Strom, Leistung und Drehmoment in Frequenzumrichtern meistern

Das Verhalten von Strom und Leistung in einem Frequenzumrichtersystem wird von Benutzern nicht immer gut verstanden, besonders die Frage, wie sich die Antriebs-Ein- und -Ausgangsströme ändern, wenn sich die Motordrehzahl und -last ändern. In diesem Blog betrachten wir das grundlegende Verhalten von Frequenzumrichtern, um zu klären, wie diese Werte zusammenhängen. Dies hilft, das Systemverhalten zu verstehen und die Auswirkungen variabler Last auf Energieverbrauch und Leistungsbewertung der Hauptkomponenten zu berücksichtigen. Wir betrachten kurz auch Gleichstrom (gesteuerter Gleichrichter) Antriebe sowie Wechselstrom-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 stromführende Leiter wirkt. Für einen gegebenen Motorflusspegel ist das Drehmoment eine direkte Funktion des Stroms, der den Fluss verknüpft.

Zweitrangige Effekte ignorierend, können wir dies für Gleichstrom- und Wechselstrommotoren zusammenfassen:

• In einer Gleichstrommaschine wird der Fluss durch den Erregerstrom (Feldwicklung) festgelegt, und das Drehmoment ist das Produkt aus Fluss und Ankerstrom.
• In einem Wechselstrommotor ohne Permanentmagnet wird die Flussamplitude durch das Verhältnis der angelegten Spannung zur Frequenz festgelegt. Das Drehmoment ist das Produkt aus Fluss und dem drehmomenterzeugenden Strom, d. h. der Stromkomponente, die in Phase mit der Spannung ist.

In Gleichstrommotoren und Asynchronmaschinen ist der Magnetisierungsstrom normalerweise unabhängig vom Drehmoment konstant, es sei denn, eine spezielle energiesparende Steuerung wird bei reduziertem Drehmoment angewendet. Bei einem kleinen Asynchronmotor kann der Magnetisierungsstrom einen beträchtlichen Anteil (z. B. 70 %) des Nennstroms ausmachen. Es ist ein Vorteil eines Permanentmagnetmotors, dass kein Magnetisierungsstrom erforderlich ist, sodass die damit verbundenen Verluste vermieden werden.

Abbildung 1 zeigt eine typische Variation des (normierten) Motorstroms mit Drehmoment für einen Asynchronmotor mit fester Versorgungsspannung. Die Variation mit der Drehzahl ist unbedeutend.

Motorleistung

Die Leistung an der Welle wird durch das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl gegeben.

Wenn wir Verluste ignorieren, wird die elektrische Eingangsleistung für eine Gleichstrommaschine durch das Produkt aus Gleichspannung und -strom gegeben, und für eine Wechselstrommaschine durch das Produkt aus dem Effektivwert der Spannung und der Stromkomponente in Phase mit der Spannung, da der Strom normalerweise in der Phase hinter der Spannung zurückbleibt.

Als erste Annäherung hängt der Strom vom Drehmoment und die Spannung von der Drehzahl ab. Die Eingangsleistung ähnelt der Ausgangsleistung bis auf die Verluste, die bei Nennleistung meist im Bereich von 5 % bis 20 % der Nennleistung liegen.

Antriebsströme und -leistung

Da Antriebe Schaltgeräte mit minimalem Leistungsverlust verwenden, etwa 2 %, muss die Eingangsleistung der Ausgangsleistung sehr nahe kommen. Das Verhalten des Antriebs-Eingangsstroms ist etwas weniger offensichtlich.

Abbildung 2 zeigt die wesentlichen Elemente eines Gleichstrom-Antriebs-Ankergleichrichters.

Die Thyristoren erlauben die Regelung der Ausgangsspannung, um Motordrehmoment und -drehzahl zu steuern. Beachten Sie, dass es Kontinuität zwischen den Eingangsphasen und dem Ausgang gibt, ohne alternative Strompfade wie Kondensatoren oder gemeinsame Verbindungen. Außer während des kurzen Überlappungsintervalls leiten immer nur zwei Thyristoren gleichzeitig, sodass der Laststrom immer in den Eingangsphasen fließen muss, es sei denn, eine Freilaufdiode ist eingebaut.

Gleichstromantrieb – Ausgang

Der Strom im Ausgang eines Gleichstromantriebs ist der Motorankerstrom, der proportional zum Drehmoment ist. Es gibt einen zusätzlichen kleinen Umrichter zur Versorgung des Erregers.

Gleichstromantrieb – Eingang

Wenn wir nun betrachten, wie der Eingangsstrom durch den Motorbetrieb beeinflusst wird, sehen wir, dass der Betrag des Eingangsstroms in einer sehr einfachen Beziehung direkt proportional zum Drehmoment ist. Wenn Stromwelligkeit ignoriert werden kann, dann gilt dies. Dies ist unabhängig von der Drehzahl oder der Ausgangsspannung.

Wie kann dann die Eingangsleistung variieren, um der Ausgangsleistung zu entsprechen, wenn Eingangsstrom und -spannung unabhängig von der Drehzahl sind? Die Antwort ist, dass der Eingangsleistungsfaktor sich ändert, da der Gleichrichter zurückphasiert wird (Zündwinkel größer als 0°), der Eingangsstrom in der Phase hinter der Netzspannung zurückbleibt. Im Extremfall, wenn der Motor stillsteht, aber Nenn-Drehmoment liefert, sodass die Wellenleistung null ist, ist der Eingangsstrom immer noch bei seinem Nennwert, aber mit einem Phasenversatz, der 90° wäre, wenn nicht die Verluste wären. Dies kann ein recht ernsthafter Nachteil von Gleichstromantrieben sein und ist der Grund, warum große Gleichstromantriebe oft mit Leistungsfaktorkorrektur-Kondensatoren verwendet werden.

Wechselstromantrieb – Ausgang

Der Wechselstrom-Antriebs-Ausgangsstrom ist der Motorstrom, der, wie wir gesehen haben, aus einer drehmomenterzeugenden Komponente und einer magnetisierenden Komponente besteht, letztere wird vom Antrieb unabhängig vom erforderlichen Drehmoment geliefert. Der Strom in der Wechselrichterstufe, der einen großen Teil der Materialkosten des Antriebs ausmacht, ist daher eine Funktion des Ausgangsdrehmoments zusammen mit einer festen Komponente. Er wird kaum von der Drehzahl beeinflusst.

Wechselstromantrieb – Eingang

Abbildung 3 zeigt die wesentlichen Elemente eines Wechselstrom-Wechselrichterantriebs.

Die drei Phasenbeine des Wechselrichters sind mit demselben Gleichstrom-Zwischenkreis verbunden, der vom Gleichrichter gespeist wird. Die Anwesenheit dieser gemeinsamen Verbindung bedeutet, dass, wenn die Wechselrichter-Ausgangsspannung unter ihrem Maximalwert liegt, d. h. bei einer Drehzahl unter der Nenn-Drehzahl, der Ausgangsstrom teilweise zwischen den Wechselrichter-Phasenbeinen zirkuliert. Dasselbe gilt für den Blindanteil des Ausgangsstroms. Der Gleichstrom-Zwischenkreis muss nur die tatsächlich vom Motor benötigte Leistung liefern, d. h. das Produkt aus Ausgangsspannung und dem reellen (aktiven) Teil des Stroms. Die Gleichspannung wird durch die Netzspannung festgelegt, daher variiert der Gleichstrom proportional zur Leistung, oder zur Drehzahl, wenn das Drehmoment konstant ist.

Der Gleichrichter-Eingangsstrom spiegelt den Gleichstrom-Zwischenkreis-Strom wider. Die Eingangsleistung ist praktisch dieselbe wie die Gleichstrom-Zwischenkreis-Leistung, da der Gleichrichterverlust vernachlässigbar ist. Der Effektivwert des Stroms ist etwas höher als für die Leistung erwartet, weil die Wellenform nicht sinusförmig ist, d. h. der Strom enthält Oberschwingungen. Je mehr der Strom zunimmt, desto proportional weniger werden die Oberschwingungen wegen des Glättungseffekts der Glättungs- oder Oberschwingungsreduktions-Drosseln. Bei Nennlastleistung ist der Effektivwert des Eingangsstroms oft ziemlich nah am Effektivwert des Ausgangsstroms, was Benutzer dazu verleiten kann, anzunehmen, sie seien gleich. Dies ist jedoch wirklich nur ein Zufall, mit typischen Motoren, die einen Leistungsfaktor von etwa 0,85 haben, und typischen Antrieben, die einen Verzerrungsfaktor von etwa 0,85 haben. Bei reduzierter Drehzahl werden die beiden Ströme völlig unterschiedlich.

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

Es gibt nur eine einzelne Linie für den Ausgangsstrom, da er sich kaum mit der Drehzahl ändert. Der Eingangsstrom steigt als Funktion des Produkts aus Drehmoment und Drehzahl, aber mit abnehmender Steigung, da der Effekt der Drosseln bei Annäherung an den Nennstrom stärker wird, was den Leistungsfaktor durch Reduzierung der Strom-Oberschwingungen verbessert. Es gibt einen kleinen festen Verlust und einige Verluste, die mit dem Drehmoment variieren, wie in der Linie für Drehzahl null zu sehen, hauptsächlich verursacht durch ohmsche Verluste in den Motorwicklungen.

Richtung von Drehmoment und Drehzahl – Rekuperation

Zur Vereinfachung hat die obige Diskussion auf Einzelquadrant-Situationen angewendet. Wenn Drehmoment und/oder Drehzahl umkehren können, müssen einige zusätzliche Faktoren berücksichtigt werden.

Für Gleichstromantriebe erfordert eine Vierquadrant-Anwendung zwei Thyristor-Brücken, um den bidirektionalen Gleichstrom zu ermöglichen. Das Eingangsstrom-Verhalten bei Umkehr der Drehrichtung ist eine Fortsetzung des Einzelquadrant-Falls, der Leistungsfaktor geht bei null Drehzahl durch null und steigt dann wieder zum Maximum von etwa 0,82, aber mit der Phase des reellen Teils umgekehrt, was umgekehrten Energiefluss ergibt.

Für Wechselstromantriebe kann der ungesteuerte Gleichrichter keine Leistung an das Netz zurückgeben. Der Wechselrichter ist natürlich rekuperativ, sodass bei einer überlasteten Last der Gleichstrom-Zwischenkreis die zurückgegebene Leistung erhält, und ein Widerstandsbrems-Schaltkreis erforderlich ist, um einen Überspannungs-Abschalt zu vermeiden. Der Eingangsstrom ist dann null.

Wir können all dies in einem Diagramm zusammenfassen, wie in Abbildung 5 gezeigt. Dies gilt für eine (eher theoretische) konstante Drehmoment-Last, 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 mit fester Last auf, und wo die Beschleunigung niedrig genug ist, um die zum Beschleunigen der Last erforderliche Kraft zu ignorieren. Mit anderen Worten, wir variieren die Drehzahl langsam.

In Abbildung 5 beginnen wir bei maximaler Drehzahl. Für sowohl Gleich- als auch Wechselstromantriebe ist der Eingangsstrom etwa 100 %. Wir beginnen nun, die Drehzahl zu reduzieren. Für den Gleichstromantrieb bleibt der Eingangsstrom-Betrag unverändert, und wir können nur feststellen, dass die Drehzahl fällt, wenn wir seinen aktiven Anteil (in Phase mit der Spannung) betrachten. Für den Wechselstromantrieb fällt der Eingangsstrom, nicht ganz proportional zur Drehzahl.

Bei null Drehzahl ist der Gleichstromantrieb-Eingangsstrom immer noch leicht über 100 %. Sein Phasenwinkel ist fast -90°, der einzige aktive Teil des Stroms wird durch die Leistungsverluste verursacht, da die Wellenleistung null ist. Der Wechselstromantrieb-Eingangsstrom ist sehr niedrig und liefert nur die Leistungsverluste. Der Leistungsfaktor ist eher schlecht, weil die Glättungsdrosseln bei so niedrigem Strom wenig Wirkung haben – aber das ist von keiner praktischen Bedeutung, da der Strom viel niedriger als der Nennwert ist.

Bei negativen Drehzahlen ist der Gleichstromantrieb-Eingangsstrom immer noch bei seinem Nennwert, aber der reelle Teil ist negativ geworden, sodass der Antrieb regenerierte Energie an das Netz zurückgibt, mit einem eher niedrigen Leistungsfaktor. Der Wechselstromantrieb hat einen Strom von null, weil der Eingangs-Gleichrichter blockiert wurde und der Antriebsleistungsverlust von der regenerierten Leistung der Last gespeist wird. Überschüssige Leistung muss im Bremswiderstand dissipiert werden.