Освоение тока, мощности и момента в приводах переменной скорости

Поведение тока и мощности в системе привода переменной скорости не всегда хорошо понято пользователями, особенно вопрос о том, как входные и выходные токи привода меняются при изменении скорости вала двигателя и нагрузки. В этом блоге мы рассмотрим базовое поведение приводов переменной скорости, чтобы прояснить, как эти значения соотносятся. Это помогает понять поведение системы и учитывать эффекты переменного режима на энергопотребление и мощностной рейтинг основных компонентов. Мы кратко рассмотрим ПП-приводы (управляемые выпрямители) и инверторные ПС-приводы, так как есть интересные различия.

Ток двигателя

Момент, производимый электродвигателем, всегда можно рассматривать как произведение магнитного потока, действующего на токопроводящие проводники. Для заданного уровня потока двигателя момент — прямая функция тока, замыкающего поток.

Игнорируя второстепенные эффекты, можно резюмировать для ПП и ПС двигателей:

• В ПП-машине поток задается током возбуждения (обмотки поля), а момент — произведением потока и якорного тока.
• В ПС-двигателе без постоянного магнита амплитуда потока задается отношением приложенного напряжения к частоте. Момент — произведением потока и тока, создающего момент, т.е. компоненты тока, в фазе с напряжением.

В ПП-двигателях и асинхронных ПС-двигателях намагничивающий ток обычно постоянный независимо от момента, если не применяется специальное энергосберегающее управление при сниженном моменте. Для малого асинхронного двигателя намагничивающий ток может составлять значительную долю (напр. 70%) от номинального тока. Преимуществом двигателя с постоянным магнитом является отсутствие необходимости в намагничивающем токе, избегая потерь, связанных с этим током.

Рисунок 1 показывает типичное изменение (нормированного) тока двигателя с моментом для асинхронного двигателя с фиксированным напряжением питания. Изменение со скоростью незначительно.

Мощность двигателя

Мощность на валу задается произведением момента и скорости.

Если игнорировать потери, то электрическая входная мощность для ПП-машины дается произведением постоянного напряжения и тока, а для ПС-машины — произведением р.м.с. напряжения и компоненты тока в фазе с напряжением, так как ток обычно отстает по фазе.

В первом приближении ток зависит от момента, а напряжение — от скорости. Входная мощность похожа на выходную за исключением потерь, которые на номинальной мощности обычно в диапазоне 5–20% от номинальной.

Токи и мощность привода

Поскольку приводы используют коммутирующие устройства с минимальными потерями мощности, около 2%, входная мощность должна быть очень близка к выходной. Поведение входного тока привода менее очевидно.

Рисунок 2 показывает основные элементы выпрямителя якоря ПП-привода.

Тиристоры позволяют регулировать выходное напряжение для контроля момента и скорости двигателя. Обратите внимание на непрерывность между входными фазами и выходом, без альтернативных путей тока, таких как конденсаторы или общие соединения. За исключением краткого интервала перекрытия только два тиристора проводят в любой момент, поэтому нагрузочный ток всегда должен течь во входных фазах, если не установлен диод свободного хода.

ПП-привод — выход

Ток на выходе ПП-привода — это якорный ток двигателя, пропорциональный моменту. Есть дополнительный небольшой преобразователь для питания поля.

ПП-привод — вход

Если теперь посмотреть, как входной ток влияет на работу двигателя, видим, что величина входного тока прямо пропорциональна моменту в очень простом соотношении. Если игнорировать пульсации тока, то . Это независимо от скорости или выходного напряжения[1].

Как тогда входная мощность может варьироваться для соответствия выходной, если входной ток и напряжение независимы от скорости? Ответ в том, что меняется входной коэффициент мощности, так как когда выпрямитель отстает по фазе (угол включения больше 0°), входной ток отстает от напряжения сети по фазе. В крайнем случае, если двигатель неподвижен, но выдает номинальный момент, так что валовая мощность нуль, входной ток все еще на номинальном значении, но с фазовым сдвигом, который был бы 90° не считая потерь. Это может быть серьезным недостатком ПП-приводов, поэтому большие ПП-приводы часто используют конденсаторы коррекции коэффициента мощности.

ПС-привод — выход

Выходной ток ПС-привода — это ток двигателя, который, как мы видели, состоит из тока, создающего момент, и намагничивающего компонента, последнее поставляется приводом независимо от требуемого момента. Ток в инверторной ступени, составляющий большую часть материальной стоимости привода, является функцией выходного момента вместе с фиксированным компонентом. Он мало влияет на скорость.

ПС-привод — вход

Рисунок 3 показывает основные элементы инверторного ПС-привода.

Три фазные ноги инвертора подключены к одной цепи постоянного тока, которая питается выпрямителем. Наличие этого общего соединения означает, что когда выходное напряжение инвертора меньше максимального, т.е. на скорости ниже базовой, выходной ток частично циркулирует между фазными ногами инвертора. То же относится к реактивной части выходного тока. Цепь постоянного тока должна поставлять только фактическую мощность, требуемую двигателем, т.е. произведение выходного напряжения и реальной (активной) части тока. Напряжение постоянного тока фиксировано напряжением питания, поэтому ток постоянного тока варьируется пропорционально мощности, или скорости, если момент постоянный.

Входной ток выпрямителя отражает ток постоянной шины. Входная мощность практически та же, что мощность постоянной шины, так как потери выпрямителя незначительны. Р.м.с. значение тока несколько выше, чем ожидалось для мощности, потому что форма волны не синусоидальна, т.е. ток содержит гармоники. По мере роста тока гармоники становятся пропорционально меньше из-за сглаживающего эффекта дросселей сглаживания или подавления гармоник. На номинальной нагрузке р.м.с. входной ток часто довольно близок к р.м.с. выходному току, что может заставить пользователей предполагать, что они одинаковы. Однако это лишь совпадение, типичные двигатели имеют коэффициент мощности около 0.85, а типичные приводы — коэффициент искажения около 0.85. На сниженной скорости два тока становятся полностью разными.

Резюмируя, Рисунок 4 показывает, как входной и выходной ток типичного ПС-привода варьируются при изменении скорости и момента. Все величины нормированы так, что номинальное или базовое значение равно 1.0.

Существует только одна линия для выходного тока, так как он мало варьируется со скоростью. Входной ток увеличивается как функция произведения момента и скорости, но с убывающим наклоном, так как эффект дросселей становится более выраженным при приближении к номинальному току, улучшая коэффициент мощности за счет снижения гармоник тока. Есть небольшие постоянные потери и потери, варьирующиеся с моментом, видные в линии для нулевой скорости, в основном вызванные сопротивлением обмоток двигателя.

Направление момента и скорости — регенерация

Для простоты обсуждение выше применялось к одноквадрантным ситуациям. Если момент и/или скорость могут менять направление, нужно учитывать дополнительные факторы.

Для ПП-приводов четырехквадрантное приложение требует двух тиристорных мостов для двунаправленного тока постоянного тока. Поведение входного тока при смене направления вращения — продолжение одноквадрантного случая, коэффициент мощности проходит через нуль при нулевой скорости и затем растет обратно к максимуму около 0.82, но с фазой реальной части, обращенной в обратную сторону, давая обратный поток мощности.

Для ПС-приводов неконтролируемый выпрямитель не может возвращать мощность в сеть. Инвертор естественно регенеративен, поэтому при отгонной нагрузке цепь постоянного тока получает возвращенную мощность, и требуется резистивная тормозная цепь для избежания отключения по перенапряжению. Входной ток тогда нулевой.

Можно резюмировать всё выше в графике как на Рисунке 5. Это относится к (довольно теоретической) нагрузке с постоянным моментом, т.е. где момент постоянен на всем диапазоне скоростей от -100% до +100%. На практике это встречается в лифте или подъемнике с фиксированной нагрузкой, где ускорение достаточно мало, чтобы игнорировать силу для разгона нагрузки. Другими словами, мы медленно меняем скорость.

На Рисунке 5 мы начинаем на максимальной скорости. Для ПП и ПС приводов входной ток около 100%. Теперь начинаем снижать скорость. Для ПП-привода величина входного тока остается неизменной, и мы можем узнать, что скорость падает, только глядя на его активную компоненту (в фазе с напряжением). Для ПС-привода входной ток падает, не совсем пропорционально скорости.

На нулевой скорости входной ток ПП-привода все еще чуть выше 100%. Его фазовый угол почти -90°, единственная активная часть тока вызвана потерями мощности, так как валовая мощность нуль. Входной ток ПС-привода очень низок, доставляя только потери мощности. Коэффициент мощности довольно плохой, потому что дроссели сглаживания мало влияют на такой низкий ток — но это неважно практически, так как ток намного ниже номинального.

На отрицательных скоростях входной ток ПП-привода все еще на номинальном значении, но реальная часть стала отрицательной, так что привод возвращает регенерированную энергию в сеть, с довольно низким коэффициентом мощности. ПС-привод имеет ток нуля, потому что входной выпрямитель заблокирован, и потери мощности привода покрываются регенерированной мощностью нагрузки. Любая лишняя мощность должна рассеиваться в тормозном резисторе.