19. 유도전동기 인버터 기동(2)

19. 유도전동기 인버터 기동(2)

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1. Converter(컨버터)와 Inverter(인버터)
2. 유도전동기 Inverter(인버터) 구동회로 구조 및 역할
3. 인버터의 다른 명칭
4. 'Soft Starter'와 비교하여 인버터 기동의 특징
5. 인버터 기동 속도제어에서 전압과 주파수와의 관계

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3. 인버터의 다른 명칭
인버터는 모터에서 사용할 때 이런 명칭들로 불리기도 한다.

인버터(Inverter)
= AC Drive
= VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) - 가변 전압 가변 주파수
= VFD = (Variable Frequency Drive)
= VSD = (Variable Speed Drive)

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4. 'Soft Starter'와 비교하여 인버터 기동의 특징

'Soft Starter'는 와이델타, 리액터, 기동보상기 기동법에 비해 부드러운 기동과 정지가 가능했다. 이는 사이리스터 소자를 이용하여 점호각 제어로 전압을 조정할 수 있기 때문에 단계적인 제어가 가능했다.
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17. 유도전동기 기동법 'Soft Starter'

인버터 기동 역시 Soft Starter와 같이 전압을 단계적으로 올리고 내릴 수 있어 부드러운 기동, 정지가 가능하다.
그에 더해 Soft Starter는 불가능한 운전 중 속도제어가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
그렇기 때문에 속도제어가 필요한 경우 인버터 기동을 이용하면 된다.

그러나 인버터가 사이리스터 소자에 비해 가격이 비싸다. 그러므로 속도제어가 필요없는 경우에는 사이리스터 소자를 사용하는 Soft Starter가 더 경제적이다. 다만 기동,정지가 빈번한 경우에는 장기적으로 봤을 때 인버터 기동이 더 경제적일 수가 있다. 현장 상황을 따져보고 알맞은 기동법을 사용하면 된다.

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5. 인버터 기동 속도제어에서 전압과 주파수와의 관계

인버터를 이용하면 주파수와 전압을 조정을 통해 속도제어 및 부드러운 기동,정지가 가능하다.

유도전동기 등가회로

아래는 위의 유도전동기 등가회로를 근사화한 IEEE 등가회로이다.

유도전동기 IEEE등가회로

1차측 고정자를 통해 입력된 전압(V1)은 2차측 회전자로 전달 된다.
2차측으로 유기된 기전력(E1)의 크기는
V1이 크면 V1과 E1은 거의 같고,
V1이 작으면 R1, X1에서 발생하는 전압강하를 무시할 수 없게 돼서 E1과 같다고 할 수 없다.

V1이 큰 경우에 V ≈ E = 4.44fNφ 로 표현 가능하고
V/f 과 E/f 는 거의 같게 된다.


V/f ≈ E/f ∝ φ
그리고 V/f와 E/f는 전동기의 1차측과 2차측 사이에 비어있는 공간(공극)의 자속 크기와 비례하게 된다.

V/f ≈ φ
V/f가 자속의 크기와 비례하는 부분이 인버터 기동에서 중요하다.


인버터 기동에서 속도를 줄이기 위해 정격전압에서 주파수(f)를 떨어트리면
위에서 V/f는 자속에 비례함에 따라 주파수가 줄어드니까 자속이 증가한다. ( φ ↑)
주파수가 많이 떨어져서 자속이 많이 증가하면 철심이 포화하게 된다.
그러면 고정자의 전류가 매우 증가하게 되어 철손 및 고정자 동손의 증가를 만든다.

인버터기동에서 효율을 위해 속도제어를 하는데 이런 손실들이 증가한다면 속도제어의 의미를 잃는다.

그러므로 이런 부작용을 막기 위해서 주파수만을 제어하지 않고 전압도 같이 움직여서
자속의 크기를 일정하게 해줘야한다. 그래야 철심이 포화가 안되고 토크가 일정해진다.
ex) 전압 480V, 주파수 60Hz -> 480/60 = 8이다.
여기에서 주파수를 30Hz로 줄이고 싶으면 자속 '8'을 유지하기 위해서
전압을 240V로 줄여줘야 240/30 = 8로 자속의 크기가 일정해진다.

자속을 일정하게 하기 위해 주파수를 제어하면서 전압을 같이 제어한다.
이것에서 이름을 따서 VVVF(Variable Voltage Varialbe Frequency) - 가변전압 가변주파수
VVVF를 이용하면 속도제어로 많은 에너지 절감을 이룰 수 있다.

기준주파수를 60Hz라고 했을 때
기동시에 (60Hz 보다 낮을 때)
주파수를 점점 늘려나감과 동시에 전압을 정격전압까지 일정 비율로 점점 늘려 나간다.(비례제어)
이때는 일정 토크로 운전하게 된다. V/f ∝ T(토크)
주파수가 계속 증가하지만 전압도 비례하여 증가하기 때문에 토크는 일정하고 속도는 증가하므로
Power = T x w(각가속도)에 따라 출력은 계속 증가한다.

운전 중에 60Hz보다 낮게 주파수를 넣게 되면 (전압도 같은 비율로 줄이게 되면, 비례제어)
주파수가 작아지는데 토크가 일정하므로 출력은 감소하게 된다.
----그래서 위의 기준주파수보다 작은 영역을 '일정 토크 운전 영역'이라고 한다.


만약 운전 중 60Hz 보다 높은 주파수를 넣는 상황이라면 (기준 주파수보다 높은 경우라면)
절연파괴문제로 정격전압 이상의 전압을 넣지 못하고 주파수만 증가한다. 그에 따라 토크가 감소하고 속도가 커지게 된다. 그러므로 출력은 일정해진다.
--- 기준 주파수보다 큰 영역을 '일정 출력 운전 영역' 혹은 '약계자 운전 영역'이라고 한다.



일정 토크 운전 영역에서 기동초기에 전압이 작은 부분에서는 R1,X1의 전압강하를 무시할 수 없다.
그러므로 기동초기의 저주파수에서 토크가 줄어들수가 있다. 그러므로 초기에는 전압을 조금 높게 잡아주어 기동시켜줌으로써 토크를 상승시킬 필요가 있다.

인버터 기동을 사용하면 전류를 일정하게 할 수 있기 때문에 정격전류 근처에서 안전 기동이 가능하다. (이 전류값은 조절이 가능하다.)
인버터 기동은 주파수, 전압을 같이 움직여서 토크가 일정하니까 전류도 일정하게 할 수 있다. 즉, 낮은 전류에도 큰 토크가 가능하다.







정리하면
1) 유도전동기에서 인버터 기동을 하면 기동, 정지시 단계적인 전압 조정으로 안정적이 기동이 가능하다.

2) 더불어 속도제어가 가능하다.

3) 속도제어시에 전압과 주파수의 비례제어가 필요하다. - 주파수만을 조정하여 속도제어하면 철손, 동손이 증가한다.

4) 인버터 기동의 운전영역은 두 가지로 나눠진다. (1) 일정토크 운전영역 (2)일정출력 운전영역
(1) 일정토크 운정역역은 기준주파수 이하의 영역에서 주파수와 전압이 비례제어 되어 일정 토크가 유지되고 주파수의 크기와 비례하여 출력값이 달라지는 영역
(2) 일정출력 영역은 기준주파수를 넘어가는 영역에서 전압을 더이상 올릴 수 없는 영역으로 주파수는 증가하나 전압이 증가하지 못하여 토크가 줄어들게 되고 속도는 증가하게 되어 출력값이 일정한 영역

5) 전압이 낮은 기동초기에는 R1,X1에 의한 전압강하를 무시할 수 없으므로 토크가 작아지게 된다. 그러므로 초기에는 높은 전압값을 입력해주어 토크를 상승시킬 필요가 있다.

6) 인버터 기동에서 기동전류는 일정하게 유지 가능하고 이 값은 원하는 대로 설정가능하다. 낮은 전류에서 큰 토크가 가능하다.