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유도전동기

유도전동기의 속도제어

유도전동기에 일정전압, 주파수의 전원이 공급되면 유도전동기는 필연적으로 일정속도로 회전한다. 무부하 운전시는 거의 동기속도에 근접한다. 부하토크가 증가하게 되면 속도는 점차적으로 감소한다. 따라서 유도전동기는 일정속도 구동시스템에 적합하다. 그러나 많은 산업 응용분야에서 몇 단계에 걸쳐서 속도제어 또는 연속적으로 가변속 제어를 할 필요가 있다.

유도전동기의 속도제어는 아래의 식과 같이 극수제어, 주파수 제어, 슬립 제어 등으로 구현할 수 있다.

\[ n=(1-s)n_s=(1-s) \frac{ 120f}{P } \]

또한 토크가 전압의 제곱에 비례한 특성을 이용해서 전압제어, 권선형의 경우에는 비례추이를 이용한 속도제어가 가능하다.

극수 변환

1) 회전속도는 극수에 반비례한 특성

2) 2극 ↔ 4극, 4극 ↔ 8극, 6극 ↔ 12극 등과 같이 2:1비율로 변화

3) 불연속적인 극수변환 되며, 이 방식을 실행하기 위해서는 고정자 권선이 복잡해지고 제작비도 증가

전압/주파수 제어(VVVF)

전압/주파수 제어(VVVF)

[PWM 전압형 인버터]

3상 상용교류전원이 입력되면 정류기(Diode), 제어 정류기(SCR-Thyristor)에 의해서 직류전압으로 변환하고, 평활회로부에서 맥동(Ripple)을 제거한 다음, 인버터부에서 직류를 교류로 변환한다. 변환된 구형파에 따라서 PAM, PWM방식으로 나뉜다. 최근에는 IGBT 소자를 적용한 PWM방식이 가장 많이 사용되어, 인버터부에서 전압과 주파수를 동시에 가변할 수 있다.

제어부에서는 원하는 속도에 해당하는 주파수가 설정되면, “ V/f=일정” 값이 되도록 제어한다.

1) 전원의 주파수를 변화시켜 속도를 제어함
2) 전동기의 자속은 인가전압(V)에 대해서 권선저항과 누설리액턴스에 의한 전압강하를 무시하면 아래의 관계로 표현할 수 있으며, 주파수를 저하시키면 자속이 증대되어 큰 포화작용이 나타나기 때문에 전압도 동시에 저감시켜 일정한 자속이 유지되도록 하는 것이 주파수 제어에서는 가장 중요함. 이를 “일정 V/f 제어”라고 부른다.

\[ \Phi ∝ \frac{ E}{ f} \backsimeq \frac{ V} {f } \]

3) 자속이 일정하면 발생토크도 일정하게 되며, PWM 인버터에 의한 연속적인 주파수 변경이 가능하므로 연속적이고 광범위한 속도제어가 가능하고, 각각의 동기속도 부근에서 운전하게 되므로 슬립이 낮고, 효율이 높다.

4) 기본주파수를 초과해서 주파수를 증대시키면 인가전압(V)를 증대시킬 수 없으므로 자속이 감소되어 토크가 저하되는 특성이 나타난다.

5) 속도-토크 곡선

VVVF 속도-토크 곡선

6) 특징 요약

(1) 광범위한 속도제어에 적합
(2) 부하변동에 따른 속도변동율이 작음
(3) 회생제동을하며 속도를 유지할 수 있는 이상적인 방법임
(4) 전원의 주파수 가변범위에 따라 광범위한 속도제어가 가능할 뿐아니라 상용주파수의전원으로 불가능한 고속 또는 저속운전을 쉽게 실현할 수 있음
(5) 과거에는 가변주파수설비가 비싼관계로 특수용도 이외에는 사용되지 않았으나 최근에는 인버터의 가격저하로 광범위하게 이용됨

전압제어

1) 유도전동기의 발생토크가 전압의 제곱(T ∝V²)에 비례한다는 원리로 제어

2) 속도-토크 곡선

전압제어 속도-토크 곡선

3) 제어 정류기(Thyristor, SCR)의 점호각 제어, 가변리액터, 슬라이닥스 등을 이용한 전압제어

4) 제어범위가 좁으며, 효율이 좋지 않아 소형전동기에 적용

2차 저항제어(비례추이)

1) 권선형 유도전동기에서 비례추이의 원리를 이용하여 회전자 권선의 외부 가변저항의 크기를 변화시켜 속도를 제어하는 방식

2) 속도-토크 곡선

2차 저항제어(비례추이)

3) 제어 방법이 매우 간편하지만, 저속운전시 효율(1-s)이 나빠지며, 2차 저항에 의한 손실이 존재하는 단점이 있다.

2차 여자제어

2차 여자제어

1) 권선형 유도전동기의 2차회로(회전자)에 외부저항 대신에 외부전압(V)를 인가하여 속도를 제어하는 방식이다.

2) 외부전원의 전압(V)을 sE2와 크기 및 위상에 변화를 주어 속도 제어하는데, 예를 들어 sE2와 반대방향으로 인가하면 전류는 저감되어 토크를 일정하게 유지하기 위해 속도가 저하된다.

\[ I_2 = \frac{ sE_2 -V}{ R_2 + jsX_2} \]

3) 외부전원의 전압(V)을 sE2와 동일한 위상으로 인가하면 전류가 증가하여 토크가 증가되고 속도가 점점 증가하여 동기속도에 다다르며, 전압을 더 증가시키면 회전자가 동기속도보다 빠르게 회전되어 발전기 영역으로 넘어간다.

4) 전압인가 범위에 따른 광범위한 속도제어가 가능하다. 고효율 속도제어가 가능한 장점이 있다.

벡터 제어

유도전동기의 고정자 전류를 자속을 만드는 여자전류(d축)와 토크를 만드는 전류(q축)의 성분으로 분리해서 각각 제어하는 방식이다. 벡터제어는 속도가 아닌 토크를 직접 제어하는 방식으로 속도가 제어된다.

벡터 제어

이 방식에는 공극의 자속을 홀센서 등을 설치하여 직접 측정하여 전압과 전류를 제어하는 직접벡터제어 방식이 있고, 토크전류와 자속의 위치를 추정하는 간접벡터제어 방식이 있다.

고응답, 고정밀도, 광범위한 제어범위도 가장 넓어서 유도전동기의 속도제어방법으로 가장 좋은 특성을 가지고 있다. 그러나 구성 및 제어가 복잡한 단점으로 범용으로 이용되지는 못한다.

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