变速驱动器中的电流、功率和转矩

用户并不总是很好地理解变速驱动系统中的电流和功率行为，尤其是驱动输入和输出电流如何随着电机轴速和负载变化而变化的问题。在本博客中，我们将研究变速驱动器的基本行为，以阐明这些值之间的关系。这有助于了解系统行为并考虑到不同负载对能耗和主要组件额定功率的影响。我们简要介绍一下直流（可控整流）驱动器和交流逆变器驱动器，因为它们之间存在一些有趣的差异。

电机电流

电动机产生的转矩总是可以看作是作用在载流导体上的磁通量的乘积。对于给定的电机磁通水平，转矩是连接磁通的电流的直接函数。

忽略二阶效应，我们可以总结一下直流和交流电机：

• 在直流电机中，磁通由励磁（励磁）绕组电流决定，转矩是磁通和电枢电流的乘积。
• 在没有永磁体的交流电机中，磁通幅度由施加的电压与频率的比率决定。转矩是磁通量和产生转矩的电流的乘积，即与电压同相的电流分量。

在直流电机和交流感应电机中，磁化电流通常是恒定的，与转矩无关，除非在减小转矩时应用特殊的节能控制。对于小型感应电机，励磁电流可能是额定电流的相当大比例（例如 70%）。永磁电机的优点是不需要磁化电流，因此避免了与此电流相关的损耗。

图 1 显示了具有固定电源电压的感应电机（标准化）电机电流随转矩的典型变化。随速度变化不大。

电机功率

轴上的功率是扭矩和转速的乘积。

如果我们忽略损耗，那么对于直流电机来说，输入功率是由直流电压和电流的乘积给出的，而对于交流电机来说，则是由 r.m.s. 的乘积给出的。电压和电流与电压同相的分量，因为电流通常滞后于电压。

大致上，电流取决于转矩，电压取决于速度。输入功率与输出功率相似，只是损耗在额定功率下通常在额定功率的5%~20%之间。

驱动电流和功率

由于驱动器使用功率损耗最小的开关器件，大约为 2%，因此输入功率必须非常接近输出功率。驱动输入电流的行为不太明显。

图 2 显示了直流驱动电枢整流器的基本元件。

晶闸管允许调节输出电压以控制电机扭矩和速度。请注意，输入相位和输出之间存在连续性，没有替代电流路径，例如电容器或共享连接。除了在短暂的重叠间隔期间，任何时候只有两个晶闸管导通，因此负载电流总是必须在输入相中流动，除非安装了续流二极管。

直流驱动 - 输出

直流驱动器输出中的电流是电机电枢电流，与转矩成正比。有一个额外的小型转换器来为现场供电。

直流驱动 - 输入

如果我们现在看一下输入电流是如何受电机运行影响的，我们会发现输入电流的大小与转矩成正比，关系非常简单。如果电流纹波可以忽略，那么。这与速度或输出电压无关[1]。

如果输入电流和电压与速度无关，那么输入功率如何变化以匹配输出？答案是输入功率因数会发生变化，因为当整流器反向相位（触发角大于 0°）时，输入电流在相位上滞后于电源电压。在极端情况下，如果电机静止但输出额定扭矩，因此轴功率为零，输入电流仍处于其额定值，但如果没有损耗，相位滞后将达到 90°。这可能是直流驱动器的一个相当严重的缺点，也是大型直流驱动器经常使用功率因数校正电容器的原因。

交流驱动器 - 输出

交流驱动器输出电流是电机电流，正如我们所见，它包括一个产生转矩的分量和一个磁化分量，后者由驱动器提供而不管所需的转矩如何。逆变器级中的电流占驱动器材料成本的很大一部分，因此是输出转矩和固定组件的函数。它几乎不受速度的影响。

交流驱动器 - 输入

图 3 显示了交流逆变器驱动的基本要素。

逆变器的三相腿连接到由整流器供电的同一直流母线电路。这种公共连接的存在意味着当逆变器输出电压小于其最大值时，即在低于基本速度的速度下，输出电流在逆变器相腿之间部分循环。这同样适用于输出电流的无功部分。直流母线只需提供电机所需的实际功率，即输出电压与电流的实际（有源）部分的乘积。直流电压由电源电压固定，因此直流电流与功率成正比，如果转矩恒定，则与速度成正比。

整流器输入电流反映直流母线电流。输入功率实际上与直流总线功率相同，因为整流器损耗可以忽略不计。有效值电流值比功率的预期值要高，因为波形不是正弦波，即电流包含谐波。随着电流的增加，由于平滑或谐波减少扼流圈的平滑效应，谐波会相应减少。在额定负载功率下，r.m.s.输入电流通常非常接近 rms。输出电流，这可能导致用户假设它们是相同的。然而，这实际上只是一个巧合，典型的电机功率因数约为 0.85，而典型的驱动器的失真因数约为 0.85。在降低速度时，这两种电流变得完全不同。

总而言之，图 4 显示了典型交流驱动器的输入和输出电流如何随着速度和转矩的变化而变化。所有的量都进行了标准化，使额定值或基值为 1.0。

输出电流只有一条线，因为它几乎不随速度变化。输入电流随着转矩和速度的乘积而增加，但随着接近额定电流时扼流圈的影响变得更加明显，斜率减小，通过降低电流谐波来提高功率因数。零速时有少量固定损耗和一些随转矩变化的损耗，主要由电机绕组的电阻损耗引起。

扭矩和速度方向 - 再生

为简单起见，上述讨论适用于单象限情况。如果扭矩和/或速度可以反转，则必须考虑一些额外的因素。

对于直流驱动器，四象限应用需要两个晶闸管桥以允许双向直流电流。旋转方向反转时的输入电流行为是单象限情况的延续，功率因数以零速度通过零，然后回升至约 0.82 的最大值，但实部的相位反转给出反转潮流。

对于交流驱动器，不受控的整流器无法将电力返回到主电源。逆变器是自然再生的，因此在检修负载时，直流母线接收返回的功率，并且需要电阻制动电路来避免过压跳闸。然后输入电流为零。

我们可以在图 5 中所示的图表中总结以上所有内容。这适用于（相当理论上的）恒定扭矩负载，即扭矩在 -100% 到 +100% 的整个速度范围内恒定的负载。在实践中，这发生在承载固定负载的升降机或提升机上，并且加速度低到足以让我们忽略加速负载所需的力。换句话说，我们缓慢地改变速度。

在图 5 中，我们以最大速度开始。对于直流和交流驱动器，输入电流约为 100%。我们现在开始降低速度。对于直流驱动，输入电流幅度保持不变，如果我们查看其有源分量（与电压同相），我们只能判断速度正在下降。对于交流驱动器，输入电流下降，与速度不完全成正比。

在速度为零时，直流驱动输入电流仍略高于 100%。它的相位角接近 -90°，电流的唯一有效部分是由功率损耗引起的，因为轴功率为零。交流驱动器输入电流非常低，仅提供功率损耗。功率因数相当差，因为平滑扼流圈在如此低的电流下几乎没有效果——但这并不重要，因为电流远低于额定值。

在负速度下，直流驱动器输入电流仍处于其额定值，但实部变为负值，因此驱动器将再生能量返回到主电源，功率因数相当低。交流驱动器的电流为零，因为输入整流器已被阻塞，驱动器功率损耗由负载的再生功率提供。任何备用电源都必须在制动电阻中耗散。