Overview
Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.
As unidades de frequência variável (VFDs) são um tipo de acionamento de velocidade ajustável, que estão se tornando equipamentos padrão para alimentar a maioria dos motores de indução CA. VFDs são comuns em aplicações industriais e de automação e normalmente fornecem um controle robusto do motor em modos de velocidade, torque ou posição. Os VFDs testados e simulados neste experimento se concentram no controle de velocidade e loop aberto com controle constante de tensão/relação frequência (V/f). O motor de indução normalmente opera a um fluxo de estator nominal, e este fluxo é aproximadamente proporcional à razão V/f. Para manter o fluxo constante do estator, a tensão e a frequência aplicadas ao estator são mantidas em uma razão constante, que é a razão V/f. O VFD usado neste experimento é uma unidade Yaskawa V1000 de 1 hp, mas o procedimento se aplica à maioria das unidades de uso geral disponíveis comercialmente.
Principles
Os VFDs normalmente incluem um estágio retificador para conversão AC/DC, seguido por um estágio inversor para inversão DC/AC. O inversor e o retificador podem ser de fase única para fornecer motores monárfato ou trifásicos para fornecer motores trifásicos. Os retificador também podem ter um estágio de correção do fator de potência, de modo que o VFD e o motor são vistos em um fator de alta potência do lado da rede que fornece o retificador, para reduzir a corrente retirada da grade para o VFD e motor. Os inversores geralmente são comutos com modulação da largura do pulso (PWM), que é um padrão de comutação muito próximo a um sinusoide. Ter tensões pwm alimentadas do inversor para o motor faz com que o motor veja tensões próximas o suficiente aos sinusoides, uma vez que a maioria dos motores são projetados para serem alimentados em linha (ou seja,alimentados diretamente pela grade). Na comutação PWM, o VFD pode ajustar com base na entrada do usuário ou controlando automaticamente a frequência do sinusoide no motor e na magnitude da tensão. A maioria dos VFDs comerciais utiliza controle de loop aberto, onde a razão V/f é mantida como constante, ao operar o motor em ou abaixo da tensão nominal; isso mantém o fluxo motor a um valor nominal. Outros VFDs mais avançados usam "controle vetorial", que é um esquema de controle em loop fechado que fornece regulação de velocidade ou torque apertado.
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Procedure
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
As unidades de frequência variável, também conhecidas como VFDs, são controladores acessíveis e confiáveis com a capacidade de ajustar a velocidade dos motores de indução para um desempenho ideal. VFDs estão se tornando equipamentos padrão para alimentar motores pequenos a grandes em ventiladores, bombas, compressores, brocas e muitas outras aplicações. Ao contrário dos controladores de velocidade fixa, que instantaneamente ligam um motor a toda velocidade, os VFDs podem ligar um motor suavemente aumentando gradualmente a velocidade para o nível desejado. O soft starts elimina os torques de partida elevados e as correntes de alta tensão, reduz as tensões mecânicas e aumenta a vida útil e a confiabilidade dos equipamentos. Além disso, como as cargas de torque e potência variam com o quadrado e o cubo de velocidade, respectivamente, ajustar a velocidade do motor em uma pequena quantidade pode economizar uma energia considerável. Este vídeo demonstrará a configuração de uma unidade de frequência variável e seu uso no controle de um motor de indução CA trifásica.
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 alimentação de entrada. Para obter mais informações sobre a operação do motor de indução, assista ao vídeo da JoVE Science Education: AC Induction Motors. Se o motor estiver diretamente conectado à potência da rede trifásica, ele opera a uma velocidade fixa que é determinada pela frequência constante da linha de 60 hertz. Para uma velocidade ajustável, uma unidade de frequência variável, ou VFD, deve fornecer a potência. Os VFDs ajustam a velocidade do motor definindo a frequência de saída e a tensão. Primeiro, um retificador converte a entrada 60 hertz AC em energia DC. Em seguida, um inversor DC para CA usa modulação de largura de pulso para ligar e desligar essa energia DC em um padrão específico. Finalmente, um filtro de passagem baixa transforma o fluxo de pulso em uma forma de onda aproximadamente sinusoidal e gera energia de saída CA na frequência escolhida, que rege a velocidade do motor. Uma forma de onda sinusoidal é necessária porque a maioria dos motores de indução são projetados para usar energia a partir de rede CA. Os motores monárculos usam VFDs com retificadores e inversores de fase única, e os motores trifásicos usam VFDs com retificadores e inversores de três fases. Para obter mais informações sobre retificadores e inversores, assista aos vídeos da JoVE Science Education: Retifiers de fase única e inversores de fase única. VFDs avançados usaram loop fechado, ou controle vetorial, para uma boa regulação de velocidade ou torque. Um microprocessador recebe feedback sobre o campo magnético e torque dos motores, e ajusta continuamente a potência 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 loop aberto para simplesmente produzir energia de acionamento constante sem feedback ou ajustes. Com o controle de loop aberto, os VFDs mantêm uma relação tensão escolhida para frequência, que é aproximadamente proporcional ao campo magnético do estator e, portanto, também proporcional à velocidade do motor. Por exemplo, se um motor é avaliado em 208 volts e 60 hertz, então a tensão para a ração de 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 constante/frequência. Portanto, se o VFD dirige o motor a 30 hertz em vez de 60 hertz, ele diminui a tensão proporcionalmente para 104 volts de 208 volts, e a relação tensão/frequência permanece em 3,5 volts por hertz. Ao operar um motor acima de sua frequência nominal, os VFDs geralmente restringem a saída à tensão nominal. Essa 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 constante/frequência. Em vez disso, o VFD limitaria sua saída aos 208 volts classificados para evitar danos ao motor. Agora que os fundamentos dos VFDs foram explicados, vamos examinar um VFD conectado a um motor de indução AC trifásica. Neste experimento, o VFD opera com controle de loop aberto da velocidade do motor e uma relação tensão constante/frequência.
Com a energia trifásica desligada e o Variac definido para 0%, conecte os terminais de estatores de motores de indução à saída da unidade VFD. Quando visualizados na frente do VFD, os conectores de saída da unidade estão no lado direito. Conecte a entrada Variac ao recipiente trifásico no banco. Ajuste o botão de controle do Variac para 75% e a guinrância na potência trifásica. Com esta configuração Variac, a tensão de linha para linha é de cerca de 210 volts. Agora, a tela principal dos VFDs deve acender e exibir F 000. O botão remoto local permite que o usuário selecione o método de seleção de frequências. O controle local permite o uso do teclado para operar o VFD. Enquanto o controle remoto requer comunicações analógicas ou digitais, pressione o botão remoto local uma vez para colocar a unidade no modo local. Coloque os perímetros VFD para os mostrados na tabela. Para isso, defina a velocidade do motor usando as teclas de seta para alcançar o menu de frequência, letra F na tela principal. Em seguida, definir 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 conduz o motor, role até a tela que lê 0.00A. Para medir a frequência VFD, role até a tela de medição de frequência. Pressione o botão verde de corrida para ligar o motor. A unidade soluciona automaticamente a tensão necessária para manter uma relação tensão constante/frequência, que é predefinida para 3,47. Role até os monitores de tensão, corrente e frequência e regissore seus valores. Se a unidade sobrecarregar ou falhar, pressione o botão de parada vermelho e 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, em seguida, ajuste o botão de frequência fina até que o eixo pareça imóvel. Repita este procedimento para as frequências 25, 45, 60 e 70 hertz. Plote a velocidade do motor versus a frequência para obter um gráfico do comportamento motor sob controle da unidade de frequência variável.
As unidades de frequência variável controlam a velocidade dos motores de indução de AC, podendo reduzir os estresses mecânicos, aumentar a confiabilidade e diminuir os custos de manutenção. Além disso, os VFDs permitem a operação de motores a uma velocidade ideal para melhorar a eficiência energética. Por causa desses benefícios, os VFDs são úteis em muitas aplicações, como ajustar a velocidade de um ventilador. Quando incorporados em um sistema de ventilação, ventiladores como este podem responder a controles manuais ou automáticos que aumentam a velocidade do ventilador e a circulação do ar quando as temperaturas estão altas ou diminuem a velocidade do ventilador quando as temperaturas estão baixas. Prensas de perfuração, conjuntos, máquinas de fresagem 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 em alta velocidade para um trabalho mais rápido. Com VFDs, o equipamento de usinagem é mais versátil e mais capaz de lidar com uma ampla gama de situações.
Você acabou de assistir a introdução da JoVE a unidades de frequência variável para motores de indução AC. Agora você deve entender como os VFDs funcionam e como a frequência de alimentação de entrada determina a velocidade do motor. Obrigado por assistir!
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Results
Os VFDs normalmente fornecem uma relação tensão-freqüência constante para manter o fluxo de estator em uma máquina de indução perto de uma constante. Se uma máquina for avaliada em 60 Hz e 208 V (linha para linha, RMS), então a relação V/f é de 208/60 = 3.467 V/Hz. Portanto, quando a máquina é executada em uma frequência mais baixa para reduzir sua velocidade, a tensão é enfraquecida para manter uma relação V/f em uma constante. Por exemplo, se a máquina for executada a 30 Hz, a tensão deve ser reduzida para 104 V. Ou, se a máquina é executada a uma frequência de 15 Hz, então a tensão deve ser reduzida para 52 V. Sem condições de carga, a corrente normalmente cai à medida que a tensão cai, uma vez que a reação da máquina cai com frequências mais baixas.
Em frequências mais altas do que as classificadas, os VFDs geralmente são programados para manter a tensão nominal; portanto, um V/f constante não se aplica. Isso se deve principalmente às classificações de tensão da máquina, onde tensões mais altas do que as classificadas são mantidas longe para evitar quebrar o isolamento da máquina ou fazer com que mais corrente flua para dentro da máquina. Por exemplo, se a frequência de uma máquina de 60 Hz for fixada em 70 Hz usando um VFD, a tensão é mantida em 208 V em vez de 242,67 V.
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Applications and Summary
Os VFDs têm um amplo uso em sistemas comerciais, industriais e de automação, e podem economizar quantidades significativas de energia, pois ajustam o ponto de operação de um motor para extrair tanta energia quanto necessário em operação de velocidade variável. Inversores usados em VFDs também são comuns em muitos aplicativos de controle motor, incluindo sistemas de transporte com veículos mais elétricos, em aplicações de aquecimento, ventilação e ar condicionado, e muitos outros.
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