Wisselstroom-inductiemotor met VFD-voeding
Bron: Ali Bazzi, Afdeling Elektrotechniek, Universiteit van Connecticut, Storrs, CT.
Snelheidsregelaars met variabele frequentie (VFD's) zijn een type…
1. Zorg ervoor dat de driefasen-onderbreker is uitgeschakeld.
2. Controleer of de VARIAC op 0% staat.
3. Voer de volgende verbindingen uit op de machine en de VARIAC-terminals:
- Verbind de statorterminals van de inductiemotor met de aandrijfoutput (rechterconnectors, kijkend naar de voorkant van de aandrijving).
- Verbind de aandrijvingang (linkerset connectoren, kijkend naar de voorkant van de aandrijving) met de VARIAC-uitgang.
- Verbind de VARIAC-ingang met de driefasige stopcontact op de werkbank.
- Voordat de stroom wordt toegevoerd, draai de knop op de VARIAC omhoog tot 75%. Dit start de aandrijving later in het experiment bij ongeveer 210 V lijn-op-lijn.
- Schakel de driefasen-onderbreker in. Het hoofdscherm op de VFD moet worden ingeschakeld en "F000" weergeven.
4. Druk eenmaal op de "Lo/Re" knop om de aandrijving in de lokale modus te zetten - het rode lampje op die knop zou moeten branden.
- De "Lo/Re" knop stelt de gebruiker in staat om een keuze te maken tussen de lokale (Lo) frequentie-instelling en de externe (Re) frequentie-instelling.
- De gebruiker kan de frequentie (f), wijzigen en de aandrijving stelt automatisch de bijbehorende spanning (V) in om een constante V/f verhouding te behouden.
5. Controleer of de aandrijgingsparameters hetzelfde zijn als die in Tabel 1 staan.
6. Om basismetingen van spanning, stroom en frequentie uit te voeren:
- Blader door het menu en zoek het display met een "0.0u" erna - dit geeft de meting van de spanning gevoed naar de motor weer.
- Van daaruit, scrol eenmaal omhoog naar een scherm dat "0.00A" leest - dit geeft de stroommeting weer wanneer de aandrijving draait.
- Het volgende scherm omhoog leest "0.00" - dit is de frequentiemeting.
7. Om een andere uitgangsfrequentie in te stellen, en dus een andere motorsnelheid in te stellen, aangezien snelheid en elektrische frequentie evenredig zijn:
- Ga terug naar het hoofdscherm en zoek de letter F.
- Verander de frequentie door op enter te drukken en vervolgens de waarde te manipuleren met behulp van de omhoog- en omlaag-pijlen.
- Gebruik de > (rechtse pijl/reset) knop om tussen de kolom met waarden te wisselen.
- Voer eventuele wijzigingen uit door op enter te drukken.
- Annuleer wijzigingen en ga door met draaien op de huidige frequentie door op "Esc" te drukken.
8. Stel de frequentie in op 10 Hz.
- Druk op de groene "Run" knop.
- Scroll naar de spanning, stroom en frequentiemetingen en noteer hun waarden.
- Herhaal voor de volgende frequenties: 25, 45, 60 en 70 Hz.
- Let op dat er mogelijk een maximale frequentielimiet is ingesteld om te voorkomen dat de gebruiker 60 Hz overschrijdt, dus pas de maximale frequentielimiet aan vanuit het "E2" menu.
9. Let op dat als de aandrijving overbelast raakt of een fout oploopt: Druk op de rode "Stop" knop en druk vervolgens op de > (rechtse pijl/reset) knop.
Tabel 1: Belangrijkste VFD-instellingen
Frequensieregelaars, ook bekend als VFD's, zijn betaalbare, betrouwbare regelaars met de mogelijkheid om de snelheid van draaistroommotoren aan te passen voor optimale prestaties. VFD's worden standaardapparatuur voor het aandrijven van kleine tot grote motoren in ventilatoren, pompen, compressoren, boormachines en vele andere toepassingen. In tegenstelling tot regelaars met vaste snelheid, die een motor onmiddellijk op volle snelheid laten draaien, kunnen VFD's een motor zacht starten door de snelheid geleidelijk te verhogen tot het gewenste niveau. Zachte starts elimineren hoge startkoppels en stoomstromen, verminderen mechanische spanningen en verhogen de levensduur en betrouwbaarheid van apparatuur. Bovendien, omdat de koppel- en vermogensbelastingen respectievelijk met het kwadraat en de kubus van de snelheid variëren, kan het aanpassen van de motorsnelheid met slechts een kleine hoeveelheid aanzienlijke energie besparen. Deze video zal de configuratie van een frequentieregelaar en het gebruik ervan bij het regelen van een drijfase AC-inductiemotor demonstreren.
Een AC-inductiemotor heeft slechts twee hoofdonderdelen, de stator en de rotor, en gebruikt meestal driefasige wisselstroom. Driefasige stroom door de statorwikkelingen genereert een statormagneetisch veld, dat draait met een hoeksnelheid evenredig aan de wisselstroomfrequentie. Dit statormagneetische veld draait de rotor. Als gevolg hiervan is de motorsnelheid evenredig met de ingangsvermogenfrequentie. Voor meer informatie over de werking van de inductiemotor, bekijk de JoVE Science Education video: AC Inductiemotoren. Als de motor rechtstreeks op driefasige netspanning is aangesloten, werkt deze op een vaste snelheid die wordt bepaald door de constante 60 hertz netstroomfrequentie. Voor instelbare snelheid moet een variabele frequentieregelaar, of VFD, het vermogen leveren. VFD's passen de motorsnelheid aan door de uitgangsfrequentie en spanning in te stellen. Eerst converteert een gelijkrichter de 60 hertz AC-ingang naar DC-stroom. Vervolgens gebruikt een DC naar AC-omvormer pulsbreedtemodulatie om deze DC-stroom op en uit te schakelen in een specifiek patroon. Ten slotte transformeert een laagdoorlaatfilter de pulsstroom in een ruw sinusvormige golfvorm en genereert AC-uitgangsvermogen op de gekozen frequentie, die de motorsnelheid regelt. Een sinusvormige golfvorm is noodzakelijk omdat de meeste inductiemotoren zijn ontworpen om vermogen van AC-netspanning te gebruiken. Eenfasemotoren gebruiken VFD's met eenfasige gelijkrichters en omvormers, en driefasige motoren gebruiken VFD's met driefasige gelijkrichters en omvormers. Voor meer informatie over gelijkrichters en omvormers, bekijk de JoVE Science Education video's: Eenfasige gelijkrichters en Eenfasige omvormers. Geavanceerde VFD's gebruiken gesloten lus, of vectorregeling, voor goede regeling van snelheid of koppel. Een microprocessor ontvangt feedback over het magnetische veld en koppel van de motor, en past voortdurend de VFD-voeding aan volgens een regelalgoritme. Bij het gebruik van een motor op of onder de nominale spanning, gebruiken de meeste VFD's open lusregeling om eenvoudigweg constante aandrijfkracht uit te voeren zonder feedback of aanpassingen. Met open lusregeling handhaven VFD's een gekozen spanning tot frequentieverhouding, die ongeveer evenredig is aan het statormagneetische veld, en dus ook evenredig aan de motorsnelheid. Als een motor bijvoorbeeld is geclassificeerd op 208 volt en 60 hertz, dan is de spanning tot frequentieverhouding ongeveer 3,5 volt per hertz. Om de motorsnelheid te verminderen, verlaagt de VFD de frequentie, maar moet ook de spanning verlagen om een constante spanning tot frequentieverhouding te behouden. Dus als de VFD de motor aanstuurt op 30 hertz in plaats van 60 hertz, verlaagt deze de spanning proportioneel tot 104 volt van 208 volt, en de spanning tot frequentieverhouding blijft 3,5 volt per hertz. Bij het gebruik van een motor boven zijn nominale frequentie, beperken VFD's meestal de uitgang tot de nominale spanning. Deze voorzorg vermijdt het overschrijden van spannings- of stroomlimieten van de isolatie en spoelen. Als de motor bijvoorbeeld is geclassificeerd op 208 volt en 60 hertz, heeft deze een spanning tot frequentieverhouding van 3,5 volt per hertz. Een VFD die de snelheid van deze motor verhoogt door de frequentie te verhogen tot 120 hertz, zou de uitgang niet verhogen tot 460 volt zoals vereist voor een constante spanning tot frequentieverhouding. In plaats daarvan zou de VFD de uitgang beperken tot de nominale 208 volt om schade aan de motor te voorkomen. Nu de basisprincipes van VFD's zijn uitgelegd, laten we een VFD bekijken die is aangesloten op een drijfase AC-inductiemotor. In dit experiment werkt de VFD met open lusregeling van de motorsnelheid en een constante spanning tot frequentieverhouding.
Met de driefasige voeding uitgeschakeld en de Variac ingesteld op 0%, verbind de statorterminals van de inductiemotor met de VFD-aandrijfuitgang. Wanneer vanaf de voorkant van de VFD bekeken, bevinden de aansluitingen van de aandrijfuitgang zich aan de rechterkant. Verbind de Variac-ingang met de driefasige contactdoos op de werkbank. Stel de bedieningsknop van de Variac in op 75% en zet vervolgens de driefasige voeding aan. Met deze Variac-instelling is de spanning tussen de lijnen ongeveer 210 volt. Nu zou het hoofdscherm van de VFD moeten oplichten en F 000 weergeven. De lokale afstandsbedieningsknop stelt de gebruiker in staat om de methode van frequentieselectie te selecteren. Lokale besturing maakt gebruik van het toetsenblok om de VFD te bedienen. Terwijl afstandsbediening analoge of digitale communicatie vereist, druk eenmaal op de lokale afstandsbedieningsknop om de aandrijving in de lokale modus te zetten. Stel de VFD-perimeter in op de waarden in de tabel. Om dit te doen, stelt u de motorsnelheid in door de pijltoetsen te gebruiken om het frequentiemenu te bereiken, letter F op het hoofdscherm. Stel vervolgens de frequentie in op 10 hertz. Om de spanningsingang naar de motor te meten, selecteert u het menu met de weergave van 0,0v. Om de stroom die de motor aandrijft te meten, scrolt u omhoog naar het
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.