Macchina a induzione CA alimentata da azionamento a frequenza variabile (VDF)

Gli azionamenti a frequenza variabile, noti anche come VFD, sono controller convenienti e affidabili con la capacità di regolare la velocità dei motori a induzione per ottenere prestazioni ottimali. I VFD stanno diventando apparecchiature standard per l'alimentazione di motori di piccole e grandi dimensioni in ventilatori, pompe, compressori, trapani e molte altre applicazioni. A differenza dei regolatori di velocità fissi, che accendono istantaneamente un motore alla massima velocità, i VFD possono avviare gradualmente un motore aumentando gradualmente la velocità fino al livello desiderato. Gli avviamenti graduali eliminano le coppie di avviamento elevate e le correnti di picco, riducono le sollecitazioni meccaniche e aumentano la durata e l'affidabilità delle apparecchiature. Inoltre, poiché la coppia e la potenza dei carichi variano rispettivamente con il quadrato e il cubo della velocità, la regolazione della velocità del motore anche di una piccola quantità può far risparmiare una notevole quantità di energia. Questo video mostrerà la configurazione di un convertitore di frequenza e il suo utilizzo nel controllo di un motore asincrono trifase.

Un motore a induzione CA ha solo due parti principali, lo statore e il rotore, e più comunemente utilizza l'alimentazione CA trifase. La corrente trifase attraverso le bobine dello statore genera un campo magnetico dello statore, che ruota con una velocità angolare proporzionale alla frequenza CA. Questo campo magnetico dello statore fa girare il rotore. Di conseguenza, la velocità del motore è proporzionale alla frequenza di alimentazione in ingresso. Per ulteriori informazioni sul funzionamento del motore a induzione, guardare il video JoVE Science Education: Motori a induzione CA. Se il motore è collegato direttamente alla rete elettrica trifase, funziona a una velocità fissa determinata dalla frequenza di linea costante di 60 hertz. Per la velocità regolabile, l'alimentazione deve essere fornita da un convertitore di frequenza, o VFD. I VFD regolano la velocità del motore impostando la frequenza e la tensione di uscita. Innanzitutto, un raddrizzatore converte l'ingresso CA a 60 hertz in alimentazione CC. Quindi, un inverter da CC a CA utilizza la modulazione dell'ampiezza dell'impulso per accendere e spegnere questa alimentazione CC in un particolare schema. Infine, un filtro passa-basso trasforma il flusso di impulsi in una forma d'onda approssimativamente sinusoidale e genera la potenza di uscita CA alla frequenza scelta, che governa la velocità del motore. Una forma d'onda sinusoidale è necessaria perché la maggior parte dei motori a induzione sono progettati per utilizzare l'alimentazione dalla rete CA. I motori monofase utilizzano VFD con raddrizzatori e inverter monofase, mentre i motori trifase utilizzano VFD con raddrizzatori trifase e inverter. Per ulteriori informazioni su raddrizzatori e inverter, guarda i video di JoVE Science Education: Raddrizzatori monofase e Inverter monofase. I VFD avanzati utilizzavano un circuito chiuso, o controllo vettoriale, per una buona regolazione della velocità o della coppia. Un microprocessore riceve un feedback sul campo magnetico e sulla coppia del motore e regola continuamente la potenza del VFD in base a un algoritmo di controllo. Quando si fa funzionare un motore a una tensione nominale pari o inferiore, la maggior parte dei VFD utilizza il controllo ad anello aperto per erogare semplicemente una potenza di azionamento costante senza feedback o regolazioni. Con il controllo ad anello aperto, i VFD mantengono un rapporto tensione/frequenza scelto, che è approssimativamente proporzionale al campo magnetico dello statore e quindi anche proporzionale alla velocità del motore. Ad esempio, se un motore ha una tensione nominale di 208 volt e 60 hertz, il rapporto tensione/frequenza è di circa 3,5 volt per hertz. Per ridurre la velocità del motore, il VFD riduce la frequenza, ma deve anche ridurre la tensione per mantenere un rapporto tensione/frequenza costante. Pertanto, se il VFD aziona il motore a 30 hertz invece di 60 hertz, diminuisce la tensione proporzionalmente a 104 volt da 208 volt e il rapporto tensione/frequenza rimane di 3,5 volt per hertz. Quando si fa funzionare un motore al di sopra della sua frequenza nominale, i VFD di solito limitano l'uscita alla tensione nominale. Questa precauzione evita di superare i limiti di tensione o corrente dell'isolamento e delle bobine. Ad esempio, il motore con una tensione nominale di 208 volt e 60 hertz ha un rapporto tensione/frequenza di 3,5 volt per hertz. Un VFD che aumenta la velocità di questo motore aumentando la frequenza a 120 hertz, non aumenterebbe l'uscita a 460 volt come richiesto per un rapporto tensione/frequenza costante. Invece, il VFD limiterebbe la sua uscita ai 208 volt nominali per evitare danni al motore. Ora che le basi dei VFD sono state spiegate, esaminiamo un VFD collegato a un motore a induzione CA trifase. In questo esperimento, il VFD funziona con un controllo ad anello aperto della velocità del motore e un rapporto tensione/frequenza costante.

Con l'alimentazione trifase spenta e il Variac impostato su 0%, collegare i terminali dello statore dei motori asincroni all'uscita dell'azionamento VFD. Se visti dalla parte anteriore del VFD, i connettori di uscita dell'unità si trovano sul lato destro. Collegare l'ingresso Variac alla presa trifase sul banco. Regolare la manopola di controllo del Variac al 75% e accendere l'alimentazione trifase. Con questa impostazione Variac, la tensione da linea a linea è di circa 210 volt. Ora la schermata principale del VFD dovrebbe illuminarsi e visualizzare F 000. Il pulsante del telecomando locale consente all'utente di selezionare il metodo di selezione della frequenza. Il controllo locale consente l'uso della tastiera per azionare il VFD. Sebbene il controllo remoto richieda comunicazioni analogiche o digitali, premere una volta il pulsante del telecomando locale per mettere l'unità in modalità locale. Impostare i perimetri VFD su quelli mostrati nella tabella. Per fare ciò, impostare la velocità del motore utilizzando i tasti freccia per accedere al menu della frequenza, lettera F nella schermata principale. Quindi impostare la frequenza su 10 hertz. Per misurare la tensione in ingresso al motore, selezionare il menu con il display di 0,0 v. Per misurare la corrente che aziona il motore, scorrere verso l'alto fino alla schermata che legge 0.00A. Per misurare la frequenza del VFD, scorrere fino alla schermata di misurazione della frequenza. Premere il pulsante verde di corsa per avviare il motore. L'azionamento emette automaticamente la tensione necessaria per mantenere un rapporto tensione/frequenza costante, preimpostato su 3,47. Scorrere fino ai display di tensione, corrente e frequenza e registrare i relativi valori. In caso di sovraccarico o guasto dell'unità, premere il pulsante rosso di arresto e quindi premere il pulsante di ripristino. Utilizzare una luce stroboscopica per misurare la velocità di rotazione dei motori. Regolare la manopola della frequenza di rotta fino a quando l'albero non sembra quasi fermo, quindi regolare la manopola della frequenza fine fino a quando l'albero non sembra immobile. Ripetere questa procedura per le frequenze 25, 45, 60 e 70 hertz. Tracciare la velocità del motore in funzione della frequenza per ottenere un grafico del comportamento del motore sotto il controllo dell'azionamento a frequenza variabile.

Gli azionamenti a frequenza variabile controllano la velocità dei motori asincroni CA e possono ridurre le sollecitazioni meccaniche, aumentare l'affidabilità e diminuire i costi di manutenzione. Inoltre, i VFD consentono il funzionamento dei motori a una velocità ottimale per migliorare l'efficienza energetica. A causa di questi vantaggi, i VFD sono utili in molte applicazioni, come la regolazione della velocità di un ventilatore. Se incorporate in un sistema di ventilazione, ventole come questa possono rispondere a controlli manuali o automatici che aumentano la velocità della ventola e la circolazione dell'aria quando le temperature sono elevate o diminuiscono la velocità della ventola quando le temperature sono basse. Trapani a colonna, laid, fresatrici e attrezzature simili utilizzano VFD per controllare i loro motori. Le materie plastiche richiedono una lavorazione a bassa velocità per evitare la carbonizzazione o la fusione, mentre i metalli duri come l'acciaio tollerano la lavorazione ad alta velocità per un lavoro più veloce. Con i VFD, le attrezzature di lavorazione sono più versatili e in grado di gestire meglio un'ampia gamma di situazioni.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE agli azionamenti a frequenza variabile per motori a induzione CA. Ora dovresti capire come funzionano i VFD e come la frequenza di alimentazione in ingresso determina la velocità del motore. Grazie per l'attenzione!