Strom, Leistung und Drehmoment in drehzahlgeregelten Antrieben

Das Verhalten von Strom und Leistung in einem Antriebssystem mit variabler Drehzahl wird von Benutzern nicht immer gut verstanden, insbesondere die Frage, wie sich die Eingangs- und Ausgangsströme des Antriebs ändern, wenn sich die Motorwellendrehzahl und die Last ändern. In diesem Blog betrachten wir das grundlegende Verhalten von Frequenzumrichtern, um zu verdeutlichen, wie diese Werte zusammenhängen. Dies hilft, das Systemverhalten zu verstehen und die Auswirkungen unterschiedlicher Einschaltdauer auf den Energieverbrauch und die Nennleistung der Hauptkomponenten zu berücksichtigen. Wir betrachten kurz DC-Antriebe (gesteuerte Gleichrichter) sowie AC-Wechselrichterantriebe, da es einige interessante Unterschiede gibt.

Motorstrom

Das von einem Elektromotor erzeugte Drehmoment kann immer als Produkt des magnetischen Flusses betrachtet werden, der auf stromdurchflossene Leiter wirkt. Für einen gegebenen Motorflusspegel ist das Drehmoment eine direkte Funktion des Stroms, der den Fluss verbindet.

Unter Vernachlässigung von Effekten zweiter Ordnung können wir dies für DC- und AC-Motoren zusammenfassen:

• In einer Gleichstrommaschine wird der Fluss durch den Strom der Erregerwicklung (Feld) eingestellt, und das Drehmoment ist das Produkt aus Fluss und Ankerstrom.
• Bei einem Wechselstrommotor ohne Permanentmagnet wird die Flussamplitude durch das Verhältnis der angelegten Spannung zur Frequenz eingestellt. Das Drehmoment ist das Produkt aus Fluss und drehmomentbildendem Strom, also der Stromkomponente, die mit der Spannung in Phase ist.

Bei Gleichstrommotoren und Drehstrom-Induktionsmotoren ist der Magnetisierungsstrom normalerweise unabhängig vom Drehmoment konstant, es sei denn, es wird eine spezielle Energiesparsteuerung bei reduziertem Drehmoment angewendet. Bei einem kleinen Induktionsmotor kann der Magnetisierungsstrom einen beträchtlichen Anteil (z. B. 70 %) des Nennstroms ausmachen. Ein Vorteil eines Permanentmagnetmotors ist, dass kein Magnetisierungsstrom benötigt wird, sodass die mit diesem Strom verbundenen Verluste vermieden werden.

Abbildung 1 zeigt eine typische Veränderung des (normalisierten) Motorstroms mit dem Drehmoment für einen Induktionsmotor mit fester Versorgungsspannung. Die Variation mit der Geschwindigkeit ist unbedeutend.

Motorleistung

Die Leistung an der Welle ergibt sich aus dem Produkt aus Drehmoment und Drehzahl.

Wenn wir Verluste vernachlässigen, ergibt sich die elektrische Leistungsaufnahme, bei einer Gleichstrommaschine durch das Produkt aus Gleichspannung und -strom, bei einer Wechselstrommaschine durch das Produkt aus Effektivwert. Spannung und die Komponente des Stroms in Phase mit der Spannung, da der Strom normalerweise der Spannung in Phase nacheilt.

In erster Näherung hängt der Strom vom Drehmoment und die Spannung von der Drehzahl ab. Die Eingangsleistung ist der Ausgangsleistung ähnlich, abgesehen von den Verlusten, die bei Nennleistung normalerweise im Bereich von 5 % bis 20 % der Nennleistung liegen.

Antriebsströme und Leistung

Da Antriebe Schaltgeräte mit minimalem Leistungsverlust von etwa 2 % verwenden, muss die Eingangsleistung sehr nahe an der Ausgangsleistung liegen. Das Verhalten des Antriebseingangsstroms ist etwas weniger offensichtlich.

Abbildung 2 zeigt die wesentlichen Elemente eines Ankergleichrichters mit Gleichstromantrieb.

Die Thyristoren ermöglichen die Regelung der Ausgangsspannung, um das Drehmoment und die Drehzahl des Motors zu steuern. Beachten Sie, dass zwischen den Eingangsphasen und dem Ausgang Durchgang besteht, ohne alternative Strompfade wie Kondensatoren oder gemeinsam genutzte Verbindungen. Außer während der kurzen Überlappungszeit leiten immer nur zwei Thyristoren, so dass der Laststrom immer in den Eingangsphasen fließen muss, es sei denn, es ist eine Freilaufdiode eingebaut.

Gleichstromantrieb – Ausgang

Der Strom im Ausgang eines Gleichstromantriebs ist der Ankerstrom des Motors, der proportional zum Drehmoment ist. Zur Versorgung des Feldes gibt es einen zusätzlichen kleinen Konverter.

Gleichstromantrieb – Eingang

Wenn wir uns jetzt ansehen, wie der Eingangsstrom durch den Motorbetrieb beeinflusst wird, sehen wir, dass die Größe des Eingangsstroms in einer sehr einfachen Beziehung direkt proportional zum Drehmoment ist. Wenn die Stromwelligkeit vernachlässigt werden kann, dann . Dies ist unabhängig von der Geschwindigkeit oder der Ausgangsspannung[1].

Wie kann sich dann die Eingangsleistung an die Ausgangsleistung anpassen, wenn Eingangsstrom und -spannung unabhängig von der Drehzahl sind? Die Antwort ist, dass sich der Eingangsleistungsfaktor ändert, denn wenn der Gleichrichter zurückphasig ist (Zündwinkel größer als 0°), eilt der Eingangsstrom der Versorgungsspannung in Phase nach. Im Extremfall, wenn der Motor stationär ist, aber Nenndrehmoment liefert, die Wellenleistung also Null ist, hat der Eingangsstrom immer noch seinen Nennwert, aber mit einer Phasenverzögerung von 90°, wären da nicht die Verluste. Dies kann ein ziemlich schwerwiegender Nachteil von DC-Antrieben sein und ist der Grund, warum große DC-Antriebe häufig mit Blindleistungskompensationskondensatoren verwendet werden.

AC-Antrieb – Ausgang

Der Ausgangsstrom des AC-Antriebs ist der Motorstrom, der, wie wir gesehen haben, aus einer drehmomenterzeugenden Komponente und einer magnetisierenden Komponente besteht, wobei letztere unabhängig vom erforderlichen Drehmoment vom Antrieb geliefert wird. Der Strom in der Wechselrichterstufe, der einen großen Teil der Materialkosten des Antriebs ausmacht, ist daher neben einem festen Anteil eine Funktion des Abtriebsmoments. Es wird kaum von der Geschwindigkeit beeinflusst.

AC-Antrieb – Eingang

Abbildung 3 zeigt die wesentlichen Elemente eines AC-Wechselrichterantriebs.

Die drei Phasenzweige des Wechselrichters sind mit demselben DC-Buskreis verbunden, der vom Gleichrichter versorgt wird. Das Vorhandensein dieser gemeinsamen Verbindung bedeutet, dass, wenn die Ausgangsspannung des Wechselrichters kleiner als ihr Maximalwert ist, d. h. bei einer Drehzahl kleiner als die Grunddrehzahl, der Ausgangsstrom teilweise zwischen den Phasenzweigen des Wechselrichters zirkuliert. Gleiches gilt für den Blindanteil des Ausgangsstroms. Der Zwischenkreis muss nur die tatsächlich vom Motor benötigte Leistung liefern, also das Produkt aus Ausgangsspannung und Wirkanteil des Stroms. Die Gleichspannung wird durch die Versorgungsspannung festgelegt, sodass der Gleichstrom proportional zur Leistung oder bei konstantem Drehmoment zur Drehzahl variiert.

Der Eingangsstrom des Gleichrichters spiegelt den DC-Busstrom wider. Die Eingangsleistung entspricht praktisch der Zwischenkreisleistung, da die Gleichrichterverluste vernachlässigbar sind. Der Effektivwert Der Stromwert ist etwas höher als für die Leistung zu erwarten wäre, da die Wellenform nicht sinusförmig ist, d. h. der Strom Oberschwingungen enthält. Wenn der Strom ansteigt, werden die Oberschwingungen aufgrund des Glättungseffekts der Glättungs- oder Oberwellenunterdrückungsdrosseln proportional geringer. Bei Nennlastleistung ist der Effektivwert Der Eingangsstrom liegt oft ziemlich nahe am Effektivwert. Ausgangsstrom, und dies kann dazu führen, dass Benutzer davon ausgehen, dass sie gleich sind. Dies ist jedoch wirklich nur ein Zufall, da typische Motoren einen Leistungsfaktor von etwa 0,85 und typische Antriebe einen Verzerrungsfaktor von etwa 0,85 haben. Bei reduzierter Geschwindigkeit werden die beiden Strömungen völlig unterschiedlich.

Zusammenfassend zeigt Abbildung 4, wie sich Eingangs- und Ausgangsstrom eines typischen Frequenzumrichters ändern, wenn Drehzahl und Drehmoment variieren. Alle Größen sind so normiert, dass der Nenn- oder Basiswert 1,0 beträgt.

Für den Ausgangsstrom gibt es nur eine einzige Linie, da er sich kaum mit der Drehzahl ändert. Der Eingangsstrom steigt als Funktion des Produkts aus Drehmoment und Drehzahl, jedoch mit abnehmender Steigung, da die Wirkung der Drosseln bei Annäherung an den Nennstrom stärker wird, wodurch der Leistungsfaktor durch Reduzierung der Stromoberschwingungen verbessert wird. Es gibt einen kleinen festen Verlust und einen gewissen Verlust, der mit dem Drehmoment variiert, wie in der Linie für Nullgeschwindigkeit zu sehen ist, hauptsächlich verursacht durch Widerstandsverlust in den Motorwicklungen.

Drehmoment- und Drehzahlrichtung – Regeneration

Der Einfachheit halber wurde die obige Diskussion auf Einzelquadrantensituationen angewendet. Wenn sich Drehmoment und/oder Drehzahl umkehren können, müssen einige zusätzliche Faktoren berücksichtigt werden.

Bei Gleichstromantrieben erfordert eine Vierquadrantenanwendung zwei Thyristorbrücken, um den bidirektionalen Gleichstrom zu ermöglichen. Das Verhalten des Eingangsstroms bei Umkehrung der Drehrichtung ist eine Fortsetzung des Einquadrantenfalls, wobei der Leistungsfaktor bei Nulldrehzahl durch Null geht und dann wieder auf das Maximum von etwa 0,82 ansteigt, aber mit umgekehrter Phase des Realteils umgekehrt wird Stromfluss.

Bei AC-Antrieben kann der ungesteuerte Gleichrichter keine Energie in das Netz zurückspeisen. Der Wechselrichter ist von Natur aus regenerativ, sodass der DC-Bus bei einer Überholungslast die zurückgeführte Leistung erhält und ein Widerstandsbremskreis erforderlich ist, um eine Überspannungsauslösung zu vermeiden. Der Eingangsstrom ist dann Null.

Wir können alle oben genannten Punkte in einem Diagramm zusammenfassen, wie in Abbildung 5 dargestellt. Dies gilt für eine (eher theoretische) konstante Drehmomentlast, d. h. eine, bei der das Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich von -100 % bis +100 % konstant ist. In der Praxis tritt dies bei einem Aufzug oder Hebezeug auf, das eine feste Last trägt, und wenn die Beschleunigung niedrig genug ist, um die zum Beschleunigen der Last erforderliche Kraft zu ignorieren. Mit anderen Worten, wir variieren die Geschwindigkeit langsam.

In Abbildung 5 beginnen wir mit maximaler Geschwindigkeit. Sowohl für DC- als auch für AC-Antriebe beträgt der Eingangsstrom etwa 100 %. Wir beginnen nun, die Geschwindigkeit zu reduzieren. Für den DC-Antrieb bleibt die Größe des Eingangsstroms unverändert, und wir können nur sagen, dass die Geschwindigkeit sinkt, wenn wir seine aktive Komponente (in Phase mit der Spannung) betrachten. Beim AC-Antrieb sinkt der Eingangsstrom, nicht ganz proportional zur Drehzahl.

Bei einer Drehzahl von null liegt der DC-Antriebseingangsstrom immer noch etwas über 100 %. Sein Phasenwinkel beträgt fast -90°, der einzige aktive Teil des Stroms wird durch die Verlustleistung verursacht, da die Wellenleistung Null ist. Der Eingangsstrom des AC-Antriebs ist sehr niedrig und liefert nur die Verlustleistung. Der Leistungsfaktor ist eher schlecht, weil die Glättungsdrosseln bei einem so niedrigen Strom wenig Wirkung haben – aber das ist ohne praktische Bedeutung, da der Strom viel niedriger als der Nennwert ist.

Bei negativen Drehzahlen ist der Eingangsstrom des DC-Antriebs immer noch auf seinem Nennwert, aber der Realteil ist negativ geworden, sodass der Antrieb rückgewonnene Energie mit einem ziemlich niedrigen Leistungsfaktor an das Netz zurückgibt. Der Frequenzumrichter hat einen Strom von Null, da der Eingangsgleichrichter gesperrt wurde und die Antriebsverlustleistung durch die rückgespeiste Leistung der Last gedeckt wird. Überschüssige Leistung muss im Bremswiderstand abgebaut werden.