VFD 給電 AC 誘導機

可変周波数ドライブは、VFDとも呼ばれ、誘導モーターの速度を調整して最適なパフォーマンスを実現する機能を備えた、手頃な価格で信頼性の高いコントローラーです。VFDは、ファン、ポンプ、コンプレッサー、ドリル、その他多くのアプリケーションで小型から大型のモーターに電力を供給するための標準装備になりつつあります。モーターを瞬時にフルスピードにオンにする固定速度コントローラーとは異なり、VFDは、速度を目的のレベルまで徐々に上げることでモーターをソフトスタートできます。ソフトスタートは、高い始動トルクとサージ電流を排除し、機械的ストレスを低減し、機器の寿命と信頼性を向上させます。また、負荷トルクと動力はそれぞれ速度の二乗と三乗で異なるため、モータの速度を少しでも調整することで、かなりのエネルギーを節約できます。このビデオでは、可変周波数ドライブの構成と、三相AC誘導モーターの制御におけるその使用について説明します。

AC誘導電動機には、固定子と回転子の2つの主要部品しかなく、最も一般的には三相AC電源を使用します。固定子コイルを流れる三相電流は固定子磁場を生成し、AC周波数に比例した角速度で回転します。この固定子磁場が回転子を回転させます。その結果、モーター速度は入力電力周波数に比例します。誘導電動機の動作の詳細については、JoVE科学教育のビデオ「AC誘導電動機」をご覧ください。モーターが三相主電源に直接接続されている場合、モーターは一定の60ヘルツのライン周波数によって決定される固定速度で動作します。速度を調整するには、可変周波数ドライブ(VFD)が電力を供給する必要があります。VFDは、出力周波数と電圧を設定することにより、モーター速度を調整します。まず、整流器が60ヘルツのAC入力をDC電源に変換します。次に、DC-ACインバータはパルス幅変調を使用して、このDC電源を特定のパターンでオン/オフします。最後に、ローパスフィルタは、パルスストリームをほぼ正弦波の波形に変換し、選択した周波数でAC出力電力を生成し、モーター速度を制御します。ほとんどの誘導電動機はAC主電源からの電力を使用するように設計されているため、正弦波波形が必要です。単相モーターは単相整流器とインバーターを備えたVFDを使用し、三相モーターは三相整流器とインバーターを備えたVFDを使用します。整流器とインバータの詳細については、JoVE科学教育のビデオ「単相整流器と単相インバータ」をご覧ください。高度なVFDは、速度またはトルクを適切に調整するために、閉ループまたはベクトル制御を使用していました。マイクロプロセッサは、モーターの磁場とトルクに関するフィードバックを受け取り、制御アルゴリズムに従ってVFD電力を継続的に調整します。定格電圧以下でモータを動作させる場合、ほとんどのVFDは開ループ制御を使用して、フィードバックや調整なしで一定の駆動電力を出力します。オープンループ制御により、VFDは、ステータの磁場にほぼ比例し、したがってモータ速度にも比例する、選択された電圧対周波数比を維持します。たとえば、モーターの定格が208ボルトと60ヘルツの場合、電圧と周波数の比率はヘルツあたり約3.5ボルトです。モーター速度を下げるために、VFDは周波数を下げますが、電圧と周波数の比率を一定に保つために電圧も下げる必要があります。したがって、VFDがモーターを60ヘルツではなく30ヘルツで駆動すると、電圧は208ボルトから104ボルトに比例して減少し、電圧と周波数の比率はヘルツあたり3.5ボルトのままです。定格周波数を超えてモーターを動作させる場合、VFDは通常、出力を定格電圧に制限します。この予防措置により、絶縁体とコイルの電圧または電流の制限を超えないようにします。たとえば、定格が 208 ボルト、60 ヘルツのモーターの電圧対周波数比は 3.5 ボルト/ヘルツです。周波数を120ヘルツに上げることでこのモーターの速度を上げるVFDは、一定の電圧対周波数比に必要な出力を460ボルトに増加させません。代わりに、VFDはモーターの損傷を防ぐために、出力を定格208ボルトに制限します。VFDの基本を説明したところで、次は三相交流誘導電動機に接続されたVFDについて見ていきましょう。この実験では、VFDはモーター速度の開ループ制御と一定の電圧対周波数比で動作します。

三相電源をオフにし、バリアックを0%に設定した状態で、誘導モーターの固定子端子をVFDドライブ出力に接続します。VFDの正面から見ると、ドライブ出力コネクタは右側にあります。Variac入力をベンチの三相レセプタクルに接続します。バリアックのコントロールノブを75%に調整し、三相電源をオンにします。このバリアック設定では、ライン間電圧は約 210 ボルトです。これで、VFDのメイン画面が点灯し、F000が表示されます。ローカルリモートボタンを使用すると、ユーザーは周波数選択の方法を選択できます。ローカルコントロールにより、キーパッドを使用してVFDを操作できます。リモートコントロールにはアナログ通信またはデジタル通信が必要ですが、ローカルリモートボタンを1回押すと、ドライブがローカルモードになります。VFD の周囲を表に示されている範囲に設定します。これを行うには、矢印キーを使用してモーター速度を設定し、メイン画面の周波数メニュー(文字F)にアクセスします。次に、周波数を 10 ヘルツに設定します。電圧を測定するにはtageモーターに入力される、0.0vのディスプレイでメニューを選択します。モーターを駆動する電流を測定するには、0.00Aと表示されている画面までスクロールします。VFD周波数を測定するには、周波数測定画面までスクロールします。緑色の実行ボタンを押して、モーターを始動します。このドライブは、3.47にプリセットされた一定の電圧対周波数比を維持するために必要な電圧を自動的に出力します。電圧、電流、および周波数の表示までスクロールし、それらの値を記録します。ドライブが過負荷または故障した場合は、赤い停止ボタンを押してから、リセットボタンを押します。ストロボライトを使用して、モーターの回転速度を測定します。シャフトがほぼ静止しているように見えるまでコース周波数ノブを調整し、次にシャフトが動かなくなるまで細かい周波数ノブを調整します。周波数 25、45、60、および 70 ヘルツに対してこの手順を繰り返します。モーター速度と周波数をプロットして、可変周波数ドライブの制御下でのモーターの動作のグラフを取得します。

可変周波数ドライブは、AC誘導モーターの速度を制御し、機械的ストレスを軽減し、信頼性を高め、メンテナンスコストを削減できます。さらに、VFDは、エネルギー効率を向上させるために最適な速度でモーターを動作させることができます。これらの利点により、VFDはファンの速度の調整など、多くのアプリケーションで役立ちます。換気システムに組み込むと、このようなファンは、温度が高いときにはファンの速度と空気循環を増やし、温度が低いときにはファンの速度を下げる手動または自動制御に応答できます。ドリルプレス、レイド、フライス盤、および同様の機器は、VFDを使用してモーターを制御します。プラスチックは炭化や溶融を防ぐために低速加工が必要ですが、鋼のような硬質金属は高速加工に耐えて作業を高速化します。VFDを使用すると、機械加工装置はより用途が広く、幅広い状況をより適切に処理できます。

JoVEのAC誘導モーター用の可変周波数ドライブの紹介をご覧になりました。これで、VFD がどのように機能するか、および入力電源周波数がモーター速度を決定する方法を理解できたはずです。ご覧いただきありがとうございます!