Индукционная машина переменного тока с частотно-регулируемым приводом
Источник: Али Бацци, факультет электротехники, Университет Коннектикута, Сторрс, Коннектикут.
Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) - это тип привода с…
1. Убедитесь, что трехфазный разъединитель выключен.
2. Убедитесь, что VARIAC находится на уровне 0%.
3. Выполните следующие соединения на станке и клеммах VARIAC:
- Подсоедините клеммы статора асинхронной машины к выходу привода (правые разъемы, если смотреть на переднюю часть привода).
- Подключите вход привода (левый набор разъемов, если смотреть на переднюю часть диска) к выходу VARIAC.
- Подключите вход VARIAC к трехфазной розетке на стенде.
- Перед подачей питания поверните диск на VARIAC на 75%. Это приводит к запуску напряжения напряжение около 210 В от линии к линии на более позднем этапе эксперимента.
- Включите трехфазный разъединитель. Главный экран на ЧРП должен включиться и отобразить «F000».
4. Нажмите кнопку "Lo/Re" один раз, чтобы перевести привод в локальный режим - на этой кнопке должен загореться красный свет.
- Кнопка "Lo/Re" позволяет пользователю выбирать между локальной (Lo) настройкой частоты и удаленной (Re) настройкой частоты.
- Пользователь может изменить частоту (f),, и привод автоматически устанавливает соответствующее напряжение (V) для поддержания постоянного соотношения V/f.
5. Убедитесь, что параметры привода совпадают с показанными в таблице 1.
6. Для выполнения основных измерений напряжения, тока и частоты:
- Циклически пройдитесь по меню и найдите дисплей с надписью «0.0u» после него – на нем отображается измерение напряжения, подаваемого на мотор.
- Оттуда прокрутите один раз вверх до экрана с надписью «0,00 А» — здесь отображается текущее измерение, когда диск работает.
- На следующем экране написано "0.00" - это измерение частоты.
7. Установить другую выходную частоту и, таким образом, установить другую скорость двигателя, так как скорость и электрическая частота пропорциональны:
- Вернитесь на главный экран и найдите букву F.
- Измените частоту, нажав Enter, а затем манипулируйте значением с помощью стрелок вверх и вниз.
- Используйте кнопку > (стрелка вправо/сброс) для переключения между столбцами значений.
- Вносите любые изменения, нажимая клавишу Enter.
- Отмените изменения и продолжайте работу с текущей частотой, нажав "Esc."
8. Установите частоту на 10 Гц.
- Нажмите зеленую кнопку "Выполнить".
- Прокрутите до показаний напряжения, тока и частоты и запишите их значения.
- Повторите для следующих частот: 25, 45, 60 и 70 Гц.
- Обратите внимание, что максимальное ограничение частоты могло быть установлено таким образом, чтобы пользователь не мог превышать 60 Гц, поэтому настройте ограничение максимальной частоты в меню «E2».
9. Обратите внимание, что в случае перегрузки или неисправности накопителя: нажмите красную кнопку «Стоп», а затем нажмите кнопку > (стрелка вправо/сброс).
Таблица 1: Основные настройки ЧРП
Частотно-регулируемые приводы, также известные как частотно-регулируемые приводы, представляют собой доступные и надежные контроллеры с возможностью регулировки скорости асинхронных двигателей для достижения оптимальной производительности. Частотно-регулируемые приводы становятся стандартным оборудованием для питания малых и больших двигателей в вентиляторах, насосах, компрессорах, буровых установках и многих других приложениях. В отличие от контроллеров с фиксированной скоростью, которые мгновенно включают двигатель на полную мощность, частотно-регулируемые приводы могут плавно запускать двигатель путем постепенного увеличения скорости до желаемого уровня. Плавный пуск устраняет высокие пусковые моменты и импульсные токи, снижает механические напряжения и увеличивает срок службы и надежность оборудования. Кроме того, поскольку крутящий момент и мощность нагрузки изменяются в зависимости от квадрата и куба скорости соответственно, регулировка скорости двигателя даже на небольшую величину может значительно сэкономить энергию. В этом видео будет продемонстрирована конфигурация частотно-регулируемого привода и его использование в управлении трехфазным асинхронным двигателем переменного тока.
Асинхронный двигатель переменного тока имеет только две основные части, статор и ротор, и чаще всего использует трехфазное питание переменного тока. Трехфазный ток через катушки статора генерирует магнитное поле статора, которое вращается с угловой скоростью, пропорциональной частоте переменного тока. Магнитное поле статора вращает ротор. В результате частота вращения двигателя пропорциональна частоте входной мощности. Для получения дополнительной информации о работе асинхронного двигателя посмотрите обучающее видео JoVE по науке: Асинхронные двигатели переменного тока. Если двигатель напрямую подключен к трехфазной сети, он работает с фиксированной частотой, которая определяется постоянной частотой линии 60 Гц. Для регулировки скорости мощность должен обеспечивать частотно-регулируемый привод (ЧРП). Частотно-регулируемые приводы регулируют скорость двигателя, устанавливая выходную частоту и напряжение. Во-первых, выпрямитель преобразует входную частоту переменного тока 60 Гц в мощность постоянного тока. Затем инвертор постоянного тока в переменный использует широтно-импульсную модуляцию для включения и выключения этого постоянного тока в определенной последовательности. Наконец, фильтр нижних частот преобразует импульсный поток в примерно синусоидальную форму волны и генерирует выходную мощность переменного тока на выбранной частоте, которая определяет частоту вращения двигателя. Синусоидальная форма волны необходима, потому что большинство асинхронных двигателей предназначены для использования энергии от сети переменного тока. В однофазных двигателях используются частотно-регулируемые приводы с однофазными выпрямителями и инверторами, а в трехфазных двигателях используются частотно-регулируемые приводы с трехфазными выпрямителями и инверторами. Для получения дополнительной информации о выпрямителях и инверторах посмотрите обучающие видеоролики JoVE по науке: Однофазные выпрямители и однофазные инверторы. Усовершенствованные частотно-регулируемые приводы использовали замкнутый контур или векторное управление для хорошей регулировки скорости или крутящего момента. Микропроцессор получает обратную связь о магнитном поле и крутящем моменте двигателя и постоянно регулирует мощность ЧРП в соответствии с алгоритмом управления. При работе двигателя с номинальным напряжением или ниже большинство частотно-регулируемых приводов используют управление с разомкнутым контуром, чтобы просто выдавать постоянную мощность привода без обратной связи или регулировки. При управлении с разомкнутым контуром частотно-регулируемые приводы поддерживают выбранное отношение напряжения к частоте, которое примерно пропорционально магнитному полю статора и, следовательно, также пропорционально частоте вращения двигателя. Например, если двигатель рассчитан на 208 вольт и частоту 60 герц, то соотношение напряжения к частоте составляет около 3,5 вольт на герц. Чтобы снизить частоту вращения двигателя, частотно-регулируемый привод снижает частоту, но также должен снижать напряжение для поддержания постоянного отношения напряжения к частоте. Следовательно, если частотно-регулируемый привод приводит в движение двигатель с частотой 30 герц вместо 60 герц, он снижает напряжение пропорционально 104 вольтам с 208 вольт, и отношение напряжения к частоте остается 3,5 вольт на герц. При работе двигателя выше его номинальной частоты частотно-регулируемые приводы обычно ограничивают выходное напряжение до номинального. Эта мера предосторожности позволяет избежать превышения пределов напряжения или тока изоляции и катушек. Например, двигатель с напряжением 208 вольт и частотой 60 Гц имеет отношение напряжения к частоте 3,5 вольт на герц. Частотно-регулируемый привод, который увеличивает скорость этого двигателя за счет увеличения частоты до 120 герц, не увеличит выходное напряжение до 460 вольт, как это требуется для постоянного отношения напряжения к частоте. Вместо этого частотно-регулируемый привод ограничит свою выходную мощность до номинальных 208 вольт, чтобы предотвратить повреждение двигателя. Теперь, когда основы частотно-регулируемых приводов были объяснены, давайте рассмотрим частотно-регулируемый привод, подключенный к трехфазному асинхронному двигателю переменного тока. В этом эксперименте ЧРП работает с разомкнутым контуром управления скоростью двигателя и постоянным отношением напряжения к частоте.
При выключенном трехфазном питании и установке Variac на 0% подключите клеммы статора асинхронных двигателей к выходу привода ЧРП. Если смотреть с передней части частотно-регулируемого привода, выходные разъемы привода находятся с правой стороны. Подключите вход Variac к трехфазной розетке на стенде. Отрегулируйте ручку управления Variac на 75% и включите трехфазное питание. При этой настройке Variac напряжение от сети до сети составляет около 210 вольт. Теперь главный экран ЧРП должен загореться и отобразить F 000. Кнопка локального пульта дистанционного управления позволяет пользователю выбрать способ выбора частоты. Локальное управление позволяет использовать клавиатуру для управления частотно-регулируемым приводом. Хотя для дистанционного управления требуется аналоговая или цифровая связь, нажмите кнопку локального пульта дистанционного управления один раз, чтобы перевести диск в локальный режим. Установите периметры ЧРП в соответствии с показанными в таблице. Для этого установите скорость двигателя с помощью клавиш со стрелками, чтобы дотянуться до частотного меню, буква F на главном экране. Затем установите частоту на 10 герц. Чтобы измерить напряжение на входе в двигатель, выберите меню с дисплеем 0,0 В. Чтобы измерить ток, приводящий в движение двигатель, прокрутите вверх до экрана с индикацией 0,00 А. Чтобы измерить частоту ЧРП, прокрутите до экрана измерения частоты. Нажмите зеленую кнопку запуска, чтобы запустить двигатель. Привод автоматически выводит необходимое напряжение для поддержания постоянного отношения напряжения к частоте, которое предварительно установлено на 3,47. Прокрутите до дисплеев напряжения, тока и частоты и запишите их значения. Если диск перегружен или неисправен, нажмите красную кнопку стоп, а затем нажмите кнопку сброса. Используйте стробоскоп для измерения скорости вращения двигателя. Отрегулируйте ручку частоты курса до тех пор, пока вал не станет почти неподвижным, затем отрегулируйте ручку точной частоты до тех пор, пока вал не станет выглядеть неподвижным. Повторите эту процедуру для частот 25, 45, 60 и 70 Гц. Построите график зависимости частоты двигателя от скорости, чтобы получить график поведения двигателя под управлением частотно-регулируемого привода.
Частотно-регулируемые приводы регулируют частоту вращения асинхронных двигателей переменного тока и могут снижать механические нагрузки, повышать надежность и снижать затраты на техническое обслуживание. Кроме того, частотно-регулируемые приводы позволяют работать двигателям с оптимальной частотой вращения для повышения энергоэффективности. Благодаря этим преимуществам частотно-регулируемые приводы полезны во многих приложениях, таких как регулировка скорости вращения вентилятора. При встраивании в систему вентиляции такие вентиляторы могут реагировать на ручное или автоматическое управление, которое увеличивает скорость вращения вентилятора и циркуляцию воздуха при высоких температурах или снижает скорость вращения вентилятора при низких температурах. Сверлильные станки, укладки, фрезерные станки и подобное оборудование используют частотно-регулируемые приводы для управления своими двигателями. Пластмассы требуют низкоскоростной обработки для предотвращения обугливания или плавления, в то время как твердые металлы, такие как сталь, допускают высокоскоростную обработку для более быстрой работы. Благодаря частотно-регулируемым приводам обрабатывающее оборудование становится более универсальным и лучше справляется с широким спектром ситуаций.
Вы только что посмотрели статью JoVE «Введение в частотно-регулируемые приводы для асинхронных двигателей переменного тока». Теперь вы должны понять, как работают частотно-регулируемые приводы и как частота входной мощности определяет скорость двигателя. Спасибо за просмотр!
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.