Maszyna indukcyjna AC zasilana VFD

Napędy o zmiennej częstotliwości, znane również jako VFD, to niedrogie, niezawodne sterowniki z możliwością regulacji prędkości silników indukcyjnych w celu uzyskania optymalnej wydajności. Napędy VFD stają się standardowym wyposażeniem do zasilania małych i dużych silników w wentylatorach, pompach, sprężarkach, wiertarkach i wielu innych zastosowaniach. W przeciwieństwie do regulatorów o stałej prędkości, które natychmiast włączają silnik do pełnej prędkości, VFD mogą łagodnie uruchamiać silnik, stopniowo zwiększając prędkość do pożądanego poziomu. Łagodny rozruch eliminuje wysokie momenty rozruchowe i prądy udarowe, zmniejsza naprężenia mechaniczne oraz zwiększa żywotność i niezawodność sprzętu. Ponadto, ponieważ moment obrotowy i moc obciążenia zmieniają się odpowiednio w kwadracie i sześcianie prędkości, regulacja prędkości silnika nawet o niewielką wartość może zaoszczędzić znaczną ilość energii. Ten film zademonstruje konfigurację przemiennika częstotliwości i jego zastosowanie w sterowaniu trójfazowym silnikiem indukcyjnym prądu przemiennego.

Silnik indukcyjny prądu przemiennego składa się tylko z dwóch głównych części, stojana i wirnika, i najczęściej wykorzystuje trójfazowe zasilanie prądem przemiennym. Prąd trójfazowy przepływający przez cewki stojana generuje pole magnetyczne stojana, które obraca się z prędkością kątową proporcjonalną do częstotliwości prądu przemiennego. To pole magnetyczne stojana obraca wirnik. W rezultacie prędkość silnika jest proporcjonalna do częstotliwości mocy wejściowej. Aby uzyskać więcej informacji na temat działania silnika indukcyjnego, obejrzyj film JoVE Science Education: Silniki indukcyjne prądu przemiennego. Jeśli silnik jest bezpośrednio podłączony do trójfazowego zasilania sieciowego, pracuje ze stałą prędkością, która jest określana przez stałą częstotliwość linii 60 Hz. Aby uzyskać regulowaną prędkość, napęd o zmiennej częstotliwości lub VFD musi zapewniać moc. Napędy VFD dostosowują prędkość silnika, ustawiając częstotliwość wyjściową i napięcie. Po pierwsze, prostownik przekształca wejście prądu przemiennego o częstotliwości 60 Hz na prąd stały. Następnie falownik DC na AC wykorzystuje modulację szerokości impulsu do włączania i wyłączania tego zasilania prądem stałym w określony sposób. Wreszcie, filtr dolnoprzepustowy przekształca strumień impulsów w mniej więcej sinusoidalną formę fali i generuje moc wyjściową prądu przemiennego o wybranej częstotliwości, która decyduje o prędkości silnika. Kształt fali sinusoidalnej jest konieczny, ponieważ większość silników indukcyjnych jest zaprojektowana do korzystania z energii z sieci prądu przemiennego. Silniki jednofazowe wykorzystują VFD z prostownikami jednofazowymi i falownikami, a silniki trójfazowe wykorzystują VFD z prostownikami trójfazowymi i falownikami. Aby uzyskać więcej informacji na temat prostowników i falowników, obejrzyj filmy edukacyjne JoVE Science: Prostowniki jednofazowe i falowniki jednofazowe. Zaawansowane napędy VFD wykorzystywały zamkniętą pętlę lub sterowanie wektorowe, aby zapewnić dobrą regulację prędkości lub momentu obrotowego. Mikroprocesor otrzymuje informacje zwrotne o polu magnetycznym i momencie obrotowym silników i w sposób ciągły dostosowuje moc VFD zgodnie z algorytmem sterowania. Podczas pracy silnika z napięciem znamionowym lub niższym, większość napędów VFD wykorzystuje sterowanie w pętli otwartej, aby po prostu wyprowadzać stałą moc napędu bez sprzężenia zwrotnego lub regulacji. Dzięki sterowaniu w pętli otwartej, napędy VFD utrzymują wybrany stosunek napięcia do częstotliwości, który jest w przybliżeniu proporcjonalny do pola magnetycznego stojana, a zatem również proporcjonalny do prędkości obrotowej silnika. Na przykład, jeśli silnik ma napięcie znamionowe 208 woltów i 60 herców, stosunek napięcia do częstotliwości wynosi około 3,5 wolta na herc. Aby zmniejszyć prędkość silnika, VFD zmniejsza częstotliwość, ale musi również zmniejszyć napięcie, aby utrzymać stały stosunek napięcia do częstotliwości. Dlatego jeśli VFD napędza silnik z częstotliwością 30 Hz zamiast 60 Hz, zmniejsza napięcie proporcjonalnie do 104 V z 208 V, a stosunek napięcia do częstotliwości pozostaje 3,5 V na herc. Podczas pracy silnika powyżej jego częstotliwości znamionowej, napędy VFD zwykle ograniczają moc wyjściową do napięcia znamionowego. Ten środek ostrożności pozwala uniknąć przekroczenia limitów napięcia lub prądu izolacji i cewek. Na przykład silnik o napięciu znamionowym 208 V i 60 Hz ma stosunek napięcia do częstotliwości wynoszący 3,5 V na herc. VFD, który zwiększa prędkość tego silnika poprzez zwiększenie częstotliwości do 120 herców, nie zwiększyłby mocy wyjściowej do 460 woltów, co jest wymagane dla stałego stosunku napięcia do częstotliwości. Zamiast tego VFD ograniczyłby swoją moc wyjściową do 208 woltów, aby zapobiec uszkodzeniu silnika. Teraz, gdy podstawy napędów VFD zostały wyjaśnione, przyjrzyjmy się VFD podłączonemu do trójfazowego silnika indukcyjnego prądu przemiennego. W tym eksperymencie VFD działa z otwartą pętlą sterowania prędkością silnika i stałym stosunkiem napięcia do częstotliwości.

Przy wyłączonym zasilaniu trójfazowym i ustawieniu Variac na 0%, podłącz zaciski stojana silników indukcyjnych do wyjścia napędu VFD. Patrząc od przodu VFD, złącza wyjściowe napędu znajdują się po prawej stronie. Podłącz wejście Variac do gniazdka trójfazowego na stole. Ustaw pokrętło Variaca na 75% i włącz zasilanie trójfazowe. Przy tym ustawieniu Variac napięcie między liniami wynosi około 210 woltów. Teraz główny ekran VFD powinien się zaświecić i wyświetlić F 000. Przycisk pilota lokalnego pozwala użytkownikowi wybrać metodę wyboru częstotliwości. Sterowanie lokalne umożliwia korzystanie z klawiatury do obsługi VFD. Podczas gdy zdalne sterowanie wymaga komunikacji analogowej lub cyfrowej, naciśnij raz przycisk pilota lokalnego, aby przełączyć napęd w tryb lokalny. Ustaw obwody VFD na pokazane w tabeli. Aby to zrobić, ustaw prędkość silnika za pomocą klawiszy strzałek, aby przejść do menu częstotliwości, litera F na ekranie głównym. Następnie ustaw częstotliwość na 10 herców. Aby zmierzyć napięcie wejściowe do silnika, należy wybrać menu z wyświetlaczem 0,0 V. Aby zmierzyć prąd napędzający silnik, przewiń w górę do ekranu, na którym widnieje 0.00A. Aby zmierzyć częstotliwość VFD, przewiń do ekranu pomiaru częstotliwości. Naciśnij zielony przycisk uruchamiania, aby uruchomić silnik. Napęd automatycznie wyprowadza napięcie niezbędne do utrzymania stałego stosunku napięcia do częstotliwości, który jest ustawiony na 3,47. Przewiń do wyświetlaczy napięcia, prądu i częstotliwości i zapisz ich wartości. Jeśli napęd jest przeciążony lub ulegnie awarii, naciśnij czerwony przycisk stop, a następnie naciśnij przycisk resetowania. Użyj światła stroboskopowego, aby zmierzyć prędkość obrotową silników. Wyreguluj pokrętło częstotliwości kursu, aż wałek będzie wyglądał na prawie nieruchomy, a następnie wyreguluj pokrętło precyzyjnej częstotliwości, aż wałek będzie wyglądał na nieruchomy. Powtórz tę procedurę dla częstotliwości 25, 45, 60 i 70 herców. Wykreśl prędkość silnika w funkcji częstotliwości, aby uzyskać wykres zachowania silnika pod kontrolą przemiennika częstotliwości.

Napędy o zmiennej częstotliwości kontrolują prędkość silników indukcyjnych prądu przemiennego i mogą zmniejszać naprężenia mechaniczne, zwiększać niezawodność i obniżać koszty konserwacji. Ponadto napędy VFD umożliwiają pracę silników z optymalną prędkością w celu poprawy efektywności energetycznej. Ze względu na te korzyści, napędy VFD są przydatne w wielu zastosowaniach, takich jak regulacja prędkości wentylatora. Po zamontowaniu w systemie wentylacyjnym, wentylatory takie jak ten mogą reagować na ręczne lub automatyczne sterowanie, które zwiększa prędkość wentylatora i cyrkulację powietrza, gdy temperatury są wysokie, lub zmniejsza prędkość wentylatora, gdy temperatury są niskie. Wiertarki, układarki, frezarki i podobne urządzenia wykorzystują VFD do sterowania silnikami. Tworzywa sztuczne wymagają obróbki z niską prędkością, aby zapobiec zwęgleniu lub stopieniu, podczas gdy twarde metale, takie jak stal, tolerują obróbkę z dużą prędkością, co zapewnia szybszą pracę. Dzięki napędom VFD urządzenia do obróbki skrawaniem są bardziej wszechstronne i lepiej radzą sobie w szerokim zakresie sytuacji.

Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie JoVE do napędów o zmiennej częstotliwości do silników indukcyjnych prądu przemiennego. Powinieneś teraz zrozumieć, jak działają napędy VFD i w jaki sposób częstotliwość zasilania wejściowego określa prędkość silnika. Dzięki za oglądanie!