Ток, мощность и крутящий момент в приводах с регулируемой скоростью

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 скорости вала двигателя и нагрузки. В этом блоге мы рассмотрим основное поведение приводов с регулируемой скоростью, чтобы прояснить, как соотносятся эти значения. Это помогает понять поведение системы и учесть влияние различной нагрузки на энергопотребление и номинальную мощность основных компонентов. Мы кратко рассмотрим приводы постоянного тока (управляемый выпрямитель), а также приводы инвертора переменного тока, поскольку между ними есть некоторые интересные различия.

Ток двигателя

Крутящий момент, создаваемый электродвигателем, всегда можно рассматривать как произведение магнитного потока, действующего на проводники с током. Для заданного уровня потока двигателя крутящий момент является прямой функцией тока, связывающего поток.

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

• В машине постоянного тока поток определяется током обмотки возбуждения (возбуждения), а крутящий момент является произведением потока и тока якоря.
• В двигателе переменного тока без постоянного магнита амплитуда потока определяется отношением приложенного напряжения к частоте. Крутящий момент представляет собой произведение потока и тока, создающего крутящий момент, т. е. составляющую тока, которая находится в фазе с напряжением.

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

На рис. 1 показано типичное изменение (нормализованного) тока двигателя в зависимости от крутящего момента для асинхронного двигателя с фиксированным напряжением питания. Изменение скорости незначительно.

Мощность двигателя

Мощность на валу определяется произведением крутящего момента на скорость.

Если пренебречь потерями, то потребляемая электрическая мощность для машины постоянного тока определяется произведением постоянного напряжения и тока, а для машины переменного тока - произведением среднеквадратичного значения. напряжение и составляющая тока в фазе с напряжением, поскольку ток обычно отстает по фазе от напряжения.

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% номинальной мощности.

Ток и мощность привода

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 рис. 2 показаны основные элементы якорного выпрямителя привода постоянного тока.

Тиристоры позволяют регулировать выходное напряжение для управления крутящим моментом и скоростью двигателя. Обратите внимание, что между фазами входа и выхода существует непрерывность, без альтернативных путей тока, таких как конденсаторы или общие соединения. За исключением короткого интервала перекрытия, только два тиристора проводят ток в любой момент времени, поэтому ток нагрузки всегда должен протекать во входных фазах, если только не установлен обратный диод.

Привод постоянного тока — выход

Ток на выходе привода постоянного тока представляет собой ток якоря двигателя, который пропорционален крутящему моменту. Для питания поля имеется дополнительный небольшой преобразователь.

Привод постоянного тока — вход

Если мы теперь посмотрим, как на входной ток влияет работа двигателя, мы увидим, что величина входного тока прямо пропорциональна крутящему моменту в очень простом соотношении. Если текущие пульсации можно игнорировать, то . Это не зависит от скорости или выходного напряжения[1].

Как тогда входная мощность может изменяться в соответствии с выходной, если входной ток и напряжение не зависят от скорости? Ответ заключается в том, что коэффициент входной мощности изменяется, поскольку, когда выпрямитель сдвинут по фазе (угол включения больше 0°), входной ток отстает по фазе от напряжения питания. В крайнем случае, если двигатель неподвижен, но развивает номинальный крутящий момент, поэтому мощность на валу равна нулю, входной ток по-прежнему имеет номинальное значение, но с отставанием 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 для коррекции коэффициента мощности.

Привод переменного тока — выход

Выходной ток привода переменного тока представляет собой ток двигателя, который, как мы видели, включает составляющую, создающую крутящий момент, и составляющую намагничивания, причем последняя обеспечивается приводом независимо от требуемого крутящего момента. Таким образом, ток в инверторной ступени, на который приходится большая часть материальных затрат привода, является функцией выходного крутящего момента вместе с постоянной составляющей. На скорость почти не влияет.

Привод переменного тока — ввод

На рис. 3 показаны основные элементы инверторного привода переменного тока.

Три фазы инвертора подключены к одной и той же цепи шины постоянного тока, которая питается от выпрямителя. Наличие этой общей связи означает, что при выходном напряжении инвертора меньше его максимального значения, т.е. на скорости меньше базовой, выходной ток частично циркулирует между фазными ветвями инвертора. То же самое относится и к реактивной части выходного тока. Шина постоянного тока должна подавать только фактическую мощность, необходимую двигателю, то есть произведение выходного напряжения и действительной (активной) части тока. Напряжение постоянного тока фиксируется напряжением питания, поэтому постоянный ток изменяется пропорционально мощности или скорости, если крутящий момент постоянный.

Входной ток выпрямителя отражает ток шины постоянного тока. Входная мощность практически такая же, как мощность шины постоянного тока, так как потери в выпрямителе пренебрежимо малы. Среднеквадратичное значение значение тока несколько выше, чем можно было бы ожидать для мощности, потому что форма волны не синусоидальна, т.е. ток содержит гармоники. По мере увеличения тока гармоники становятся пропорционально меньше из-за сглаживающего эффекта сглаживающих дросселей или дросселей для подавления гармоник. При номинальной мощности нагрузки среднеквадратичное значение входной ток часто довольно близок к среднеквадратичному значению. выходной ток, и это может привести к тому, что пользователи будут считать их одинаковыми. Однако на самом деле это просто совпадение:типичные двигатели имеют коэффициент мощности около 0,85, а типичные приводы имеют коэффициент искажения около 0,85. При пониженной скорости два течения становятся совершенно разными.

Подводя итог, на рис. 4 показано, как входной и выходной ток типичного привода переменного тока изменяются при изменении скорости и крутящего момента. Все количества нормализованы таким образом, чтобы номинальное или базовое значение равнялось 1,0.

Для выходного тока имеется только одна линия, так как он почти не зависит от скорости. Входной ток увеличивается в зависимости от произведения крутящего момента и скорости, но с уменьшением наклона, поскольку влияние дросселей становится более выраженным по мере приближения к номинальному току, улучшая коэффициент мощности за счет уменьшения гармоник тока. Имеются небольшие фиксированные потери и некоторые потери, зависящие от крутящего момента, как показано на линии для нулевой скорости, в основном вызванные резистивными потерями в обмотках двигателя.

Направление крутящего момента и скорости – регенерация

Для простоты приведенное выше обсуждение применимо к ситуациям с одним квадрантом. Если крутящий момент и/или скорость могут измениться, необходимо принять во внимание некоторые дополнительные факторы.

Для приводов постоянного тока в четырехквадрантном приложении требуется два тиристорных моста, чтобы обеспечить двунаправленный постоянный ток. Поведение входного тока при изменении направления вращения является продолжением одноквадрантного случая, когда коэффициент мощности проходит через ноль при нулевой скорости, а затем снова возрастает до максимума примерно 0,82, но с обратной фазой действительной части, что дает обратную поток энергии.

Для приводов переменного тока неуправляемый выпрямитель не может возвращать питание в сеть. Инвертор по своей природе является рекуперативным, поэтому при капитальной нагрузке шина постоянного тока получает возвращенную мощность, и требуется резистивная тормозная цепь, чтобы избежать отключения из-за перенапряжения. Тогда входной ток равен нулю.

Мы можем суммировать все вышеизложенное на графике, как показано на рис. 5. Это относится к (довольно теоретической) нагрузке с постоянным крутящим моментом, т. е. к такой, при которой крутящий момент остается постоянным 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 силу, необходимую для ускорения груза. Другими словами, мы медленно изменяем скорость.

На рисунке 5 мы начинаем с максимальной скорости. Для приводов постоянного и переменного тока входной ток составляет около 100 %. Теперь начинаем снижать скорость. Для привода постоянного тока величина входного тока остается неизменной, и мы можем сказать, что скорость падает, только если посмотрим на его 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 около -90°, причем единственная активная часть тока обусловлена ​​потерями мощности, поскольку мощность на валу равна нулю. Входной ток привода переменного тока очень мал, обеспечивая только потери мощности. Коэффициент мощности довольно низкий, потому что сглаживающие дроссели мало влияют на такой малый ток, но это не имеет практического значения, так как ток намного ниже номинального значения.

При отрицательных скоростях входной ток привода постоянного тока все еще равен номинальному значению, но действительная часть стала отрицательной, поэтому привод возвращает рекуперированную энергию в сеть с довольно низким коэффициентом мощности. Привод переменного тока имеет нулевой ток, потому что входной выпрямитель заблокирован, а потери мощности привода компенсируются за счет рекуперации мощности от нагрузки. Любая избыточная мощность должна рассеиваться в тормозном резисторе.