掌握变频驱动器中的电流、功率与转矩关系

变频驱动器系统中电流和功率行为并不总被用户充分理解，特别是驱动器输入输出电流如何随电机轴转速和负载变化。本文探讨变频驱动器基本行为，阐明这些值如何关联。这有助于理解系统行为，为变化工况对能耗和主要部件功率额定值的影响做预留。简要涉及直流（可控整流）驱动器和交流逆变器驱动器，因两者有有趣差异。

电机电流

电机产生的转矩始终可视为磁通作用在载流导体上的乘积。给定电机磁通水平，转矩是链接磁通电流的直接函数。

忽略二阶效应，可总结直流和交流电机：

• 直流电机中，磁通由励磁（磁场）绕组电流设定，转矩是磁通与电枢电流乘积。
• 无永磁体交流电机中，磁通幅值由施加电压与频率比设定。转矩是磁通与产生转矩电流分量（即与电压同相电流分量）乘积。

直流电机和交流感应电机中，励磁电流通常恒定无论转矩，除非在低转矩应用特殊节能控制。小感应电机励磁电流可占额定电流相当大比例（如70%）。永磁电机优势在于无需励磁电流，避免相关损耗。

图1显示感应电机固定供电电压下（归一化）电机电流随转矩典型变化。随转速变化不显著。

电机功率

轴功率由转矩与速度乘积给出。

忽略损耗，电功率输入对直流机由直流电压电流乘积给出，对交流机由有效电压与与电压同相电流分量乘积给出，因电流通常相位滞后电压。

第一近似：电流依赖转矩，电压依赖速度。输入功率除损耗外与输出功率相似，额定功率下损耗通常为额定功率5%-20%。

驱动器电流与功率

因驱动器用开关器件损耗极小（约2%），输入功率必须极接近输出功率。驱动器输入电流行为稍不明显。

图2显示直流驱动器电枢整流器基本要素。

晶闸管允许调节输出电压以控制电机转矩和速度。注意输入相与输出间有连续性，无电容器或共享连接等替代电流路径。除短暂换相间隔外，任一时刻仅两晶闸管导通，故负载电流始终须流经输入相，除非装有续流二极管。

直流驱动器——输出

直流驱动器输出电流是电机电枢电流，与转矩成正比。另有小型换流器供励磁。

直流驱动器——输入

现在看电机运行如何影响输入电流，可见输入电流幅值与转矩成正比，关系极简单。忽略电流纹波则。这与速度或输出电压无关[1]。

若输入电流电压均与速度无关，输入功率如何变化以匹配输出？答案是输入功率因数变化，因整流器退相（触发角大于0°）时输入电流相位滞后供电电压。极端情况，电机静止但输出额定转矩，轴功率为零，输入电流仍为额定值，但相位滞后若非损耗将达90°。这是直流驱动器严重缺点，大型直流驱动器常配功率因数校正电容器。

交流驱动器——输出

交流驱动器输出电流是电机电流，如前含产生转矩分量和励磁分量，后者由驱动器供给无论需求转矩。逆变器级电流占驱动器材料成本大部分，因此是输出转矩函数加固定分量，几乎不受速度影响。

交流驱动器——输入

图3显示交流逆变器驱动器基本要素。

逆变器三相桥臂连接同一直流母线电路，由整流器供电。此共同连接意味着当逆变器输出电压小于最大值（即低于基本速度）时，输出电流部分在逆变器桥臂间循环。输出电流无功分量同理。直流母线仅供电机所需实际功率，即输出电压与有源（有功）电流分量乘积。直流电压由供电电压固定，故直流电流随功率变化成比例，或转矩恒定时随速度变化。

整流器输入电流反映直流母线电流。输入功率实际上等于直流母线功率，因整流器损耗可忽略。电流有效值比功率预期高，因波形非正弦，即电流含谐波。电流增大时谐波因平滑电抗或谐波抑制电抗平滑效应按比例减小。额定负载功率下输入有效电流常接近输出有效电流，可能让用户误以为相同。但这实为巧合，典型电机功率因数约0.85，典型驱动器畸变因子约0.85。降速时两电流完全不同。

总结，图4显示典型交流驱动器输入输出电流随速度转矩变化。所有量归一化，额定或基准值为1.0。

输出电流仅单线因几乎不随速度变化。输入电流随转矩速度乘积函数增加，但斜率随额定电流临近因电抗作用更显著而减缓，通过减少电流谐波改善功率因数。零速线显示少量固定损耗和随转矩变化损耗，主要由电机绕组电阻损耗引起。

转矩与速度方向——再生

为简化，以上讨论适用单象限情况。若转矩和/或速度可反向，须考虑额外因素。

直流驱动器四象限应用需两晶闸管桥允许双向直流电流。旋转方向反转时输入电流行为是单象限情况延续，功率因数在零速通过零然后回升向约0.82最大值，但实部相位反转给反向功率流。

交流驱动器不可控整流器不能回馈电能电网。逆变器天然再生，过载载荷时直流母线接收回馈功率，需电阻制动电路避免过压跳闸。输入电流此时为零。

可用图5汇总以上所有。这适用于（理论性）恒转矩负载，即整个速度范围-100%到+100%转矩恒定。实践中见于固定载荷升降机、加速度低到可忽略加速载荷力。即缓慢变速。

图5中，从最大速度开始。直流和交流驱动器输入电流约100%。开始降速。直流驱动器输入电流幅值不变，仅看有源分量（与电压同相）才知速度下降。交流驱动器输入电流下降，不完全成比例于速度。

零速时直流驱动器输入电流仍略超100%。相位角近-90°，唯一有源部分由功率损耗引起，因轴功率零。交流驱动器输入电流极低，仅供损耗功率。功率因数差因平滑电抗在如此低电流下作用小——但无实际重要性因电流远低于额定值。

负速度时直流驱动器输入电流仍为额定值，但实部变负，驱动器以较低功率因数向电网回馈再生能量。交流驱动器电流为零，因输入整流器被阻断，驱动器功率损耗由负载再生功率供给。多余功率须在制动电阻耗散。