Поведение тока и мощности в системе привода с регулируемой скоростью не всегда хорошо понимается пользователями, особенно вопрос о том, как изменяются входные и выходные токи привода при изменении частоты вращения вала двигателя и нагрузки. В этом блоге мы рассмотрим основные характеристики приводов с регулируемой скоростью, чтобы прояснить, как соотносятся эти значения. Это помогает понять поведение системы и учесть влияние изменения режима работы на потребление энергии и на номинальную мощность основных компонентов. Мы кратко рассмотрим приводы постоянного тока (управляемый выпрямитель), а также инверторные приводы переменного тока, поскольку есть некоторые интересные различия.

Крутящий момент, создаваемый электродвигателем, всегда можно рассматривать как произведение магнитного потока, действующего на токопроводящие проводники. Для данного уровня потока двигателя крутящий момент является прямой функцией тока, который связывает поток.

Игнорируя эффекты второго порядка, мы можем обобщить это для двигателей постоянного и переменного тока:

В двигателях постоянного тока и асинхронных двигателях переменного тока ток намагничивания обычно постоянен независимо от крутящего момента, если только не применяется специальное энергосберегающее регулирование при уменьшенном крутящем моменте. Для небольшого асинхронного двигателя ток намагничивания может составлять значительную долю (например, 70%) от номинального тока. Преимуществом двигателя с постоянными магнитами является то, что ток намагничивания не требуется, поэтому можно избежать потерь, связанных с этим током.

На рисунке 1 показано типичное изменение (нормализованного) тока двигателя в зависимости от крутящего момента для асинхронного двигателя с фиксированным напряжением питания. Разница в скорости незначительна.

Мощность на валу определяется произведением крутящего момента на скорость.

Если мы игнорируем потери, то потребляемая электрическая мощность определяется для машины постоянного тока произведением постоянного напряжения и тока, а для машины переменного тока произведением номинального напряжения и составляющей тока в фазе с напряжением, поскольку ток обычно отстает от напряжение в фазе.

В первом приближении ток зависит от крутящего момента, а напряжение — от скорости. Входная мощность аналогична выходной мощности, за исключением потерь, которые при номинальной мощности обычно находятся в диапазоне от 5% до 20% от номинальной мощности.

Поскольку в приводах используются коммутационные устройства с минимальными потерями мощности, около 2%, входная мощность должна быть очень близка к выходной мощности. Поведение входного тока привода немного менее очевидно.

На рисунке 2 показаны основные элементы якорного выпрямителя привода постоянного тока.

Тиристоры позволяют регулировать выходное напряжение для управления крутящим моментом и частотой вращения двигателя. Обратите внимание, что существует непрерывность между входными фазами и выходом, без альтернативных путей тока, таких как конденсаторы или общие соединения. За исключением короткого интервала перекрытия, только два тиристора проводят ток в любое время, поэтому ток нагрузки всегда должен протекать по входным фазам, если не установлен диод свободного хода.

Ток на выходе привода постоянного тока равен току якоря двигателя, который пропорционален крутящему моменту. Существует дополнительный небольшой преобразователь для питания поля.

Если мы теперь посмотрим, как работа двигателя влияет на входной ток, мы увидим, что величина входного тока прямо пропорциональна крутящему моменту в очень простой зависимости. Если текущую пульсацию можно игнорировать, то eqa. Это независимо от скорости или выходного напряжения.

Как же тогда входная мощность может изменяться в соответствии с выходной, если входной ток и напряжение не зависят от скорости? Ответ заключается в том, что изменяется входной коэффициент мощности, поскольку при обратном включении выпрямителя (угол срабатывания больше 0°) входной ток отстает по фазе от напряжения питания. В крайнем случае, если двигатель неподвижен, но выдает номинальный крутящий момент, поэтому мощность на валу равна нулю, входной ток по-прежнему имеет номинальное значение, но с запаздыванием по фазе, которое составило бы 90°, если бы не потери. Это может быть довольно серьезным недостатком приводов постоянного тока и является причиной того, что большие приводы постоянного тока часто используются с конденсаторами коррекции коэффициента мощности.

Выходной ток привода переменного тока — это ток двигателя, который, как мы видели, включает компонент, создающий крутящий момент, и компонент, намагничивающий, причем последний подается приводом независимо от требуемого крутящего момента. Таким образом, ток в каскаде инвертора, на который приходится большая часть материальных затрат привода, является функцией выходного крутящего момента вместе с фиксированной составляющей. Скорость практически не влияет на это.

На рисунке 3 показаны основные элементы инверторного привода переменного тока.

Трехфазные ветви инвертора подключены к одной и той же шине постоянного тока, которая питается от выпрямителя. Наличие этого общего соединения означает, что, когда выходное напряжение инвертора меньше его максимального значения, т.е. при скорости, меньшей базовой скорости, выходной ток частично циркулирует между фазными сегментами инвертора. То же самое относится и к реактивной части выходного тока. Шина постоянного тока должна обеспечивать только фактическую мощность, требуемую двигателем, т.е. произведение выходного напряжения и реальной (активной) части тока. Напряжение постоянного тока определяется напряжением питания, поэтому постоянный ток изменяется пропорционально мощности или скорости, если крутящий момент постоянен.

Входной ток выпрямителя отражает ток шины постоянного тока. Входная мощность практически такая же, как и мощность шины постоянного тока, поскольку потери на выпрямителе незначительны. Значение r.m.s. тока несколько выше, чем можно было бы ожидать для мощности, поскольку форма сигнала не является синусоидальной, т.е. ток содержит гармоники. По мере увеличения тока гармоники становятся пропорционально меньше из-за эффекта сглаживания дросселей сглаживания или уменьшения гармоник. При номинальной мощности нагрузки входной ток r.m.s. часто довольно близок к выходному току r.m.s., и это может привести к тому, что пользователи будут считать, что они одинаковы. Однако на самом деле это просто совпадение, поскольку типичные двигатели имеют коэффициент мощности около 0,85, а типичные приводы имеют коэффициент искажений около 0,85. При пониженной скорости два течения становятся совершенно разными.

Подводя итог, на рисунке 4 показано, как изменяется входной и выходной ток типичного привода переменного тока при изменении скорости и крутящего момента. Все величины нормализованы таким образом, чтобы номинальное или базовое значение было равно 1,0.

Существует только одна строка для выходного тока, поскольку он практически не меняется в зависимости от скорости. Входной ток увеличивается как функция произведения крутящего момента и скорости, но с уменьшением наклона, поскольку эффект дросселей становится более выраженным по мере приближения к номинальному току, улучшая коэффициент мощности за счет уменьшения гармоник тока. Существуют небольшие фиксированные потери и некоторые потери, изменяющиеся в зависимости от крутящего момента, как видно в строке для нулевой скорости, в основном вызванные потерями сопротивления в обмотках двигателя.

Для простоты приведенное выше обсуждение применимо к ситуациям в одном квадранте. Если крутящий момент и/или скорость могут изменяться в обратном направлении, то необходимо учитывать некоторые дополнительные факторы.

Для приводов постоянного тока четырехквадрантное применение требует двух тиристорных мостов для обеспечения двунаправленного постоянного тока. Поведение входного тока при изменении направления вращения на противоположное является продолжением случая с одним квадрантом, когда коэффициент мощности проходит через ноль при нулевой скорости, а затем возвращается к максимуму около 0,82, но с обратной фазой действительной части, что приводит к обратному потоку мощности.

Для приводов переменного тока неуправляемый выпрямитель не может возвращать питание в сеть. Инвертор обладает естественной регенерацией, поэтому при капитальном ремонте шина постоянного тока получает возвращенную мощность, и для предотвращения отключения от перенапряжения требуется схема резистивного торможения. Тогда входной ток равен нулю.

Это относится к (скорее теоретической) нагрузке с постоянным крутящим моментом, т.е. к нагрузке, при которой крутящий момент постоянен во всем диапазоне скоростей от -100% до +100%. На практике это происходит с подъемником или лебедкой, несущей фиксированный груз, и когда ускорение достаточно низкое, чтобы мы могли игнорировать усилие, необходимое для ускорения груза. Другими словами, мы медленно меняем скорость.

На рисунке 5 мы начинаем с максимальной скорости. Как для приводов постоянного, так и для переменного тока входной ток составляет около 100%. Теперь мы начинаем снижать скорость. Для привода постоянного тока величина входного тока остается неизменной, и мы можем сказать, что скорость падает, только если посмотрим на ее активную составляющую (в фазе с напряжением). Для привода переменного тока входной ток падает не совсем пропорционально скорости.

При нулевой скорости входной ток привода постоянного тока все еще немного превышает 100%. Его фазовый угол составляет почти -90°, причем единственная активная часть тока вызвана потерями мощности, поскольку мощность на валу равна нулю. Входной ток привода переменного тока очень мал, что приводит только к потерям мощности. Коэффициент мощности довольно низкий, поскольку сглаживающие дроссели малоэффективны при таком низком токе, но это не имеет практического значения, поскольку ток намного ниже номинального значения.

При отрицательных скоростях входной ток привода постоянного тока все еще находится на номинальном значении, но реальная часть стала отрицательной, поэтому привод возвращает регенерированную энергию в сеть с довольно низким коэффициентом мощности. Привод переменного тока имеет нулевой ток, поскольку входной выпрямитель был заблокирован, и потери мощности привода компенсируются восстановленной мощностью от нагрузки. Любая запасная мощность должна быть рассеяна в тормозном резисторе.