittliche Frequenzumrichter verwenden einen geschlossenen Regelkreis oder eine Vektorsteuerung für eine gute Regelung der Drehzahl oder des Drehmoments. Ein Mikroprozessor erhält eine Rückmeldung über das Magnetfeld und das Drehmoment des Motors und passt die Leistung des Frequenzumrichters kontinuierlich gemäß einem Regelalgorithmus an. Wenn ein Motor mit oder unter seiner Nennspannung betrieben wird, verwenden die meisten Frequenzumrichter einen offenen Regelkreis, um einfach eine konstante Antriebsleistung ohne Rückkopplung oder Anpassungen auszugeben. Bei der Regelung im offenen Regelkreis behalten Frequenzumrichter ein gewähltes Spannungs-Frequenz-Verhältnis bei, das ungefähr proportional zum Statormagnetfeld und daher auch proportional zur Motordrehzahl ist. Wenn ein Motor beispielsweise für 208 Volt und 60 Hertz ausgelegt ist, beträgt das Verhältnis von Spannung zu Frequenz etwa 3,5 Volt pro Hertz. Um die Motordrehzahl zu reduzieren, reduziert der Frequenzumrichter die Frequenz, muss aber auch die Spannung reduzieren, um ein konstantes Spannungs-Frequenz-Verhältnis aufrechtzuerhalten. Wenn der Frequenzumrichter den Motor also mit 30 Hertz statt mit 60 Hertz antreibt, senkt er die Spannung proportional von 208 Volt auf 104 Volt, und das Spannungs-Frequenz-Verhältnis bleibt bei 3,5 Volt pro Hertz. Beim Betrieb eines Motors oberhalb seiner Nennfrequenz beschränken Frequenzumrichter die Ausgangsleistung in der Regel auf die Nennspannung. Diese Vorsichtsmaßnahme vermeidet das Überschreiten von Spannungs- oder Stromgrenzen der Isolierung und der Spulen. So hat der Motor mit einer Nennspannung von 208 Volt und 60 Hertz ein Spannungs-Frequenz-Verhältnis von 3,5 Volt pro Hertz. Ein Frequenzumrichter, der die Drehzahl dieses Motors erhöht, indem er die Frequenz auf 120 Hertz erhöht, würde die Ausgangsleistung nicht auf 460 Volt erhöhen, wie es für ein konstantes Spannungs-Frequenz-Verhältnis erforderlich ist. Stattdessen würde der Frequenzumrichter seine Leistung auf die Nennspannung von 208 Volt begrenzen, um Schäden am Motor zu vermeiden. Nachdem nun die Grundlagen von Frequenzumrichtern erläutert wurden, untersuchen wir einen Frequenzumrichter, der mit einem dreiphasigen Wechselstrom-Induktionsmotor verbunden ist. In diesem Experiment arbeitet der Frequenzumrichter mit einem offenen Regelkreis für die Motordrehzahl und einem konstanten Spannungs-Frequenz-Verhältnis.

Wenn die dreiphasige Stromversorgung ausgeschaltet und der Variac auf 0 % eingestellt ist, schließen Sie die Statorklemmen des Induktionsmotors an den Ausgang des Frequenzumrichters an. Von der Vorderseite des Frequenzumrichters betrachtet, befinden sich die Anschlüsse für den Antriebsausgang auf der rechten Seite. Verbinden Sie den Variac-Eingang mit der dreiphasigen Steckdose auf dem Labortisch. Stellen Sie den Drehknopf des Variac auf 75 % und schalten Sie den Drehstrom ein. Bei dieser Variac-Einstellung beträgt die Netzspannung ca. 210 Volt. Nun sollte der Hauptbildschirm des Frequenzumrichters aufleuchten und F 000 anzeigen. Mit der lokalen Fernbedienungstaste kann der Benutzer die Methode der Frequenzauswahl auswählen. Die lokale Steuerung ermöglicht die Verwendung der Tastatur zur Bedienung des Frequenzumrichters. Während die Fernbedienung eine analoge oder digitale Kommunikation erfordert, drücken Sie einmal die lokale Fernbedienungstaste, um das Laufwerk in den lokalen Modus zu versetzen. Legen Sie die VFD-Umfänge auf die in der Tabelle gezeigten fest. Stellen Sie dazu die Motordrehzahl ein, indem Sie mit den Pfeiltasten das Frequenzmenü mit dem Buchstaben F auf dem Hauptbildschirm aufrufen. Stellen Sie dann die Frequenz auf 10 Hertz ein. Um die Eingangsspannung des Motors zu messen, wählen Sie das Menü mit der Anzeige von 0,0 V. Um den Strom zu messen, der den Motor antreibt, scrollen Sie nach oben zu dem Bildschirm, der 0,00 A anzeigt. Um die Frequenzumrichterfrequenz zu messen, scrollen Sie zum Bildschirm für die Frequenzmessung. Drücken Sie die grüne Run-Taste, um den Motor zu starten. Der Frequenzumrichter gibt automatisch die notwendige Spannung aus, um ein konstantes Spannungs-Frequenz-Verhältnis aufrechtzuerhalten, das auf 3,47 voreingestellt ist. Scrollen Sie zu den Anzeigen von Spannung, Strom und Frequenz und notieren Sie deren Werte. Wenn das Laufwerk überlastet oder defekt ist, drücken Sie die rote Stopp-Taste und dann die Reset-Taste. Verwenden Sie ein Blitzlicht, um die Drehzahl des Motors zu messen. Stellen Sie den Kursfrequenzregler ein, bis die Welle fast stationär aussieht, und stellen Sie dann den Feinfrequenzregler ein, bis die Welle bewegungslos aussieht. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die Frequenzen 25, 45, 60 und 70 Hertz. Plotten Sie die Motordrehzahl in Abhängigkeit von der Frequenz, um ein Diagramm des Motorverhaltens unter Kontrolle des Frequenzumrichters zu erhalten.

Frequenzumrichter steuern die Drehzahl von AC-Induktionsmotoren und können mechanische Belastungen reduzieren, die Zuverlässigkeit erhöhen und die Wartungskosten senken. Darüber hinaus ermöglichen Frequenzumrichter den Betrieb von Motoren mit einer optimalen Drehzahl, um die Energieeffizienz zu verbessern. Aufgrund dieser Vorteile sind Frequenzumrichter in vielen Anwendungen nützlich, z. B. bei der Einstellung der Drehzahl eines Lüfters. Wenn sie in ein Lüftungssystem integriert sind, können Ventilatoren auf manuelle oder automatische Steuerungen reagieren, die die Lüfterdrehzahl und Luftzirkulation bei hohen Temperaturen erhöhen oder die Lüfterdrehzahl bei niedrigen Temperaturen verringern. Bohrmaschinen, Verlegemaschinen, Fräsmaschinen und ähnliche Geräte verwenden Frequenzumrichter zur Steuerung ihrer Motoren. Kunststoffe erfordern eine Bearbeitung mit niedriger Geschwindigkeit, um Verkohlung oder Schmelzen zu verhindern, während Hartmetalle wie Stahl eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung für ein schnelleres Arbeiten tolerieren. Mit Frequenzumrichtern sind Bearbeitungsmaschinen vielseitiger und besser in der Lage, eine Vielzahl von Situationen zu bewältigen.

Sie haben gerade JoVEs Einführung in Frequenzumrichter für AC-Induktionsmotoren gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie Frequenzumrichter funktionieren und wie die Eingangsfrequenz die Motordrehzahl bestimmt. Danke fürs Zuschauen!