变频调速交流感应电机

Electrical Engineering

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Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

变频驱动器 (变频) 是一种可调速驱动, 成为大多数交流异步电机的标准设备。变频在工业和自动化应用中很常见, 通常在速度、扭矩或位置模式下提供对马达的鲁棒控制。在本实验中对变频进行了测试和仿真, 重点研究了恒压频率比(V/f)控制的速度和开环控制。感应电动机通常在额定的定子磁通上运行, 并且这个通量与V/f比率大致成正比。为了保持恒定的定子磁链, 电压和频率应用于定子是保持在一个恒定的比率, 这是V/f比。本实验中使用的变频装置是 1 hp 安川 V1000 驱动器, 但该程序适用于大多数商用通用驱动器。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 电气工程. 变频调速交流感应电机. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

变频通常包括一个整流阶段的交流/直流转换, 其次是逆变器阶段的 DC/AC 反演。逆变器和整流器可单相供电单相电机或三相供电三相电机。整流器也可能有功率因数校正阶段, 所以变频和马达被看到在一个高功率因数从电网侧提供整流器, 以减少电流从电网进入变频和马达。逆变器通常用脉宽调制 (PWM) 开关, 这是一个非常接近正弦波的开关模式。由逆变器馈电 PWM 电压到马达使马达看见电压接近足够窦, 因为多数马达被设计是线路哺养 (, 直接地哺养由网格)。在 PWM 开关中, 变频调速可以根据用户输入或自动控制正弦信号的频率而调整到电机和电压的大小。大多数商用变频使用开环控制, 当在额定电压下操作马达时, V/f比率保持为常量;这保持马达通量在额定值。其他更先进的变频使用 "矢量控制", 这是一个闭环控制方案, 提供严格的速度或扭矩调节。

Procedure

1. 确保三相断开开关关闭。

2. 检查调压器是否在0%。

3. 在机器和调压器端子上执行以下连接:

  1. 将感应电机定子端子连接到驱动器输出 (右端连接器, 查看驱动器前面)。
  2. 将驱动器输入 (在查看驱动器的前面时) 连接到调压器输出。
  3. 将调压器输入连接到工作台上的三相插座。
  4. 在应用电源之前, 将调压器上的刻度盘调到75%。这将在实验后的210伏线上启动驱动器。
  5. 打开三相断开开关。变频的主屏应打开并显示 "F000"。

4. 按下 "Lo/重新" 按钮一次, 将驱动器置于本地模式-该按钮上的红灯应该打开。

  1. "lo/重新" 按钮允许用户在本地 (lo) 频率设置和远程 (重新) 频率设置之间进行选择。
  2. 用户可以更改频率(f),并且驱动器自动设置相应的电压(v)以保持恒定的V/f比率。

5. 检查驱动器参数是否与表1中所示的相同。

6. 执行基本电压、电流和频率测量:

  1. 循环通过菜单, 并找到一个 "0.0u" 的显示器后, 它-这显示的测量电压馈到电机。
  2. 从那里, 向上滚动一次到一个屏幕, 读取 "0.00A"-这显示当前的测量时, 驱动器运行。
  3. 下一个屏幕从那读 "0.00"-这是频率测量。

7. 设置不同的输出频率, 从而设置不同的电机转速, 因为速度和频率是正比的:

  1. 返回主屏幕并搜索字母 F。
    1. 通过按 enter 键更改频率, 然后使用向上和向下箭头操作该值。
    2. 使用 > (右箭头/重置) 按钮在值列之间进行更改。
    3. 通过按 enter 进行任何更改。
    4. 通过按 "Esc" 取消更改并继续按当前频率运行。

8. 将频率设置为10赫兹。

  1. 按绿色 "运行" 按钮。
  2. 滚动到电压、电流和频率读数并记录它们的值。
  3. 重复以下频率:25、45、60和70赫兹。
  4. 请注意, 可能已设置了最大频率限制以防止用户超过 60 Hz, 因此请从 "E2" 菜单调整最大频率限制。

9. 请注意, 如果驱动器超载或故障: 按红色 "停止" 按钮, 然后按 > (右箭头/复位) 按钮。

Table 1
表 1: 主要变频设置

变频驱动器, 也称为变频, 是负担得起的, 可靠的控制器, 能够调整速度的感应电机的最佳性能。变频正在成为在风扇、水泵、压缩机、钻头和许多其他应用中为小型到大型电动机供电的标准设备。不像固定速度控制器, 它立即打开一个马达全速, 变频可以软启动一个马达由逐渐增加速度到期望水平。软启动消除了高启动扭矩和浪涌电流, 减少机械应力, 提高设备寿命和可靠性。此外, 由于负载转矩和功率分别与正方形和立方体的速度, 调整电机速度甚至少量可以节省可观的能量。该视频将演示变频驱动器的配置及其在三相交流异步电动机控制中的应用。

交流感应电动机只有两个主要部分, 定子和转子, 最常用的是三相交流电源。三相电流通过定子线圈产生一个定子磁场, 其旋转的角速度成正比的交流频率。这个定子磁场旋转转子。因此, 电机转速与输入功率频率成正比。有关感应电动机操作的更多信息, 请观看朱庇特科学教育视频: 交流感应电机。如果电机直接连接到三相电源, 它以固定的速度运行, 由恒定的60赫兹线频率决定。对于可调速度, 可变频率驱动器或变频, 必须提供电源。变频通过设定输出频率和电压来调节电机转速。首先, 整流器将60赫兹 AC 输入转换为直流电源。然后, dc 到 AC 逆变器使用脉冲宽度调制在特定模式下开关这种直流电源。最后, 低通滤波器将脉冲流转换为近似的正弦波形, 并在所选频率下产生交流输出功率, 从而控制电机转速。正弦波形是必要的, 因为大多数感应电动机设计为使用 AC 市电的电源。单相电机采用单相整流器和逆变器变频, 三相电机采用变频三相整流和逆变器。如欲了解更多有关整流器和逆变器的信息, 请观看朱庇特科学教育视频: 单相整流器和单相变流器。先进的变频使用闭环, 或矢量控制, 以良好的速度或扭矩调节。微处理器接收有关电机磁场和扭矩的反馈, 并根据控制算法不断调整变频电源。当在额定电压下操作电机时, 大多数变频使用开环控制来简单地输出恒定的驱动功率, 而无需反馈或调整。采用开环控制, 变频保持选择的电压频率比, 这是近似成正比的定子磁场, 因此也与电机速度成正比。例如, 如果一个马达额定电压为208伏特和60赫兹, 那么对频率配给量是每赫兹3.5 伏。为了降低电机转速, 变频调速降低了频率, 但也必须降低电压, 以保持恒定的电压频率比。因此, 如果变频电机以30赫兹而不是60赫兹的速率驱动马达, 它将电压按比例降低到104伏, 从208伏, 电压频率比保持在每赫兹的3.5 伏特。当马达在额定频率以上操作时, 变频通常会限制输出到额定电压。这种预防措施避免了绝缘和线圈的电压或电流的超过限值。例如, 额定电压为208伏特和60赫兹的电动机的频率比为每赫兹3.5 伏。通过增加频率为120赫兹的变频调速, 不会将输出增加到460伏特, 这是恒定电压到频率比所需要的。相反, 该变频机将限制其输出到额定208伏, 以防止损坏电机。现在, 变频的基础已经解释, 让我们检查一个变频连接到一个三相交流感应电动机。在本实验中, 该变频系统采用开环控制的电机转速和恒定电压的频率比。

三相功率关闭, 调压器设置为 0%, 将感应电动机定子端子连接到变频驱动输出。从变频器前端查看时, 驱动器输出接头在右侧。将调压器输入连接到工作台上的三相插座。调整控制旋钮的调压器到75% 和打开三相电源。有了这个调压器设置, 线到线电压是大约210伏。现在, 变频主屏幕应该亮起并显示 F 000。"本地远程" 按钮允许用户选择频率选择的方法。本地控制允许使用的小键盘操作的变频器。虽然远程控制需要模拟或数字通信, 但请按本地远程按钮一次以将驱动器置于本地模式。将变频的周长设置为表中显示的。为此, 请使用箭头键设置马达速度, 以到达主屏幕上的 "频率" 菜单上的字母 F。然后将频率设置为10赫兹。要测量电压输入到马达, 选择菜单与显示0.0v。要测量驱动电机的电流, 请向上滚动到读取0.00A 的屏幕。要测量变频频率, 请滚动到频率测量屏幕。按绿色运行按钮启动马达。驱动器自动输出所需的电压, 以保持恒定的电压频率比, 这是预设到3.47。滚动到电压、电流和频率的显示, 并记录它们的值。如果驱动器超载或故障, 请按 "红色停止" 按钮, 然后按 "重置" 按钮。使用闪光灯来测量马达的转速。调整课程频率旋钮, 直到轴看起来几乎静止, 然后调整微调频率旋钮, 直到轴看起来不动。对频率25、45、60和70赫兹重复此过程。在变频调速控制下, 绘出电机速度与频率的关系图。

变频调速控制交流异步电动机的转速, 可降低机械应力, 提高可靠性, 降低维修成本。此外, 变频允许以最佳速度运行电机, 以提高能效。由于这些优点, 变频在许多应用中都很有用, 比如调整风扇的速度。在通风系统中, 这样的风扇可以响应手动或自动控制, 在温度较高时增加风扇转速和空气循环, 或在温度较低时降低风扇转速。钻床, laids, 铣床, 和类似的设备使用变频控制他们的马达。塑料需要低速加工, 以防止炭化或熔化, 而硬金属如钢容忍高速加工更快的工作。与变频, 机械加工设备更多才多艺, 更能处理各种情况。

你刚刚看了朱庇特的介绍交流感应电动机变频调速。现在您应该了解变频的工作方式, 以及输入功率频率如何决定马达的速度。谢谢收看!

Results

变频通常提供一个恒定的电压-频率比, 以保持定子磁链在一个接近恒定的感应电机。如果一台机器的额定值为60赫兹和 208 v (线到线, RMS), 那么v/f比率为 208/60 = 3.467 伏/赫兹。因此, 当机器以较低的频率运行以降低其速度时, 电压会被削弱以保持一个常数的V/f比率。例如, 如果机器运行在30赫兹, 电压应该减少到 104 v。或者, 如果机器是以15赫兹的频率运行, 那么电压应该降低到 52 v。在没有负载情况下, 电流通常下降, 因为电压下降, 因为机器的电抗下降与较低的频率。

在高于额定频率时, 变频通常被编程以保持额定电压;因此, 不应用常量V/f 。这主要是由于机器的电压额定值, 比额定的更高的电压保持远离, 以避免打破机器绝缘或造成更多的电流流入机器。例如, 如果60赫兹机器的频率设置为70赫兹, 使用变频器, 电压保持在208伏而不是 242.67 v

Applications and Summary

变频在商业、工业和自动化系统中有广泛的应用, 它们可以节省大量的能量, 因为它们调整马达的操作点, 在变速运行时尽可能多地吸取能量。变频中使用的逆变器在许多电机控制应用中也很常见, 其中包括更多电动汽车的运输系统, 在供暖、通风和空调应用等许多方面。

1. 确保三相断开开关关闭。

2. 检查调压器是否在0%。

3. 在机器和调压器端子上执行以下连接:

  1. 将感应电机定子端子连接到驱动器输出 (右端连接器, 查看驱动器前面)。
  2. 将驱动器输入 (在查看驱动器的前面时) 连接到调压器输出。
  3. 将调压器输入连接到工作台上的三相插座。
  4. 在应用电源之前, 将调压器上的刻度盘调到75%。这将在实验后的210伏线上启动驱动器。
  5. 打开三相断开开关。变频的主屏应打开并显示 "F000"。

4. 按下 "Lo/重新" 按钮一次, 将驱动器置于本地模式-该按钮上的红灯应该打开。

  1. "lo/重新" 按钮允许用户在本地 (lo) 频率设置和远程 (重新) 频率设置之间进行选择。
  2. 用户可以更改频率(f),并且驱动器自动设置相应的电压(v)以保持恒定的V/f比率。

5. 检查驱动器参数是否与表1中所示的相同。

6. 执行基本电压、电流和频率测量:

  1. 循环通过菜单, 并找到一个 "0.0u" 的显示器后, 它-这显示的测量电压馈到电机。
  2. 从那里, 向上滚动一次到一个屏幕, 读取 "0.00A"-这显示当前的测量时, 驱动器运行。
  3. 下一个屏幕从那读 "0.00"-这是频率测量。

7. 设置不同的输出频率, 从而设置不同的电机转速, 因为速度和频率是正比的:

  1. 返回主屏幕并搜索字母 F。
    1. 通过按 enter 键更改频率, 然后使用向上和向下箭头操作该值。
    2. 使用 > (右箭头/重置) 按钮在值列之间进行更改。
    3. 通过按 enter 进行任何更改。
    4. 通过按 "Esc" 取消更改并继续按当前频率运行。

8. 将频率设置为10赫兹。

  1. 按绿色 "运行" 按钮。
  2. 滚动到电压、电流和频率读数并记录它们的值。
  3. 重复以下频率:25、45、60和70赫兹。
  4. 请注意, 可能已设置了最大频率限制以防止用户超过 60 Hz, 因此请从 "E2" 菜单调整最大频率限制。

9. 请注意, 如果驱动器超载或故障: 按红色 "停止" 按钮, 然后按 > (右箭头/复位) 按钮。

Table 1
表 1: 主要变频设置

变频驱动器, 也称为变频, 是负担得起的, 可靠的控制器, 能够调整速度的感应电机的最佳性能。变频正在成为在风扇、水泵、压缩机、钻头和许多其他应用中为小型到大型电动机供电的标准设备。不像固定速度控制器, 它立即打开一个马达全速, 变频可以软启动一个马达由逐渐增加速度到期望水平。软启动消除了高启动扭矩和浪涌电流, 减少机械应力, 提高设备寿命和可靠性。此外, 由于负载转矩和功率分别与正方形和立方体的速度, 调整电机速度甚至少量可以节省可观的能量。该视频将演示变频驱动器的配置及其在三相交流异步电动机控制中的应用。

交流感应电动机只有两个主要部分, 定子和转子, 最常用的是三相交流电源。三相电流通过定子线圈产生一个定子磁场, 其旋转的角速度成正比的交流频率。这个定子磁场旋转转子。因此, 电机转速与输入功率频率成正比。有关感应电动机操作的更多信息, 请观看朱庇特科学教育视频: 交流感应电机。如果电机直接连接到三相电源, 它以固定的速度运行, 由恒定的60赫兹线频率决定。对于可调速度, 可变频率驱动器或变频, 必须提供电源。变频通过设定输出频率和电压来调节电机转速。首先, 整流器将60赫兹 AC 输入转换为直流电源。然后, dc 到 AC 逆变器使用脉冲宽度调制在特定模式下开关这种直流电源。最后, 低通滤波器将脉冲流转换为近似的正弦波形, 并在所选频率下产生交流输出功率, 从而控制电机转速。正弦波形是必要的, 因为大多数感应电动机设计为使用 AC 市电的电源。单相电机采用单相整流器和逆变器变频, 三相电机采用变频三相整流和逆变器。如欲了解更多有关整流器和逆变器的信息, 请观看朱庇特科学教育视频: 单相整流器和单相变流器。先进的变频使用闭环, 或矢量控制, 以良好的速度或扭矩调节。微处理器接收有关电机磁场和扭矩的反馈, 并根据控制算法不断调整变频电源。当在额定电压下操作电机时, 大多数变频使用开环控制来简单地输出恒定的驱动功率, 而无需反馈或调整。采用开环控制, 变频保持选择的电压频率比, 这是近似成正比的定子磁场, 因此也与电机速度成正比。例如, 如果一个马达额定电压为208伏特和60赫兹, 那么对频率配给量是每赫兹3.5 伏。为了降低电机转速, 变频调速降低了频率, 但也必须降低电压, 以保持恒定的电压频率比。因此, 如果变频电机以30赫兹而不是60赫兹的速率驱动马达, 它将电压按比例降低到104伏, 从208伏, 电压频率比保持在每赫兹的3.5 伏特。当马达在额定频率以上操作时, 变频通常会限制输出到额定电压。这种预防措施避免了绝缘和线圈的电压或电流的超过限值。例如, 额定电压为208伏特和60赫兹的电动机的频率比为每赫兹3.5 伏。通过增加频率为120赫兹的变频调速, 不会将输出增加到460伏特, 这是恒定电压到频率比所需要的。相反, 该变频机将限制其输出到额定208伏, 以防止损坏电机。现在, 变频的基础已经解释, 让我们检查一个变频连接到一个三相交流感应电动机。在本实验中, 该变频系统采用开环控制的电机转速和恒定电压的频率比。

三相功率关闭, 调压器设置为 0%, 将感应电动机定子端子连接到变频驱动输出。从变频器前端查看时, 驱动器输出接头在右侧。将调压器输入连接到工作台上的三相插座。调整控制旋钮的调压器到75% 和打开三相电源。有了这个调压器设置, 线到线电压是大约210伏。现在, 变频主屏幕应该亮起并显示 F 000。"本地远程" 按钮允许用户选择频率选择的方法。本地控制允许使用的小键盘操作的变频器。虽然远程控制需要模拟或数字通信, 但请按本地远程按钮一次以将驱动器置于本地模式。将变频的周长设置为表中显示的。为此, 请使用箭头键设置马达速度, 以到达主屏幕上的 "频率" 菜单上的字母 F。然后将频率设置为10赫兹。要测量电压输入到马达, 选择菜单与显示0.0v。要测量驱动电机的电流, 请向上滚动到读取0.00A 的屏幕。要测量变频频率, 请滚动到频率测量屏幕。按绿色运行按钮启动马达。驱动器自动输出所需的电压, 以保持恒定的电压频率比, 这是预设到3.47。滚动到电压、电流和频率的显示, 并记录它们的值。如果驱动器超载或故障, 请按 "红色停止" 按钮, 然后按 "重置" 按钮。使用闪光灯来测量马达的转速。调整课程频率旋钮, 直到轴看起来几乎静止, 然后调整微调频率旋钮, 直到轴看起来不动。对频率25、45、60和70赫兹重复此过程。在变频调速控制下, 绘出电机速度与频率的关系图。

变频调速控制交流异步电动机的转速, 可降低机械应力, 提高可靠性, 降低维修成本。此外, 变频允许以最佳速度运行电机, 以提高能效。由于这些优点, 变频在许多应用中都很有用, 比如调整风扇的速度。在通风系统中, 这样的风扇可以响应手动或自动控制, 在温度较高时增加风扇转速和空气循环, 或在温度较低时降低风扇转速。钻床, laids, 铣床, 和类似的设备使用变频控制他们的马达。塑料需要低速加工, 以防止炭化或熔化, 而硬金属如钢容忍高速加工更快的工作。与变频, 机械加工设备更多才多艺, 更能处理各种情况。

你刚刚看了朱庇特的介绍交流感应电动机变频调速。现在您应该了解变频的工作方式, 以及输入功率频率如何决定马达的速度。谢谢收看!

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