목차(VVVF속도제어방식)
VVVF속도제어방식
❓VVVF속도제어방식
- VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)는 가변 전압 가변 주파수의 약자로, 유도전동기의 전원 전압과 주파수를 동시에 변화시켜 모터의 속도를 제어하는 방식
- 이를 통해 유도전동기를 정속도 운전뿐만 아니라 가변속 운전이 가능하게 하여 다양한 산업 분야에서 활용되있음
1️⃣PWM 인버터의 개념
PWM(Pulse Width Modulation) 인버터는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 장치
이때 변환된 교류 전압의 크기와 주파수를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 VVVF 제어에 필수적인 장치입니다. PWM 인버터는 다음과 같은 과정을 통해 VVVF 제어를 수행
- 직류 전원 입력: 상용 전원 또는 배터리 등의 직류 전원을 입력받습니다.
- 인버터 내부에서 DC-AC 변환: 입력된 직류 전원을 스위칭 소자를 이용하여 교류 전원으로 변환합니다.
- PWM 파형 생성: 출력 전압의 크기와 주파수를 조절하기 위해 PWM 파형을 생성합니다. PWM 파형은 펄스의 폭을 조절하여 평균 전압을 변화시키는 방식입니다.
- 유도전동기 구동: 생성된 가변 주파수 교류 전압을 유도전동기에 인가하여 모터의 회전 속도를 제어합니다.
3️⃣인버터 방식의 분류
회로구성에 따른 분류
인버터 스위치 소자에 따른 분류
제어방식에 따른 분류
4️⃣인버터 사용 시 에너지 절감
- V/F패턴 : 고효율 인버터의 V/F패턴은 2승저감패턴으로 인버터의 속도를 낮추게 되면 전력이 2승 저감 형태로 감소하게 된다.
- 에너지 절감원리 인버터 사용 시 에너지 절감 원리
- 상용전원으로 운전하는 팬, 펌프, 블로어는 부하에 따라 댐퍼나 밸브로 유량을 조정하여도 댐퍼나 밸브로 인한 손실 때문에 전력은 크게 감소하지 않으나, 전동기 회전수를 제어하면, 전력은 회전수의 3승에 비례해서 감소한다
- 전력과 회전수의 관계는
- 즉 인버터로 전동기 속도 제어 시에는 전력이 전동기 속도의 3승에 비례하여 절감된다
펌프의 상사법칙
원심펌프에서 임펠러의 크기를 D, 회전속도를 N, 양정을 H, 이송유량을 Q 동력을 P 라고 하면 다음과 같은 상사법칙이 성립된다
(1) D가 일정하고 회전수만 변할 때
① 유량 : 유량(Q)은 회전수 변화에 비례한다.
Q₂ = Q₁(N₂/N₁)¹
② 양정 : 양정(H)은 회전수 변화에 제곱에 비례한다.
H₂ = H₁(N₂/N₁)²
③ 동력 : 동력(P)은 회전수 변화의 세제곱에 비례한다.
P₂ = P₁(N₂/N₁)₃
D 및 M이 변할 때
① 유량변화 : Q₂ = Q₁(D₂/D₁)₃(N₂/N₁)¹
② 양정변화 : H₂ = H₁(D²/D₁)²(N₂/N₁)²
② 동력변화 : P₂ = P₁(D₂/D₁)^5 (N₂/N₁)^3
5️⃣인버터 적용 시 특징
1)장점
- 높은 토크: 저속에서도 높은 토크를 발생시켜 무거운 하중을 구동할 수 있습니다.
- 정확한 속도 제어: 넓은 속도 범위에서 정밀한 속도 제어가 가능합니다.
- 높은 효율: 전파정류회로가 있어 위상지연이 없어 진상 콘덴서 설치가 불필요하며 효율은 95[%]이상이다
- 기동 시 충격환화: 상용전원 기동 시 모터 정격의 5~6배 정도의 기동전류 스트레스가 없다
- 에너지절감:전기에너지를 30~70[%]까지 절약이 가능하다
- 제동의 용이
기계적 정지 장치인 브레이크 없이 전기적으로 모터 정지가 가능하다 - 품질 생산성 향상
제로라인등에서 부하에 따른 최적의 속도 제어를 구현하여 증/감소 운전으로 품질및 생산성에 기여한다 - 환경의 쾌적성
공조기 등은 속도제어에 의해 온도조절을 하여 쾌적한 환경을 제공한다 - 순시정전보상
순시정전보상기능으로 정지 없는 모터 운전이 가능하다
2)단점
- 비용이 고가
초기설치비용이 많이 소요되어 투자비가 높다 - 고조파 발생
기본파 이외의 고조파 발생으로 전원 측, 부하측으로 유입되어 손실, 열화, 오차 발생으로 문제점 노출
6️⃣VVVF 제어의 응용 분야
- 산업 자동화: 컨베이어 시스템, 로봇, 공작기계 등
- 승강기: 엘리베이터, 에스컬레이터
- 펌프: 급수 펌프, 냉각수 펌프
- 팬: 환풍기, 송풍기
- 가전제품: 세탁기, 냉장고 등
7️⃣VVCF
- VVCF (Variable Voltage Constant Frequency)
- 원리: 싸이리스터를 이용하여 전압만을 가변시키고 주파수는 일정하게 유지하는 방식입니다. 주로 저속에서의 토크 증대를 위해 사용됩니다.
- 특징:
- 저속에서 높은 토크: 저속에서 높은 토크를 발생시킬 수 있어 중량물을 들어 올리거나 느린 속도로 작업하는 경우에 유용합니다.
- 단순한 구조: VVVF에 비해 구조가 간단하고 비용이 저렴합니다.
- 단점:
- 속도 제어 범위가 좁음: 주파수가 일정하기 때문에 속도 제어 범위가 좁습니다.
- 효율이 낮음: VVVF에 비해 효율이 낮습니다.
- 적용 분야:
- 크레인: 무거운 하중을 낮은 속도로 정밀하게 제어해야 하는 크레인에 적용됩니다.
- 압연기: 두꺼운 철판을 압연하는 과정에서 저속에서 높은 토크가 필요한 경우에 사용됩니다.
8️⃣VVVF와 VVCF 비교
| 항목 | VVVF | VVCF |
|---|---|---|
| 전압 | 가변 | 가변 |
| 주파수 | 가변 | 일정 |
| 토크 | 저속에서 높음 | 저속에서 매우 높음 |
| 속도 제어 범위 | 넓음 | 좁음 |
| 효율 | 높음 | 낮음 |
| 복잡도 | 높음 | 낮음 |
| 비용 | 비쌈 | 저렴함 |
| 적용 분야 | 산업 전반, 승강기, 로봇 등 | 크레인, 압연기 등 |
목차(VVVF속도제어방식)
VVVF속도제어방식
💯기출문제
○V01냉각수 펌프의 전동기의 회전수를 이용하여 속도조절시 전동기의 회전수와 출력, 펌프유량, 압력(수압)과의 관계를 설명하시오
●03.2승저감 토크부하를 가지는 유도전동기의 운전을 VVVF방식으로 50%감속운전하는 경우의 에너지 절약효과에 대하여 설명하시오
●04유도전동기를 인버터로 가변속 운전하는 VVVF보호에 대하여 설명하시오
VVVF 보호의 필요성
- 전동기 보호: 과부하, 과전류, 과열, 지락 등으로 인한 전동기 손상 방지
- 인버터 보호: 과전류, 과부하, 과열, 단락 등으로 인한 인버터 손상 방지
- 시스템 보호: 전력 계통의 안정성 확보 및 시스템 전체의 고장 방지
VVVF 보호 기능
- 과전류 보호:
- 전동기에 흐르는 전류가 설정값을 초과하면 인버터 출력을 차단하여 전동기를 보호합니다.
- 단락 보호: 단락 발생 시 빠르게 인버터를 차단하여 시스템 손상을 방지합니다.
- 과부하 보호:
- 전동기가 장시간 과부하 상태로 운전될 경우 과열되어 손상될 수 있으므로, 설정된 부하 용량을 초과하면 인버터 출력을 감소시키거나 차단합니다.
- 과열 보호:
- 전동기 또는 인버터의 온도가 설정 온도를 초과하면 냉각 팬을 작동시키거나 인버터 출력을 감소시켜 과열을 방지합니다.
- 저전압 보호:
- 전원 전압이 설정 값 이하로 떨어지면 인버터를 정지시켜 전동기를 보호합니다.
- 지락 보호:
- 전동기 또는 인버터에서 지락이 발생하면 인버터를 차단하여 감전 및 화재를 방지합니다.
- 모터 결상 보호:
- 전동기로 공급되는 3상 전원 중 한 상이 끊어지면 모터가 손상될 수 있으므로 이를 감지하여 인버터를 차단합니다.
- 과속 보호:
- 전동기가 설정된 최대 속도를 초과하여 회전할 경우 인버터를 차단하여 전동기를 보호합니다.
VVVF 보호 회로 구성
- 전류 변성기: 전동기에 흐르는 전류를 측정하여 과전류, 단락 등을 감지합니다.
- 온도 센서: 전동기 및 인버터의 온도를 측정하여 과열을 감지합니다.
- 지락 감지 릴레이: 지락 발생 시 이를 감지하여 보호 동작을 수행합니다.
- 논리 회로: 다양한 보호 기능을 수행하기 위한 논리적인 판단을 수행합니다.
- 인버터 제어 회로: 보호 회로의 신호에 따라 인버터의 출력을 제어합니다.
●06유도전동기의 속도제어시스템에 사용되는다음 세가지 요소에 대하여 설명하시오
전압형과 전류형의 인버터 특성
폐루프 VVVF속도제어시스템의구성도
제어원리 및 효과
1. 전압형과 전류형 인버터 특성
유도전동기의 속도를 제어하기 위해 사용되는 인버터는 크게 전압형 인버터와 전류형 인버터로 나눌 수 있습니다.
1.1 전압형 인버터
- 특징: 출력 전압의 크기와 주파수를 변화시켜 유도전동기의 속도를 제어합니다. 간단한 구조와 저렴한 비용이 장점입니다.
- 장점: 구조가 간단하고 제어가 비교적 쉽습니다.
- 단점: 부하 변동에 따른 모터의 토크 변화가 크고, 저속에서 토크가 떨어지는 경향이 있습니다. 고주파 성분이 많아 노이즈 발생 가능성이 높습니다.
1.2 전류형 인버터 (벡터 제어)
- 특징: 유도전동기의 자속과 토크를 독립적으로 제어하여 정밀한 속도 제어가 가능합니다.
- 장점: 넓은 속도 범위에서 높은 토크를 유지할 수 있으며, 동적 응답성이 우수합니다. 고정밀 속도 제어가 가능합니다.
- 단점: 구조가 복잡하고 제어 알고리즘이 복잡하여 구현 비용이 높습니다.
2. 폐루프 VVVF 속도제어시스템 구성도
폐루프 VVVF 속도제어 시스템은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소로 이루어집니다.
- 인버터: 전압형 또는 전류형 인버터를 사용하여 모터에 전원을 공급합니다.
- 모터: 유도전동기
- 엔코더 또는 타코 제너레이터: 모터의 회전 속도를 측정합니다.
- 속도 제어기: 설정된 속도와 실제 속도의 차이를 계산하여 인버터의 출력을 조절합니다.
- 전류 제어기: 모터 전류를 제어하여 토크를 제어합니다.
[이미지: 폐루프 VVVF 속도제어 시스템 구성도]
3. 제어 원리 및 효과
폐루프 VVVF 속도제어 시스템은 다음과 같은 원리로 작동합니다.
- 속도 설정: 사용자가 원하는 속도를 설정합니다.
- 속도 비교: 설정된 속도와 실제 속도를 비교하여 오차를 계산합니다.
- 제어 신호 생성: 속도 오차를 기반으로 속도 제어기에서 제어 신호를 생성합니다.
- 인버터 출력 조절: 생성된 제어 신호를 이용하여 인버터의 출력 전압과 주파수를 조절합니다.
- 모터 속도 변화: 인버터 출력 변화에 따라 모터의 속도가 변화합니다.
- 반복: 위 과정을 반복하여 설정된 속도를 유지합니다.
효과
- 정확한 속도 제어: 외부 간섭에도 불구하고 설정된 속도를 정확하게 유지할 수 있습니다.
- 빠른 응답성: 속도 변화에 빠르게 대응할 수 있습니다.
- 높은 토크: 넓은 속도 범위에서 높은 토크를 유지할 수 있습니다.
- 에너지 효율 향상: 불필요한 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.
○08동력설비로 사용되는 유도전동기의 속도제어를 위한 인버터 구성과 원리에 대하여 간략히 설명하시오
유도전동기 속도 제어의 필요성
유도전동기는 산업 현장에서 널리 사용되는 전동기이지만, 고정된 속도로만 운전된다는 한계가 있습니다. 이러한 한계를 극복하고 다양한 속도로 운전하기 위해 인버터를 이용한 속도 제어 방식이 사용됩니다.
인버터를 이용한 유도전동기 속도 제어
인버터는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 장치로, 출력되는 교류 전압의 크기와 주파수를 자유롭게 조절할 수 있습니다. 이러한 특성을 이용하여 유도전동기의 속도를 제어하는 것이 가능합니다.
1. 인버터 구성
- 직류 전원: 상용 교류 전원을 정류하여 얻은 직류 전원
- 인버터 회로: 스위칭 소자(IGBT 등)를 이용하여 직류를 교류로 변환하는 회로
- 제어 회로: 인버터의 스위칭 패턴을 생성하여 출력 전압과 주파수를 조절하는 회로
- 유도전동기: 인버터의 출력을 연결하여 구동되는 전동기
2. 동작 원리
- 주파수 변환: 인버터는 입력받은 직류 전원을 특정 주파수의 교류 전압으로 변환합니다. 유도전동기의 회전 속도는 공급되는 전원의 주파수에 비례하므로, 주파수를 변화시켜 속도를 제어합니다.
- 전압 변환: 유도전동기의 토크는 전압의 제곱에 비례하므로, 주파수를 변화시킬 때 함께 전압을 조절하여 일정한 토크를 유지합니다. 이를 V/f 제어라고 합니다.
- 벡터 제어: 더욱 정밀한 속도 제어를 위해 유도전동기의 자속과 토크를 독립적으로 제어하는 벡터 제어 방식이 사용되기도 합니다.
3. V/f 제어의 장점과 단점
- 장점:
- 구현이 간단하고 비용이 저렴합니다.
- 넓은 속도 범위에서 제어가 가능합니다.
- 단점:
- 저속 영역에서 토크가 떨어지는 경향이 있습니다.
- 고주파 성분이 많아 노이즈 발생 가능성이 높습니다.
4. 벡터 제어의 장점과 단점
- 장점:
- 저속 영역에서도 높은 토크를 유지할 수 있습니다.
- 동적 응답성이 우수하여 빠른 속도 변화에 대응할 수 있습니다.
- 단점:
- 구현이 복잡하고 비용이 높습니다.
- 정밀한 센서가 필요합니다.
●V15전력용 인버터 선정 시 주의사항 및 보호방법에 대하여 설명하시오
전력용 인버터는 태양광, 풍력 등의 재생에너지 발전 시스템에서 필수적인 장치입니다. DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 가정이나 산업 현장에 사용할 수 있도록 해주는 역할을 합니다. 따라서 인버터를 선정할 때에는 다양한 요소를 고려하여 신중하게 결정해야 합니다.
전력용 인버터 선정 시 주의사항
- 용량:
- 발전 시스템에서 생산되는 최대 전력량과 부하 용량을 고려하여 적절한 용량의 인버터를 선택해야 합니다. 너무 작은 용량의 인버터는 발전량을 제한하고, 너무 큰 용량의 인버터는 비용이 과다하게 발생할 수 있습니다.
- 효율:
- 인버터의 효율은 발전 시스템 전체의 효율에 큰 영향을 미칩니다. 고효율 인버터를 선택하면 전력 손실을 줄이고 발전량을 극대화할 수 있습니다.
- 입력 전압 범위:
- 사용하는 태양광 모듈이나 배터리의 출력 전압 범위와 인버터의 입력 전압 범위가 일치해야 합니다.
- 출력 주파수:
- 인버터의 출력 주파수는 사용하는 전력망의 주파수와 동일해야 합니다.
- 보호 기능:
- 과전류, 과부하, 과열, 접지 불량 등 다양한 이상 상황에 대한 보호 기능이 있는지 확인해야 합니다.
- 환경 조건:
- 설치 환경의 온도, 습도, 먼지 등을 고려하여 적절한 등급의 인버터를 선택해야 합니다.
- 인증:
- 안전 인증(KC, UL 등)을 받은 제품인지 확인해야 합니다.
- 제조사:
- 인버터 제조사의 기술력, A/S, 부품 수급 가능성 등을 고려해야 합니다.
전력용 인버터 보호 방법
- 과전류 보호:
- 인버터 내부에 과전류 보호 회로를 내장하여 과전류 발생 시 자동으로 출력을 차단합니다.
- 과부하 보호:
- 인버터의 정격 용량을 초과하는 부하가 연결될 경우 출력을 차단합니다.
- 과열 보호:
- 인버터 내부 온도가 설정 온도를 초과하면 출력을 차단하고 냉각 팬을 작동시켜 온도를 낮춥니다.
- 접지 보호:
- 접지 불량으로 인한 감전이나 화재를 방지하기 위해 접지 시스템을 구축합니다.
- 낙뢰 보호:
- 낙뢰로 인한 피해를 방지하기 위해 낙뢰 보호 장치를 설치합니다.
- 정기적인 점검:
- 인버터를 정기적으로 점검하여 이상 유무를 확인하고, 필요한 경우 수리를 실시합니다.
추가적인 고려 사항
- 통신 기능:
- 인버터의 상태를 원격으로 모니터링하고 제어하기 위한 통신 기능을 지원하는지 확인합니다.
- 확장성:
- 시스템 확장을 위해 추가적인 인버터를 연결할 수 있는 기능을 지원하는지 확인합니다.
- A/S:
- 제조사의 A/S 정책을 확인하고, 빠르고 신속한 서비스를 받을 수 있는지 확인합니다.
○V16유도전동기 벡터 인버터 제어의 원리와 구성에 대하여 설명하시오
유도전동기 벡터 인버터 제어란 무엇인가?
유도전동기 벡터 인버터 제어는 유도전동기의 속도와 토크를 정밀하게 제어하기 위한 기술입니다. 일반적인 V/F 제어 방식보다 훨씬 뛰어난 성능을 제공하여 산업 현장에서 널리 사용되고 있습니다.
벡터 제어란 유도전동기에 인가되는 전류를 토크 성분과 자속 성분으로 분리하여 각각 독립적으로 제어하는 방식입니다. 이를 통해 속도 응답성, 토크 정밀도, 넓은 속도 범위에서의 고성능을 구현할 수 있습니다.
인버터는 교류 전원을 직류로 변환한 후, 다시 원하는 주파수와 진폭의 교류 전압으로 변환하여 유도전동기에 공급하는 장치입니다. 벡터 제어에서는 인버터를 통해 유도전동기에 정밀하게 제어된 전류를 공급합니다.
벡터 인버터 제어의 원리
- 전류 분해: 유도전동기에 흐르는 전류를 토크 성분(iq)과 자속 성분(id)으로 분해합니다.
- 토크 제어: 토크 성분(iq)을 조절하여 모터의 토크를 제어합니다. 토크 성분이 증가하면 모터의 회전력이 증가하고, 감소하면 회전력이 감소합니다.
- 자속 제어: 자속 성분(id)을 조절하여 모터의 자속을 일정하게 유지합니다. 자속이 일정하게 유지되어야 모터의 효율이 높아지고, 안정적인 운전이 가능합니다.
- PI 제어기: 토크 성분과 자속 성분의 오차를 줄이기 위해 PI 제어기를 사용하여 인버터의 출력 전압을 조절합니다.
벡터 인버터의 구성
- 전력부:
- 정류기: 상용 교류 전원을 직류로 변환합니다.
- 인버터: 직류를 가변 주파수, 가변 진폭의 교류로 변환하여 모터에 공급합니다.
- 제어부:
- 마이크로컨트롤러: 전체 시스템을 제어하고, 각종 알고리즘을 수행합니다.
- 센서: 모터의 속도, 위치 등을 측정하여 제어에 사용합니다.
- PI 제어기: 토크 성분과 자속 성분의 오차를 줄이기 위한 제어 알고리즘을 수행합니다.
벡터 인버터 제어의 장점
- 높은 속도 응답성: 빠른 속도 변화에 대한 응답이 우수합니다.
- 넓은 속도 범위 제어: 저속부터 고속까지 넓은 속도 범위에서 정밀한 제어가 가능합니다.
- 높은 토크 정밀도: 정밀한 토크 제어가 가능하여 다양한 부하 조건에서 안정적인 운전이 가능합니다.
- 높은 효율: 자속을 일정하게 유지하여 모터의 효율을 높일 수 있습니다.
벡터 인버터 제어의 종류
- 직접 벡터 제어: 모터의 자속을 직접 측정하여 제어하는 방식으로, 정밀도가 높지만 센서가 필요합니다.
- 간접 벡터 제어: 슬립 주파수를 이용하여 자속을 추정하여 제어하는 방식으로, 센서가 필요 없지만 정밀도가 직접 벡터 제어보다는 약간 떨어집니다.
- 센서리스 벡터 제어: 센서 없이 모터의 상태를 추정하여 제어하는 방식으로, 비용이 저렴하지만 정밀도가 낮을 수 있습니다.
●19VVVF와 VVCF의 원리 특징 적용되는 분아에 대하여 설명하시오
목차(VVVF속도제어방식)
VVVF속도제어방식
🌐V1020Z24
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