Maszyna indukcyjna AC zasilana VFD
Źródło: Ali Bazzi, Wydział Inżynierii Elektrycznej, Uniwersytet Connecticut, Storrs, CT.
Napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) to rodzaj napędów o re…
1. Upewnij się, że odłącznik trójfazowy jest wyłączony.
2. Sprawdź, czy wartość zmiennego układu VARIAC wynosi 0%.
3. Wykonaj następujące połączenia na maszynie i zaciskach VARIAC:
- Podłącz zaciski stojana maszyny indukcyjnej do wyjścia napędu (złącza po prawej stronie, patrząc na przód napędu).
- Podłącz wejście napędu (lewy zestaw złączy, patrząc na przód napędu) do wyjścia VARIAC.
- Podłącz wejście VARIAC do gniazda trójfazowego na stole.
- Przed włączeniem zasilania przekręć pokrętło na VARIAC do 75%. Spowoduje to uruchomienie napędu przy napięciu około 210 V między liniami w dalszej części eksperymentu.
- Włącz odłącznik trójfazowy. Główny ekran na VFD powinien się włączyć i wyświetlić "F000".
4. Naciśnij raz przycisk "Lo/Re", aby przełączyć dysk w tryb lokalny - czerwona lampka na tym przycisku powinna się zaświecić.
- Przycisk "Lo/Re" pozwala użytkownikowi dokonać wyboru między lokalnym (Lo) ustawieniem częstotliwości a zdalnym ustawieniem częstotliwości (Re).
- Użytkownik ma możliwość zmiany częstotliwości (f),, a napęd automatycznie ustawia odpowiednie napięcie (V), aby utrzymać stały stosunek V/f.
5. Sprawdź, czy parametry napędu są takie same, jak pokazane w tabeli 1.
6. Aby wykonać podstawowe pomiary napięcia, prądu i częstotliwości:
- Przejdź przez menu i znajdź wyświetlacz, po którym znajduje się "0,0u" - wyświetla on pomiar napięcia podawanego do silnika.
- Stamtąd przewiń raz w górę do ekranu z napisem "0.00A" - wyświetla aktualny pomiar, gdy napęd jest uruchomiony.
- Następny ekran w górę od tego pokazuje "0.00" - to jest pomiar częstotliwości.
7. Aby ustawić inną częstotliwość wyjściową, a tym samym ustawić inną prędkość silnika, ponieważ prędkość i częstotliwość elektryczna są proporcjonalne:
- Wróć do ekranu głównego i wyszukaj literę F.
- Zmień częstotliwość, naciskając klawisz Enter, a następnie manipulując wartością za pomocą strzałek w górę i w dół.
- Użyj przycisku > (strzałka w prawo/reset), aby przełączać się między kolumnami wartości.
- Wprowadź zmiany, naciskając klawisz Enter.
- Anuluj zmiany i kontynuuj działanie z bieżącą częstotliwością, naciskając "Esc."
8. Ustaw częstotliwość na 10 Hz.
- Naciśnij zielony przycisk "Uruchom".
- Przewiń do odczytów napięcia, prądu i częstotliwości i zapisz ich wartości.
- Powtórz dla następujących częstotliwości: 25, 45, 60 i 70 Hz.
- Należy pamiętać, że maksymalny limit częstotliwości mógł zostać ustawiony, aby uniemożliwić użytkownikowi przekroczenie 60 Hz, więc dostosuj maksymalny limit częstotliwości z menu "E2".
9. Należy pamiętać, że w przypadku przeciążenia lub usterki napędu: Naciśnij czerwony przycisk "Stop", a następnie naciśnij przycisk > (strzałka w prawo/reset).
Tabela 1: Główne ustawienia VFD
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
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!
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.