可変速ドライブの電流、電力、トルク

可変速ドライブシステムの電流と電力の動作は、ユーザーが常によく理解しているとは限りません。特に、モーターシャフトの速度と負荷が変化すると、ドライブの入力電流と出力電流がどのように変化するかという問題があります。このブログでは、可変速ドライブの基本的な動作を見て、これらの値がどのように関連しているかを明らかにします。これは、システムの動作を理解し、さまざまなデューティがエネルギー消費と主要コンポーネントの電力定格に及ぼす影響を考慮に入れるのに役立ちます。いくつかの興味深い違いがあるため、DC（制御整流子）ドライブとACインバータードライブについて簡単に説明します。

モーター電流

電気モーターによって生成されるトルクは、常に、通電導体に作用する磁束の積と見なすことができます。与えられたモーター磁束レベルでは、トルクは磁束をつなぐ電流の直接関数です。

2次効果を無視すると、DCモーターとACモーターについてこれを要約できます。

• DCマシンでは、磁束は励起（界磁）巻線電流によって設定され、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、磁束の振幅は、周波数に対する印加電圧の比率によって設定されます。トルクは、磁束とトルク生成電流の積、つまり電圧と同相の電流の成分です。

DCモーターおよびAC誘導モーターでは、特別な省エネ制御が低トルクで適用されない限り、磁化電流は通常、トルクに関係なく一定です。小型の誘導モーターの場合、磁化電流は定格電流のかなりの割合（たとえば、70％）になる可能性があります。永久磁石モーターの利点は、磁化電流が不要であるため、この電流に関連する損失が回避されることです。

図1は、供給電圧が固定された誘導モーターの場合の、トルクによる（正規化された）モーター電流の典型的な変化を示しています。速度による変化は重要ではありません。

モーターパワー

シャフトでの力は、トルクと速度の積によって与えられます。

損失を無視すると、電力入力は、DC電圧と電流の積によるDCマシンの場合、およびr.m.sの積によるACマシンの場合に与えられます。電流は通常、電圧と同相で遅れるため、電圧と電圧と同相の電流の成分。

最初の概算では、電流はトルクと速度の電圧に依存します。入力電力は、定格電力で通常定格電力の5％から20％の範囲にある損失を除いて、出力電力と同様です。

駆動電流と電力

ドライブは最小の電力損失（約2％）で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する必要があります。ドライブ入力電流の動作は少しわかりにくいです。

図2は、DCドライブ電機子整流器の重要な要素を示しています。

サイリスタは、モーターのトルクと速度を制御するために出力電圧を調整することを可能にします。入力相と出力の間には導通があり、コンデンサや共有接続などの代替電流経路がないことに注意してください。短いオーバーラップ間隔を除いて、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取り付けられていない限り、負荷電流は常に入力相に流れる必要があります。

DCドライブ–出力

DCドライブの出力の電流は、トルクに比例するモーター電機子電流です。フィールドに供給するための追加の小さなコンバーターがあります。

DCドライブ–入力

ここで、入力電流がモーターの動作によってどのように影響を受けるかを見ると、入力電流の大きさは非常に単純な関係でトルクに正比例していることがわかります。電流リップルを無視できる場合は、。これは、速度や出力電圧に関係ありません[1]。

入力電流と電圧が速度に依存しない場合、入力電力を出力に合わせてどのように変化させることができますか？答えは、整流器が位相を戻すと（点火角度が0°を超える）、入力電流が供給電圧と同相で遅れるため、入力力率が変化することです。極端な場合、モーターが静止しているが定格トルクを供給しているため、シャフト出力がゼロの場合、入力電流は定格値のままですが、損失がなければ90°の位相遅れがあります。これはDCドライブの非常に深刻な欠点である可能性があり、大きなDCドライブが力率補正コンデンサとともに使用されることが多い理由です。

ACドライブ–出力

ACドライブの出力電流はモーター電流であり、これまで見てきたように、トルク生成コンポーネントと磁化コンポーネントで構成され、後者は必要なトルクに関係なくドライブから供給されます。したがって、ドライブの材料費の大部分を占めるインバータ段の電流は、固定部品とともに出力トルクの関数になります。速度の影響はほとんどありません。

ACドライブ–入力

図3は、ACインバータードライブの重要な要素を示しています。

インバータの三相レッグは、整流器から供給される同じDCバス回路に接続されています。この共通接続が存在するということは、インバータの出力電圧が最大値よりも低い場合、つまり基本速度よりも遅い速度の場合、出力電流がインバータの相レッグ間を部分的に循環することを意味します。同じことが出力電流の無効部分にも当てはまります。 DCバスは、モーターに必要な実際の電力、つまり出力電圧と電流の実際の（アクティブな）部分の積を供給するだけで済みます。 DC電圧は供給電圧によって固定されるため、DC電流は電力に比例して変化し、トルクが一定の場合は速度に比例して変化します。

整流器の入力電流は、DCバス電流を反映しています。整流器の損失はごくわずかであるため、入力電力は実質的にDCバス電力と同じです。 r.m.s.波形は正弦波ではないため、つまり電流には高調波が含まれているため、電流の値は電力に予想される値よりもかなり高くなります。電流が増加すると、平滑化または高調波低減チョークの平滑化効果のために、高調波は比例して少なくなります。定格負荷電力でのr.m.s.多くの場合、入力電流はr.m.sに非常に近くなります。出力電流。これにより、ユーザーは同じであると想定する可能性があります。ただし、これは実際には単なる偶然であり、一般的なモーターの力率は約0.85であり、一般的なドライブの歪み係数は約0.85です。減速すると、2つの電流は完全に異なります。

要約すると、図4は、速度とトルクが変化するにつれて、一般的なACドライブの入力電流と出力電流がどのように変化するかを示しています。すべての数量は、定格値または基本値が1.0になるように正規化されています。

出力電流は速度による変化がほとんどないため、1本の線しかありません。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てチョークの影響がより顕著になるにつれて勾配が減少し、電流高調波を減らすことによって力率を改善します。ゼロ速度のラインに見られるように、主にモーター巻線の抵抗損失によって引き起こされる、小さな固定損失とトルクによって変化する損失があります。

トルクと速度の方向–再生

簡単にするために、上記の説明は単一象限の状況に適用されています。トルクや速度が逆転する可能性がある場合は、いくつかの追加の要因を考慮する必要があります。

DCドライブの場合、4象限アプリケーションでは、双方向DC電流を可能にするために2つのサイリスタブリッジが必要です。回転方向が反転するときの入力電流の動作は、単一象限の場合の続きです。力率はゼロ速度でゼロを通過し、最大値の約0.82に向かって上昇しますが、実数部の位相が反転すると反転します。パワーフロー。

ACドライブの場合、制御されていない整流器は電源に電力を戻すことができません。インバーターは自然に回生するので、オーバーホール負荷があると、DCバスは戻り電力を受け取り、過電圧トリップを回避するために抵抗性ブレーキ回路が必要になります。その場合、入力電流はゼロになります。

図5に示すように、上記のすべてをグラフにまとめることができます。これは、（理論上の）一定のトルク負荷、つまり、-100％から+ 100％の全速度範囲でトルクが一定である負荷に適用されます。実際には、これは固定荷重を運ぶリフトまたはホイストで発生し、加速度が十分に低いため、荷重を加速するために必要な力を無視できます。つまり、速度をゆっくりと変化させます。

図5では、最大速度から始めています。 DCドライブとACドライブの両方で、入力電流は約100％です。今、速度を落とし始めます。 DCドライブの場合、入力電流の大きさは変化しません。そのアクティブなコンポーネント（電圧と同相）を見ると、速度が低下していることがわかります。 ACドライブの場合、入力電流は低下しますが、速度に完全に比例するわけではありません。

速度がゼロの場合でも、DCドライブの入力電流は100％をわずかに超えています。その位相角はほぼ-90°であり、シャフトの電力がゼロであるため、電流の唯一のアクティブな部分は電力損失によって引き起こされます。 ACドライブの入力電流は非常に低く、電力損失のみを供給します。このような低電流では平滑化チョークの効果がほとんどないため、力率はかなり低くなりますが、電流が定格値よりはるかに低いため、これは実用上重要ではありません。

負の速度では、DCドライブの入力電流はまだ定格値のままですが、実数部が負になっているため、ドライブは力率がかなり低く、回生エネルギーを主電源に戻しています。 ACドライブの電流はゼロです。これは、入力整流器がブロックされており、ドライブの電力損失が負荷からの回生電力によって供給されているためです。予備の電力はブレーキ抵抗器で消費する必要があります。