전동기의 가변속(속도제어)
일반사항
가. 개 요
국내의 경우 총 1차 에너지의 30%를 전력용으로 소비하고,
그 전력량의 70%를 전동기에서 소비하고 있며 종래 펌프나 브로어, 기타
동력의 압력조정이나 밸브조정은 많은 전력낭비를 수반한다.
이러한 전동기에
대하여 성 에너지 측면이 강력히 추진 요구되고 있어 전동기 운전에 에너지 절감효과가
우수한 속도제어방식이 적극 검토 적용되고 있다.
1. 직류전동기
직류전동기의 속도제어에는
-
저항제어(전기자에 직렬로 저항을 넣어서 저항의 값을 변화시킴으로서 전압을
변화시키는 방법),
- 계자제어(계자회로에 저항을 넣어 계자전류를 조정하여
자속을 변화시키는 방법),
- 전압제어(전기자에 가해지는 전압을 변화시키는
방법으로 전압제어시에는 자속이 변화하지 않도록 타여자 방식으로 해야 한다)의
방법이 있으며, 전압제어 방식이 가장 효율이 높아 일반적으로 직류전동기의
속도제어에 이용되고 있다.
전압제어는 직류전동기의 1차전압을 가변
제어하여 속도를 제어하는 시스템으로 Ward-Leonard 방식과 Thyristor-Leonard
방식이 있다.
◆ 직류전동기의 전압 E=kφNs, Ns=E/kφ
1-1. Ward-Leonard 방식
Ward-Leonard 방식 |
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- 직류전동기에 전원을 공급하기 위한
직류발전기의 동력을 직류발전기와 플라이휘일로 직결된 유도전동기에서
얻는 방식으로 직류발전기의 계자전류를 조정함으로써 직류전동기의
1차전압을 가변하여 속도를 조절한다.
따라서 효율은
60~70%가 한도이다.
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1-2. 일그너 방식
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- 플라이휠의 효과
플라이휠의 유효정도를
나타내는 양.
회전체의 질량을 G(㎏), 직경을 D(m)라 하면
GD²(㎏·㎡)로 표시된다. 따라서 동력의 전달이 효과적으로
되어 에너지절감효과가 있다.
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1-3. Thyristor-Leonard 방식
Thyristor-Leonard 방식 |
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- 직류전동기에 필요한 직류전원 변환장치를
사이리스터를
이용한 정지형으로 대체하여 효율을 향상시킨 방식으로 정지형
레오나드 방식이라고 한다.
따라서, 효율은
80%까지 향상이 가능하다.
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1-4. Ward-Leonard 방식과 Thyristor-Leonard 방식비교
구분 |
W - L |
T - L |
종합효율 |
다소 떨어진다 |
10% 향상 |
설치면적 |
크다 |
작다 |
보수유지 |
복잡 |
간단 |
기타 |
소음,진동 |
고조파 대책
필요 |
2. 교류 전동기
2-1. 교류전동기 종류별 속도제어방식
구분 |
방식 |
농형 유도전동기 |
- VVVF방식, VVCF방식.
- 유체 커플링제어,
- 전류 커플링제어
- 극수 변환제어
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권선형 유도전동기 |
- 2차 저항제어,
- 2차 여자제어(정지 셀비우스),
- 2차 여자제어(초동기 셀비우스)
- 종속접속법
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동기 전동기 |
- VVVF방식, VVCF방식.
- 무 정류자 전동기(사이리스터 모터)
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2-2. VVVF방식
종래 가변구동방식의 주류였던 직류전동기와 사이리스터
레오너드 방식의 직류기 결점(최고속도
및 용량의 제약, 정기적 보수점검, 사용환경의 제약)을 제거하기 위해 개발 되었으며,
전압형 인버터와 전류형 인버터가 있고 주로 전압형 인버터가 사용된다.
<VVVF장치 회로도> |
- 1차 전원의 주파수를 가변하여(V와 F동시조정) 전동기의
속도를 조정하는 장치로서 농형유도전동기와 동기전동기에
적용된다.
- 전압 및 주파수를 동시에 VVVF에 의해 가변시킬
경우 인가전압과 주파수를 변환시켜 제어하므로 축 동력에 적합한 용량이
주어지기 때문에 80% 이하의 가변속에
적합하다.
2-2-1. VVVF의 적용효과
효과가 큰 부하는 제곱저감토크의 부하로서 펌프, 팬,
브로어가 이에 해당한다.
- 성 에너지화(에너지 절약효과가 뛰어나다)
- 고정도(高精度)
- 고속응답
- 고속구동
- 고 효율
- 각종
자동제어가 용이하다.
- 범용 모터(유도전동기)에의 적용이 가능하다
개폐제어와 VVVF방식의 비교 |
- 대표적인 "예"
교류
브로어 전동기의 경우
풍량∝N;, 풍압∝N², 축동력∝N³ 이므로 에너지
절감효과를 가져온다.
◎ 20% 감속시의 축동력
즉, 정상동력의 51.2%로 부하 공급이 가능하다.
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그림과 같은 펌프의 특성곡선은 회전수를
일정하게 한 상태에서 얻어진다. 그러나 회전수를 변화시키면 양수량(Q)은 회전수에
비례하고, 양정(H)은 회전수의 제곱에 비례하며, 축동력(L)은 회전수의 3승에
비례한다.
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- Q1, H1, L1 : 회전수
N1(rpm) 일 때의 토출량 (㎥/min), 양정(m), 축동력(PS, KW)
- Q2, H2, L2 : 회전수
N2(rpm) 일 때의 토출량 (㎥/min), 양정(m), 축동력(PS, KW)
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2-2-3. 농형 유도전동기의 1차 주파수 제어방식
범용 인버터의 경우 PWM 제어방식을 적용하며, 최근에는 고 캐리어 주파수
PWM 제어방식 채용.
- V/F제어
수백 KW 정도의 부하까지 전력용 트랜지스터를 이용하여 1차
전원의 주파수를 변화시켜 가변속한다.
- 슬립 주파수
제어
회전속도를 검출하여 속도피드백을 행하며 인버터 주파수를
토크지령에 대응하는 슬립주파수가 되도록 제어
- Vctor
제어
전동기 공극자속이나 단자전압 및 1차 전류에 있어서 자속발생성분
전류와 이에 직교하는 토크 발생성분 전류로 1차전류를 분해하고 양전류
성분의 제어를 독립적으로 행하는 방식.
2-3. VVCF 방식
VVCF는 가변전압 일정주파수(Variable
Voltage Constant Freguency) 방식으로 싸이리스터로 구성되어 제어회로에서
주어지는 신호에 따라 주기적으로 ON/OFF하여 전동기에 인가되는 전압을 조절하는
기능을 한다. 즉 전원전압의 일부를 잘라냄으로 써 전동기 인가전압의 실효치를
줄여주게 된다.[점호각(전원전압이 영점을 지나는 위치를 기준으로 하여 전류가
흐르기 시작하는 위치를 말한다)각을 제어함으로써, 즉 싸이리스터를 ON 시켜
주는 시점을 제어함으로써 전동기에 인가되는 전압을 주게 된다.]
보통 일반 유도전동기의 효율은 전부하
상태의 공칭효율을 말한다. 그러나, 부하가 감소하게 되면 효율은 낮아지게 된다.
일반적으로 유도전동기의 최대 효율은 약 80%∼90% 의 부하에서 최대의 효율을
갖도록 설계된다. 즉, 경부하상태에서는 동손이 줄어들고, 철손은 일정하므로
효율이 극히 나빠지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 VVCF는 경부하시
전압을 감소시켜 철손을 줄이고, 동손을 일치시킴으로써 효율을 극대화시키고
전압을 낮춤으로써 입력전력도 감소하는 효과를 가지게 된다.
2-3-1. VVCF 설치효과
- 전동기와 기계의 종류 및 부하율에
따라 5∼30[%]의 절전효과를 나타내게 된다.
- 3상 전동기의 각 상전류를 동일하게
조정하여 전동기의 진동 및 소음을 방지함은 물론 전동기의 발열을 감소시킴으로써
전동기의 수명 연장이 가능하다.
- 전동기의 작업공정에 필요한 전력만
사용하므로 선로계통의 전압강하를 방지하게 된다.
- 부하변동에 따라 각각 최고의 역률로
운전하므로 전동기의 진상콘덴서 설치 비용을 절감할 수 있다.
- 부수적인 효과로 전동기의 온도를
낮추므로 여름철 냉방부하시 실내온도의 상승을 방지할 수 있다.
2-4. 권선형 유도전동기 속도제어
2-4-1. 클레마 방식 속도제어
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- 회전변류기를 사용하는 속도제어방식으로
직류기의 여자전류 if의 제어에 의해 행해진다.
- 특징
속도를 낮추면 주기인 IM에서
직접부하로 전달되는 동력은 감소되나 직류전동기에서 발생되는
동력이 가해지므로 출력은 변하지 않는다 따라서 정격출력 특성으로
된다.
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구분 |
직류 레오나드 |
VVVF |
VS |
성능 |
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- 가장 최근에 개발하여 실용화된 제품
- 효율이 높다.
- 제어성이 뛰어나다
- 직류영역까지 확대 예상.
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- 효율이 낮다.
- 소용량에서만 사용
- 표준기종으로 생산
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에너지 절감효과 |
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- 고효율 운전으로 제곱 저감토크 부하에
특히 절감효과가 높다.
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보수유지 |
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- 교류 범용모터를 그대로 사용 가능하므로
가장 유리하다.
- 인버터의 무보수화가 이루어 지고 있다.
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가격 |
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기타 |
- 적용시 경제성 대비 효과를 종합하여
도입검토
- 장래 소형화 고급화의 주력제품 예상
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- 향후 교류전동기 속도제어의 주류를
이룰 것으로 예상.
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- 제곱저감토크
부하에 적용시 초기 투자분을 3~4년 이내에 상쇄할 수 있다.
- 가격이 저렴해지고 경제성은 더욱 높아가고 있다.
- 범용모터를 그대로 사용할 수 있다.
- 특수
환경에서의 적용이 용이하다.
- 유지보수가 용이하다.
- 소형, 경량이다.
- 구입하기가 쉽다.
- 효율이 높다
- 전기요금 절감효과가 크다.
- 자동화에 적합하다.
- 원격조작, 복수전동기의
병렬운전, 비례제어, 동기제어 등이 용이하다.
- 50㎐/60㎐에서 기어비를
바꿀 필요가 없다.
- 고속운전이 가능하다
- 제어주파수를 상용주파수
이상으로 할 수 있어 동기속도 이상의 고속운전이 가능하다.
- 장래성이 있다.
- 전력,전자기술의 혁신에 의해
가격, 성능, 크기 등 모든 면에서 개선의 여지가 있다.
1. 전원의 고주파 영향
1-1. 신설의 경우 : 고조파대책 검토
1-2. 기존시설의 개,보수시
- 필터설치여부 검토.
- 간선과 차단기 등의 분리 검토.
- 각종기기의 온도상승 및 과열 검토.
2. 원심응력에 따른 피로 증가 및 사이리스터 전원
사용으로 인한 맥동의 영향(기계의 비틀림)문제
잦은 속도변경으로 회전축의 기계진동이 커질 수 있고
파손의 우려가 있다. 따라서 회전주파수와 맥동토크의 공진을 방지하도록 공진
차 수를 올리고, 공진점에서 분리하고 토크를 줄인다.
3. 냉각효과저하로 인한 온도상승 문제
저속운전으로 인한 냉각효과가 반감되므로 기계실 내부의
온도상승에 대한 대책 강구.
바. 기타
1. VVVF 장치에는 역율 개선용 콘덴서를 설치하지 않는다
- VVVF 전단에 콘덴서 설치시 : 역율저하를 초래한다.
- VVVF 후단에 콘덴서 설치시 : 공진현상으로 콘덴서폭발
2. VVVF 장치의 역율개선이 필요시
신기술
