מכונת אינדוקציה AC הניזונה מ- VFD
מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT.
כונני תדר משתנה (VFDs) הם סוג של כונן מהירות מתכוונן, אשר הופכים ציוד סטנדרטי כדי…
1. ודאו שמתג הניתוק תלת-פאזי כבוי.
2. בדוק כי VARIAC הוא ב 0%.
3. בצע את החיבורים הבאים במסופי המכונה וה- VARIAC:
- חבר את מסופי הסטטור של מכונת האינדוקציה לפלט הכונן (מחברים בצד ימין, בעת התבוננות בחלק הקדמי של הכונן).
- חבר את קלט הכונן (קבוצה שמאלית של מחברים, בעת התבוננות בחלק הקדמי של הכונן) לפלט VARIAC.
- חבר את קלט VARIAC לכלי הקיבול תלת-פאזי על הספסל.
- לפני הפעלת החשמל, הפעל את החוגה ב- VARIAC עד 75%. זה מתחיל את הכונן על 210 V קו לקו מאוחר יותר בניסוי.
- הפעל את מתג הניתוק המשולש. המסך הראשי ב- VFD צריך להפעיל ולהציג "F000".
4. לחץ על כפתור "Lo/Re" פעם אחת כדי להעביר את הכונן למצב מקומי - התאורה האדומה על כפתור זה צריכה להיות דולקת.
- לחצן "Lo/Re" מאפשר למשתמש לבצע בחירה בין הגדרת התדירות המקומית (Lo) לבין הגדרת התדירות המרוחקת (Re).
- המשתמש מסוגל לשנות את התדירות (ו), והכונן מגדיר באופן אוטומטי את המתח המתאים (V) כדי לשמור על יחס V / f קבוע.
5. ודא כי פרמטרי הכונן זהים לאלה המוצגים בטבלה 1.
6. כדי לבצע מדידות מתח, זרם ותדירות בסיסיות:
- מחזור דרך התפריט ולמצוא את התצוגה עם "0.0u" אחריו - זה מציג את מדידת המתח מוזן למנוע.
- משם, גלול למעלה פעם אחת למסך שכתוב עליו "0.00A" - פעולה זו מציגה את המדידה הנוכחית כאשר הכונן פועל.
- המסך הבא למעלה מזה קורא "0.00" - זוהי מדידת התדירות.
7. כדי להגדיר תדר פלט שונה, ובכך להגדיר מהירות מנוע שונה מאז מהירות ותדירות חשמלית הם פרופורציונליים:
- חזור למסך הראשי וחפש את האות F.
- שנה את התדירות על-ידי הקשה על Enter ולאחר מכן טיפול בערך באמצעות החצים למעלה ולמטה.
- השתמש בלחצן > (חץ/איפוס ימינה) כדי לשנות בין עמודת הערכים.
- חוקק שינויים כלשהם על-ידי הקשה על Enter.
- בטל שינויים והמשיך לפעול בתדירות הנוכחית על-ידי הקשה על "Esc".
8. הגדר את התדר ל-10 הרץ.
- לחץ על הכפתור הירוק "רוץ".
- גלול אל קריאות המתח, הזרם והתדירות ורשום את הערכים שלהן.
- חזור על הפעולה עבור התדרים הבאים: 25, 45, 60 ו- 70 הרץ.
- שים לב שייתכן שמגבלת תדירות מרבית הוגדרה כדי למנוע מהמשתמש לחרוג מ- 60 הרץ, לכן התאם את מגבלת התדירות המרבית מתפריט "E2".
9. שים לב שאם הכונן מעמיס או תקלות: לחץ על כפתור "עצור" האדום ולאחר מכן לחץ על לחצן > (חץ/איפוס ימינה).
טבלה 1: הגדרות VFD ראשיות
כוננים בתדר משתנה, הידועים גם בשם VFD, הם בקרים אמינים ומשתלמים עם יכולת להתאים את המהירות של מנועי אינדוקציה לביצועים מיטביים. VFDs הופכים לציוד סטנדרטי להפעלת מנועים קטנים עד גדולים במאווררים, משאבות, מדחסים, מקדחות ויישומים רבים אחרים. בניגוד לבקרי מהירות קבועה, שמפעילים מנוע באופן מיידי למהירות מלאה, VFDs יכולים להתניע מנוע על ידי הגדלה הדרגתית של המהירות לרמה הרצויה. התחלות רכות מבטלות מומנטי התנעה גבוהים וזרמי נחשול, מפחיתות מתחים מכניים ומגדילות את חיי הציוד והאמינות. יתר על כן, מכיוון שהעומסים, המומנט וההספק משתנים בהתאם לריבוע ולקוביית המהירות בהתאמה, התאמת מהירות המנוע אפילו בכמות קטנה יכולה לחסוך אנרגיה ניכרת. סרטון זה ידגים את התצורה של כונן בתדר משתנה ואת השימוש בו בשליטה במנוע אינדוקציה AC תלת פאזי.
למנוע אינדוקציה AC יש רק שני חלקים עיקריים, הסטטור והרוטור, ולרוב משתמש במתח AC תלת פאזי. זרם תלת פאזי דרך סלילי הסטטור מייצר שדה מגנטי של סטטור, המסתובב במהירות זוויתית פרופורציונלית לתדר AC. שדה מגנטי סטטור זה מסובב את הרוטור. כתוצאה מכך, מהירות המנוע פרופורציונלית לתדר הספק הכניסה. למידע נוסף על פעולת מנוע האינדוקציה, אנא צפו בסרטון החינוך המדעי של JoVE: מנועי אינדוקציה AC. אם המנוע מחובר ישירות לחשמל תלת פאזי, הוא פועל במהירות קבועה הנקבעת על ידי תדר הקו הקבוע של 60 הרץ. למהירות מתכווננת, כונן בתדר משתנה, או VFD, חייב לספק את הכוח. VFDs מכוונים את מהירות המנוע על ידי הגדרת תדר המוצא והמתח. ראשית, מיישר ממיר את כניסת AC של 60 הרץ להספק DC. לאחר מכן, מהפך DC ל-AC משתמש באפנון רוחב פולס כדי להפעיל ולכבות את מתח ה-DC הזה בדפוס מסוים. לבסוף, מסנן מעביר נמוך הופך את זרם הפולסים לצורת גל סינוסואידלי בערך ומייצר הספק פלט AC בתדר הנבחר, השולט במהירות המנוע. צורת גל סינוסואידלית נחוצה מכיוון שרוב מנועי האינדוקציה נועדו להשתמש בחשמל מרשת AC. מנועים חד פאזיים משתמשים ב-VFD עם מיישרים וממירים חד פאזיים, ומנועים תלת פאזיים משתמשים ב-VFD עם מיישרים וממירים תלת פאזיים. למידע נוסף על מיישרים וממירים, אנא צפו בסרטוני החינוך המדעי של JoVE: מיישרים חד פאזיים וממירים חד פאזיים. VFDs מתקדמים השתמשו בלולאה סגורה, או בקרת וקטור, לוויסות טוב של מהירות או מומנט. מיקרו-מעבד מקבל משוב על השדה המגנטי והמומנט של המנועים, ומתאים באופן רציף את הספק ה-VFD על פי אלגוריתם בקרה. בעת הפעלת מנוע במתח הנקוב שלו או מתחתיו, רוב רכיבי ה-VFD משתמשים בבקרת חוג-פתוח כדי פשוט להוציא הספק דחיפה קבוע ללא משוב או התאמות. עם בקרת חוג פתוח, VFD שומרים על יחס מתח לתדר נבחר, שהוא פרופורציונלי בקירוב לשדה המגנטי של הסטטור, ולכן גם פרופורציונלי למהירות המנוע. לדוגמה, אם מנוע מדורג ב-208 וולט ו-60 הרץ, אז יחס המתח לתדר הוא כ-3.5 וולט להרץ. כדי להפחית את מהירות המנוע, ה-VFD מפחית את התדר, אך חייב גם להפחית את המתח כדי לשמור על יחס מתח-תדר קבוע. לכן, אם ה-VFD מניע את המנוע ב-30 הרץ במקום 60 הרץ, הוא מקטין את המתח באופן פרופורציונלי ל-104 וולט מ-208 וולט, ויחס המתח לתדר נשאר 3.5 וולט להרץ. בעת הפעלת מנוע מעל התדר הנקוב שלו, VFD בדרך כלל מגבילים את היציאה למתח הנקוב. אמצעי זהירות זה מונע חריגה ממגבלות המתח או הזרם של הבידוד והסלילים. לדוגמה, למנוע בדירוג של 208 וולט ו- 60 הרץ יש יחס מתח לתדר של 3.5 וולט להרץ. VFD המגביר את המהירות של מנוע זה על ידי הגדלת התדר ל-120 הרץ, לא יגדיל את הפלט ל-460 וולט כנדרש עבור יחס מתח-תדר קבוע. במקום זאת, ה-VFD יגביל את הפלט שלו ל-208 וולט הנקוב כדי למנוע נזק למנוע. כעת, לאחר שהוסברו היסודות של VFD, בואו נבחן VFD המחובר למנוע אינדוקציה AC תלת פאזי. בניסוי זה, ה- VFD פועל עם בקרת חוג פתוח של מהירות המנוע ויחס מתח לתדר קבוע.
כאשר החשמל התלת פאזי כבוי וה-Variac מוגדר ל-0%, חבר את מסופי הסטטור של מנועי האינדוקציה ליציאת כונן ה-VFD. כאשר view מהחלק הקדמי של ה-VFD, מחברי יציאת הכונן נמצאים בצד ימין. חבר את כניסת Variac לשקע התלת פאזי שעל הספסל. כוונן את כפתור הבקרה של ה-Variac ל-75% והפעל את הכוח התלת פאזי. עם הגדרת Variac זו, מתח הקו לקו הוא כ-210 וולט. כעת המסך הראשי של ה- VFD אמור להידלק ולהציג F 000. כפתור השלט המקומי מאפשר למשתמש לבחור את שיטת בחירת התדרים. שליטה מקומית מאפשרת שימוש בלוח המקשים להפעלת ה-VFD. בעוד ששלט רחוק דורש תקשורת אנלוגית או דיגיטלית, לחץ פעם אחת על לחצן השלט המקומי כדי להעביר את הכונן למצב מקומי. הגדר את היקפי ה- VFD לאלה המוצגים בטבלה. לשם כך, הגדר את מהירות המנוע באמצעות מקשי החצים כדי להגיע לתפריט התדרים, האות F במסך הראשי. לאחר מכן הגדר את התדר ל -10 הרץ. כדי למדוד את כניסת המתח למנוע, בחר בתפריט עם התצוגה של 0.0v. כדי למדוד את הזרם המניע את המנוע, גלול למעלה אל המסך שקורא 0.00A. כדי למדוד את תדר ה-VFD, גלול למסך מדידת התדרים. לחץ על כפתור ההפעלה הירוק כדי להפעיל את המנוע. הכונן מוציא אוטומטית את המתח הדרוש כדי לשמור על יחס מתח לתדר קבוע, המוגדר מראש ל-3.47. גלול לתצוגות המתח, הזרם והתדר, ורשום את הערכים שלהם. אם הכונן עמוס יתר על המידה או מתקלקל, לחץ על לחצן העצירה האדום ולאחר מכן לחץ על לחצן האיפוס. השתמש בנורת strobe כדי למדוד את מהירות סיבוב המנועים. כוונן את כפתור תדר המסלול עד שהפיר נראה כמעט נייח, ולאחר מכן כוונן את כפתור התדר העדין עד שהפיר נראה ללא תנועה. חזור על הליך זה עבור תדרים 25, 45, 60 ו-70 הרץ. שרטט את מהירות המנוע לעומת התדר כדי לקבל גרף של התנהגות המנוע בשליטה של כונן התדר המשתנה.
כוננים בתדר משתנה שולטים במהירות של מנועי אינדוקציה AC, ויכולים להפחית מתחים מכניים, להגביר את האמינות ולהפחית את עלויות התחזוקה. בנוסף, VFD מאפשרים הפעלת מנועים במהירות אופטימלית לשיפור הנצילות האנרגטית. בגלל היתרונות הללו, VFDs שימושיים ביישומים רבים, כגון התאמת מהירות המאוורר. כאשר הם משולבים במערכת אוורור, מאווררים כאלה יכולים להגיב לפקדים ידניים או אוטומטיים שמגבירים את מהירות המאוורר ואת זרימת האוויר כאשר הטמפרטורות גבוהות, או מפחיתים את מהירות המאוורר כאשר הטמפרטורות נמוכות. מקדחות, מכונות, מכונות כרסום וציוד דומה משתמשים ב-VFD כדי לשלוט במנועים שלהם. פלסטיק דורש עיבוד במהירות נמוכה כדי למנוע חריכה או התכה, בעוד שמתכות קשות כמו פלדה סובלות עיבוד במהירות גבוהה לעבודה מהירה יותר. עם VFD, ציוד עיבוד שבבי הוא תכליתי יותר ומסוגל להתמודד טוב יותר עם מגוון רחב של מצבים.
זה עתה צפיתם במבוא של JoVE לכונני תדרים משתנים עבור מנועי אינדוקציה AC. כעת עליך להבין כיצד פועלים VFDs, וכיצד תדר הספק הכניסה קובע את מהירות המנוע. תודה שצפית!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.