可変速ドライブにおける電流、電力、トルクのマスター

可変速ドライブ・システムにおける電流と電力の振る舞いは、ユーザーによく理解されていないことが多く、特にモーター軸速度と負荷の変化に伴い、ドライブ入出力電流がどう変化するかという点についてです。このブログでは、可変速ドライブの基本振る舞いを見て、これらの値がどう関連するかを明確にします。これにより、システム振る舞いを理解し、可変負荷がエネルギー消費とメイン・コンポーネントの電力定格に与える影響を考慮できます。DC（制御整流子）ドライブとACインバータ・ドライブの両方を簡潔に見ます。興味深い違いがあるためです。

モーター電流

電気モーターが発生するトルクは、常に磁束が電流を流す導体に作用する積と見なせます。与えられたモーター磁束レベルでは、トルクは磁束とリンクする電流の直接的な関数です。

二次効果を無視すれば、DCモーターとACモーターで以下のようにまとめられます：

• DC機では、磁束は励磁（界磁）巻線電流で設定され、トルクは磁束と電機子電流の積です。
• 永久磁石のないACモーターでは、磁束振幅は印加電圧と周波数の比で設定されます。トルクは磁束とトルク発生電流、すなわち電圧と位相が一致する電流成分の積です。

DCモーターとAC誘導モーターでは、磁化電流は通常、特殊な省エネ制御が低トルクで適用されない限り、トルクに関わらず一定です。小型誘導モーターでは、磁化電流が定格電流の相当な割合（例：70%）を占めることがあります。永久磁石モーターの利点は、磁化電流が不要なため、この電流に伴う損失を回避できることです。

図1は、固定電源電圧での誘導モーターの（正規化された）モーター電流とトルクの典型的な変化を示します。速度による変化は無視できます。

モーター電力

軸出力はトルクと速度の積で与えられます。

損失を無視すれば、電気入力電力は、DC機ではDC電圧と電流の積、AC機ではRMS電圧と電圧と位相一致する電流成分の積で与えられます。電流は通常電圧より位相遅れします。

第一近似では、電流はトルクに依存し、電圧は速度に依存します。入力電力は損失を除き出力電力と類似し、定格電力での損失は通常定格電力の5〜20%の範囲です。

ドライブ電流と電力

ドライブは最小電力損失（約2%）のスイッチング・デバイスを使用するため、入力電力は出力電力に非常に近くなければなりません。ドライブ入力電流の振る舞いは少し明確でないかもしれません。

図2は、DCドライブ電機子整流子の本質的要素を示します。

サイリスタにより、モーター・トルクと速度を制御するために出力電圧を制御できます。入力相と出力の間に連続性があり、コンデンサや共有接続のような代替電流パスはありません。短いオーバーラップ期間を除き、常に2つのサイリスタのみが導通するため、フリーホイール・ダイオードが装着されていない限り、負荷電流は常に入力相を流れなければなりません。

DCドライブ - 出力

DCドライブ出力の電流はモーター電機子電流で、トルクに比例します。界磁給電用の小さな追加コンバーターがあります。

DCドライブ - 入力

モーター動作による入力電流の影響を見ると、入力電流の大きさは非常にシンプルな関係でトルクに直接比例します。電流リップルを無視すれば。これは速度や出力電圧に関係ありません[1]。

では、入力電流と電圧が速度に依存しないのに、どうやって入力電力が出力に合わせて変化するのか？ 答えは、入力力率が変化するからです。整流子が位相制御（発火角0°より大）されると、入力電流が電源電圧に対して位相遅れします。極限では、モーターが停止していても定格トルクを出している場合、軸出力はゼロですが、入力電流は依然として定格値で、損失がなければ位相遅れは90°になります。これはDCドライブのかなり深刻な欠点となり得るため、大型DCドライブでは力率改善コンデンサと併用されることがよくあります。

ACドライブ - 出力

ACドライブ出力電流はモーター電流で、前述のようにトルク発生成分と磁化成分からなり、後者は必要トルクに関わらずドライブが供給します。インバータ段の電流（ドライブ材料コストの大部分を占める）は、したがって出力トルクと固定成分の関数であり、速度の影響はほとんど受けません。

ACドライブ - 入力

図3は、ACインバータ・ドライブの本質的要素を示します。

インバータの3相レグは同じDCバス回路に接続され、整流子から給電されます。この共通接続の存在により、インバータ出力電圧が最大値未満の場合、すなわちベース速度未満の速度では、出力電流がインバータ相レグ間で部分的に循環します。同じことが出力電流の無効成分にも適用されます。DCバスは、モーターに実際に必要な電力、すなわち出力電圧と電流の実部（有効成分）の積のみを供給すればよいです。DC電圧は電源電圧で固定されるため、DC電流は電力に比例し、トルクが一定なら速度に比例して変化します。

整流子入力電流はDCバス電流を反映します。入力電力は整流子損失が無視できるため、実質的にDCバス電力と同じです。電流のRMS値は、波形が正弦波でないため、電力から予想されるより高くなります。つまり、電流は高調波を含みます。電流が増加すると、平滑/高調波抑制チョークの平滑化効果により高調波が比例して小さくなります。定格負荷電力では、RMS入力電流はしばしばRMS出力電流にかなり近く、ユーザーがそれらが同じだと勘違いする原因になります。しかしこれは単なる偶然で、典型的なモーター力率約0.85、典型的なドライブ歪み率約0.85によるものです。速度低下時には、二つの電流は完全に異なります。

要約すると、図4は典型的なACドライブの入出力電流が速度とトルクの変化にどう変化するかを示します。すべての量は正規化され、定格/基準値を1.0としています。

出力電流は速度によってほとんど変化しないため単一ラインのみです。入力電流はトルクと速度の積の関数として増加しますが、定格電流に近づくにつれチョークの効果がより顕著になり力率が改善（電流高調波減少）するため、傾きは減衰します。ゼロ速度でのラインに見られるように、小さな固定損失とトルクに伴う損失があり、主にモーター巻線抵抗損失です。

トルクと速度の方向 - 回生

単純化のため、上記の議論は単一象限の状況に適用しました。トルクと/または速度が逆転する場合、追加の要因を考慮する必要があります。

DCドライブでは、四象限アプリケーションには双方向DC電流を許容するために2つのサイリスタ・ブリッジが必要です。回転方向逆転時の入力電流振る舞いは単一象限ケースの継続で、力率がゼロ速度でゼロを通過し、実部の位相が逆転して逆電力流となる形で、最大約0.82まで戻ります。

ACドライブでは、非制御整流子は電力を電源に戻せません。インバータは本質的に回生可能なので、回生負荷ではDCバスが回生電力を受け取り、過電圧トリップを避けるため抵抗制動回路が必要です。入力電流はゼロになります。

上記すべてをグラフでまとめると図5のようになります。これは（かなり理論的な）定トルク負荷、すなわち-100%から+100%の全速度範囲でトルクが一定の負荷に適用されます。実践では、固定荷重を運ぶリフト/ホイストで、加速が低く負荷加速に必要な力を無視できる場合に起こります。つまり、速度をゆっくり変化させます。

図5では、最大速度から始まります。DC/ACドライブとも入力電流は約100%です。速度を下げ始めます。DCドライブでは入力電流大きさは変わらず、電圧と同位相の有効成分を見ない限り速度低下はわかりません。ACドライブでは入力電流が下がり、速度にほぼ比例しません。

ゼロ速度では、DCドライブ入力電流は依然として100%強です。位相角はほぼ-90°で、軸出力がゼロなので損失によるものだけが有効部分です。ACドライブ入力電流は非常に低く、損失分のみ供給。力率は平滑チョークが低電流で効かないため悪化しますが、電流が定格よりはるかに低いため実用上問題ありません。

負速度では、DCドライブ入力電流は依然として定格値ですが、実部が負になり、ドライブが回生エネルギーを電源に返します（力率は低い）。ACドライブは電流ゼロで、入力整流子が遮断され、ドライブ損失が負荷からの回生電力で賄われます。余剰電力は制動抵抗で消費されます。