Stroom, vermogen en koppel in aandrijvingen met variabele snelheid

Het gedrag van de stroom en het vermogen in een aandrijfsysteem met variabele snelheid wordt niet altijd goed begrepen door gebruikers, met name de vraag hoe de ingangs- en uitgangsstromen van de aandrijving veranderen als het toerental en de belasting van de motoras veranderen. In deze blog kijken we naar het basisgedrag van frequentieregelaars om te verduidelijken hoe deze waarden zich verhouden. Dit helpt om het systeemgedrag te begrijpen en om rekening te houden met de effecten van wisselende belasting op het energieverbruik en op het vermogen van de hoofdcomponenten. We kijken kort naar DC-aandrijvingen (gestuurde gelijkrichter) en AC-omvormers, aangezien er enkele interessante verschillen zijn.

Motorstroom

Het koppel geproduceerd door een elektromotor kan altijd worden beschouwd als het product van magnetische flux die inwerkt op stroomvoerende geleiders. Voor een bepaald motorfluxniveau is het koppel een directe functie van de stroom die de flux verbindt.

Als we tweede-orde-effecten buiten beschouwing laten, kunnen we dit samenvatten voor gelijkstroom- en wisselstroommotoren:

• In een gelijkstroommachine wordt de flux bepaald door de excitatie (veld) wikkelstroom, en het koppel is het product van de flux en de ankerstroom.
• In een AC-motor zonder permanente magneet wordt de fluxamplitude bepaald door de verhouding van de aangelegde spanning tot de frequentie. Het koppel is het product van de flux en de koppelproducerende stroom, d.w.z. de stroomcomponent die in fase is met de spanning.

In DC-motoren en AC-inductiemotoren is de magnetiserende stroom meestal constant, ongeacht het koppel, tenzij een speciale energiebesparende regeling wordt toegepast bij een verminderd koppel. Voor een kleine inductiemotor kan de magnetiserende stroom een ​​aanzienlijk deel (bijvoorbeeld 70%) van de nominale stroom zijn. Het is een voordeel van een permanent-magneetmotor dat er geen magnetiseringsstroom nodig is, zodat de verliezen die met deze stroom gepaard gaan worden vermeden.

Figuur 1 toont een typische variatie van (genormaliseerde) motorstroom met koppel, voor een inductiemotor met een vaste voedingsspanning. De variatie met snelheid is onbeduidend.

Motorvermogen

Het vermogen op de as wordt gegeven door het product van het koppel en de snelheid.

Als we verliezen negeren, wordt het opgenomen elektrisch vermogen gegeven, voor een DC-machine door het product van de DC-spanning en stroom, en voor een AC-machine door het product van de r.m.s. spanning en de stroomcomponent in fase met de spanning, aangezien de stroom gewoonlijk achterblijft bij de spanning in fase.

Bij een eerste benadering is de stroom afhankelijk van het koppel en de spanning op het toerental. Het ingangsvermogen is vergelijkbaar met het uitgangsvermogen, behalve de verliezen, die bij nominaal vermogen gewoonlijk in het bereik van 5% tot 20% van nominaal vermogen liggen.

Stuurstromen en vermogen

Aangezien aandrijvingen schakelapparatuur gebruiken met minimaal vermogensverlies, ongeveer 2%, moet het ingangsvermogen zeer dicht bij het uitgangsvermogen liggen. Het gedrag van de ingangsstroom van de omvormer is iets minder duidelijk.

Afbeelding 2 toont de essentiële elementen van een gelijkrichter met gelijkstroomaandrijfanker.

Met de thyristors kan de uitgangsspanning worden geregeld om het motorkoppel en de snelheid te regelen. Merk op dat er continuïteit is tussen de ingangsfasen en de uitgang, zonder alternatieve stroompaden zoals condensatoren of gedeelde verbindingen. Behalve tijdens het korte overlappingsinterval geleiden slechts twee thyristors op elk moment, dus de belastingsstroom moet altijd in de ingangsfasen vloeien, tenzij een vrijloopdiode is gemonteerd.

DC-aandrijving – uitgang

De stroom in de uitgang van een DC-aandrijving is de motorankerstroom, die evenredig is met het koppel. Er is een extra kleine converter om het veld te voeden.

DC-aandrijving – ingang

Als we nu kijken naar hoe de ingangsstroom wordt beïnvloed door de motorwerking, zien we dat de grootte van de ingangsstroom recht evenredig is met het koppel in een zeer eenvoudige relatie. Als de huidige rimpel kan worden genegeerd, dan . Dit is ongeacht de snelheid of uitgangsspanning [1].

Hoe kan het ingangsvermogen dan variëren om overeen te komen met het uitgangsvermogen, als de ingangsstroom en -spanning onafhankelijk zijn van de snelheid? Het antwoord is dat de ingangsvermogensfactor verandert, aangezien wanneer de gelijkrichter wordt teruggedraaid (vuurhoek groter dan 0°), de ingangsstroom in fase achterblijft bij de voedingsspanning. In het uiterste geval, als de motor stationair is maar nominaal koppel levert, dus het asvermogen is nul, is de ingangsstroom nog steeds op de nominale waarde, maar met een fasevertraging die 90 ° zou zijn als de verliezen er niet waren. Dit kan een behoorlijk ernstig nadeel zijn van DC-drives en is de reden waarom grote DC-drives vaak worden gebruikt met condensatoren voor arbeidsfactorcorrectie.

AC-drive – uitgang

De uitgangsstroom van de AC-aandrijving is de motorstroom, die, zoals we hebben gezien, een koppelproducerende component en een magnetiserende component omvat, waarbij de laatste wordt geleverd door de omvormer, ongeacht het vereiste koppel. De stroom in de invertertrap, die een groot deel van de materiaalkosten van de omvormer uitmaakt, is daarom een ​​functie van het uitgangskoppel samen met een vast onderdeel. Het wordt nauwelijks beïnvloed door de snelheid.

AC-drive – ingang

Afbeelding 3 toont de essentiële elementen van een frequentieregelaar met AC-omvormer.

De driefasige poten van de omvormer zijn aangesloten op hetzelfde DC-buscircuit, dat wordt gevoed door de gelijkrichter. De aanwezigheid van deze gemeenschappelijke verbinding betekent dat wanneer de uitgangsspanning van de inverter lager is dan zijn maximale waarde, d.w.z. bij een snelheid die lager is dan de basissnelheid, de uitgangsstroom gedeeltelijk tussen de fasebenen van de inverter circuleert. Hetzelfde geldt voor het reactieve deel van de uitgangsstroom. De DC-bus hoeft alleen het werkelijke vermogen te leveren dat de motor nodig heeft, d.w.z. het product van de uitgangsspanning en het werkelijke (actieve) deel van de stroom. De DC-spanning wordt bepaald door de voedingsspanning, dus de DC-stroom varieert in verhouding tot het vermogen, of met de snelheid als het koppel constant is.

De ingangsstroom van de gelijkrichter weerspiegelt de stroom van de DC-bus. Het ingangsvermogen is praktisch hetzelfde als het DC-busvermogen, aangezien het gelijkrichterverlies verwaarloosbaar is. De r.m.s. waarde van stroom is nogal hoger dan zou worden verwacht voor het vermogen, omdat de golfvorm niet sinusvormig is, d.w.z. de stroom bevat harmonischen. Naarmate de stroom toeneemt, worden de harmonischen proportioneel minder vanwege het afvlakkingseffect van de afvlakkings- of harmonisch-reducerende smoorspoelen. Bij nominaal belastingsvermogen is de r.m.s. ingangsstroom ligt vaak vrij dicht bij de r.m.s. uitgangsstroom, en dit kan ertoe leiden dat gebruikers ervan uitgaan dat ze hetzelfde zijn. Dit is echter gewoon toeval, met typische motoren met een vermogensfactor van ongeveer 0,85 en typische aandrijvingen met een vervormingsfactor van ongeveer 0,85. Bij verminderde snelheid worden de twee stromen totaal verschillend.

Om samen te vatten, laat figuur 4 zien hoe de ingangs- en uitgangsstroom van een typische frequentieregelaar variëren naarmate de snelheid en het koppel variëren. Alle hoeveelheden zijn genormaliseerd zodat de nominale of basiswaarde 1,0 is.

Er is slechts een enkele lijn voor de uitgangsstroom omdat deze nauwelijks varieert met de snelheid. De ingangsstroom neemt toe als een functie van het product van koppel en snelheid, maar met afnemende helling naarmate het effect van de smoorspoelen meer uitgesproken wordt naarmate de nominale stroom nadert, waardoor de arbeidsfactor wordt verbeterd door de huidige harmonischen te verminderen. Er is een klein vast verlies en enig verlies dat varieert met het koppel, zoals te zien is in de lijn voor nulsnelheid, voornamelijk veroorzaakt door weerstandsverlies in de motorwikkelingen.

Richting van koppel en snelheid – regeneratie

Voor de eenvoud is de bovenstaande bespreking van toepassing geweest op situaties met één kwadrant. Als het koppel en/of toerental kan omkeren, moet er met een aantal extra factoren rekening worden gehouden.

Voor DC-aandrijvingen vereist een toepassing met vier kwadranten twee thyristorbruggen om de bidirectionele gelijkstroom mogelijk te maken. Het ingangsstroomgedrag als de draairichting omkeert, is een voortzetting van het geval met één kwadrant, waarbij de arbeidsfactor bij nulsnelheid door nul gaat en vervolgens weer stijgt naar het maximum van ongeveer 0,82 maar met de fase van het reële deel omgekeerd, waardoor omgekeerd krachtstroom.

Bij frequentieregelaars kan de ongecontroleerde gelijkrichter geen stroom terugleveren aan de netvoeding. De omvormer is van nature regeneratief, dus bij een revisiebelasting ontvangt de DC-bus het geretourneerde vermogen en is een resistief remcircuit vereist om een ​​overspanningsuitschakeling te voorkomen. De ingangsstroom is dan nul.

We kunnen al het bovenstaande samenvatten in een grafiek zoals weergegeven in figuur 5. Dit is van toepassing op een (vrij theoretische) constante koppelbelasting, d.w.z. een waarbij het koppel constant is over het hele toerentalbereik van -100% tot +100%. In de praktijk gebeurt dit met een lift of takel die een vaste last draagt, en waarbij de versnelling laag genoeg is om de kracht te negeren die nodig is om de last te versnellen. Met andere woorden, we variëren de snelheid langzaam.

In figuur 5 beginnen we op maximale snelheid. Voor zowel DC- als AC-aandrijvingen is de ingangsstroom ongeveer 100%. We beginnen nu de snelheid te verminderen. Voor de DC-aandrijving blijft de grootte van de ingangsstroom ongewijzigd, en we kunnen alleen zien dat de snelheid daalt als we naar de actieve component kijken (in fase met de spanning). Voor de frequentieregelaar daalt de ingangsstroom, niet helemaal in verhouding tot de snelheid.

Bij een snelheid van nul is de ingangsstroom van de DC-aandrijving nog steeds iets meer dan 100%. De fasehoek is bijna -90°, waarbij het enige actieve deel van de stroom wordt veroorzaakt door vermogensverliezen, aangezien het asvermogen nul is. De ingangsstroom van de AC-aandrijving is erg laag en levert alleen de vermogensverliezen op. De arbeidsfactor is nogal slecht omdat de afvlaksmoorspoelen weinig effect hebben bij zo'n lage stroom - maar dit is van geen praktisch belang omdat de stroom veel lager is dan de nominale waarde.

Bij negatieve snelheden heeft de ingangsstroom van de DC-aandrijving nog steeds de nominale waarde, maar het werkelijke deel is negatief geworden, dus de omvormer levert geregenereerde energie terug aan de netvoeding, met een vrij lage arbeidsfactor. De frequentieregelaar heeft een stroom van nul, omdat de ingangsgelijkrichter is geblokkeerd en het vermogensverlies van de omvormer wordt geleverd door het geregenereerde vermogen van de belasting. Eventueel reservevermogen moet in de remweerstand worden afgevoerd.