Macchina a induzione CA alimentata da azionamento a frequenza variabile (VDF)

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

Gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) sono un tipo di azionamento a velocità regolabile, che stanno diventando apparecchiature standard per alimentare la maggior parte dei motori a induzione CA. I VFD sono comuni nelle applicazioni industriali e di automazione e in genere forniscono un controllo robusto del motore in modalità di velocità, coppia o posizione. I VFD testati e simulati in questo esperimento si concentrano sulla velocità e sul controllo ad anello aperto con controllo costante del rapporto tensione/frequenza (V / f). Il motore a induzione funziona tipicamente a un flusso nominale dello statore e questo flusso è approssimativamente proporzionale al rapporto V / f. Per mantenere costante il flusso dello statore, la tensione e la frequenza applicate allo statore vengono mantenute a un rapporto costante, che è il rapporto V / f. Il VFD utilizzato in questo esperimento è un azionamento Yaskawa V1000 da 1 CV, ma la procedura si applica alla maggior parte delle unità per uso generico disponibili in commercio.

I VFD in genere includono uno stadio raddrizzatore per la conversione AC/DC, seguito da uno stadio inverter per l'inversione DC/AC. L'inverter e il raddrizzatore possono essere monofase per alimentare motori monofase o trifase per alimentare motori trifase. I raddrizzatori possono anche avere uno stadio di correzione del fattore di potenza, quindi il VFD e il motore sono visti con un fattore di potenza elevato dal lato della rete che alimenta il raddrizzatore, per ridurre la corrente prelevata dalla rete nel VFD e nel motore. Gli inverter sono solitamente commutati con modulazione della larghezza di impulso (PWM), che è un modello di commutazione molto vicino a una sinusoide. Avere tensioni PWM alimentate dall'inverter nel motore fa sì che il motore veda tensioni abbastanza vicine alle sinusoidi, poiché la maggior parte dei motori sono progettati per essere alimentati in linea(cioèdirettamente alimentati dalla rete). Nella commutazione PWM, il VFD può essere regolato in base all'ingresso dell'utente o controllando automaticamente la frequenza della sinusoide nel motore e la grandezza della tensione. La maggior parte dei VFD commerciali utilizza il controllo a circuito aperto, in cui il rapporto V / f viene mantenuto costante, quando si utilizza il motore a tensione nominale o inferiore; questo mantiene il flusso del motore ad un valore nominale. Altri VFD più avanzati utilizzano il "controllo vettoriale", che è uno schema di controllo a circuito chiuso che fornisce una stretta regolazione della velocità o della coppia.

1. Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase sia spento.

2. Controllare che il VARIAC sia allo 0%.

3. Eseguire le seguenti connessioni alla macchina e ai terminali VARIAC:

1. Collegare i terminali dello statore della macchina a induzione all'uscita dell'azionamento (connettori sul lato destro, quando si guarda la parte anteriore dell'unità).
2. Collegare l'ingresso dell'unità (set di connettori a sinistra, quando si guarda la parte anteriore dell'unità) all'uscita VARIAC.
3. Collegare l'ingresso VARIAC alla presa trifase sul banco.
4. Prima di applicare l'alimentazione, ruotare il quadrante sul VARIAC fino al 75%. Questo avvia l'unità a circa 210 V line-to-line più avanti nell'esperimento.
5. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase. La schermata principale del VFD dovrebbe accendersi e visualizzare "F000".

4. Premere una volta il pulsante "Lo / Re" per mettere l'unità in modalità locale - la luce rossa su quel pulsante dovrebbe accendersi.

1. Il pulsante "Lo/Re" consente all'utente di effettuare una selezione tra l'impostazione della frequenza locale (Lo) e l'impostazione della frequenza remota (Re).
2. L'utente è in grado di modificare la frequenza (f) e l'azionamento imposta automaticamente la tensione corrispondente (V) per mantenere un rapporto V/f costante.

5. Verificare che i parametri dell'azionamento siano gli stessi indicati nella Tabella 1.

6. Per eseguire misurazioni di tensione, corrente e frequenza di base:

1. Scorrere il menu e trovare il display con un "0.0u" dopo di esso - questo visualizza la misurazione della tensione alimentata al motore.
2. Da lì, scorri verso l'alto una volta fino a una schermata che legge "0.00A" - questo visualizza la misurazione corrente quando l'unità è in esecuzione.
3. La schermata successiva da quella recita "0,00" - questa è la misurazione della frequenza.

7. Per impostare una frequenza di uscita diversa, e quindi impostare una velocità del motore diversa poiché la velocità e la frequenza elettrica sono proporzionali:

1. Torna alla schermata principale e cerca la lettera F.
   1. Modificare la frequenza premendo INVIO e quindi manipolando il valore utilizzando le frecce su e giù.
   2. Utilizzare il pulsante > (freccia destra/ripristino) per passare da una colonna di valori all'altro.
   3. Attuare eventuali modifiche premendo invio.
   4. Annullare le modifiche e continuare a funzionare alla frequenza attuale premendo "Esc".

8. Impostare la frequenza su 10 Hz.

1. Premere il pulsante verde "Esegui".
2. Scorri fino alle letture di tensione, corrente e frequenza e registra i loro valori.
3. Ripetere l'operazione per le seguenti frequenze: 25, 45, 60 e 70 Hz.
4. Si noti che potrebbe essere stato impostato un limite di frequenza massima per impedire all'utente di superare i 60 Hz, quindi regolare il limite di frequenza massima dal menu "E2".

9. Si noti che se l'unità si sovraccarica o si guasti: premere il pulsante rosso "Stop", quindi premere il pulsante > (freccia destra / ripristino).

Tabella 1: Impostazioni VFD principali

I VFD in genere forniscono un rapporto tensione-frequenza costante per mantenere il flusso dello statore in una macchina a induzione vicino a una costante. Se una macchina è nominale a 60 Hz e 208 V (line-to-line, RMS), il rapporto V/f è 208/60 = 3.467 V/Hz. Pertanto, quando la macchina viene a corsa a una frequenza inferiore per ridurne la velocità, la tensione viene indebolita per mantenere costante un rapporto V/f. Ad esempio, se la macchina funziona a 30 Hz, la tensione deve essere ridotta a 104 V. Oppure, se la macchina viene eseguita a una frequenza di 15 Hz, la tensione deve essere ridotta a 52 V. In condizioni di uscita senza carico, la corrente in genere diminuisce quando la tensione diminuisce, poiché la reattanza della macchina diminuisce con frequenze più basse.

A frequenze superiori a quelle nominali, i VFD sono solitamente programmati per mantenere la tensione nominale; pertanto, una costante V/f non si applica. Ciò è dovuto principalmente alle tensioni nominali della macchina, in cui tensioni superiori a quelle nominali sono tenute lontane per evitare di rompere l'isolamento della macchina o causare un flusso di più corrente nella macchina. Ad esempio, se la frequenza per una macchina a 60 Hz è impostata su 70 Hz utilizzando un VFD, la tensione viene mantenuta a 208 V anziché a 242,67 V.

I VFD hanno un ampio utilizzo nei sistemi commerciali, industriali e di automazione e possono risparmiare quantità significative di energia, poiché regolano il punto operativo di un motore per prelevare tutta l'energia necessaria con un funzionamento a velocità variabile. Gli inverter utilizzati nei VFD sono anche comuni in molte applicazioni di controllo del motore, compresi i sistemi di trasporto con più veicoli elettrici, nelle applicazioni di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria e molti altri.