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유도전동기의 속도제어⁕(X)
유도전동기의 속도제어
유도전동기 속도제어 관련식
1)농형 유도전동기
2)권선형 유도전동기
- R(외부 2차 저항)을 증가시키면 s'(슬립)가 증가하고,
τ(토크)를 증가시켜 기동한다. - R(외부 2차 저항)을 감소시키면 s'(슬립)가 감소하고,
점차 토크가 감소하게 되어 N(속도)을 증가시켜 정격속도에 도달할 수 있다
농형 유도전동기 속도제어 방식
1)1차 전압제어
- 원리
- 슬립이 일정한 경우 τ∝V²가 된다
- V₁에서 V₂로 전압을 낮추면, N₁에서 N₂로 속도가 감소한다
- 특징
- 1차 전압조정은 변속도 특성이다
- 소용량으로 가감속도 전동기에 사용
- 감속할수록 회전자 저항손이 커져서 효율이 나쁘다.
2) 속도-토크 곡선
3) 제어 정류기(Thyristor, SCR)의 점호각 제어, 가변리액터, 슬라이닥스 등을 이용한 전압제어
4) 제어범위가 좁으며, 효율이 좋지 않아 소형전동기에 적용
2)극수 변환법
- 원리
- N∝1/P 므로 고정자 권선의 극수를 바꿔 결선하여 속도를 제어하는 방식
- 특징
- 제어가 간단하다
- 단속적인 제어
3)1차 주파수 제어
- N∝f이므로 주파수를 증가시켜 회전수를 제어할 수있는 방식으로 주파수를 변환시킬때는 전압도 비례하여 변화시켜야 한다
4)전자 커플링
- 원리 : 전동기와 부하 사이에 커플링을 두어 속도를 제어하는 방식
- 특징 : 감속 시 손실로 발생 효율이 나쁘다
5)종속법
- 극수가 다른 전동기를 전기적, 기계적으로 접속시켜 전체 극수 변환
권선형 유도전동기 속도제어
1)2차 저항제어
- 원리
- 2차회로에 가변저항을 삽입하여 저항 변화에 의해 속도-토크 특성의 비례추이 이용
- 비례투이는 2차 저항r₂를 m배하여 동일 토크를 발생시키는 슬립은 ms가 되어 속도는 감소
- 특징
저항에서의 손실로 효율이 낮음
2) 속도-토크 곡선
3) 제어 방법이 매우 간편하지만, 저속운전시 효율(1-s)이 나빠지며, 2차 저항에 의한 손실이 존재하는 단점이 있다.
2)2차여자법
- 원리
회전자 권선에 유기되는 2차기전력 SE와 같은 슬립주파수의 전압 Ec를 인가 - 2차 전류에서I₂=(SE±Ec)/r₂에서 SE±Ec에 의한 속도제어
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.
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.
인버터 속도제어
전압/주파수 제어(VVVF)
1)원리
- 상용 교류 전원을 직류로 변환 후 다시 임의의 주파수와 전압의 교류로 변환하여 유도전동기의 속도를 제어하는 방식
2)특징
- 장점
- 광범위한 속도제어가 가능하다
- 정밀제어가 가능하다
- 조작이 간단하다
- 단점
- 고조파 장해 대책이 필요하다
- 전류가 증가하여 온도가 상승한다
[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.
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
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
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.
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.
유도전동기 보호방식
1)전동기 손상원인, 보호항목
- 전동기 손상원인
- 과열에 의한 손상방지 : OCR, 온도 검출기
- 습기에 의한 절연 불량 : 누전보호(누전차단디)
- 윤활 불량, 진동 : 정기점검, 초대형기 보호에 적용
- 보호항목
- 과부하 보호
- 단락보호
- 결상
- 과전압, 부족 전압
- 반상 및 불평형 보호
2)유도전동기 보호방식
- 과부하 구속부하
- 유도전동기는 과부하 구속에서 온도가 상승하는데, 정격전류에서 구속까지 전류를 흘렸을 때 허용온도에 이르기까지 시간을 열특성이라 한다
- 허용시간은 범용 E종 전동기 : 15~20[sec]이고 수중 펌프용은 5[sec]이다
- 단락보호
- 전동기 권선의 단락 및 배전회로의 단락사고 때, 정격수입 배의 전류가 흐른다
- 회로의 전선, 제어기기 및 전원을 보호함과 동시에 계통의 파급방지를 위해 회로를 차단
- 보호기기는 배선용차단기, 퓨즈
- 결상보호
- 결상인 채 시동하면 시동 토크가 없이 단상 구속되고 4~7배 전류가 흘러 전동기가 소손되므로 회로를 차단한다
- 결상원인
- 1상 퓨즈용단
- 배전계통 접촉불량(단자풀림)
- 1선 단선
- 보호기기는 2E, 3E계전기
- 과전압, 부족전압 보호
- 과전압보다 부족전압이 문제가 되면, 온도상승의 원인이 되므로 정격상태에서의 운전이 바람직하다
- 전압변동
- 단시간 전압변동 : ±10%이내
- 전자접촉기 : -15%, +10% 범위 내 동작
- 보호기기는 전압계전기
- 반상 및 불평형 보호
- 반상보호 : 전동기 역전에 의한 기계의 고장을 반지
- 불평형 보호
- 배전계통이 V결선 시 단상부하를 사용하면 전압 불평형이 있을 경우 불평형이 심하다
- 전압 2~3% 불평형이 되면 전류 불평형은 20~30%가 된다. 따라서 권선이 과열, 정격출력으로 운전할 수 있다
- 보호기기는 2E,3E 계전기
- 누전보호
- 권선의 열화 등으로 감전방지 및 화재 방지가 주목적이다
- 보호기기는 누전계전기, 누전차단기, 정지형 보호계전기
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유도전동기의 기동방식(X)
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