Stroom, Vermogen En Koppel In Variabele Snelheidsaandrijvingen Onder De Knie Krijgen

Het gedrag van de stroom en het vermogen in een variabele snelheidsaandrijvingssysteem is niet altijd goed begrepen door gebruikers, met name de vraag hoe de aandrijving in- en uitgangsstromen veranderen als de motoraassnelheid en belasting veranderen. In deze blog kijken we naar het basisgedrag van variabele snelheidsaandrijvingen om te verduidelijken hoe deze waarden zich verhouden. Dit helpt het systeemgedrag te begrijpen en rekening te houden met de effecten van variabele belasting op energieverbruik en op de vermogenswaarde van de hoofcomponenten. We kijken kort naar DC (gecontroleerde gelijkrichter) aandrijvingen evenals AC-inverteraandrijvingen, aangezien er enkele interessante verschillen zijn.

Motorstroom

Het koppel dat door een elektricemotor wordt geproduceerd, kan altijd beschouwd worden als het product van magnetische flux die op stroomdragende geleiders werkt. Voor een gegeven motorfluxniveau is het koppel een directe functie van de stroom die de flux koppelt.

Tweedekords effecten genegeerd, kunnen we dit samenvatten voor DC- en AC-motoren:

• In een DC-machine wordt de flux ingesteld door de opwekkingsstroom (veld) winding, en het koppel is het product van de flux en de ankersstroom.
• In een AC-motor zonder permanentmagnet, wordt de fluxamplitude ingesteld door de verhouding van de toegepaste spanning tot de frequentie. Het koppel is het product van de flux en de koppel-producerende stroom, d.w.z. de component van de stroom die in fase is met de spanning.

In DC-motoren en AC-inductiemotoren is de magnetisatiestroom meestal constant ongeacht het koppel, tenzij een speciaal energiebesparend besturing wordt toegepast bij verminderd koppel. Voor een kleine inductiemotor kan de magnetisatiestroom een aanzienlijk deel (bijv. 70%) van de nominale stroom zijn. Het is een voordeel van een permanentmagnetmotor dat geen magnetisatiestroom vereist is, dus de verliezen geassocieerd met deze stroom 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 onbetekenend.

Motorvermogen

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

Als we verliezen negeren, dan wordt het elektrische invoervermogen 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 component van de stroom in fase met de spanning, aangezien de stroom meestal de spanning in fase achterloopt.

In eerste benadering hangt de stroom af van het koppel en de spanning van de snelheid. Het invoervermogen is vergelijkbaar met het uitgangsvermogen behalve voor de verliezen, die bij nominaal vermogen meestal in het bereik van 5% tot 20% van het nominale vermogen liggen.

Aandrijving stromen en vermogen

Omdat aandrijvingen schakelapparaten gebruiken met minimale vermogensverlies, rond 2%, moet het invoervermogen heel dicht bij het uitgangsvermogen liggen. Het gedrag van de aandrijving invoerstroom is een beetje minder voor de hand liggend.

Figuur 2 toont de essentiële elementen van een DC-aandrijving ankergelijkrichter.

De thyristoren laten de uitgangsspanning regelen om het motorkoppel en de snelheid te besturen. Let op dat er continuïteit is tussen de ingangsfasen en de uitgang, zonder alternatieve stroompaden zoals condensators of gedeelde verbindingen. Behalve tijdens het korte overlapinterval geleiden slechts twee thyristoren op elk moment, dus de belastingstroom 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 aan koppel. Er is een kleine additionele gelijkrichter om het veld te voeden.

DC-aandrijving – ingang

Als we nu kijken hoe de invoerstroom beïnvloed wordt door de motoroperatie, zien we dat de grootte van de invoerstroom direct evenredig is aan koppel in een heel eenvoudige relatie. Als stroomrippeling genegeerd kan worden dan . Dit is ongeacht de snelheid, of uitgangsspanning[1].

Hoe kan het invoervermogen dan variëren om de uitgang te matchen, als de invoerstroom en spanning onafhankelijk zijn van snelheid? Het antwoord is dat de invoer power factor verandert, aangezien wanneer de gelijkrichter teruggefaseerd wordt (vuurhoek groter dan 0°) de invoerstroom de netspanning in fase achterloopt. In het extreme, als de motor stilstaat maar nominaal koppel levert, dus de asvermogen nul is, is de invoerstroom nog steeds op zijn nominale waarde, maar met een fasevertraging die 90° zou zijn ware het niet voor de verliezen. Dit kan een tamelijk ernstig nadeel van DC-aandrijvingen zijn, en is de reden waarom grote DC-aandrijvingen vaak met power factor correctie condensatoren worden gebruikt.

AC-aandrijving – uitgang

De AC-aandrijving uitgangsstroom is de motorstroom, die zoals we gezien hebben bestaat uit een koppel-producerend component en een magnetiserend component, het laatstgenoemde wordt door de aandrijving geleverd ongeacht het vereiste koppel. De stroom in de inverterstufe, die een groot deel van de materiaalkosten van de aandrijving uitmaakt, is dus een functie van het uitgangskoppel samen met een vast component. Het wordt nauwelijks beïnvloed door de snelheid.

AC-aandrijving – ingang

Figuur 3 toont de essentiële elementen van een AC-inverteraandrijving.

De drie fasenbenen van de inverter zijn verbonden met hetzelfde DC-buscircuit, dat gevoed wordt door de gelijkrichter. De aanwezigheid van deze gemeenschappelijke verbinding betekent dat wanneer de inverteruitgangsspanning minder is dan zijn maximumwaarde, d.w.z. bij een snelheid lager dan basis snelheid, de uitgangsstroom deels circuleert tussen de inverterfasenbenen. Hetzelfde geldt voor het reactieve deel van de uitgangsstroom. De DC-bus hoeft alleen het daadwerkelijke vermogen te leveren dat door de motor vereist is, d.w.z. het product van de uitgangsspanning en het reële (actieve) deel van de stroom. De DC-spanning is vast door de voedingsspanning, dus de DC-stroom varieert evenredig met het vermogen, of met de snelheid als het koppel constant is.

De gelijkrichter invoerstroom weerspiegelt de DC-bus stroom. Het invoervermogen is praktisch hetzelfde als de DC-bus vermogen, aangezien het gelijkrichterverlies verwaarloosbaar is. De r.m.s.-waarde van de stroom is wat hoger dan verwacht voor het vermogen, omdat de golfvorm niet sinusoïdaal is, d.w.z. de stroom bevat harmonischen. Naarmate de stroom toeneemt, worden de harmonischen proportioneel minder vanwege het gladstrijdende effect van de gladstrijk- of harmonische-reductie-drossels. Bij nominaal belastingvermogen is de r.m.s. invoerstroom vaak redelijk dicht bij de r.m.s. uitgangsstroom, en dit kan leiden tot gebruikers die aannemen dat ze hetzelfde zijn. Echter dit is echt slechts een toeval, met typische motoren die een power factor van ongeveer 0,85 hebben, en typische aandrijvingen die een vervormingsfactor van ongeveer 0,85 hebben. Bij verminderde snelheid worden de twee stromen volledig anders.

Samengevat, Figuur 4 toont hoe de in- en uitgangsstroom van een typische AC-aandrijving variëren als 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 aangezien het nauwelijks varieert met snelheid. De invoerstroom neemt toe als functie van het product van koppel en snelheid, maar met afnemende helling naarmate het effect van de drossels duidelijker wordt naarmate de nominale stroom benaderd wordt, wat de power factor verbetert door de stroomharmonischen te verminderen. Er is een kleine vaste verlies en een verlies dat varieert met koppel, zoals gezien in de lijn voor nul snelheid, voornamelijk veroorzaakt door weerstandsverlies in de motorwikkelingen.

Richting van koppel en snelheid – regeneratie

Voor de eenvoud heeft de bovenstaande discussie toegepast op single-quadrant situaties. Als het koppel en/of de snelheid kunnen omkeren, dan moeten sommige additionele factoren in overweging genomen worden.

Voor DC-aandrijvingen vereist een vier-kwadrant applicatie twee thyristorbruggen om de bidirectionele DC-stroom toe te laten. Het invoerstroomgedrag als de draairichting omkeert is een voortzetting van het single-quadrant geval, de power factor doorloopt nul bij nul snelheid en stijgt dan terug naar het maximum van ongeveer 0,82 maar met de fase van het reële deel omgekeerd, wat omgekeerde stroom geeft.

Voor AC-aandrijvingen kan de ongeregelde gelijkrichter geen vermogen terugleveren aan het net. De inverter is van nature regeneratief, dus bij een overhauling load ontvangt de DC-bus het teruggeleverde vermogen, en een weerstandsremcircuit is vereist om een over-spanningstripp te voorkomen. De invoerstroom is dan nul.

We kunnen al het bovenstaande samenvatten in een grafiek zoals getoond in Figuur 5. Dit geldt voor een (redelijk theoretische) constant koppel belasting, d.w.z. een waar het koppel constant is over het hele snelheidsbereik van -100% tot +100%. In de praktijk treedt dit op bij een lift of hijs die een vaste last draagt, en waar de versnelling laag genoeg is om de kracht die nodig is om de last te versnellen te negeren. Met andere woorden, we variëren de snelheid langzaam.

In Figuur 5 beginnen we bij maximumsnelheid. Voor zowel DC- als AC-aandrijvingen is de invoerstroom ongeveer 100%. We beginnen nu de snelheid te verlagen. Voor de DC-aandrijving blijft de invoerstroomgrootte onveranderd, en we kunnen alleen zien dat de snelheid daalt als we kijken naar zijn actieve component (in fase met de spanning). Voor de AC-aandrijving daalt de invoerstroom, niet helemaal evenredig met de snelheid.

Bij een snelheid van nul is de DC-aandrijving invoerstroom nog steeds iets meer dan 100%. De fasehoek is bijna -90°, het enigste actieve deel van de stroom wordt veroorzaakt door de vermogensverliezen, aangezien de asvermogen nul is. De AC-aandrijving invoerstroom is zeer laag, leverend alleen de vermogensverliezen. De power factor is tamelijk slecht omdat de gladstrijkdrossels weinig effect hebben bij zo'n lage stroom – maar dit is van geen praktisch belang aangezien de stroom veel lager is dan de nominale waarde.

Bij negatieve snelheden is de DC-aandrijving invoerstroom nog steeds op zijn nominale waarde, maar het reële deel is negatief geworden, dus de aandrijving levert geregenereerde energie terug aan het net, met een tamelijk lage power factor. De AC-aandrijving heeft een stroom van nul, omdat de invoergelijkrichter geblokkeerd is en het aandrijving vermogensverlies wordt gevoed door het geregenereerde vermogen van de belasting. Overgebleven vermogen moet gedissipeerd worden in de remweerstand.