Rockwell Samsung Automation 인버터 소개 Updated :Jun.2003

Contents 1. 유도전동기의 속도제어 원리 2. 유도전동기의 변속 방법 및 특징 3. 인버터의 구성 4. 인버터의 제어 원리 5. 인버터의 종류 및 특성 6. 인버터의 기능 7. 기타

모터 속도제어 원리 유도전동기 유도전동기의 속도제어 원리 고정자 권선에 흐르는 전류에 의해 생기는 회전자계와 이것에 의해 회전자 권선에 유도되는 기전력에 의해 흐르는 유도전류 사이에 발생하는 전자력을 이용한 전동기 유도전동기의 속도제어 원리 120 f N = ---------- ( 1 – S ) P N : motor speed [rpm] f : Frequency P : Pole S : Slip

모터 변속 방법 유도전동기의 변속 방법 및 특징 변 수 변 속 방 법 장 점 단 점 주파수 인 버 터 고효율, 무단변속 변 수 변 속 방 법 장 점 단 점 주파수 인 버 터 고효율, 무단변속 비교적 고가 극 수 극수 절체 제어간단, 저렴 단계적 변속, 전용 모터로 장치복잡 슬 립 1차 전압제어 2차 저항제어 고속응답 모터가 열손실이 많다

Inverter 구성 인버터 정의 인버터의 구성 전기적으로는 직류를 교류로 변환하는 역변환 장치이며, 즉 상용전원으로 부터 공급된 전력을 입력받아 자체내에서 전압과 주파수를 가변시켜 전동기에 공급함으로써 전동기 속도를 용이하게 제어하는 일련의 장치 인버터의 구성 Converter AC -> DC Inverter DC -> AC

Inverter 제어원리 인버터 제어원리

Inverter 종류 인버터 분류 . 1. 주회로 방식에 의한 분류 . 1.  주회로 방식에 의한 분류 1). 전압형 인버터: 직류 전압원을 이용 - 주로 저압 standard 인버터에 적용 2). 전류형 인버터: 직류 전류원을 이용 - 주로 대용량, 고압 인버터에 적용  2. 사용 전압에 의한 분류 1). 저압 인버터: AC 600V 이하 2). 고압 인버터: AC 600V 이상 (6.6KV, 3.3KV 등)  3. 인버팅 방식에 의한 분류 1). PAM 제어: 현재는 거의 사용하지 않음 2). PWM 제어: 출력파형이 좋다. - 부등간격 PWM 과 등간격 PWM방식이 있다.  4. 사용 소자에 의한 분류 1). 트랜지스터 계열: 파워트랜지스터/ MOS FET / IGBT 2). 사이리스터 계열: SCR / GTO / IGCT / SGCT  5. 제어 방식에 의한 분류 - v/f 제어 / 슬립 주파수 제어 / 벡터제어 (공간벡터, Field Vector 방식 등)

Inverter- Type 1.전압형 인버터 . 교류전원을 사용할 경우에는 교류측 변환기 출력의 맥동을 줄이기 위하여 LC필터를 사용하는데 이를 인버터측에서 보면 저 임피던스 직류 전압원으로 볼수 있으므로 전압형 인버터라 한다. 제어방식이 PAM제어인 경우 컨버터부에서 전압이 제어되고, 인버터부에서 주파수가 제어되며, PWM제어인 경우 컨버터부에서 정류된 DC전압을 인버터부에서 전압과 주파수를 동시에 제어한다

Inverter- Type 1.전압형 인버터 ① 장점 ⓐ 모든 부하에서 정류( COMMUTATION )가 확실하다. ⓑ 속도제어 범위가 1 : 10 까지 확실하다. ⓒ 인버터 계통의 효율이 매우 높다. ⓓ 제어회로 및 이론이 비교적 간단하다. ⓔ 주로 소, 중용량에 사용한다. ② 단점 ⓐ 유도성 부하만을 사용할수 있다. ⓑ REGENERATION을 하려면 DUAL CONVERTER가 필요하다. ⓒ 스위칭 소자 및 출력 변압기의 이용률이 낮다. ⓓ 전동기가 과열되는 등 전동기의 수명이 짧아 진다. ⓔ dv/dt PROTECTION이 필요하다.

Inverter- Type 2.전류형 인버터 . 전류형 인버터는 DC LINK 양단에 평활용 콘덴서 대신에 리액터 L을 사용하는데, 인버터측에서 보면 고 임피턴스 직류 전류원으로 볼수 있으므로 전류형 인버터라 한다. - 전류 일정 제어

Inverter- Type 2.전류형 인버터 ① 장점 ⓐ 4상한 운전이 가능하다. ⓑ 전류회로가 간단하며, 고속 THYRISTOR가 필요없다. ⓒ 전류가 제한되므로 PULL-OUT 되지 않는다. ⓓ 과부하시에도 속도만 낮아지고 운전이 가능하다. ⓔ 넓은 범위에서 효과적인 토오크제어를 할수 있다. ⓕ 유도성 부하외에 용량성 부하에도 사용할수 있다. ⓖ 스위칭 소자 및 출력 변압기의 이용률이 높다. ⓗ 일정 전류특성으로 강력한 전압원을 가한것 처럼 기동 토오크가 크다. ② 단점 ⓐ FEEDBACK( CLOSED 제어방식 )이 필수적이므로 제어회로가 복잡하다. ⓑ 구형파 전류로 인해 저주파수에서 토오크 맥동이 발생한다. ⓒ 부하전류 인버터( LOAD COMMUTATED INVERTER )이므로 전압 SPIKE가 크며, 따라서 전동기 동작에 영향을 미칠수 있다. ⓓ 부하 전동기 설계시 누설 인덕턴스 문제와 회전자에서의 SKIN EFFECT를 고려 해야 한다

Inverter- Type Summary 전 압 형 전 류 형 비 고 1. 용 도 저압 표준 인버터 고압 또는 대용량 비 고 1. 용 도 저압 표준 인버터 고압 또는 대용량 2. Converter 부 Diode 정류기 SCR 정류기 채용 3. Inverter 부 (고압 경우) 트랜지스터 계열 (파워 트랜지스터,또는 IGBT) Thyristor 계열 (SCR, 또는 GTO,SGCT) 4. 회생제동 (Option으로 가능) Converter 부 구조상 기본적으로 가능 번한 급가감속에 영향을 끼침 5. 급 가감속 다소 곤란 빈번한 급가감속 가능 회생제동의 유무에 따름 6. dv/dt 특성 나쁘다 좋다 모터의 전기적 절연 레벨에 영향

Inverter- Type Summary 전 압 형 전 류 형 비 고 7. 단락보호 능력 없다 비 고 7. 단락보호 능력 없다 전류형이므로 기본적으로 단락 보호가능 8. 부하변동에 대한 응답성 다소 늦다 빠르다 9. 스위칭 주파수 저압IGBT 소자의 경우, 매우 빠르다. 고압인버터의 경우는 약 800Hz 정도 GTO 는 IGBT 보다 늦다. SGCT는 고압IGBT 와 동일 스위칭 주파수가 빠를수록 반사파가 발생하여 모터에 dv/dt 충격 인가 10. 케이블 거리 제한이 있다 전류형의 특성으로 거의 제한 없다 11. 소자의 수 많다 (Free-wheeling diode) 적다 신뢰성 및 유지 보수에 영향 12. 고압.대용량기 제작 용이성 소자의 제약으로 곤란 GTO 는 고압. 대용량 가능 (가장 많이 사용 되어 왔음)

Inverter 기능 인버터의 기능 (1) V/F 일정제어와 토오크 부스트 기능 (2) 과부하 제한 기능 (3) 실속방지 기능 (2) 과부하 제한 기능 (3) 실속방지 기능 (4) 순시정전 보호기능 (5) 지락 보호기능 (6) 결상 보호기능 (7) 주파수 상,하한 Limit 기능 (8) 부족전압 보호기능 (9) 순시 과전류 보호기능 (10) 과전압 보호기능 (11) 직류제동 기능

기타-에너지 절감원리 1 에너지 절감원리 일반적으로 인버터의 적용목적은 공정제어, 공장자동화를 비롯하여 에너지 절약에 있다. 예를 들어 가열로의 송풍기 경우 제품의 종류나 생산량에 따라서 인버터로 BLOWER의 속도를 조절함으로써 가열로 내의 온도를 최적의 상태로 조절함으로써 제품의 질적 향상을 꾀할 수 있을뿐만 아니라, 이 때 소요동력은 풍량감소의 3승에 비례하여 감소됨으로 커다란 에너지 효과도 거둘수 있다. FAN-PUMP는 계절과 시간 혹은 생산 환경에 따라 FAN은 DAMPER, PUMP는 VALVE를 조정해서 부하 변동에 대응하고 있다. 그러나, 이 방식에서는 유량및 풍량을 줄이기 위해 밸브와 DAMPER를 조절 하더라도 손실이 증가해서 MOTOR의 소요동력은 그만큼 감소하지 않아서 절전효과를 기대할 수 없다. 이러한 경우에 INV. 적용으로 MOTOR의 회전수 제어를 사용하면 소요동력은 회전수 3승에 비례해서 감소해 큰 에너지 절약을 실현할 수 있다. P ∝ ( N₂/ N₁ ) ^3

에너지 절감원리 2 FAN, PUMP의 특성 FAN-PUMP의 MOTOR 축동력 P는 유량(풍량)Q와 양정(압력)H사이에 다음과 같은 관계식이 있다. P ∝ Q·H (2) 그림 1과 같이 풍량을 Q1 - Q2로 제어할때 MOTOR의 회전수를 N1, N2라고 하면 회전수에 대한 Q, H, P의 관계는 하기와 같다. Q2 = Q₁× ( N₂/ N₁ ) (3) H2 = H₁× ( N₂/ N₁ ) ^2 (4) P2 = P₁× ( N₂/ N₁ ) ^3 (5) 또한, MOTOR 전동력 P와 토오크는 P = 1.027 × T × N 에서 T ∝ ( P / N ) 가 된다. (6) 상기식에 의해 FAN, PUMP의 MOTOR 축동력은 회전수 3승에 비례하고 토오크는 회전수의 2승에 비례.

에너지 절감원리 3 FAN,PUMP의 에너지 절감 효과 말단 압력이 일정한 PUMP의 속도제어를 예를 들면 1). 정속 MOTOR를 사용한 경우(조정 Valve에 의한 수량 제어) 관로저항 R은 수량의 2승에 거의 비례해서 변화한다. 한편 조정 Valve 를 조이면 관로저항은 증가하고 그림2에서 R1에서 R2로 변화해서 전양정곡선이 A점에서 B점으로 이동한다. 또한, 수량이 Q1에서 Q4로 감소하는 동시에 양정은 H1에서 H5로 상승하고 이것에 의해 축동력은 P1에서 P2로 변화된다, 전력변화분 △P = P1 - P2 = ( Q1×H1 ) - ( Q4×H5 ) 2). INV.로 MOTOR 속도제어(속도제어에 의한 수량제어) PUMP의 유량변화에 동반해서 관로말단에서의 압력이 항상 일정하게 되도록 PUMP의 회전수를 90%, 80%, 70% 로 한경우 그림2의 점선에서 보이는 특성이 된다. 유량이 Q2일때 회전수 90%, Q3일때 회전수 80%로 PUMP의 운전이 되며, 이것에 대해서도 양정도 H1, H2, H3, H4로 하강한다. 이때 축동력은 P1에서 P3으로 변화한다. 속도제어의 경우는 MOTOR를 사용해 조정 Valve에 의한 제어에 비교해서 Valve 저항에 의한 손실이 없기 때문에 (P2-P3)만큼 축동력이 작게되고 에너지 절감 효과를 가져오게 된다.

절감효과 에너지 절감 측정자료

인버터 모습 (공 냉 식) Integral cooling fan provides efficient heat transfer from power components. Common PowerCage modules on the rectifier and inverter reduce manufacturing time and allow easy access to main power components. Power devices can be replaced in less than 5 minutes. Operator interface terminal includes 16-line, 40-character LCD display with set-up wizard for easy start-ups, monitoring and troubleshooting. 6.5 kV SGCT power semiconductor with integrated gate drive reduces parts count and increases reliability. Common gate drive power supply module reduces parts count and lowers overall cost A compact enclosure saves on valuable floor space. Rear access not required Cable termination cabinet for easy access to line and load cable connection assemblies. Top or bottom entry and exit is available. (Base drive shown) Rugged DC link inductor limits fault current and eliminates nuisance trips. PWM rectifier (active front end) for low line harmonics and high PowerFactor. 6 Pulse rectifier also available for low cost solution.