Máquina de indução AC alimentada por VFD
Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.
As unidades de frequência variável (VFDs) são um tip…
1. Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica está desligado.
2. Verifique se o VARIAC está em 0%.
3. Execute as seguintes conexões nos terminais da máquina e variac:
- Conecte os terminais da máquina de indução à saída da unidade (conectores do lado direito, quando olhar para a frente da unidade).
- Conecte a entrada da unidade (conjunto de conectores à esquerda, quando olhar para a frente da unidade) à saída VARIAC.
- Conecte a entrada VARIAC ao recipiente trifásico no banco.
- Antes de aplicar a potência, gire o mostrador no VARIAC em até 75%. Isso inicia a unidade em cerca de 210 V linha-a-linha mais tarde no experimento.
- Ligue o interruptor de desconexão trifásica. A tela principal do VFD deve ligar e exibir "F000".
4. Pressione o botão "Lo/Re" uma vez para colocar a unidade no modo local - a luz vermelha nesse botão deve acender.
- O botão "Lo/Re" permite que o usuário faça uma seleção entre a configuração de frequência local (Lo) e a configuração remota de frequência (Re).
- O usuário é capaz de alterar a frequência (f), e a unidade define automaticamente a tensão correspondente (V) para manter uma relação V/f constante.
5. Verifique se os parâmetros de acionamento são os mesmos apresentados na Tabela 1.
6. Para realizar medições básicas de tensão, corrente e frequência:
- Passe o ciclo pelo menu e encontre o display com um "0.0u" depois dele - isso exibe a medição da tensão alimentada ao motor.
- A partir daí, role uma vez para cima para uma tela que diz "0.00A" - isso exibe a medição atual quando a unidade está em execução.
- A próxima tela acima da que diz "0.00" - esta é a medição de frequência.
7. Para definir uma frequência de saída diferente e, assim, definir uma velocidade diferente do motor, uma vez que a velocidade e a frequência elétrica são proporcionais:
- Volte para a tela principal e procure a letra F.
- Altere a frequência pressionando enter e, em seguida, manipulando o valor usando as setas para cima e para baixo.
- Use o botão > (seta/reset direito) para alterar entre a coluna de valores.
- Promulgue quaisquer alterações pressionando enter.
- Cancele as alterações e continue a ser executado na frequência atual pressionando "Esc".
8. Defina a frequência para 10 Hz.
- Pressione o botão verde "Executar".
- Role até as leituras de tensão, corrente e frequência e regise seus valores.
- Repita para as seguintes frequências: 25, 45, 60 e 70 Hz.
- Observe que um limite máximo de frequência poderia ter sido definido para evitar que o usuário excedesse 60 Hz, então ajuste o limite máximo de frequência do menu "E2".
9. Observe que se a unidade sobrecarregar ou falhar: Pressione o botão vermelho "Parar" e pressione o botão > (seta/reset direito).
Tabela 1: Principais configurações de VFD
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Os inversores de frequência variável, também conhecidos como VFDs, são controladores acessíveis e confiáveis com a capacidade de ajustar a velocidade dos motores de indução para um desempenho ideal. Os VFDs estão se tornando equipamentos padrão para alimentar motores pequenos a grandes em ventiladores, bombas, compressores, furadeiras e muitas outras aplicações. Ao contrário dos controladores de velocidade fixos, que ligam instantaneamente um motor à velocidade máxima, os VFDs podem dar partida suave em um motor aumentando gradualmente a velocidade até o nível desejado. As partidas suaves eliminam altos torques de partida e correntes de surto, reduzem as tensões mecânicas e aumentam a vida útil e a confiabilidade do equipamento. Além disso, como o torque e a potência das cargas variam com o quadrado e o cubo de velocidade, respectivamente, ajustar a velocidade do motor mesmo em uma pequena quantidade pode economizar energia considerável. Este vídeo demonstrará a configuração de um inversor de frequência variável e seu uso no controle de um motor de indução CA trifásico.
Um motor de indução CA tem apenas duas partes principais, o estator e o rotor, e mais comumente usa energia CA trifásica. A corrente trifásica através das bobinas do estator gera um campo magnético do estator, que gira com uma velocidade angular proporcional à frequência CA. Este campo magnético do estator gira o rotor. Como resultado, a velocidade do motor é proporcional à frequência de potência de entrada. Para obter mais informações sobre a operação do motor de indução, assista ao vídeo JoVE Science Education: Motores de indução CA. Se o motor estiver diretamente conectado à rede trifásica, ele opera a uma velocidade fixa que é determinada pela frequência constante da linha de 60 hertz. Para velocidade ajustável, um inversor de frequência variável, ou VFD, deve fornecer a energia. Os VFDs ajustam a velocidade do motor definindo a frequência de saída e a tensão. Primeiro, um retificador converte a entrada CA de 60 hertz em energia CC. Em seguida, um inversor CC para CA usa modulação por largura de pulso para ligar e desligar essa alimentação CC em um padrão específico. Finalmente, um filtro passa-baixo transforma o fluxo de pulso em uma forma de onda aproximadamente senoidal e gera potência de saída CA na frequência escolhida, que governa a velocidade do motor. Uma forma de onda senoidal é necessária porque a maioria dos motores de indução é projetada para usar energia da rede elétrica CA. Os motores monofásicos usam VFDs com retificadores e inversores monofásicos, e os motores trifásicos usam VFDs com retificadores e inversores trifásicos. Para obter mais informações sobre retificadores e inversores, assista aos vídeos da JoVE Science Education: Retificadores monofásicos e inversores monofásicos. Os VFDs avançados usavam circuito fechado, ou controle vetorial, para uma boa regulação de velocidade ou torque. Um microprocessador recebe feedback sobre o campo magnético e o torque dos motores e ajusta continuamente a potência do VFD de acordo com um algoritmo de controle. Ao operar um motor em ou abaixo de sua tensão nominal, a maioria dos VFDs usa controle de malha aberta para simplesmente produzir energia de acionamento constante sem feedback ou ajustes. Com o controle de malha aberta, os VFDs mantêm uma relação tensão/frequência escolhida, que é aproximadamente proporcional ao campo magnético do estator e, portanto, também proporcional à velocidade do motor. Por exemplo, se um motor é classificado em 208 volts e 60 hertz, então a relação tensão/frequência é de cerca de 3,5 volts por hertz. Para reduzir a velocidade do motor, o VFD reduz a frequência, mas também deve reduzir a tensão para manter uma relação tensão/frequência constante. Portanto, se o VFD acionar o motor a 30 hertz em vez de 60 hertz, ele diminuirá a tensão proporcionalmente para 104 volts de 208 volts, e a relação tensão/frequência permanecerá em 3,5 volts por hertz. Ao operar um motor acima de sua frequência nominal, os VFDs geralmente restringem a saída à tensão nominal. Esta precaução evita exceder os limites de tensão ou corrente do isolamento e das bobinas. Por exemplo, o motor avaliado em 208 volts e 60 hertz tem uma relação tensão/frequência de 3,5 volts por hertz. Um VFD que aumenta a velocidade deste motor aumentando a frequência para 120 hertz, não aumentaria a saída para 460 volts conforme necessário para uma relação tensão/frequência constante. Em vez disso, o VFD limitaria sua saída aos 208 volts nominais para evitar danos ao motor. Agora que os fundamentos dos VFDs foram explicados, vamos examinar um VFD conectado a um motor de indução CA trifásico. Neste experimento, o VFD opera com controle de malha aberta da velocidade do motor e uma relação tensão/frequência constante.
Com a alimentação trifásica desligada e o Variac definido para 0%, conecte os terminais do estator dos motores de indução à saída do inversor VFD. Quando viewed da frente do VFD, os conectores de saída da unidade estão no lado direito. Conecte a entrada Variac ao receptáculo trifásico na bancada. Ajuste o botão de controle do Variac para 75% e ligue a alimentação trifásica. Com esta configuração Variac, a tensão linha a linha é de cerca de 210 volts. Agora, a tela principal do VFD deve acender e exibir F 000. O botão remoto local permite que o usuário selecione o método de seleção de frequência. O controle local permite o uso do teclado para operar o VFD. Embora o controle remoto exija comunicações analógicas ou digitais, pressione o botão remoto local uma vez para colocar a unidade no modo local. Defina os perímetros do VFD para os mostrados na tabela. Para isso, defina a velocidade do motor usando as setas do teclado para acessar o menu de frequência, letra F na tela principal. Em seguida, defina a frequência para 10 hertz. Para medir a entrada de tensão no motor, selecione o menu com o display de 0.0v. Para medir a corrente que aciona o motor, role para cima até a tela que lê 0.00A. Para medir a frequência do VFD, role até a tela de medição de frequência. Pressione o botão verde de partida para ligar o motor. O inversor emite automaticamente a tensão necessária para manter uma relação tensão/frequência constante, que é predefinida para 3,47. Role até as exibições de tensão, corrente e frequência e registre seus valores. Se a unidade sobrecarregar ou falhar, pressione o botão vermelho de parada e, em seguida, pressione o botão de reinicialização. Use uma luz estroboscópica para medir a velocidade de rotação dos motores. Ajuste o botão de frequência do curso até que o eixo pareça quase estacionário e, em seguida, ajuste o botão de frequência fina até que o eixo pareça imóvel. Repita este procedimento para as frequências de 25, 45, 60 e 70 hertz. Plote a velocidade do motor versus frequência para obter um gráfico do comportamento do motor sob controle do inversor de frequência variável.
Os inversores de frequência variável controlam a velocidade dos motores de indução CA e podem reduzir as tensões mecânicas, aumentar a confiabilidade e diminuir os custos de manutenção. Além disso, os VFDs permitem a operação de motores em uma velocidade ideal para melhorar a eficiência energética. Devido a esses benefícios, os VFDs são úteis em muitas aplicações, como ajustar a velocidade de um ventilador. Quando incorporados em um sistema de ventilação, ventiladores como esse podem responder a controles manuais ou automáticos que aumentam a velocidade do ventilador e a circulação de ar quando as temperaturas são altas ou diminuem a velocidade do ventilador quando as temperaturas são baixas. Furadeiras, colocações, fresadoras e equipamentos similares usam VFDs para controlar seus motores. Os plásticos requerem usinagem de baixa velocidade para evitar carbonização ou derretimento, enquanto metais duros como o aço toleram usinagem de alta velocidade para um trabalho mais rápido. Com os VFDs, o equipamento de usinagem é mais versátil e mais capaz de lidar com uma ampla gama de situações.
Você acabou de assistir à Introdução da JoVE aos inversores de frequência variável para motores de indução CA. Agora você deve entender como os VFDs funcionam e como a frequência da potência de entrada determina a velocidade do motor. Obrigado por assistir!
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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.