가변 속도 드라이브의 전류, 전력 및 토크

가변 속도 드라이브 시스템에서 전류 및 전력의 동작은 사용자가 항상 잘 이해하는 것은 아닙니다. 특히 모터 샤프트 속도 및 부하가 변경됨에 따라 드라이브 입력 및 출력 전류가 어떻게 변경되는지에 대한 질문입니다. 이 블로그에서는 가변 속도 드라이브의 기본 동작을 살펴보고 이러한 값이 어떻게 관련되는지 명확히 합니다. 이는 시스템 동작을 이해하고 에너지 소비 및 주요 구성 요소의 정격 전력에 대한 다양한 의무의 영향을 고려하는 데 도움이 됩니다. 몇 가지 흥미로운 차이점이 있기 때문에 DC(제어 정류기) 드라이브와 AC 인버터 드라이브에 대해 간략하게 살펴보겠습니다.

모터 전류

전기 모터에 의해 생성된 토크는 항상 전류가 흐르는 도체에 작용하는 자속의 곱으로 간주할 수 있습니다. 주어진 모터 자속 수준에 대해 토크는 자속을 연결하는 전류의 직접 함수입니다.

2차 효과를 무시하고 DC 및 AC 모터에 대해 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

• DC 기계에서 자속은 여자(계자) 권선 전류에 의해 설정되고 토크는 자속과 전기자 전류의 곱입니다.
• 영구 자석이 없는 AC 모터에서 자속 진폭은 주파수에 대한 인가 전압의 비율로 설정됩니다. 토크는 자속과 토크를 생성하는 전류의 곱입니다. 즉, 전압과 위상이 같은 전류 성분입니다.

DC 모터 및 AC 유도 모터에서, 감소된 토크에서 특별한 에너지 절약 제어가 적용되지 않는 한, 자화 전류는 일반적으로 토크에 관계없이 일정합니다. 소형 유도 전동기의 경우 자화 전류는 정격 전류의 상당한 비율(예:70%)일 수 있습니다. 자화 전류가 필요하지 않은 것이 영구 자석 모터의 이점이므로 이 전류와 관련된 손실을 피할 수 있습니다.

그림 1은 공급 전압이 고정된 유도 전동기의 경우 토크에 따른 (정규화된) 전동기 전류의 일반적인 변화를 보여줍니다. 속도에 따른 변화는 미미합니다.

모터 동력

샤프트의 동력은 토크와 속도의 곱으로 나타납니다.

손실을 무시하면 DC 기계의 경우 DC 전압과 전류의 곱으로, AC 기계의 경우 r.m.s.의 곱으로 전력 입력이 제공됩니다. 전류는 일반적으로 위상이 같은 전압보다 뒤떨어지기 때문에 전압 및 전압과 위상이 같은 전류의 구성요소입니다.

첫 번째 근사치로 전류는 토크와 속도의 전압에 따라 달라집니다. 입력 전력은 정격 전력에서 일반적으로 정격 전력의 5% ~ 20% 범위에 있는 손실을 제외하고 출력 전력과 유사합니다.

전류 및 전력 구동

드라이브는 최소 전력 손실(약 2%)로 스위칭 장치를 사용하기 때문에 입력 전력은 출력 전력에 매우 근접해야 합니다. 드라이브 입력 전류의 동작은 약간 덜 명확합니다.

그림 2는 DC 구동 전기자 정류기의 필수 요소를 보여줍니다.

사이리스터를 사용하면 모터 토크와 속도를 제어하기 위해 출력 전압을 조절할 수 있습니다. 커패시터 또는 공유 연결과 같은 대체 전류 경로가 없는 입력 위상과 출력 사이에 연속성이 있다는 점에 유의하십시오. 짧은 오버랩 간격 동안을 제외하고는 항상 2개의 사이리스터만 전도하므로 프리휠 다이오드가 장착되지 않는 한 부하 전류는 항상 입력 위상에서 흘러야 합니다.

DC 드라이브 – 출력

DC 드라이브 출력의 전류는 토크에 비례하는 모터 전기자 전류입니다. 현장에 전원을 공급할 추가 소형 ​​변환기가 있습니다.

DC 드라이브 – 입력

이제 입력 전류가 모터 작동에 의해 어떻게 영향을 받는지 살펴보면 입력 전류의 크기가 매우 간단한 관계에서 토크에 정비례한다는 것을 알 수 있습니다. 현재 리플을 무시할 수 있다면 . 이것은 속도나 출력 전압[1]과 무관합니다.

그러면 입력 전류와 전압이 속도와 무관하다면 입력 전력이 출력과 일치하도록 어떻게 변할 수 있습니까? 대답은 입력 역률이 변경된다는 것입니다. 그 이유는 정류기가 위상 역전될 때(0°보다 큰 발사 각도) 입력 전류가 위상에서 공급 전압보다 뒤처지기 때문입니다. 극단적으로 모터가 정지되어 있지만 정격 토크를 전달하여 샤프트 전력이 0이면 입력 전류는 여전히 정격 값에 있지만 손실이 없다면 위상 지연이 90°가 됩니다. 이것은 DC 드라이브의 상당히 심각한 결점일 수 있으며, 이것이 대형 DC 드라이브가 역률 보정 커패시터와 함께 자주 사용되는 이유입니다.

AC 드라이브 – 출력

AC 드라이브 출력 전류는 모터 전류로, 토크 생성 구성 요소와 자화 구성 요소로 구성되며 후자는 필요한 토크에 관계없이 드라이브에 의해 공급됩니다. 따라서 드라이브 재료 비용의 큰 부분을 차지하는 인버터 단계의 전류는 고정 부품과 함께 출력 토크의 함수입니다. 속도의 영향을 거의 받지 않습니다.

AC 드라이브 – 입력

그림 3은 AC 인버터 드라이브의 필수 요소를 보여줍니다.

인버터의 3상 레그는 정류기에 의해 공급되는 동일한 DC 버스 회로에 연결됩니다. 이 공통 연결의 존재는 인버터 출력 전압이 최대값보다 작을 때, 즉 기본 속도보다 낮은 속도로 출력 전류가 인버터 위상 레그 사이를 부분적으로 순환한다는 것을 의미합니다. 출력 전류의 무효 부분에도 동일하게 적용됩니다. DC 버스는 모터에 필요한 실제 전력, 즉 출력 전압과 전류의 실제(활성) 부분의 곱만 공급하면 됩니다. DC 전압은 공급 전압에 의해 고정되므로 DC 전류는 전력에 비례하거나 토크가 일정할 경우 속도에 따라 달라집니다.

정류기 입력 전류는 DC 버스 전류를 반영합니다. 정류기 손실이 무시할 수 있기 때문에 입력 전력은 DC 버스 전력과 실질적으로 동일합니다. r.m.s. 파형이 정현파가 아니기 때문에, 즉 전류에 고조파가 포함되어 있기 때문에 전류 값은 전력에 대해 예상되는 것보다 다소 높습니다. 전류가 증가함에 따라 평활화 또는 고조파 감소 초크의 평활화 효과로 인해 고조파가 비례적으로 줄어듭니다. 정격 부하 전력에서 r.m.s. 입력 전류는 종종 r.m.s.에 매우 가깝습니다. 출력 전류이며 이는 사용자가 동일하다고 가정하도록 유도할 수 있습니다. 그러나 이것은 일반적인 모터의 역률이 약 0.85이고 일반적인 드라이브의 왜곡 계수가 약 0.85인 우연의 일치입니다. 속도가 감소하면 두 전류가 완전히 달라집니다.

요약하자면, 그림 4는 일반적인 AC 드라이브의 입력 및 출력 전류가 속도와 토크가 변할 때 어떻게 변하는지 보여줍니다. 모든 수량은 정격 또는 기본 값이 1.0이 되도록 정규화됩니다.

속도에 따라 거의 변하지 않기 때문에 출력 전류에 대해 단 하나의 라인만 있습니다. 입력 전류는 토크와 속도의 곱의 함수로 증가하지만, 초크의 효과가 감소함에 따라 기울기가 감소함에 따라 정격 전류에 가까워짐에 따라 더 뚜렷해지며, 전류 고조파를 줄여 역률을 개선합니다. 모터 권선의 저항 손실에 의해 주로 발생하는 제로 속도 라인에서 볼 수 있듯이 작은 고정 손실과 토크에 따라 약간의 손실이 변합니다.

토크 및 속도의 방향 – 재생

단순화를 위해 위의 논의는 단일 사분면 상황에 적용되었습니다. 토크 및/또는 속도가 역전될 수 있는 경우 몇 가지 추가 요소를 고려해야 합니다.

DC 드라이브의 경우 4사분면 애플리케이션에는 양방향 DC 전류를 허용하기 위해 2개의 사이리스터 브리지가 필요합니다. 회전 방향이 역전될 때 입력 전류 동작은 단일 사분면 경우의 연속이며 역률은 0 속도에서 0을 통과한 다음 최대 약 0.82로 다시 상승하지만 실수부의 위상이 반전되면 역전됩니다. 전력 흐름.

AC 드라이브의 경우 제어되지 않는 정류기는 전원을 주 전원으로 되돌릴 수 없습니다. 인버터는 자연적으로 회생하므로 정밀 검사 부하로 DC 버스가 반환된 전력을 수신하고 과전압 트립을 피하기 위해 저항 제동 회로가 필요합니다. 입력 전류는 0입니다.

위의 모든 사항을 그림 5와 같이 그래프로 요약할 수 있습니다. 이는 (다소 이론적인) 일정한 토크 부하, 즉 -100%에서 +100%의 전체 속도 범위에서 토크가 일정한 부하에 적용됩니다. 실제로 이것은 고정 하중을 운반하는 리프트 또는 호이스트에서 발생하며 가속도가 하중을 가속하는 데 필요한 힘을 무시하기에 충분히 낮은 경우에 발생합니다. 즉, 속도를 천천히 변경합니다.

그림 5에서는 최대 속도로 시작합니다. DC 및 AC 드라이브 모두의 경우 입력 전류는 약 100%입니다. 이제 속도를 줄이기 시작합니다. DC 드라이브의 경우 입력 전류 크기는 변경되지 않고 활성 구성 요소(전압과 위상이 일치)를 볼 때만 속도가 떨어지고 있음을 알 수 있습니다. AC 드라이브의 경우 입력 전류가 속도에 비례하지 않고 떨어집니다.

0의 속도에서 DC 드라이브 입력 전류는 여전히 100%를 약간 초과합니다. 위상각은 거의 -90°이며, 샤프트 전력이 0이기 때문에 전류의 유일한 활성 부분은 전력 손실로 인해 발생합니다. AC 드라이브 입력 전류는 매우 낮아 전력 손실만 발생합니다. 스무딩 초크는 낮은 전류에서 거의 영향을 미치지 않기 때문에 역률이 다소 낮습니다. 그러나 전류가 정격 값보다 훨씬 낮기 때문에 이것은 실제적으로 중요하지 않습니다.

음의 속도에서 DC 드라이브 입력 전류는 여전히 정격 값에 있지만 실수부는 음이 되었기 때문에 드라이브는 재생 에너지를 전원 공급 장치로 반환하고 역률은 다소 낮습니다. AC 드라이브의 전류는 0입니다. 입력 정류기가 차단되었고 드라이브 전력 손실이 부하로부터 재생된 전력에 의해 공급되기 때문입니다. 예비 전력은 제동 저항에서 소실되어야 합니다.